Steckverbinder
RJ45 - fit für das IIoT
Industrietaugliche RJ45-Steckverbinder sind eine gute Lösung für Anwendungen ohne erhöhten Schutz gegen Staub, Schmutz oder Spritzwasser. Wie muss die Datenschnittstelle aussehen, damit der 'Dino der Datenübertragung' ohne Abstriche Industrie-Anwendungen bedienen kann?
Die heute weltweit gern als RJ45 bezeichneten Ethernet-Schnittstellen sind zwar wie das Original 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 Communication Commission (FCC) in den USA registrierten Telefon-Schnittstelle RJ45S (RJ = registered jack) haben die heutigen Steckverbinder aber weder die Pin-Belegung noch den Isolierkörper gemeinsam. Und statt in privaten Telefonanlagen kommen die heutigen Steckverbinder in nahezu allen Netzwerk-Geräten zum Einsatz. Vom DSL-Router über den Smart-TV bis zur Heizungssteuerung werden intelligente ethernetfähige Geräte seit Jahrzehnten mit dieser kompakten Datenschnittstelle ausgestattet.
Die globale Verfügbarkeit, die Variantenvielfalt und das niedrige Preisniveau der Geräte- und Kabelsteckverbinder zählen zu den Gründen für die weite Verbreitung. Doch immer neue Anwendungsbereiche mit steigenden Datenübertragungsraten, Frequenzen und Sicherheitsanforderungen bringen den RJ45-Steckverbinder an die Grenzen seiner mechanischen und übertragungsphysikalischen Möglichkeiten.
Wie also kann eine zunächst für Heim- und Büroanwendungen konzipierte Datenschnittstelle industrietauglich gemacht werden, ohne dabei die Normvorgaben zu verletzen?
Hohe Nachfrage nach RJ45
In der industriellen Kommunikation wächst der Anteil ethernetbasierter Kommunika-tionssysteme, die Feldbusse ablösen, rasant. Laut einer Studie von HMS Networks liegt der Marktanteil von Industrial-Ethernet-Systemen 2019 bei 59 % – mit einem jährlichen Wachstum von 20 %. Mit der Anzahl an Kommunikationsteilnehmern wächst entsprechend die Anzahl notwendiger Datenschnittstellen, sodass die Nachfrage nach industrietauglichen RJ45-Steckverbindern enorm ist.
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 sollen. Allerdings gibt es immer wieder Kompatibilitätsprobleme zwischen RJ45-Steckverbindern und -Buchsen unterschiedlicher Hersteller. In Anwendungen mit hoher mechanischer Belastung oder starken Vibrationen führen unterschiedliche Federkontakttypen und Anordnungsvarianten innerhalb der Buchsen oftmals zu Kontaktierungsfehlern. Eine stabile Ethernet-Kommunikation der Feldgeräte ist so nicht mehr möglich.
Große Toleranzbereiche
Das optimierte Kontaktsystem sorgt für hohe elektro-mechanische Stabilität bei Vibrationen oder Schock.
© Phoenix ContactSolche Kompatibilitätsmängel sind letztlich auch auf die großen Toleranzbereiche in der RJ45-Norm zurückzuführen. Das physikalisch realisierte Kontaktsystem beeinflusst die Kontaktqualität zwischen Steckverbinder und Buchse maßgeblich – der Standard bildet hier lediglich einen normativen Rahmen, der nicht für alle Anwendungsfälle die erforderliche Sicherheit bietet.
Kabel- und Gerätesteckverbinder der Serie ‚RJ45 Industrial‘ wurden für industrielle und semi-industrielle Anwendungen konzipiert.
© Phoenix ContactAus diesem Grund entwickelten diverse 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. Da sie jedoch speziell für IP-geschützte Bereiche konzipiert wurden, sind sie für industrielle Anwendungen ohne erhöhten Staub-, Schmutz- oder Spritzwasserschutz ‚überdimensioniert‘.
Für diese Anwendungsgebiete hat Phoenix Contact ein robustes Design für Kabel- und Gerätesteckverbinder namens ‚RJ45 Industrial‘ entwickelt.
Um eine optimale Andruckkraft und Kontaktüberdeckung zwischen Stecker- und Buchsenkontakten zu erzielen, haben die Entwickler die Stecktiefe des Steckverbinders neu auf die Federkontakte der Buchse abgestimmt. Das Ergebnis ist eine höhere Kontaktnormalkraft und bessere mechanische Stabilität im gesteckten Zustand sowie – daraus resultierend – eine höhere Toleranz gegenüber einwirkenden Belastungen wie Vibrationen oder Zugkräften. 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.
