M12-Stecker für die Leistungsübertragung
Energietransfer auf kleinem Raum
Signale, Daten und Leistung: Dies sind die wesentlichen elektrischen Übertragungsformen in einer Industrieanlage. Die kompakten und dennoch leistungsfähigen Steckverbinder der Baugröße M12 eignen sich für dieses Umfeld besonders gut. Seit den 1990er-Jahren als Industriestandard für Signal- und Datenanwendungen weitgehend etabliert, dienen sie zunehmend auch zur Leistungsübertragung.
Dank ihrer Zuverlässigkeit und ihrer internationalen Standardisierung gelten die M12-Steckverbinder mittlerweile weltweit als Synonym für die industrielle Feldverkabelung. Eine wichtige Basis für die erfolgreiche Entwicklung und Verbreitung des M12-Standards auf dem Markt ist die ständige Beurteilung durch internationale Normungsgremien. Am Anfang stand die Bauartnorm IEC 61076-2-101 für Sensor- und Aktor-Steckverbinder. Die intensive Weiterentwicklung durch neue Polbilder und neue Bauformen führte dazu, dass auch die internationale Normung permanent erweitert wird.
Ursprünglich umfasste die IEC 61076-2-101 sämtliche M8-, M12- und M12-Datentechnik-Steckverbinder. Aufgrund der immer umfangreicheren Teile ist diese Norm nun in eigenständige Einzelnormen unterteilt:
- IEC 61076-2-101 für M12-Steck-verbinder,
- IEC 61076-2-104 für M8-Steck-verbinder,
- IEC 61076-2-105 für M5-Steckverbinder und
- IEC 61076-2-109 für M12-Steckverbinder für Datenübertragung.
Für die Übertragung von Leistung entstand dann im Jahr 2011 die IEC 61076-2-111. Die 2011 in den Markt eingeführten Leistungs-Steckverbinder, die häufig auch "M12 Power" heißen, verdrängen sukzessive die gängigen Verkabelungslösungen zur Energieversorgung. Kamen zur Leistungsversorgung - zum Beispiel von aktiven I/O-Modulen - häufig 7/8-Zoll- oder A-kodierte M12-Steckverbindersysteme zum Einsatz, ersetzen viele Anwender diese inzwischen durch leistungsfähigere Steckverbinder vom Typ M12 Power.
Bei der 7/8-Zoll-Version handelt es sich um einen weltweit verbreiteten Steckverbinder für Ströme bis 12 A. Der nominelle Strom pro Pin beträgt maximal 9 A. Allerdings weist der im mittleren Preissegment angesiedelte 7/8-Zoll-Stecker eine relativ große Bauform auf - und bietet zudem auch keine geschirmten Varianten (Bild unten).
Der A-kodierte M12-Steckverbinder benötigt dank seiner kompakten Bauform wenig Platz am Gerät. Außerdem ist er kostengünstig und lässt sich einfach im Feld konfektionieren und bequem an der Maschine installieren. Zudem bietet M12 eine große Programmvielfalt - mit geschirmten Varianten, T- und Y-Verteilern sowie Sensor-Aktor-Boxen. Dafür beträgt der maximale Querschnitt allerdings nur 0,75 mm² - bei einer maximalen Strombelastbarkeit von 4 A pro Pin.
Neue Kodierungen können mehr
Auf der Basis der Vorteile des 7/8-Zoll- und des M12-Steckverbinders mit A-Kodierung entstand 2011 die IEC 61076-2-111 mit den M12-Power-Kodierungen S und T. 2013 entwickelte Phoenix Contact drei weitere M12-Power-Kodierungen, um zusätzliche Applikationsbereiche mit dem innovativen Leistungssteckverbinder bedienen zu können: die Kodierungen K, L und M (Bild unten). Für die Leistungsversorgung elektronischer Geräte kommen heute die M12-Kodierungen T und L zum Einsatz. Die vierpolige Kodierung ermöglicht eine Stromzufuhr von 12 A, die fünfpolige von 16 A. Die mögliche Versorgungsspannung dabei beträgt 63 VDC.
Eine Besonderheit stellt die L-Kodierung dar - dazu existieren vier- und fünfpolige Varianten. Diese Varianten hat die Profibus- und Profinet-Nutzerorganisation in die Profinet Cabling and Interconnection Technology Guideline aufgenommen. Darin empfiehlt sie für Profinet-Geräte, die vierpolige Variante ohne FE-Kontakt zu verwenden. Damit der Endanwender die vier- und fünfpolige Variante nicht verwechselt, sind die Kontaktträger sowie die Leitungen farblich kodiert. Bei den vierpoligen L-kodierten M12-Varianten sind der Kontaktträger und das Kabel schwarz. Bei den fünfpoligen Varianten mit FE-Kontakt sind Kontaktträger und Kabel grau.
