Robuste RJ45-Steckverbinder für den Industrieeinsatz

Fitter Daten-Dinosaurier

04. Februar 2020, 07:00 Uhr   |  Tim Kindermann

Fitter Daten-Dinosaurier

RJ45-Steckverbinder finden ihre Einsatzgebiete von der Heim- und Büroanwendung bis weit hinein in die unterschiedlichsten Industriebereiche. Im industriellen Umfeld gibt es jedoch spezielle Anforderungen. Der Hersteller Phoenix Contact bietet mit einem neuen Programm an RJ45-Steckverbindern eine Geräteschnittstelle für den industriellen Einsatz - was dem in diesem Umfeld oft ungeliebten Standardschnittstelle zu neuer Popularität verhelfen soll.

Wohl kaum ein Steckverbinder ist weltweit so synonym für sein Aufgabengebiet wie der RJ45 - und wird weltweit so häufig falsch bezeichnet. Denn tatsächlich sind die heute bekannten Ethernet-Schnittstellen zwar ebenfalls modulare Steckverbinder mit einer maximalen Anzahl von acht Pins, die alle mit Kontakten ausgestattet sind (8P8C = 8 Pins, 8 Contacts). Mit der in den 1970er Jahren von der Federal Communications Commission (FCC) in den USA registrierten Telefonschnittstelle RJ45S (RJ = Registered Jack) haben die heutigen Steckverbinder jedoch weder die Pin-Belegung noch den Isolierkörper gemein. Und statt in privaten Telefonanlagen kommen die heutigen Steckverbinder in nahezu allen Netzwerkgeräten zum Einsatz.

Vom DSL-Router über das Smart-TV-Gerät bis hin zur Heizungssteuerung sind intelligente Ethernet-fähige Geräte seit Jahrzehnten mit dieser kompakten Datenschnittstelle ausgestattet. Gründe für die weite Verbreitung sind unter anderen die weltweite Verfügbarkeit, die hohe Variantenvielfalt und das niedrige Preisniveau der Geräte- und Kabelsteckverbinder. Immer neue Anwendungsbereiche mit steigenden Datenübertragungsraten, Frequenzen und Sicherheitsanforderungen bringen den RJ45-Steckverbinder jedoch an die Grenzen seiner mechanischen und übertragungsphysikalischen Möglichkeiten.

Wie kann also eine zunächst für Heim- und Büroanwendungen konzipierte Datenschnittstelle industrietauglich ertüchtigt werden, ohne dabei die Normvorgaben zu verletzen? Die Antwort liegt in der richtigen Kombination aus Kabel- und Gerätesteckverbinder.

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Kabel- und Gerätesteckverbinder der Serie RJ45 Industrial sind für industrielle und semi-industrielle Anwendungen konzipiert. Bild: Phoenix Contact

Hohe Nachfrage nach RJ45

In der industriellen Kommunikation wächst der Anteil Ethernet-basierender Kommunikationssysteme, die Feldbusse ablösen, stark. Laut einer Studie von HMS Networks liegt der Marktanteil von Industrial-Ethernet-Systemen 2019 bei 59 Prozent - mit einem jährlichen Wachstum von 20 Prozent [1]. Mit der Anzahl an Kommunikationsteilnehmern steigt selbstverständlich auch die Anzahl notwendiger Datenschnittstellen. Die Nachfrage nach industrietauglichen RJ45-Steckverbindern ist daher enorm.

Mittlerweile gibt es vor allem die RJ45-Buchsen zur direkten Montage auf die Leiterplatte in unzähligen Ausführungen. Auf die zunächst ungeschirmten Varianten folgten schnell und vollumfänglich geschirmte Steckverbindungen mit goldbeschichteten Kontakten, die den Anforderungen des industriellen Umfelds genügen sollten. Allerdings gibt es immer wieder Kompatibilitätsprobleme zwischen RJ45-Steckverbindern und -Buchsen unterschiedlicher Hersteller. In Anwendungen mit hoher mechanischer Belastung oder mit starken Vibrationen führen unterschiedliche Federkontakttypen und Anordnungsvarianten innerhalb der Buchsen oft zu Kontaktierungsfehlern, sodass die stabile Ethernet-Kommunikation der Feld­geräte nicht mehr möglich ist.

RJ45 Industrial auf einen Blick Datenraten bis zu 10 GBit/s nach Kategorie 6A Kabelsteckverbinder mit IDC-Schnellanschluss Leiterquerschnitte: AWG 22-26 - starr und flexibel Optionale LEDs zur optischen Statusanzeige Betriebstemperatur: ? 40 °C bis rund + 100 °C Für THR- und Wellenlöten Gerade und gewinkelte Ausführungen mit optionalen Gehäuseschirmfedern

Solche Kompatibilitätsmängel sind letztlich auch auf die großen Toleranzbereiche in der RJ45-Norm zurückzuführen. Denn wenn man bedenkt, dass das physisch realisierte Kontaktsystem die Kontaktqualität zwischen Steckverbinder und Buchse maßgeblich beeinflusst, wird deutlich, dass der Standard hier lediglich einen normativen Rahmen bildet, der nicht für alle Anwendungsfälle die erforderliche Sicherheit bietet.

