Zuverlässigkeit von elektrischen Steckverbindern: Steckverbindertypen & Bedenken
Zuverlässigkeit ist ein Begriff, der in unserem täglichen Leben häufig verwendet wird. Manche Autos werden wegen ihrer hohen Zuverlässigkeit geschätzt; andere werden aus dem gegenteiligen Grund gemieden. Zuverlässigkeit ist eine gewünschte Eigenschaft bei einem Freund, einem Chef, einem Gehaltsscheck; dennoch kann ihre genaue Bedeutung je nach Kontext variieren.
Wenn es um elektrische Steckverbinder geht, hat Zuverlässigkeit jedoch eine präzise Definition. Einfach ausgedrückt: Zuverlässigkeit ist „die Wahrscheinlichkeit, dass ein Steckverbinder für einen gewünschten Zeitraum wie erforderlich funktioniert, während er einer bestimmten Reihe von Umwelt- und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.“
Diese Definition besagt, dass es eine festgelegte Reihe von Leistungsstufen gibt, die für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten werden müssen, während der Steckverbinder unter den festgelegten Bedingungen betrieben wird. Da eines oder alle dieser Elemente je nach Anwendung variieren können, ist eine Zuverlässigkeitsspezifikation für Steckverbinder von allen drei Faktoren abhängig.
Was ist ein Verbinder? Grundlagen der Konstruktion
Was genau ist eigentlich ein Stecker? Eine allgemeine Definition eines Steckers ist, dass ein Stecker „eine trennbare Verbindung zwischen zwei Elementen eines elektronischen Systems bereitstellt, ohne dabei eine unzulässige Signalverzerrung oder Leistungsverlust zu verursachen.“
Die zwei entscheidenden Teile dieser Definition sind „trennbar“ und „inakzeptabler“ Leistungsverlust, die beide von der Anwendung des Steckverbinders und dessen elektrischen sowie Umweltanforderungen abhängen.
Unten finden Sie eine vereinfachte Zeichnung eines Steckverbinders, die die Hauptkomponenten zusammen mit einer Nahaufnahme der Kontaktoberfläche und Schnittstelle zeigt.
Abbildung 1: Elektrische Komponenten des Steckverbinders. (Quelle: TE Connectivity)
Der elektrische Teil jeder Verbindung besteht aus einem Steckkontakt und einer zugehörigen Federkontakt, die eine mechanische Kraft auf den zugehörigen Kontaktstift ausübt, um die elektrische Verbindung aufrechtzuerhalten. Die Kontaktstifte und Federkontakte befinden sich jeweils in einem starren Gehäuse; die beiden Gehäuse werden normalerweise mit einem Schlüsselmechanismus zusammengesteckt, um die richtige Ausrichtung sicherzustellen.
Ausfallarten und Mechanismen von elektrischen Steckverbindern
Wenn nichts jemals fehlschlagen würde, wäre die Zuverlässigkeit von Steckverbindern kein Thema. Beim Blick darauf, was bei einem Steckverbinder schiefgehen kann, können wir zwischen Ausfallarten und Ausfallmechanismen unterscheiden. Eine Ausfallart ist die spezifische Art und Weise, wie der Steckverbinder funktional im Vergleich zu den Anforderungen der Anwendung versagen könnte – zum Beispiel Kontaktwiderstand, der die Spezifikation überschreitet, oder unakzeptabel hohe Steckkraft, sind beide Ausfallarten. Ein Ausfallmechanismus ist die Ursache einer Ausfallart – beispielsweise sind mechanische Vibrationen und elektrische Überbelastung beides Mechanismen, die zu einem Ausfall führen können.
Hier sind einige häufige Fehlermechanismen und ihre typischen Fehlerarten:
| Fehlmechanismus | Typischer Fehlermodus |
|---|---|
| Mechanische Belastung: Vibration, Stoß, anhaltende Biegebelastung, wiederholtes Verbinden und Trennen | Beschädigung des Steckverbindergehäuses und Schlüssels; falsches Verbinden und Schaltungsschäden; übermäßiger Verschleiß, der zu intermittierenden oder unterbrochenen Verbindungen führt |
| Übermäßig hohe Temperaturen | Isolationsverlust; erhöhter Kontaktwiderstand |
| Übermäßig niedrige Temperaturen | Beschädigung nichtmetallischer Komponenten |
| Hohe Luftfeuchtigkeit | Erhöhter Kontaktwiderstand, Korrosion |
Bestimmung der besten elektrischen Steckverbinder: Messung der Zuverlässigkeit von Steckverbindern
Wie entwickeln wir Zuverlässigkeitsmetriken für Steckverbinder? In den meisten Bereichen wird die Zuverlässigkeit anhand einer der drei verfügbaren Methoden bestimmt:
- Aktuelle Verwendung: Überwacht die Leistung des Produkts im Einsatz.
- Prädiktiv: sagt die Zuverlässigkeit basierend auf einem Modell voraus, das durch empirische Studien und/oder Tests entwickelt wurde.
- Physics-of-Failure: identifiziert potenzielle Ausfallmechanismen und entwickelt ein beschleunigtes Ausfalltestprogramm, um Ausfälle hervorzurufen und dadurch die Leistung unter realen Bedingungen vorherzusagen.
Aus verschiedenen Gründen sind diese Techniken jedoch nicht für Steckverbinder geeignet. Standardmäßige statistische Kennzahlen wie MTTF und MTBF (Mittlere Zeit bis zum Ausfall und Mittlere Zeit zwischen Ausfällen) sind schwer zu ermitteln. Stattdessen geben Steckverbinderhersteller eine Reihe von garantierten elektrischen und mechanischen Betriebsmerkmalen sowie eine Reihe von Qualifikationstests an, die von Stichprobenprodukten bestanden wurden.
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