Edelmetall für die Sieger

Fertigungsautomation

Steckverbinder - Die Versorgung von Geräten mit Hilfsenergie über Ethernet-Leitungen stellt die verwendeten Steckverbinder auf eine harte Probe. Insbesondere in rauen Umgebungen gibt es für solche mit veredelten Kontaktoberflächen keine Alternativen.

17. September 2014

Bei dem für die Entwicklung von Ethernet zuständigen Gremium IEEE 802.3 wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem die Hilfsenergie über die gleichen Leitungen übertragen wird wie auch die Ethernet-Kommunikation. Dafür wird jeweils ein Adernpaar für das Plus- und Minus-Potenzial einer Gleichspannung von nominal 48 V genutzt. Bei diesem als »PoE« (Power over Ethernet) bezeichneten Verfahren nach IEEE 802.3af kann maximal eine Leistung von 13,5 W übertragen werden. Die Nachfolgegeneration PoE+ nach IEEE 802.3at überträgt eine Leistung von maximal 25,5 W. Inzwischen ist ein Übertragungsverfahren unter IEEE 802.3bt mit der Bezeichnung PoE++ in der Entwicklung, welches voraussichtlich eine Leistung von mindestens 50 W übertragen kann. Gemeinsam ist allen Verfahren, dass ihre Versorgungsspannung unter die SELV-Kriterien – die Kriterien für die sichere Kleinspannung – fällt und damit nicht berührgefährlich ist. Außerdem muss die Abwärtskompatibilität der Verfahren gegeben sein.

Da nicht alle Geräte die Einspeisung der Hilfsenergie auf den Datenleitungen elektrisch tolerieren können, ist hier ein Verfahren nötig, bei dem das speisende Gerät erst dann die Gleichspannung auf die Datenleitung aufschaltet, wenn das angeschlossene Endgerät die vorgesehene Einspeisung auch bestätigt hat. Dies hat zur Folge, dass beim Einstecken eines Steckverbinders in die Buchse weder die Versorgungsspannung anliegt noch ein Strom fließt. Lediglich eine Detektionsspannung von 2,8 V kann anliegen, die aber – ebenso wie die Spannung zur Signalübertragung – so gering ist, dass die hier fließenden Ströme vernachlässigbar sind.

Beim Ausstecken jedoch ist die Situation eine andere: die Versorgungsspannung liegt an und der Versorgungsstrom fließt. Dieser kann im Fall von PoE+ bei einer Leistung von 25,5 W und einer Spannung von 48 V demzufolge rund 0,3 Ampere pro Ader betragen.

Es kommt auf die Kontaktoberfläche an

Wird eine Gleichstrom-Übertragung getrennt, kann ein Lichtbogen entstehen. Die Ursache dafür ist, dass aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen den beiden getrennten Kontaktteilen ein elektrisches Feld entsteht, das derart große Kräfte verursacht, dass Elektronen aus dem Kontaktmaterial herausgelöst werden und ein Plasma zwischen den beiden Kontaktteilen entsteht. Infolge des heißen Plasmas wird aus den Oberflächen Material herausgelöst und verdampft. Dies geschieht während des Aussteckvorgangs in Sekundenbruchteilen, so dass es bei jedem Steckvorgang geringste Schädigungen an den Kontakten gibt. Über mehrere Steckvorgänge hinweg kann hier jedoch ein signifikanter Abbrand an den Kontakten entstehen.

Besondere Aufmerksamkeit gilt den Kontakt-oberflächen: Sie bestehen bei preisgünstigen Produkten nicht aus einem Edelmetall, weshalb es durch Umwelteinflüsse dann leicht zu Korrosion kommen kann. Bei »edlen« Systemen besteht die Kontaktoberfläche aus einer dünnen Schicht eines Edelmetalls wie Silber oder Gold. Diese Oberflächen haben eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber korrosiven Umwelteinflüssen.

Robuste Goldoberfläche

Weil insbesondere unter industriellen Umgebungsbedingungen Schadgase auftreten, ist in der Praxis die Verwendung von Steckverbindern mit edlen Kontaktoberflächen sinnvoll. Unter dem Einfluss von Lichtbögen kann – wie beschrieben – die Oberfläche abgetragen werden, so dass Schadgase an den beschädigten Kontakten Zugang zum ungeschützten Basismaterial bekommen. Hier kann Korrosion also leicht einsetzen. Ein korrodierter Kontakt besitzt einen größeren Übergangswiderstand als ein unbeschädigter Kontakt, wodurch in Kombination mit dem übertragenen Strom eine Kontakterwärmung eintritt, die wiederum den Korrosionsprozess beschleunigen kann.

Der Steckverbinder ist also schnell soweit geschädigt, dass er weder zur Übertragung von Signalen noch zur Übertragung der Hilfsenergie geeignet ist. Auch zusätzliche mechanische Beanspruchung etwa durch Vibration und Schock führen - insbesondere bei Kontakten, die durch Kontaktabbrand geschädigt sind - zu einer verstärkten Korrosion mit dem bereits erläuterten Schadensmechanismus.

Die genannten Effekte zu vermeiden, ist daher eine wichtige Anforderung im Hinblick auf die zuverlässige Funktion von Automationsanlagen im Industriebereich, die PoE nutzen.

Die Steckverbinder, die dabei auf der Stift- und Buchsenseite eingesetzt werden, sind über die Normvorgaben hinaus durchdacht gestaltet: Erstens werden die Kontakte mit einer Goldoberfläche und einer Trägerschicht versehen, die so robust ist, dass sie auch bei beschädigter Oberfläche ein Weiterkriechen der Korrosion und damit einer Ausbreitung des Schadensvorganges entgegenwirkt. Zweitens sorgt die geometrische Gestaltung der Kontakte dafür, dass die Kontaktgabe im gesteckten Zustand an einem anderen Ort erfolgt als die Kontakttrennung. So kann ein eventuell entstehender Lichtbogen den Kontakt nicht dort schädigen, wo er zur Stromübertragung benötigt wird.

Tests bringen Sicherheit

Um die Eignung dieser konstruktiven Maßnahmen nachzuweisen, wird ein Testprogramm nach IEC 60512-99-001 durchgeführt. Hierbei werden Strombelastung und Trennung unter Last durch ein PoE-System simuliert. Außerdem werden die Umweltbelastungen durch Beaufschlagung mit hochkonzentriertem Schadgas geprüft. So kann die korrosionsfördernde Umgebung nachgestellt werden. Nur Produkte, die bei diesen Tests einen definierten geringen Kontaktwiderstand behalten, sind zum Einsatz in PoE-Anwendungen zu empfehlen.

Qualitativ hochwertige und konstruktiv durchdachte Steckverbinder sind ein wichtiger Bestandteil von Anlagen im industriellen Umfeld, die mit PoE versorgt werden. Mit Komponenten von Phoenix Contact kann so die Kommunikationsverkabelung in automatisierungstechnischen Anlagen zuverlässig gestaltet werden.

Motek: Halle 7, Stand 7301

Erschienen in Ausgabe: 06/2014