Formel 1 der Anschlusstechnik

Um die Forderungen nach kürzeren Errichtungszeiten bei einfacher Inbetriebnahme und Wartung sowie dauerhafter Zuverlässigkeit auch bei elektrischen Schnittstellen zu Verbrauchern und Sensorik zu erfüllen, müssen eingesetzte Steckverbinder und Klemmstellen einfach zu handhaben, schnell zu verdrahten und von hoher Kontaktsicherheit sein.

Im vorliegenden Artikel sollen die Vor- und Nachteile verschiedener Anschlusstechniken beleuchtet werden. Dabei werden Techniken, die, wie die Schneidklemmtechnik, kein Abisolieren des Leiters vor dem Anschließen erfordern, unter dem Begriff Schnellanschlusstechnik zusammengefasst.
Vor- und Nachteile der Schnellanschlusstechnik
Die Vorteile der Schnellanschlusstechnik liegen klar auf der Hand: der Wegfall von mindestens einem Arbeitsschritt beim Anschließen des Leiters spart Zeit und Kosten. Versuche haben gezeigt, dass im Vergleich zum Anschluss eines Leiters an eine Schraubklemmstelle (manuelles Abisolieren und Konfektionieren mit einer Aderendhülse als Spleißschutz) Zeiteinsparungen von bis zu 60 Prozent erzielt werden können. Der Nachteil der Schnellanschlusstechnik, sofern es sich um Schneidklemmtechnik handelt, ist der, im Vergleich zur Schraubklemme, immer noch eingeschränkte Querschnittsbereich der anzuschließenden Leiter. Große Querschnitte ab ca. 6 mm2 lassen sich zur Zeit kaum mittels Schneidklemmtechnik anschließen. Ist zum Anschluss der Leiter auch noch Spezialwerkzeug nötig, so ist das ein weiterer Nachteil, da dieses Werkzeug beim Abnehmer der Anlage nicht unbedingt zur Verfügung steht. Der Trend bei den Marktführern der Verbindungstechnik geht daher klar in die Richtung, Schnellanschlusstechnik zu entwickeln, die auf den Einsatz von speziellen Werkzeugen verzichtet. Prinzipiell bringen neue Anschlusstechniken das Problem der Umgewöhnung des Anwenders mit sich. Dies gilt ebenso für die Federkraftanschlusstechnik, die erst in jüngster Zeit starke Verbreitung findet. Hier hat die Schraubklemmtechnik den Vorteil der “frühen Geburt”. Auch nicht-ausgebildete Personen können bei dieser Technik ohne Probleme einen Leiter anschließen, da die Zuordnung von Klemmstellen-Betätigung (Schraube) und Leitereinführung meist eindeutig und das Funktionsprinzip überall bekannt ist. Diese sogenannte “Standardisierung” gilt es auch für die übrigen Anschlusstechniken zu erlangen.
Anschlusstechniken im Vergleich
Das entscheidende Kriterium bei Auswahl der richtigen Anschlusstechnik ist für den Entwickler sicher die elektrische und mechanische Zuverlässigkeit der jeweiligen Technik. Elektrisch sollte der Anschluss so niederohmig wie möglich sein und dies auch über die gesamte Lebensdauer der Elektronik bleiben (Langzeitstabilität). Mechanisch muss der Anschluss sich gut in das Gerät integrieren lassen und darf den angeschlossenen Leiter auch bei Vibrationen und sonstigen Umwelteinflüssen nicht beschädigen. Gleichzeitig hängt von der mechanischen Ausführung des Anschlusses die Langzeitstabilität des elektrischen Kontakts maßgeblich ab, da nachlassende Kontaktkräfte zwangsläufig zu erhöhten Übergangswiderständen führen. Ein Vergleich der Kontaktkräfte der vorgestellten Anschlusstechniken führt zu folgenden Ergebnissen: Spitzenreiter ist hier die Schraubklemmtechnik. Eine korrekt angezogene Schraube übt auf einen 1,5-mm2-Leiter eine Kontaktkraft von gut über 500 N aus. Eine solche Kontaktkraft durchbricht leicht die eventuell vorhandene Oxid-Schichten auf dem Leiter und sorgt für minimale Übergangswiderstände. Zwar sinkt diese Kontaktkraft aufgrund des Kaltflusses des Kupferleiters, es stellt sich jedoch ein Gleichgewicht bei einer Kraft von deutlich über 200 N ein. Ein regelmäßiges Nachziehen der Schrauben ist aufgrund dieses Gleichgewichts bei modernen Klemmstellen dann auch nicht notwendig. Eine Zugfeder-Klemme übt auf einen 1,5-mm2-Leiter eine deutlich geringere Kontaktkraft aus. Sie liegt hier im Bereich von 40 bis 50 N. Dennoch reicht auch dieser Kontakt bei einer gut konstruierten Klemme aus, um die Normanforderungen an Klemmstellen zu übertreffen. Auf den gleichen Leiter wirkt bei einer Schneidklemme eine Kontaktkraft von 60 bis 80 N. Die Gegenüberstellung zeigt, dass der maximal erlaubte Übergangswiderstand (von der Norm IEC 60947-7-1 als maximaler Spannungsfall bei 1/10 Nennstrom vorgegeben) von allen drei Technologien deutlich unterschritten wird. Kommt es jedoch auf niedrige Übergangswiderstände an, so ist sicher der Schraubklemme der Vorzug zu geben.