Schirmkontakte erhöhen Zuverlässigkeit
Da Geräteschnittstellen in der Industrie oft erhöhter mechanischer Belastung durch Vibrationen oder Zugkräfte am Kabel unterliegen, hat Phoenix Contact die Buchsen der ‚Industrial‘-Serie zusätzlich mit Schirmkontakten versehen. Diese Kontakte dienen vorrangig dazu, die Signal-Pins gegenüber elektromagnetischen Einflüssen abzuschirmen und diese Schirmung unterbrechungsfrei in das Geräte-Design fortzuführen. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass sie auch die mechanische Stabilität zur Leiterplatte erhöhen und so verbesserten Schutz selbst bei dauerhaften Vibrationen bieten.
Neben verbesserten elektromechanischen Eigenschaften bieten die Steckverbinder eine höhere Temperaturfestigkeit gegenüber herkömmlichen RJ45-Schnittstellen. Der verwendete glasfaserverstärkte Hochtemperaturkunststoff ist für Betriebstemperaturen von -40 bis zirka +100 °C ausgelegt. Dies ist zum einen relevant, wenn hohe Temperaturen von außen einwirken wie beispielweise in Fertigungsstraßen. Zum anderen können bei hohen Packungsdichten im Gerät selbst oder im Schaltschrank 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.
Optionale Hybrid-LEDs erlauben Anwendern und Wartungspersonal im Feld, den Zustand der Datenschnittstelle und damit die Funktion des Gerätes auf einfache Weise zu überprüfen. Die Kombination aus zwei LED-Paaren – jeweils gelb und grün – ermöglicht die flexible Visualisierung der elektrischen Funktion sowie der aktiven Datenverbindung je nach Programmierung des Geräts.
Autor:
Tim Kindermann ist Produktmanager Datensteckverbinder in der Business Unit ‚Field Device Connectors‘ bei Phoenix Contact in Blomberg.
Das könnte Sie auch interessieren
Das Schmiermittel-Problem in der Lebensmittelproduktion
Schmiermittel für Komponenten, die in Maschinen zur Lebensmittelproduktion verbaut sind, müssen für den menschlichen Verzehr unbedenklich sein. Da diese jedoch sehr teuer sind, sind Alternativen gefragt – beispielsweise in den Antriebsketten.
mehr...Die Auswirkungen der F-Gase-Verordnung
Sind Kühlgeräte und Chiller noch einsetzbar, wenn zum 1. Januar 2020 die F-Gase-Verordnung zum Klimaschutz greift? Was bedeuten die Verwendungsverbote von Kälte- und Klimaanlagen sowie Neuregelungen für deren Wartung und Instandhaltung für den...
mehr...Engineering mit digitalem Zwilling
Für zeitraubende Tätigkeiten wie das Verfassen von Stücklisten anhand von Schaltplänen fehlt im Schaltschrankbau schlicht die Zeit. Wie lässt sich der Prozess – von der Planung über die Installation bis zum Betrieb – optimieren?
mehr...Mikrochips integriert
Ob Medizingeräte, Produkt-Tracking, Fahrzeugsysteme oder 5G-Kommunikation – die Ansprüche an Sicherheit, Leistung, Dokumentation und Bedienfreundlichkeit steigen. Welche Bedeutung haben dabei in Steckverbindern oder Kabelkonfektionierungen...
mehr...IO-Link für's Vakuum
Damit elektrische Vakuum-Erzeuger, -Greifer oder Kompaktejektoren sichtbar für die smarte Fabrik werden, müssen sie in Echtzeit digitale Energie- und Prozessdaten liefern. Dies funktioniert mittels Schnittstellen wie IO-Link, Ethernet oder NFC in...
mehr...Single Pair Ethernet - schleppkettentauglich!
Um die stetig wachsenden Datenmengen in der Produktion handhaben zu können, ist eine der aktuellen Entwicklungen im Bereich Datenleitungen die Single-Pair-Ethernet-Technologie. Herausfordernd dabei ist unter anderem ihr Einsatz in der Schleppkette.
mehr...Verschleißbehaftete Kabel vorausschauend warten
Um verschleißbehaftete Kabel vorausschauend warten zu können, braucht es ein ausgeklügeltes Konzept. Bei Lapp entsteht derzeit eines für Ethernet-Leitungen, das unter anderem Machine-Learning-Ansätze nutzt.
mehr...(Ethernet-) Leitungen im Härtetest
Die dynamischen Anforderungen an Leitungen und die dazugehörigen Energieketten sind hoch. Wie müssen (Ethernet-) Leitungen beschaffen sein, die auch unter höchster Biege-Beanspruchung sicher in Energieketten geführt werden können?
mehr...Die Wahl des passenden Kühlkörpers
Um ein Datenzentrum mit Hochgeschwindigkeitsmodulen für optische Schnittstellen auszustatten, suchte AFCI nach einer passenden Lösung für die Entwärmung der Hochleistungs-Server. Stiftkühlkörper waren die Lösung.
mehr...