Intelligente Verwendung von leitfähigen Elastomeren

Diese Verbindungen sind in erster Linie HF-Verbindungen und keine elektrischen Sicherheitsverbindungen, die im Falle eines Kurzschlusses oder einer Fehlfunktion für hohe Ströme ausgelegt sind. Sie können auch einen Teil des Schutzes vor Blitzeinschlägen (LS/EMP) eines Flugzeugs bieten, obwohl dies eine eher untergeordnete Funktion ist, da andere Strukturen den meisten Strom führen. Dieser Widerstand kann bis zu 2,5 mΩ betragen und ist leicht zu erreichen, wenn Metallbänder verwendet werden, die die beiden Teile des Aufbaus verbinden. In einigen Fällen, wie z. B. bei einem typischen Mil-C-38999-Verbinder, sind Gurte jedoch nicht möglich bzw. nicht praktisch. Stattdessen erleichtern die Schrauben zusammen mit einer leitfähigen Flach- oder O-Ring-Dichtung die Verbindung des Steckverbinders mit dem Gehäuse.

Leider tritt bei Verbindungen dieser Art manchmal ein Phänomen auf: Der elektrische Widerstand beginnt normalerweise bei einem Wert von R mΩ, bevor er sich in einer vollkommen unkritischen Umgebung ohne ersichtlichen Grund über einen Zeitraum von Tagen oder Wochen allmählich auf das drei- oder vierfache des ursprünglichen Wertes erhöht.

Viele sehen die Ursache für dieses Problem in einer Instabilität der Dichtung. Bei Flachdichtungen kann dies manchmal auf eine Überkompression zurückgeführt werden. Leitende Flachdichtungen weisen im Allgemeinen eine maximale Verpressung von etwa 15 % ihrer ursprünglichen Dicke auf. Die Vermeidung von Schäden durch übertriebenes Anziehen der Befestigungselemente ist aufgrund von Schwankungen der Dicke von typischerweise ±10 bis ±20 % schwierig. Dieses Phänomen tritt auch auf, wenn Kontermutter- oder O-Ring-Dichtungen verwendet werden. Auch wenn ein Metall-Metall-Kontakt besteht, nimmt der Widerstand mit der Zeit zu.

Mechanismen, die zu einem erhöhten Widerstand führen

Um dieses Phänomen zu verstehen ist es erforderlich, das physikalische und elektrische Modell der Verbindung anzusehen, die Leitungspfade zu identifizieren und ihren Beitrag zum Gesamtwiderstand der Verbindung zu quantifizieren. Identifiziert werden müssen auch die Mechanismen, die wahrscheinlich zu einem erhöhten Widerstand führen.

Bild 1 zeigt ein Beispiel für eine Steckverbinderprüfvorrichtung mit der Dichtung in Blau und der oberen und unteren Platte, die die Abdeckung bzw. das Gehäuse des Steckverbinders darstellen und mit vier M3-Schrauben zusammengehalten werden. Die Einheiten im nebenstehenden elektrischen Schaltplan haben folgende Bedeutung:

• R_b steht für den Bolzenwiderstand
• R_c ist der Beschichtungswiderstand des Steckers
• R_g bezeichnet den Dichtungswiderstand
• R_h bezeichnet den Beschichtungswiderstand des Gehäuses

Der Widerstand des tatsächlichen Metalls im Gehäuse und in den Steckverbindern kann ignoriert werden, da er um Größenordnungen kleiner ist als diese anderen Widerstände.

In diesem Szenario gibt es zwei mögliche Leitungspfade:

• durch die Dichtung
• durch den Kontakt zwischen Schraubenkopf und Steckverbinderdeckel und weiter durch den Körper der Schrauben und das Gehäusegewinde

R_b liegt parallel zu den anderen Widerständen und kann bei Metall-Metall-Kontakt über die Gewinde zunächst zu niedrigen Kontaktwiderständen führen. Wenn jedoch der Kontakt oxidiert oder der Druck auf das Gewinde abnimmt, weil die Dichtung allmählich einen gewissen Druckverformungsrest annimmt, kann dieser Pfad vollständig verschwinden oder einen deutlichen Widerstandsanstieg aufweisen.

Wird nun Folgendes angenommen:

• Das Gehäuse und der Steckverbinder bestehen aus einer Aluminiumlegierung.
• Beide sind mit einer Konversionsbeschichtung MIL-DTL-5541, Typ II, Klasse 3 behandelt.
• Auf jeder Oberfläche ist ein spezifischer Widerstand von nicht mehr als 2,5 mΩ/in² erkennbar; insgesamt 5 mΩ/in² durch die Probe gemäß Spezifikation.

