Steckverbinder - Arten und Einsatzgebiete in der Industrie

Steckverbinder sind das unsichtbare Rückgrat moderner Industrieanlagen – sie sorgen für eine zuverlässige Übertragung von Strom, Signalen und Daten. Ob leistungsstarke Energiesteckverbinder, präzise Signalverbindungen oder hochgeschirmte Datenstecker – jede Industrieanwendung stellt spezifische Anforderungen an Material, Bauform und Schutzart. In diesem Beitrag beleuchten wir die verschiedenen Arten von Steckverbindern, ihre Einsatzgebiete und worauf Sie bei der Auswahl des passenden Steckverbinders achten sollten.

Was sind Steckverbinder

Steckverbinder sind elektromechanische Bauteile, die elektrische oder optische Signale zwischen zwei Komponenten übertragen und eine lösbare Verbindung ermöglichen. Sie bestehen typischerweise aus zwei Hauptteilen: Stecker (männlich, mit Pins oder Kontakten) und Buchse (weiblich, mit passenden Kontaktaufnahmen). Steckverbinder sorgen somit für eine zuverlässige, standardisierte und wartungsfreundliche Verbindung von Systemen und Bauteilen und werden häufig in der Automatisierung sowie in der Maschinen- und Anlagentechnik eingesetzt.

Um die Sicherheit, die Interoperabilität und eine hohe Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, unterliegen Steckverbinder einer Vielzahl nationaler und internationaler Normen und Standards. Diese normativen Anforderungen definieren unter anderem mechanische und elektrische Eigenschaften, Prüfverfahren, Schutzklassen sowie Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Ein zentraler Standard für industrielle Steckverbinder ist die DIN EN 61984, die allgemeine Sicherheits- und Leistungsanforderungen für elektrische Steckverbinder ohne eigene Schaltfunktion festlegt. Sie beschreibt unter anderem Prüfverfahren für Isolationsfestigkeit, Strombelastbarkeit und mechanische Haltbarkeit, um eine sichere Anwendung im industriellen Umfeld zu gewährleisten. Für Steckverbinder in Netzwerken und IT-Infrastrukturen ist die ISO/IEC 11801 von großer Bedeutung. Sie definiert die Anforderungen an Steckverbinder und Kabelsysteme für Telekommunikations- und Datennetze, einschließlich Kategorien für Übertragungsgeschwindigkeiten und EMV-Verhalten.

Die Einhaltung von Normen wie DIN EN 61984 oder ISO/IEC 11801 stellt sicher, dass Steckverbinder den technischen und sicherheitsrelevanten Anforderungen entsprechen, eine langfristige Zuverlässigkeit bieten und weltweit kompatibel sind. Einen ergänzenden Überblick über allgemeine Sicherheitsaspekte im Maschinenbau finden Sie in unserem Blog über Sicherheitsstandards im Maschinenbau.

Die nachfolgende Übersicht zeigt unterschiedliche Arten von Steckverbindern, deren Eigenschaften sowie normative Anforderungen.

Industrielle Steckverbinder nach Art der Übertragung

Industriesteckverbinder lassen sich je nach Art der Übertragung in drei Hauptkategorien unterteilen. Leistungssteckverbinder, Signalsteckverbinder und Datensteckverbinder.

Jede dieser Kategorien erfüllt eine spezifische Funktion und unterscheidet sich hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften, Bauweise und Anwendungsbereiche.

Leistungssteckverbinder sind darauf ausgelegt, elektrische Leistung zur Versorgung von Geräten, Maschinen oder Antrieben zu übertragen. Sie zeichnen sich durch ihre Eigenschaft, hohe Energieströme leiten zu können, sowie eine besonders robuste Bauweise aus. Typische Vertreter dieser Kategorie sind CEE-Steckverbinder für industrielle Stromverbindungen, Hochstromsteckverbinder für die Leistungselektronik und Elektromobilität, sowie M23-Steckverbinder für Motorantriebe.

Signalsteckverbinder bzw. Signalstecker hingegen dienen der Übertragung von analogen oder digitalen Steuer- und Messsignalen. Sie vereinfachen die Anbindung von Sensoren, Aktoren und Steuergeräten in industriellen Automatisierungssystemen. Zu den gängigen Varianten der Signalsteckverbinder gehören M8- und M12-Sensorsteckverbinder, die unter anderem für Feldbus- und Sensornetzwerke genutzt werden.

