Steckverbinder und Kabelkonfektionierung aus einer Hand
Zuverlässige Datenübertragung mit robuster Konnektivität
Die Vernetzung moderner Produktionsstätten im Sinne von IoT erfordert eine umfassende und zuverlässige Konnektivität - und zwar sowohl für die Daten- als auch die Stromversorgung. Konnektivitätslösungen für industrielle Anwendungen müssen robust und leicht zu reinigen sein und industriellen Schutzklassen entsprechen. Dabei spielt auch die passende Kabelkonfektionierung eine entscheidende Rolle.
Bild: Fischer Connectors GmbH

Der Leiter muss die benötigte Strombelastbarkeit aufweisen und der Umgebungstemperatur standhalten. Gleichzeitig müssen die richtige Abschirmungsart, das passende Isolationsmaterial und der passende Litzenaufbau beachtet werden. Auch die Auswahl der richtigen Anschlusstechnik spielt eine Rolle und muss passend zur Anwendung gewählt werden.

Kabelkonfektionslösungen verbinden Steckverbinder und Kabel, um zuverlässige Signal- und Stromverbindungen zwischen Geräten herzustellen. Umgebungsbedingungen, Flexibilität, Gewichtsreduzierung, elektromagnetische Abschirmung und viele weitere Faktoren müssen dabei für die optimale Konfektionierungslösung der jeweiligen Anwendung berücksichtigt werden. Darüber hinaus spielen die Größe der Lösung, das Material und die Konfiguration der Leiter, die Form des Steckverbinders, die Kabelkonfiguration einschließlich des Mantelmaterials und die Festigkeitselemente eine Rolle. Auch die Entscheidung, ob aktive elektronische Komponenten in die Baugruppe integriert werden sollen oder lieber eine Draht-zu-Draht-Verbindung gewählt werden sollte, muss getroffen werden. Nur wenn alle Komponenten optimal auf die Anwendung abgestimmt sind, ist eine zuverlässige Datenübertragung garantiert. Dabei muss mit großer Sorgfalt vorgegangen werden, denn neben der mangelhaften Funktionalität besteht die Gefahr, dass die Lösung überdesigned und damit unnötig teuer und technisch überdimensioniert wird. Ein besonderes Augenmerk muss auf die Schutzart gelegt werden. Denn wenn der Steckverbinder gegenüber äußeren Einflüssen wie Flüssigkeiten oder Staub resistent ist, ist dies nur die halbe Miete. Auch der Kabelanschluss muss so gestaltet sein, dass er diesen standhält.

Bild: Fischer Connectors GmbH

Elektrische Anforderungen

Zu allererst sollte die optimale Größe des Leiters bestimmt werden. Dabei sind die elektrischen Anforderungen der entscheidende Faktor. Der Leiterquerschnitt sollte auf der Grundlage der für die Anwendung erforderlichen Stromlast ausgewählt werden. Auch die Umgebungstemperatur muss für den optimalen Kabelquerschnitt berücksichtigt werden. Ist der Leiter zu dünn, hält er den Temperaturen, die beim Leiten von Strom entstehen sowie etwa durch die Abwärme von Maschinen von außen auf die Kabel wirken, nicht stand. Ist er hingegen zu dick, entstehen unnötig Kosten. Dabei muss auch berücksichtigt werden, wie viele Leiter im Kabel benötigt werden. Während klassische Ethernet-Verbindungen bis zu acht Leiter benötigen, um High-Speed-Datenübertragung zu gewährleisten, sind es bei Single-Pair-Ethernet-Systemen lediglich zwei Litzen. Mithilfe mathematischer Berechnung lässt sich der ideale Leiterquerschnitt bestimmen. Die Formel berücksichtigt die Anzahl der Drähte anhand eines festen Faktors, die Außentemperatur sowie die zu erwartende maximal Temperatur beim Leiten.

