Verlässlichkeit ist ein Begriff, den wir täglich verwenden. Manche Autos werden aufgrund Ihrer Verlässlichkeit ausgewählt, andere mangels derselben vermieden. Verlässlichkeit ist eine Eigenschaft, die wir uns von unseren Freunden, dem Chef oder der Lohnzahlung erhoffen – die genaue Bedeutung des Wortes variiert jedoch je nach Kontext.
Wenn es um elektrische Steckverbinder geht, ist der Begriff der Verlässlichkeit jedoch klar definiert. Um es einfach auszudrücken: Verlässlichkeit ist „die Wahrscheinlichkeit, dass ein Steckverbinder für einen bestimmten Zeitraum, währenddessen er bestimmten umwelttechnischen oder mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, eine bestimmte Leistung erbringt”.
Diese Definition beinhaltet, dass es ein bestimmtes Leistungsniveau gibt, das durch den Steckverbinder für einen bestimmten Zeitraum zu bestimmten Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten ist. Da einer oder mehrere dieser Faktoren im Laufe der Anwendung Änderungen unterliegen kann, ist die Steckverbinderverlässlichkeitsspezifikation eine Funktion dieser drei Faktoren.
Grundlagen der Steckverbinderherstellung
Was ist überhaupt ein Steckverbinder? Eine generelle Definition von Steckverbindern ist, dass ein Steckverbinder „eine trennbare Verbindung zwischen zwei Einheiten eines elektronischen Systems bietet, ohne inakzeptable Signalverzerrung oder Energieverlust”.
Die Schlüsselworte dieser Definition sind „trennbar” und „inakzeptable Signalverzerrung”, beide abhängig von der Steckverbinderanwendung und den elektrischen und umwelttechnischen Anforderungen.
Unten folgt eine vereinfachte Skizze eines Steckverbinders mit den Hauptkomponenten und einer Detailansicht der Kontaktoberfläche und der Schnittstelle.
Abbildung 1: Elektrische Komponenten eines Steckverbinders (Quelle: TE Connectivity)
Der elektrische Anteil jeder Verbindung besteht aus einem Steckverbinderpin und einer Kontaktpartnerfeder, die eine mechanische Kraft auf den dazugehörigen Pin ausübt, um den elektrischen Stromdurchgang aufrecht zu erhalten. Die Pins und Federn befinden sich jeweils in einer harten Ummantelung. Diese werden zusammengeführt, für gewöhnlich mittels eines Schlüsselmechanismus, um die korrekte Ausrichtung sicherzustellen.
Fehlermodi und Mechanismen
Wenn es keine Fehler gäbe, wäre Steckverbinderverlässlichkeit kein Thema. Wenn wir die Probleme von Steckverbindern betrachten, müssen wir zwischen Fehlermodi und Fehlermechanismen unterscheiden. Ein Fehlermodus ist die bestimmte Art wie der Steckverbinder funktional versagt – gemessen an den Anwendungsanforderungen. Bei Kontaktwiderstand außerhalb der Spezifizierung oder inakzeptablem Einsteckwiderstand handelt es sich beispielsweise um Fehlermodi. Ein Fehlermechanismus ist der Grund für einen Fehlermodus – mechanische Vibration und elektrische Überladung sind beispielsweise Mechanismen, die zu einem Fehler führen können.
Einige häufige Fehlermechanismen und die dazugehörigen Fehlermodi:
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Fehlermechanismus |
Typischer Fehlermodus |
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Mechanische Belastung: Vibration, Stoß, Druckausübung, wiederholtes Verbinden und Trennen |
Schaden an Steckverbindergehäuse und -schlüssel, falsche Verbindung und Schaltkreisschäden, Überbeanspruchung durch unterbrochene oder offene Verbindung |
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Erhöhte Temperaturen |
Schäden an der Isolation, Erhöhter Kontaktwiderstand |
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Niedrigtemperaturen |
Schäden an nicht-metallischen Komponenten |
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Hohe Feuchtigkeit |
Erhöhter Kontaktwiderstand, Korrosion |
Zuverlässigkeit von Steckverbindern beurteilen
Wie werden Verlässlichkeitsmesswerte für Steckverbinder festgelegt? In den meisten Bereichen wird Verlässlichkeit durch eine von drei verfügbaren Methoden gemessen:
1) Tatsächliche Verwendung: überwacht die Betriebsleistung des Produkts.
2) Vorhersage: sagt die Verlässlichkeit aufgrund eines Modells auf der Basis empirischer Studien/Tests hervor.
3) Ausfallanalyse: identifiziert mögliche Ausfallmechanismen und entwickelt ein beschleunigtes Fehlertestprogramm, um Fehler hervorzurufen und die Betriebsleistung hervorzusagen.
Aus unterschiedlichen Gründen sind diese Methoden für Steckverbinder ungeeignet. Standardisierte statistische Daten wie MTTF und MTBF (Mean Time To Failure und Mean Time Between Failures) sind schwer zu erfassen. Stattdessen geben Steckverbinderhersteller ein Set aus garantierten elektrischen und mechanischen Betriebsspezifikationen an sowie Qualifizierungstests, die von Produktproben bestanden wurden.