Langzeitstabilität
Für Neu-Entwicklungen gibt es labortechnische Verfahren, die es erlauben, eine künstliche Alterung vorzunehmen und somit Aussagen über die Verwendbarkeit im Dauerbetrieb unter realen Bedingungen zu treffen. Hierzu gehören Wärme- und Klimalagerungen ebenso wie Belastungen mit Vibrationen oder mechanischen Schocks. Um bereits bei der Entwicklung von Anschlusselementen mit Schnellanschlusstechnik praxisgerechte Belastungen simulieren zu können, wurden bei Phoenix Contact für die Schnellanschlusstechnik Quix umfangreiche Prüfverfahren entwickelt. Hierbei kommen Prüfungen mit sehr hohen Schärfegraden zum Einsatz, die bereits in der Entwicklungsphase aufzeigen sollen, ob ein neuer Kontakt dauerhaft zuverlässig ist. So muss ein Quix-Kontakt unter Beweis stellen, dass er auch dann noch sicher den kleinsten zulässigen Leiter klemmt, wenn er zuvor mit dem größten Leiter beschaltet und dann 100 Temperaturschocks von -55 °C auf +100 °C ausgesetzt wurde. Die Temperaturwechselzeit beträgt bei diesem Test ca. 1 s. Keine neuentwickelte Schraub- oder Federkraftklemme wird heutzutage solchen Tests unterzogen ? für sie gibt es Produktnormen, die ein vereinfachtes Typprüfprogramm vorschreiben.
Mittlerweile gibt es viele Produkte mit Schnellanschlusstechnik, erste Erfahrungen im industriellen Einsatz sind auch schon vorhanden. So gibt es Untersuchungen von namhaften Schaltgeräteherstellern, die die Eignung von Schneidklemmtechnik an Schaltgeräten (Schützen) belegen: Ein besonderes Augenmerk lag hier bei den bei Schaltvorgängen vorkommenden mechanischen Schocks. Diese Versuche ergaben, dass auch nach 10 Mio. Schaltspielen weder der angeschlossene Leiter beschädigt noch die Übergangswiderstände unzulässig erhöht waren.
Auch bei Prüfungen nach der “Bahnnorm” EN 50155 zeigt sich, dass Schneidklemmtechnik bei richtiger Auslegung vibrationsresistent und schockfest ist. Langfristige Labortests mit andauernder, aber auch mit alternierender Strombelastung wiesen ebenfalls nach, dass der elektrische Kontakt der Quix-Schnellanschlusstechnik stabil ist. Beispielhaft sei ein Langzeittest genannt, dessen Prüfablauf wie folgt aussah: Vibrationsprüfung ? thermische Schockprüfung ? Wärmelagerung ? Klimalagerung ? zyklische Strombelastung. Die Prüflinge wurden zunächst mit dem kleinsten zulässigen Leiter beschaltet und nach mechanischer Vibration, thermischem Schock, Wärme- und Klimalagerung für ca. ein Jahr einer zyklischen Belastung mit dem Nennstrom ausgesetzt. Der Übergangswiderstand der Prüflinge wich im Mittel nur um 10 Prozent vom ursprünglichen Wert vor der Prüfung ab.
Neue Technologien
Bereits zu Anfang wurde der Begriff Schnellanschlusstechnik als Zusammenfassung jener Anschlusstechniken definiert, die ohne das vorherige Abisolieren des Leiters auskommen. Welche Techniken dieser Art gibt es neben der Schneidklemmtechnik? Bei der Durchdringungstechnik wird die Isolation des Leiters von einem spitzen Kontaktmetall durchdrungen und der Kupferleiter von diesem Metall kontaktiert. Diese Technik wird häufig zum Kontaktieren von Flachkabeln angewandt. Ein bekanntes Beispiel ist dabei die AS-i-Verdrahtung. Hier ist es möglich, die Komponenten des Busses an beliebiger Stelle auf das flache und durch seine Form kodierte Buskabel zu setzen und sie im gleichem Arbeitsgang zu kontaktieren. Diese Art der Verdrahtung ist jedoch nicht für industrieübliche Rundkabel geeignet. Eine Abwandlung der Durchdringungstechnik ist die Piercing-Technik. Bei ihr werden spitze, nadelförmige Kontakte in die Stirnseite der Leitungader eingedrückt, um so den Kontakt herzustellen. Diese Technik erlaubt auf geringem Raum eine hohe Kontaktdichte, ist jedoch nur für flexible Leiter geeignet. Entscheidend ist, dass die zu kontaktierenden Adern sehr genau positioniert werden, damit der Kontakt dauerhaft gasdicht hergestellt werden kann.

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