Die folgende Tabelle fasst die Dichtungs- und Oberflächeneigenschaften sowie den jeweiligen Beitrag zum Widerstand der Verbindung zusammen (ohne jeglichen Beitrag der Befestigungselemente).

Tabelle 2 zeigt die Verbindungswiderstände.

Die Fläche der Dichtung entspricht der eines Mil-C-38999-Verbinderdichtungsgehäuses der Größe 19 (ca. 4,8 cm² oder 0,75 in²). Der Durchgangswiderstand dieser Dichtung kann mit der Formel R=ρL/A berechnet werden, wobei:

• ρ der spezifische Durchgangswiderstand in Ω cm ist
• L die Dicke in cm ist
• A die Fläche in cm² ist

Vermeiden von übermäßiger Verpressung der Elastomere-Dichtung

Wichtig ist, dass eine leitfähige EMI-Flachdichtung, wenn sie unbeschädigt bleibt, nur sehr wenig zum Gesamtwiderstand beiträgt, der größte Teil kommt von der „leitfähigen“ Chromatbeschichtung.

Wie bereits erwähnt, erreichen einige Baugruppen tatsächlich Kontaktwiderstände von <10 mΩ (zumeist sehr kleine Stecker), die mit der Zeit allmählich ansteigen. Bei Flachdichtungen ist dies normalerweise auf die elektrische Verbindung durch die Bolzen zurückzuführen, die jede Chromatierung auf den Gewinden abkratzen, um beim Anziehen eine kleine Fläche mit engem Metallkontakt zu schaffen.

Der spezifische Durchgangswiderstand von reinem Aluminium beträgt ca. 2,65 E-6-Ω cm oder etwas mehr als das 3000-fache weniger als eine Dichtung bei 0,008 mΩ cm. Um denselben Durchgangswiderstand von 10 mΩ mit nur einem Metallkontakt und einer Kontaktdicke von 0,81 mm zu erreichen, ist eine Fläche von 0,01 mm² erforderlich. Eine Fläche dieser Größe ist beim Anziehen der Schrauben am Stecker leicht zu erreichen, wenn die Schrauben leitfähig sind und die Chromatbeschichtung durch die Aktion abgeschabt wird. Ein paar Gewinde an einer Schraube mit dieser Kontaktfläche ergeben einen Widerstand von 2,15 mΩ parallel zu den 7,49 mΩ der Dichtung (436 mm²).

Da dieser Widerstand parallel zu den Widerständen in Tabelle 2 liegt, ergibt sich bei Verwendung der Formel für Parallelwiderstände ein Ergebnis von 1,67 mΩ.

Ein wichtiger Punkt hierbei ist, dass diese Kontakte der Befestigungselemente nicht stabil sind, insbesondere wenn eine übermäßige Verpressung erkennbar ist. In diesem Fall bewegt sich die Dichtung mit der Zeit langsam, in der Regel an den Ecken, wodurch die Kraft der Schrauben reduziert wird. Die Folge ist ein Kontaktverlust an den Gewinden, ein Druckverlust an der Dichtung und infolgedessen eine Erhöhung des Widerstands. Selbst wenn die Dichtung durch zu starkes Anziehen der Schrauben unbeschädigt bleibt, weist sie wahrscheinlich immer noch einen gewissen Druckverformungsrest auf, was zu einer geringeren Druckbelastung auf die Dichtung und damit zu einem erhöhten Durchgangswiderstand führt.

Auswahl der EMI-Flachdichtung

Die Nachteile einer leitfähigen EMI-Flachdichtung, die aus dünnem Blech gestanzt ist, können auf zwei Arten behoben werden:

• Verwendung eines O-Rings oder D-Rings in einer Nut
• Verwendung einer geformten „flachen“ Dichtung mit Merkmalen in Verbindung mit Kompressionsstopps, entweder am Gehäuse oder am Stecker oder in der Dichtung selbst

Bei O-Ringen sind (wie bei Flachdichtungen) zwei Faktoren zu berücksichtigen:

• die Kontaktfläche des O-Rings
• die Kontaktfläche der Metall-Metall-Oberfläche (ohne Schraubengewinde)

