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Rundsteckverbinder M5 bis M12. Einzigartige Vielfalt für Daten, Signale und Leistung

Anke Beck | Product Marketing Manager Field Device Connectors | PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH
Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH

Rundsteckverbinder werden häufig im Bereich der Kabel-Gehäuse- oder Kabel-Leiterplatten-Verbindungen eingesetzt. Rundsteckverbinder haben ein rundes, kreisförmiges Steckgesicht. Diese symmetrische Form bietet Vorteile, insbesondere in Bezug auf Montagemöglichkeiten, Dichtigkeit und Verriegelungsarten. In der Industrie werden hauptsächlich Rundsteckverbinder M5, M8 und M12 verwendet, also Rundsteckverbinder mit genormten Durchmessern von 5, 8 oder 12 mm. Auf deren Grundlagen wird im Folgenden näher eingegangen.

Anforderungen an Rundsteckverbinder

Rundsteckverbinder sind meist für Anwendungen in anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen vorgesehen. Sie verfügen, im Gegensatz zu beispielsweise Leiterplattenverbinder, über ein die Kontakte umhüllendes Gehäuse und bieten somit den Kontakten einen besseren Schutz. Die anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen sind charakterisiert durch

  • Große Temperaturbereiche und -schwankungen
  • Schock und Vibration
  • Staub, Chemikalien, (aggressive) Flüssigkeiten, schädliche Gase und UV-Belastung

Unter diesen Gesichtspunkten ist der Einsatz von Rundsteckverbindern in Außen-, mobilen und industriellen Anwendungen besonders sinnvoll.

Rundsteckverbinder müssen bestimmten technischen Anforderungen genügen, die je nach Design und Nutzung zu berücksichtigen sind. Das sind neben den klassischen Anforderungen wie Strombelastbarkeit der Kontakte und die Spannungsfestigkeit:

  • Montage, Handhabung
  • Verriegelung, Drehmoment bei Schraubverbindungen
  • Konfektionierung (mit Kabel), Zugentlastung
  • Schirmung, wichtig bei Datensteckverbindern
  • Kontaktdichte

Anwendungsbereiche der Rundsteckverbinder

Der klassische Rundsteckverbinder M12 kommt aus der Sensor-/Aktorverkabelung, was in den 90er-Jahren des letzten Jahrhunderts begann. Seit dieser Zeit hat sich der Rundsteckverbinder in viele Bereiche der Industrie ausgedehnt. So werden auch zwischenzeitlich mit den Kodierungen K, L und M im Leistungsbereich Motoren in der Antriebs und Fördertechnik angesteuert. Weitere Anwendungsbereiche sind beispielsweise:

  • Antrieb- und Fördertechnik
  • Robotertechnik
  • Gebersysteme
  • Servomotoren
  • Schiffstechnik
  • Infrastrukturanwendungen

 

 

Normung und Standardisierung

Die vielfältigen Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten verlangen nach einer Normung und Standardisierung, um in den jeweiligen Bereichen die Kompatibilität sicherzustellen. Standardisierung und Normung sind in vielen Bereichen des täglichen Lebens zur Vereinfachung allgegenwärtig. So auch in der Industrie und natürlich bei Steckverbindern, in diesem Fall bei den Rundsteckverbindern M5, M8 und M12.

Die Basisnorm ist die IEC 61076-2, die seit den 90er Jahren mit den M12-Rundsteckverbindern existiert und seitdem kontinuierlich weiterentwickelt wurde:

  • M12: IEC 61076-2-101 (Bereich Signal)
  • M12: IEC 61076-2-109 (Bereich Data)
  • M12: IEC 61076-2-111 (Bereich Power)
  • M12: IEC 61076-2-113 (Daten Hybrid)
  • M8: IEC 61076-2-104
  • M5: IEC 61076-2-105

Entsprechend diesen Normen sind die Steckgesichter, Polbilder und die Codierungen der Steckverbinder untereinander kompatibel. Wichtig zu wissen: Die Rückseite des Steckverbinders ist nicht genormt. Der Leiterplattenanschluss kann daher hinsichtlich des Footprints nicht überall gleich sein.