Datensteckverbinder bzw. Datenstecker sind speziell für die schnelle und störungsfreie Übertragung von Daten konzipiert. Sie spielen eine ausschlaggebende Rolle in Bussystemen und industriellen Netzwerken, in denen hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und EMV-Schutz (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) erforderlich sind. Hierzu zählen unter anderem RJ45-Steckverbinder, die in Ethernet-basierten Netzwerken zum Einsatz kommen, oder M12-X-kodierte Steckverbinder, die für Industrial Ethernet genutzt werden.

Industriesteckverbinder - Bauform und Einsatzgebiete

Industriesteckverbinder sind speziell entwickelte Steckverbindungen, die in rauen, anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden. Sie sind robust, widerstandsfähig gegen Schmutz, Feuchtigkeit, Vibrationen und Temperaturschwankungen und bieten eine zuverlässige elektrische Verbindung für die Energie-, Signal- und Datenübertragung. Industriesteckverbinder lassen sich nicht nur nach der Art der Übertragung kategorisieren, sondern auch nach ihrer Bauform. Die beiden Hauptbauformen, die sich hinsichtlich Design, Funktionalität und Einsatzgebiet unterscheiden, sind Rundsteckverbinder und Rechtecksteckverbinder.

Rundsteckverbinder bzw. Rundstecker sind kompakt, robust und bieten eine hohe Schutzart gegen Umwelteinflüsse, weshalb sie bevorzugt in Sensorik, Maschinenbau und Kommunikationstechnik eingesetzt werden. Rechtecksteckverbinder bzw. Rechteckstecker hingegen sind meist modular aufgebaut, mechanisch stabil und für hohe Strom- und Signalübertragungen ausgelegt, wodurch sie sich ideal für den Schaltschrankbau, die Automatisierungstechnik und den Anlagenbau eignen.

Codierungen von Industriesteckverbindern

Steckverbinder werden codiert, um Fehlverbindungen zu vermeiden, die Sicherheit zu erhöhen und die Installation sowie Wartung zu erleichtern. In industriellen Anlagen gibt es oft mehrere Steckverbinder mit ähnlicher Bauform, die jedoch unterschiedliche Funktionen erfüllen, etwa für Strom-, Signal- oder Datenübertragung. Eine Codierung sorgt dafür, dass nur kompatible Stecker und Buchsen miteinander verbunden werden können. In den gängigen verbreiteten Anwendungen ist die Codierung durch Normen festgelegt, um eine einheitliche und zuverlässige Nutzung sicherzustellen. Man unterscheidet zwei Hauptarten der Codierung:

• Mechanische Codierung: Durch spezielle Kerben, Nuten oder unterschiedliche Steckgeometrien wird sichergestellt, dass nur passende Steckverbindungen in der richtigen Ausrichtung möglich sind.
• Elektrische Codierung: Sie ermöglicht die Kontrolle der korrekten Pinbelegung. Jeder einzelne Pin wird nur für bestimmte Funktionen und elektrische Signale genutzt. Dadurch wird die richtige Zuordnung und die korrekte Funktion der belegten Pins geprüft. Bei Defekt oder falscher Pinbelegung wird ein fehlerhaftes oder falsches Signal übertragen, welches nicht dem erwarteten Signal entspricht und so als Fehler erkannt wird.

Unterscheidungsmerkmale und Auswahlkriterien für Industriesteckverbinder

Industrielle Steckverbinder bzw. Industriestecker gewährleisten eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Komponenten und müssen dabei oft extremen Bedingungen wie Vibrationen, Staub, Feuchtigkeit, chemischen Einflüssen oder hohen Temperaturen standhalten. Da die Anforderungen in der Industrie stark variieren, gibt es eine Vielzahl an Steckverbindertypen, die sich in Bauform, technischen Spezifikationen und Einsatzbereichen unterscheiden. Um den passenden Steckverbinder für eine Anwendung auszuwählen, müssen verschiedene technische und funktionale Kriterien berücksichtigt werden. Dazu gehören unter anderem die Anzahl der Kontakte, die mechanische Bauform, die Schutzart, die elektrische Belastbarkeit sowie die Verbindungstechnik. In den folgenden Abschnitten werden einige dieser Unterscheidungsmerkmale und Auswahlkriterien für Industriesteckverbinder näher erläutert.

Stromstärke und Spannung

Ein erstes wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines Industriesteckers ist die Stromstärke und Spannung, für die er ausgelegt ist. Jeder Steckverbinder besitzt eine maximale Belastungsgrenze, die in Ampere (A) für den Strom und in Volt (V) für die Spannung angegeben wird. Diese Werte müssen genau auf die Anwendung abgestimmt sein, um Überhitzung, Spannungsabfälle oder sogar Isolationsversagen zu vermeiden.