Für AC-Applikationen sind die M12-Power-Kodierungen S, K und M vorgesehen. Die S-Kodierung kann mit ihren vier Kontakten - drei Leiter plus PE - bei 690 V 12 A übertragen und damit die übliche Energieversorgung eines Drehstrommotors übernehmen. Bei der K-Kodierung steht im Vergleich zur S-Kodierung ein zusätzlicher Kontakt zu Verfügung. Bei ebenfalls 690 V lassen sich 16 A zum Endverbraucher übertragen. Mit drei stromführenden Kontakten, einem Nullleiter und einem PE kann ein Anwender so eine klassische Drehstromspannungsversorgung aufbauen.
Die M-Kodierung stellt mit ihren sechs Kontakten im Hinblick auf den vorhandenen Bauraum des M12-Steckgesichts das momentane Limit dar. Bei 690 V und 8 A lässt sich ebenfalls ein Drehstrommotor betreiben (Bild oben). Die zwei zusätzlichen Kontakte, die gegenüber der S-Kodierung zu Verfügung stehen, sind in diesem Fall für den Anschluss einer Bremse oder eines Temperaturfühlers im Motor nutzbar. Dies macht ein zusätzliches Kabel für den elektrischen Antrieb unnötig. Installationszeit und damit Kosten sinken auf diese Weise deutlich.
Anforderungen an den Steckverbinder
Neben den Anforderungen nach erhöhten Strom- und Spannungswerten muss der Steckverbinder des Typs M12 Power weitere Spezifikationen erfüllen, um in den jeweiligen Applikationen sinnvoll zum Einsatz kommen zu können. In diesem Kontext ist zum Beispiel die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Kunststoffe des Steckverbinders ein wichtiger Aspekt. Beim Einsatz zur Stromversorgung am Motor kann die Oberflächentemperatur des Gehäuses schnell die 100°C-Marke erreichen. Damit muss der Kunststoff des Kontaktträgers einer Dauertemperatur bis zu 130°C standhalten. Wichtig ist auch die IP-Schutzart. Für den Schutz vor Spritzwasser oder kurzzeitigem Untertauchen muss der M12-Power die Schutzart IP65/IP67 aufweisen.
Eine ebenfalls nicht zu unterschätzende Anforderung ist die Zulassung nach UL - nur damit können Maschinenbauhersteller ihre Produkte auf den nordamerikanischen Kontinent exportieren. Unbedingt erforderlich ist daher die Zulassung nach der UL 2237. Diese Kategorie beschreibt die Anforderungen an die Kabelkonfektionen im Leistungsbereich. Im Gegensatz zur UL 2238, in der die Anforderungen an Signalkonfektionen beschrieben sind, weist die UL 2237 zusätzliche Prüfungen auf.
So ist zum Beispiel der sogenannte "Grounding (Bonding) Path Current Test" für die technische Auslegung des M12-Leistungssteckverbinders von großer Bedeutung. Abhängig vom angeschlossenen Querschnitt der Leitung muss die PE-Kontaktierung einer kurzzeitigen - vier Sekunden dauernden - Bestromung von bis zu 300 A standhalten. Um diesen hohen Strom übertragen zu können, muss eine Querschnittsvergößerung des PE-Kontakts über das metallisch leitende Rändel des M12 erfolgen. Zum Schutz vor einem elektrischen Schlag ist ebenfalls eine Verbindung von Metallrändel zum PE-Kontakt erforderlich.
Diese Verbindung vom metallisch leitenden M12-Rändel zum PE-Kontakt im Kontaktträger stellt der Hersteller Phoenix Contact über ein neuartiges Zinn-Druckguss-Verfahren her. Diese extrem zuverlässige Verbindung hält den harten UL-Anforderungen stand und ermöglicht zudem eine gute Anbindung von geschirmten Kabeln, die bei elektrischen Antrieben zum Schutz vor EMV-Einflüssen häufig zum Einsatz kommen.
Fazit
Das M12-Steckverbindersystem erlaubt nicht nur einen standardisierten Signal- und Datenanschluss, sondern bildet inzwischen auch eine optimale Schnittstelle zur Energieübertragung. Die Baugröße M12 steht für ein besonders kompaktes Gerätedesign, wobei der Bedienkomfort nicht in den Hintergrund rücken muss. Durch die Normung erhalten Anwender zudem die erforderliche Sicherheit in Bezug auf die Austauschbarkeit zwischen den Anbietern. Gerätehersteller haben eine sichere Grundlage für ihre Planungen - auch im Hinblick auf künftige Gerätegenerationen.
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