Rundsteckverbinder für Signale

Rundsteckverbinder für die Übertragung von Signalen charakterisieren sich wie folgt:

  • Bis 17polige Varianten
  • Bis 4A Stromtragfähigkeit
  • Spannungsfestigkeiten bis 250V
  • Optionale Schirmanbindungen

Eine häufige Anforderung ist es viele unterschiedliche Signale über eine Verbindung laufen zu lassen. Rundsteckverbinder für Signale weisen aus diesem Grund sehr hochpolige Varianten auf.

Die Standard-Polzahlen existieren schon seit rund 30 Jahren und wurden mit der Zeit zunehmend bis 17 Pole ausgeweitet. Typisch für die Signalverbinder ist die A, B und D-Kodierung:

Steckgesichter der A-Kodierungen

Steckgesichter der B- (links) und der D-Kodierung (rechts)

Rundsteckverbinder für Daten

Bei den Steckverbindern speziell für Daten steht die Fähigkeit im Vordergrund hohe Frequenzen möglichst verlustfrei übertragen zu können. Auch hier gibt es eine Vielzahl an Varianten und Polzahlen. Die X-Kodierung ist die klassische Kodierung für den Datenbereich mit häufiger Verwendung. Diese verfügt über ein Schirmkreuz in der Mitte. Diese Kodierung erlaubt Übertragungen bis 10Gbit/s. Im industriellen Umfeld spielt die Y-Kodierung eine Rolle, diese hat jeweils vier Daten und Powerkontakte. Dadurch werden die Strom- und Datenversorgung mit dem Anschluss einer Steckverbindung umgesetzt. Rundsteckverbinder mit der X- oder Y-Kodierung bieten für die Datenübertragung eine robuste Alternative zu RJ45-Verbindungen.

Steckgesichter der X- (links) und der Y-Kodierung (rechts)

Rundsteckverbinder für Leistung

In dieser Kategorie sind nur Steckverbinder für M12 spezifiziert, da die kleineren Steckverbinder mit M5 oder M8 zu klein sind für hohe Stromtragfähigkeiten und ausreichenden Kontaktabständen.

Für AC-Versorgungen mit PE Anschluss gibt es 2, 3, 4 oder 5 polige Varianten mit den S-, K- und M-Kodierungen. Für DC-Verbindungen mit vier Polen empfiehlt sich die T-Kodierung. Die L-Kodierung ist von der Profinet-Nutzerorganisation freigegen worden, um die Ablösung von nichtmetrischen 7/8“-Rundsteckverbindern voranzutreiben. Die L-Kodierung verfügt über einen FE-Anschluss.

Kodierungen von Rundsteckverbindern für die Leistungsübertragung
 

Anschluss der Rundsteckverbinder am Gehäuse

Die mechanische und elektrische Verbindung von Rundsteckverbindern kann auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden.

  • Leiterplattenanschluss durch Verlöten auf einer Leiterplatte
  • Leiterplattenanschluss mit vorkonfektionierter Leitung
  • Leiterplattenanschluss mit vorkonfektionierter Litze

Bauformen für die Leiterplattenmontage

Für das Wellenlöten

  • Ein- und zweiteilige Ausführungen
  • Einheit aus Kontaktträger Gehäuseverschraubung

Surface Mount Technology

  • zweiteiligen Ausführungen
  • Kontaktträger auf Leiterplatte aufsetzen, verlöten und Gehäuseverschraubung montieren

Through-Hole-Reflow-Löten

  • Zweiteilige Ausführungen

Bei der einteiligen Ausführung (im Bild für das Wellenlöten links) ist der Kontaktträger und die Gehäuseverschraubung eine Einheit. Bei den zweiteiligen Ausführungen wird der Kontaktträger auf die Leiterplatte gesetzt, anschließend die Verlötung durchgeführt und dann die Gehäuseverschraubung montiert. Die Gehäuseverschraubungen sind für die hohen Temperaturen in Lötöfen nicht geeignet und dürfen aus diesem Grund erst nach dem Lötprozess montiert werden. Aus diesem Grund sind für das Reflow- und THR-Verfahren geeignete Bauformen nur zweiteilig erhältlich.