Die Strombelastbarkeit eines Steckverbinders hängt stark von der Umgebungstemperatur ab. Mit steigender Temperatur nimmt die Leitfähigkeit der Kontakte ab, und der Widerstand erhöht sich, was zu zusätzlicher Wärmeentwicklung führt. Daher muss der Dauerstrom, den ein Industriestecker sicher übertragen kann, immer unter Berücksichtigung der tatsächlichen Umgebungstemperatur bewertet werden. Ebenso wird die Nennspannung eines Steckverbinders häufig nur für einen bestimmten Verschmutzungsgrad angegeben. Der Verschmutzungsgrad beschreibt, wie stark ein Steckverbinder durch Staub, Feuchtigkeit oder andere Umwelteinflüsse belastet wird. Eine höhere Verschmutzung kann zu Kriechströmen oder Spannungsüberschlägen führen. Deshalb muss unter solchen Bedingungen die zulässige Nennspannung reduziert werden.

Anzahl der Adern bzw. Pins

Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium für Industriesteckverbinder ist die Anzahl der Adern bzw. Pins. Diese bestimmt, wie viele elektrische Verbindungen innerhalb eines Steckers realisiert werden können. Grundsätzlich gilt: Je mehr Pins ein Steckverbinder besitzt, desto mehr Signale oder unterschiedliche Spannungspegel können über eine einzige Verbindung übertragen werden. 4-polige oder 5-polige Industriestecker werden vor allem für einfache Sensor-/Aktorverbindungen genutzt, da hier meist nur eine Spannungsversorgung und ein Signal erforderlich sind. 16-polige Industriestecker wiederum kommen in komplexen Steuerungs-, Signal- und Leistungsanwendungen zum Einsatz, etwa in Servomotoren oder Steuerungssystemen, bei denen zahlreiche elektrische Signale gleichzeitig verarbeitet werden müssen.

Schutz und Abschirmung

Steckverbindungen müssen in anspruchsvollen Umgebungen zuverlässig funktionieren. Schutzmechanismen dienen dazu, die Steckverbinder vor Feuchtigkeit, Staub, mechanischen Belastungen und elektromagnetischen Störungen zu bewahren und somit die Langlebigkeit und Betriebssicherheit zu erhöhen. Ein zentraler Aspekt ist die Schutzart, die nach den IP-Schutzklassen (IEC 60529) definiert wird. Diese geben an, inwieweit ein Steckverbinder gegen das Eindringen von Feststoffen (z.B. Staub) und Flüssigkeiten (z.B. Wasser oder Öl) geschützt ist. Die Schutzmechanismen und Gehäusematerialien dienen auch dazu, die Industriestecker vor Korrosion zu schützen.

Neben dem mechanischen Schutz ist auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-Schutz) von Bedeutung. Industriestecker können mit metallischen Gehäusen oder Schirmkontakten ausgestattet sein, um empfindliche Signale vor elektromagnetischen Störungen (EMI) oder Hochfrequenzeinstreuungen (RFI) zu schützen. Dies ist besonders wichtig für Daten- und Kommunikationsverbindungen, beispielsweise in Industrial Ethernet- oder Bus-Systemen, wo Störungen zu Signalverlusten oder Datenfehlern führen können.

Montage von Industriesteckverbindern

Bei der Montage von Industriesteckern muss eine sichere, langlebige und zuverlässige Verbindung zwischen elektrischen Komponenten hergestellt werden. Die Montage von Steckverbindern kann je nach Typ und Anwendung mit unterschiedlichen Montagetechniken erfolgen. Eine besonders zuverlässige und langlebige Methode ist das Crimpen, bei dem Adern mit Crimpkontakten verpresst werden – ideal für industrielle Anwendungen mit hohen mechanischen Anforderungen. Hierfür sind präzise Crimp- und Presswerkzeuge unerlässlich. Eine weitere gängige Technik ist das Löten, das eine feste und leitfähige Verbindung zwischen Kabel und Kontakt herstellt, insbesondere für elektronische Bauteile und Leiterplattensteckverbinder. Für eine sichere und professionelle Lötverbindung bietet MISUMI den passenden Lötbedarf an. Beide Methoden bieten eine zuverlässige Lösung, um Steckverbindungen sicher und dauerhaft zu montieren.