Aufgemerkt 1951: Der Federklemmanschluss

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In der Rubrik Aufgemerkt stellt die Redaktion ELEKTRONIKPRAXIS regelmäßig Meilensteine aus der Geschichte der Elektronik vor. Diesmal: Wie der Federklemmanschluss die elektrische Verbindungstechnik revolutionierte.

Die Federklemmtechnik wurde erstmalig 1951 mit dem Patent Nr. 838778 dokumentiert. Dabei handelte es sich um eine Klemme mit einem nicht selbsttragenden Kontakteinsatz für eindrähtige Leiter. Die Klemmkraft wurde auf das Isoliergehäuse übertragen. 1957 folgte ein selbsttragender Federklemmanschluss mit Schraubenfedern für alle Leiterarten (Patent Nr. 1095914).

Aufgemerkt: Weitere Höhepunkte der Elektronikgeschichte

Seit 1977 – mit der Entwicklung der Chrom-Nickel-Federstähle – lassen sich „Käfigzugfedern“ herstellen, die ohne zusätzliche Federelemente auskommen. Die Federklemmen eliminieren alle Nachteile des Schraubanschlusses wie komplizierte Handhabung und Kontaktprobleme durch Vibration und Kupferkaltfluss (Materialverformungen z.B. durch Kälte, Wärme oder mechanische Belastungen).

Die ersten Reihenklemmen mit Käfigzugfeder stellte Wago auf der Hannover Messe 1977 vor. In den folgenden Jahren entwickelte sich die Federklemmtechnik zum Industriestandard. Heute gibt es zahlreiche Anschlussvarianten wie die Steckklemme, die Käfigzugfeder oder die Schneidklemme.

Wie eine Klemmverbindung aufgebaut ist

Die Anschluss- und Verbindungsklemmen mit Federklemmen sind heute für Leitungsquerschnitte von 0,08 bis 95 mm² ausgelegt. Sie bestehen in der Regel aus dem Isoliergehäuse, der Stromschiene und der Klemmfeder.

Die Klemme funktioniert analog des Hook'schen Gesetzes, das besagt, dass die rücktreibende Kraft, die eine Feder ausübt, um in ihre Ruhelage zurückzukehren, proportional zur Auslenkung der Feder ist. In der Verbindungstechnik-Praxis wird diese Kraft als Klemm- oder Kontaktkraft bezeichnet. Sie bestimmt neben dem Kontaktdruck die Güte einer Klemmverbindung.

Ein wichtiges Kriterium für den praktischen Einsatz stellen die Leiterauszugskraft und die Leiterhaltekraft dar. Die Mindestwerte sind z.B. in der Norm IEC 60999-1 definiert.

Stahlwerkstoffe für die Klemmfeder

Anfangs, also in den 1950er-Jahren, stand als Federmaterial nur so genannter Wald-und-Wiesen-Stahl zur Verfügung, der aufgrund des hohen Kohlenstoffgehaltes sehr spröde und eigentlich für Federn nicht geeignet ist. Diese Federn brachen daher auch schon bei geringer Belastung.

Erst die Entwicklung austenitischer Federstähle brachte erhebliche Fortschritte. Diese wärmebehandelten Chrom-Nickel-Stähle weisen hohe Zugfestigkeiten auf, sind aber trotzdem sehr duktil, d.h., elastisch. Zudem sind diese Federstähle gegenüber Seeluft und Industriegasen wie Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff beständig. Nennenswerte Kontaktkorrosion zwischen den Federstählen und den Kontaktwerkstoffen sowie den angeschlossenen Kupferleitern wurde nach jahrzehntelangem Einsatz nicht dokumentiert. Ähnlich gut ist der Widerstand gegenüber Relaxation, also bei Langzeitbelastung.

Kunststoffe für das Gehäuse

Der Isolierwerkstoff für das Gehäuse muss temperaturbeständig, bruchsicher sowie beständig gegenüber Säuren und UV-Strahlung sein. Es sollte schwer entflammbar und selbstverlöschend sein. In der klassischen Bauform wird deshalb vorrangig Polyamid (PA6.6) eingesetzt.

Glasfaserverstärkte Isolierwerkstoffe wie Polyphthalamid (PAA-GF) bieten darüber hinaus eine höhere mechanische Festigkeit. Bei dieser Variante ist ein selbsttragender Kontakteinsatz nicht mehr notwendig, da die Klemme direkt am Isoliergehäuse abgestützt werden kann. Damit lassen sich noch kleinere Bauformen realisieren. Ein Beispiel ist der Leiterplattensteckverbinder Picomax von Wago.

Prüfverfahren für Reihenklemmen

Für das Verbindungsmaterial, die Reihenklemmen und Steckverbinder gibt es produktspezifische Prüfverfahren. Die wichtigsten sind: Zugprüfung, Rüttelprüfung, Schockprüfung, Spannungsfestigkeitsprüfung mit Stehwechselspannung, Bemessungs-Stoßspannungsfestigkeit, Kurzzeitstromfestigkeit, Erwärmungsprüfung, Temperaturwechseltest, Klimatest (Industrieatmosphäre, Salznebel, rascher Temperaturwechsel), Schichtdickenmessung sowie Prüfungen des Brandverhaltens (Nadelflamme, Glühdrahtprüfung).

Der Durchbruch der Federklemme kam 1977

Wago hat sich seit der Firmengründung 1951 auf die Federklemmtechnik spezialisiert. So stellte die Firma aus Minden auch bereits 1951 die ersten Federklemmen auf der Hannover Messe vor, die aufgrund der Duktilitätsprobleme jedoch keinen breiten Anklang fanden. 1953 wurden besonders kleinbauende modulare Klemmleisten und Blockklemmen sowie eine komplette Reihenklemmenfamilie auf den Markt gebracht.

Den ersten Erfolg verzeichnete man mit Dosenklemmen, denen als ersten Federklemmen 1973 das VDE-Zeichen erteilt wurde. Der Durchbruch gelang dem Unternehmen 1977 mit der Cage Clamp (Käfigzugfeder), die damals zunächst in Reihenklemmen für Leiterquerschnitte bis 16 mm² eingesetzt wurde. Einen weiteren Meilenstein setzte man 2010 mit der Miniaturisierung beim System picomax, bei dem die modernen glasfaserverstärkten Kunststoffe PAA-GF eingesetzt wurden.

Quellen:

Interne Informationen der Fa. Wago

Witzsch, M. et. al.: Federklemmtechnik, 2. überarbeitete Auflage 2011, MI-Verlag, Landsberg.

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