Auch das Material des Leiters muss sorgsam gewählt werden. Im Normalfall besteht dieser aus Kupfer. Es gibt allerdings eine Vielzahl an verschiedenen Kupferlegierungen, die eine höhere Härte, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen aufweisen. Allerdings muss man dabei einen kleinen Verlust an elektrischer Leitfähigkeit einhergehen. Diese Legierungen eignen sich besonders für Anwendungen mit kleinen Querschnitten, da sie mehr Stabilität bieten als herkömmliches Kupfer. In manchen Fällen muss auch über eine Beschichtung nachgedacht werden. Wenn die Baugruppe in einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt wird, oxidiert Kupfer schnell. Um dies zu verhindern, sind Zinn-, Silber- und Nickelbeschichtungen besonders geeignet. Zinn- und Silberbeschichtungen verhindern die Oxidation und Korrosion von Kupfer und verbessern die Lötbarkeit und den Anschluss der Leiter. Bei Anwendungen in Hochtemperaturumgebungen ist eine Versilberung oder Vernickelung die beste Wahl zum Schutz der Leiter. Dadurch lassen sich die Lebensdauer erheblich verlängern und Ausfälle vermeiden.

Bild: Fischer Connectors GmbH

Abschirmung

Weiterhin wichtig bei der Kabelkonfektionierung ist die richtige Abschirmungsart. Die Abschirmung ist eine leitende Barriere, die die isolierten Drähte innerhalb eines Kabels umgibt. Mit der Abschirmung wird Rauschen, das von anderen Kabeln oder elektronischen Geräten in der Nähe oder von benachbarten Drähten innerhalb eines Kabels ausgeht, verhindert und eine unterbrechungsfreie Signalübertragung gewährleistet. Sie verhindert auch, dass elektromagnetische Störungen (EMI) aus dem Kabel herausstrahlen. Eine gute Gesamtschirmwirkung eines Kabels ist nur dann gegeben, wenn die Abschirmung an beiden Enden des Kabels ordnungsgemäß an den Steckverbinder angeschlossen ist. Dafür gibt es verschiedene Lösungen, wie spezielle Folien oder Geflechte. Besonders effizient ist eine Kombination aus Geflecht und Folie. Sie kombiniert die hohe Abschirmwirkung des Folienschirms mit der flexiblen Lebensdauer des Geflechts. Dadurch wird die erforderliche Abschirmwirkung mit langer Lebensdauer sichergestellt.

Bild: Fischer Connectors GmbH

Litzen

Da die Gefahr eines Leiterbruches durch Biegung bei Litzenleitungen wesentlich geringer ist als bei Massivdrahtleitern mit gleichem Querschnitt, werden diese vorrangig dort angewendet, wo eine häufige Bewegung oder Rüttelbeanspruchung stattfindet, beispielsweise bei Maschinen und Robotern. Je nach erforderlicher Flexibilität und Beanspruchungsgrad verwendet man fein- oder feinstdrähtige Litzenleitungen. Dabei gibt es verschiedene Arten von Litzen, die verschiedene Vorteile haben. Besonders häufig wird die Bündellitze eingesetzt, da sie beim Kabeldesign optimale Flexibilität bietet. Hierbei handelt es sich um eine beliebige Anzahl von Litzen in einem zufälligen Muster. Dabei haben alle Litzen die gleiche Schlagrichtung und die gleiche Schlaglänge. Ähnlich aufgebaut sind sogenannte konzentrische Litzen oder Unilay. Dabei handelt es sich um einen zentralen Draht, umgeben von einer oder mehreren Lagen schraubenförmig verlegter Drähte in einem geometrischen Muster, mit gleicher Schlagrichtung und gleicher Schlaglänge. Die Litzen haben in der Regel einen größeren Durchmesser. Unilay-Leiter sind die zweithäufigste Variante nach den Bündeln, das sie eine ähnlich hohe Flexibilität bei etwas niedrigeren Kosten bieten. Auch hier muss passend zur Anwendung entschieden werden, ob und wenn ja welche Art von Litze gewählt werden soll.

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