Aus diesem Grund entwickelten unterschiedliche Hersteller robustere Kontaktsysteme für den industriellen Einsatz. Auch die M12- oder Push-Pull-Varianten von Phoenix Contact gehören dazu. Aufgrund ihrer Materialauswahl, ihrer Verschlussausführung sowie ihrer mechanisch stabilen Tüllengehäuse sind diese Varianten dem Standard-RJ45-System in puncto Zuverlässigkeit, Robustheit und Schutzart überlegen. Sie sind jedoch speziell für IP-geschützte Bereiche konzipiert - und daher für industrielle Anwendungen ohne erhöhten Staub-, Schmutz- oder Spritzwasserschutz überdimensioniert.

Für diese Anwendungsgebiete hat der Hersteller ein robustes, abgestimmtes Design für Kabel- und Gerätesteckverbinder entwickelt. Das Design der Serie "RJ45 Industrial" bietet eine höhere Zuverlässigkeit als bisherige Standardschnittstellen.

Um eine optimale Andruckkraft und Kontaktüberdeckung zwischen Stecker- und Buchsenkontakten zu erzielen, haben die Produktentwickler die Stecktiefe des Steckverbinders neu auf die Federkontakte der Buchse abgestimmt. Das Ergebnis: eine höhere Kontaktnormalkraft und bessere mechanische Stabilität im gesteckten Zustand sowie - daraus resultierend - eine höhere Toleranz gegenüber einwirkenden Belastungen wie Vibrationen oder Zugkräften.

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Das optimierte Kontaktsystem gewährleistet eine hohe elektromechanische Stabilität bei Vibrationen oder Schock. Bild: Phoenix Contact

Zusätzliche Stabilität bieten zwei spezielle Andruckfedern des Kabelsteckverbinders. Diese befinden sich auf der Oberseite des Steckverbinders neben dem Rasthaken und verbessern den Anpressdruck im gesteckten Zustand. Dies minimiert nochmals zusätzlich die Toleranzunterschiede zwischen Steckverbinder und Buchse, die bei einer hohen mechanischen Belastung zu Kontaktunterbrechungen führen können.Da Geräteschnittstellen in der Industrie oft einer erhöhten mechanischen Belastung durch Vibrationen oder Zugkräfte am Kabel unterliegen, hat der Hersteller die Buchsen der Industrial-Serie zusätzlich mit Schirmkontakten versehen. Wie der Name andeutet, dienen diese Kontakte vorrangig dazu, die Signal-Pins gegenüber elektromagnetischen Einflüssen abzuschirmen und diese Schirmung unterbrechungsfrei in das Gerätedesign fortzuführen.

Ein positiver Nebeneffekt ist dabei, dass sie auch die mechanische Stabilität zur Leiterplatte erhöhen und so verbesserten Schutz selbst bei dauerhaften Vibrationen bieten. Neben verbesserten elektromechanischen Eigenschaften bietet die Serie RJ45 Industrial auch eine höhere Temperaturfestigkeit gegenüber herkömmlichen RJ45-Schnittstellen. Der spezielle glasfaserverstärkte Hochtemperaturkunststoff ist für eine Betriebstemperatur von -40?°C bis rund 100?°C ausgelegt. Dies ist nicht nur relevant, wenn hohe Temperaturen von außen einwirken wie beispielweise in Fertigungsstraßen.

Auch bei hohen Packungsdichten im Gerät selbst oder im Schaltschrank können durch die mangelnde Luftzirkulation schnell hohe Temperaturen und Temperaturschwankungen auftreten. Materialien mit hohen Ausdehnungskoeffizienten sind anfälliger für diese Einflüsse und können daher die elektrische Funktion nicht in gleichem Maße sicherstellen.

LED-Anzeigen für zusätzlichen Komfort

Optionale Hybrid-LEDs erlauben den Anwendern und dem Wartungspersonal im Feld, den Zustand der Datenschnittstelle und damit die Funktion des Geräts auf einfache Weise zu überprüfen. Die Kombination aus zwei LED-Paaren - jeweils gelb und grün - erlaubt die flexible Visualisierung der elektrischen Funktion sowie der aktiven Datenverbindung je nach Programmierung des Geräts.

Fazit

Der schnell zunehmende Automatisierungs- und Digitalisierungsgrad industrieller und semi-industrieller Anwendungen führt zu einem großen Bedarf an robusten und hochverfügbaren Datenschnittstellen. Industrietaugliche RJ45-Schnittstellen sind eine gute Lösung für Anwendungen, die keinen erhöhten Schutz gegen Staub, Schmutz oder Spritzwasser erfordern.

Weitere Informationen [1] www.openautomation.de/detailseite/hms-marktanteile-industrieller-netzwerke-2019.html

Tim Kindermann ist als Produkt-Manager Datensteckverbinder in der Business Unit Field Device Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg tätig, www.phoenixcontact.de.

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