Befestigungsarten in der Gehäusewand

  • Die Schraubvarianten sind für das Einschrauben in Gehäusewände geeignet. Es muss die passende Verriegelung für den Gegenstecker gewählt werden.
  • Einclipsvarianten werden in die Gehäusewand eingeclipst.
  • Einpressvarianten werden mit entsprechendem Druck in die Gehäusewand eingebracht.

Darüber hinaus ist es wichtig, wie schon behandelt, die Art der Verlötung zu berücksichtigen, hat man eine Vorder- oder Hinterwandmontage, welche Gewindeart passend ist und welche Art von Dichtung (O-Ring, Flachring).

Unterschiedliche Varianten für die Gehäusemontage

Die Vorderwandmontage

Bei der Vorderwandmontage setzt man den Steckverbinder von Außen auf die Gerätewand. Die Vorderwandmontage ist Steckverbindern vorbehalten, die über einen Litzenanschluss verfügen oder vorkonfektionierte Kabel.

Die Hinterwandmontage

Bei der Hinterwandmontage setzt man den Steckverbinder von Innen auf die Gerätewand. Die Hinterwandmontage wird in Regel für Steckverbinder benutzt, die direkt auf Platinen gelötet werden. Auch hier wieder die Möglichkeit, einteilige Varianten zu verwenden, bei dieser wird die Gehäuseverschraubung mit einer Mutter befestigt. Bei der zweiteiligen Variante wird der aufgelötete Kontakträger mit der separaten Gehäuseverschraubung zusammengefügt. Die Gehäuseverschraubung ist dann schon in der Gehäusewand montiert.

 

Die Verriegelungsarten

Standard-Schraubverriegelung

  • Weltweit bekannt und seit langem eingesetzt
  • Installation durch aufwändiges Verschrauben

Push-Pull-Innenverriegelung

  • Herstellerübergreifendes Verriegelungssystem
  • Komfortabel stecken
  • Versenkbare Geräteports
  • Bis zu 80 % weniger Installationszeit im Vergleich zur Schraubverbindung

Push-Pull-Außenverriegelung

  • Einfaches und sicheres Stecken
  • Geeignet für Bahnanwendungen
  • Herstellerübergreifendes Verriegelungssystem 

Die Push-Pull-Innen- und Außenverriegelungen in M12 sind in der Norm IEC 61076-2-010 standardisiert, der sich nahezu alle etablierten und namhaften Hersteller von Rundsteckverbindern angeschlossen haben. Somit ist eine Kompatibilität herstellerübergreifend gewährleistet.

Daneben gibt es noch die Norm IEC 61076-2-012 für Push-Pull-Innenverriegelungen in M12. Diese wird nur von den Herstellern Yamaichi und TE verfolgt.

Eine weitere Eigenschaft der Push-Pull-Innenverriegelung ist die sogenannte Duo-Kontur. Bei der Verwendung eines geräteseitigen Steckverbinders für die Push-Pull-Innenverriegelung ist es möglich neben dem Push-Pull-Feldstecker auch ein Feldstecker mit Standard-Schraubverriegelung anzubringen. So ist es möglich bei der Vorderwandmontage den Gerätewandsteckverbinder im Allgemeinen mit einer Push-Pull-Variante unkompliziert auszutauschen. Bei der Hinterwandmontage kann die Vergrößerung des Gehäuseausschnittes notwendig sein.

Speedcon-Schnellverriegelung (Phoenix Contact)

  • Verriegelt wird mit einer ½ Umdrehung wie bei einer Schraubverriegelung
  • Schneller als die Standard-Schraubverrriegelung, etwas langsamer als die Push-Pull-Verriegelung.
  • Zeitersparnis bei der Installation

Übersicht der Kompatibilität der unterschiedlichen Verriegelungsarten

 
 

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