Betrachtet man wieder einen Stecker der Gehäusegröße 19, kann ein geeigneter O-Ring einen Innendurchmesser von ca. 40 mm und einen Querschnitt von 1,78 mm haben. Bei korrekter Auslegung lässt sich abschätzen, dass die Kontaktfläche die volle Breite der Nut beträgt. Dies ergibt eine Kontaktfläche von ca. 257 mm² für die Dichtung und eine Dicke von ca. 1,45 mm, sodass der Widerstand der Dichtung in Verbindung mit den chromatierten Oberflächen 17 mΩ beträgt. Daher muss eine parallele Metall-Metall-Kontaktfläche berechnet werden, um einen Widerstand unter 10 mΩ zu erreichen. Wird die Formel für Parallelwiderstände verwendet, muss der Metall-Metall-Kontaktwiderstand etwa 20 mΩ betragen. Wenn dies durch perfekten Kontakt mit der chromatierten Oberfläche bei 5 mΩ/in² erfolgt, wird ein Kontakt von 0,25 in² (1,6 cm²) erforderlich, was möglich, aber unwahrscheinlich ist. Vor diesem Hintergrund benötigt die Verbindung entweder einen blanken Metall-Metall-Kontakt, wobei eine Beschädigung der Chromatoberfläche in Kauf genommen werden muss, oder es wird ein Klebeband verwendet, das fest an der blanken Metalloberfläche befestigt wird.

Die zweite Option, bei der eine Flachdichtung effektiv durch eine gegossene Formdichtung (möglicherweise mit Kompressionsstopps) ersetzt wird, bietet eine geeignetere und zuverlässigere Option, ist jedoch teurer.

Größe und Anpassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass elektrisch leitfähige Flachdichtungen für die elektrische Verbindung von Steckern für die Luft- und Raumfahrt nach Militärspezifikation funktionieren, solange sie groß genug sind und durch den durch Schrauben erzeugten Druck unbeschädigt bleiben. O-Ring-Dichtungen eignen sich ebenfalls und bieten Schutz vor übermäßiger Verpressung, haben jedoch im Vergleich zu einer Flachdichtung eine geringere Kontaktfläche.

Mit ihrem Anpassungspotenzial bietet eine gegossene Formdichtung die optimale Lösung für Steckeranwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Obwohl sie in Bezug auf die Anschaffungskosten etwas teurer ist als eine Flachdichtung oder ein O-Ring, hat eine gegossene Formdichtung zahlreiche Vorteile bei Design und Betriebskosten. Beispielsweise ist im Vergleich zu gestanzten Dichtungen in der Regel weniger Dichtungsmaterial erforderlich, wodurch die Kosten vieler Anwendungen gesenkt werden. Gleichzeitig können die Druck-/Verformungsanforderungen mit weniger Befestigungselementen erfüllt werden, was zu einer besseren Wartungsfreundlichkeit führt. Zudem können Konstrukteure Befestigungselemente bei Dichtungen einfacher nach innen oder nach außen richten. Dadurch lässt sich das Eindringen von EMI und Feuchtigkeit durch Öffnungen im Gehäuse reduzieren. Die Produktionskosten sinken zudem, da Dichtung, Abdeckung und Verpressungsstopper zu einem Teil zusammengefasst werden, wodurch die Anzahl der zu bestellenden Artikel, die Lagerhaltung und die dazugehörige Dokumentation reduziert werden. Noch dazu können durch die Verwendung von gegossenen Formdichtungen inkonsistente und teure Verbindungsvorgänge vermieden werden.

Beschichtungswiderstand der Dichtung

Eine Beschichtung gemäß MIL-DTL-5541 Typ II Klasse 3 ist immer ein wesentlicher Bestandteil des Widerstands einer leitfähigen Verbindung, da die Konversionsbeschichtung einen spezifischen Durchgangswiderstand von ca. 45 Ωcm hat und eine Dicke zwischen 0,25 und 0,5 µm (10 bis 20 Mikrozoll). Im Vergleich dazu hat eine Dichtung einen spezifischen Durchgangswiderstand zwischen einigen mΩ cm und einigen Ω cm.

Für den Fall, dass bei sehr kleinen Steckerdichtungen niedrige Widerstände von mΩ erreicht werden, ist es wahrscheinlich, dass die Konversionsbeschichtung aus Chromat auf dem Gehäuse, der Steckeroberfläche oder in den Schraubgewinden beschädigt wurde, und dieser niedrige Verbindungswiderstand ist wahrscheinlich nicht stabil.

Wenn der Stecker jedoch groß genug ist oder beispielsweise vier Stecker mit einer Dichtungsfläche von etwa 3,2 cm² (0,5 in²) oder mehr zur Verfügung stehen, sollten es möglich sein, einen niedrigen Verbindungswiderstand von mΩ zu erreichen. Gibt es nicht genügend Fläche, muss möglicherweise eher eine beschichtete Oberfläche anstelle einer Konversionsbeschichtung in Betracht gezogen werden. (neu)