Das industrielle Internet der Dinge beziehungsweise Industrie 4.0 führt zu einer Zunahme von Sensor- und Antriebsanschlüssen und erfordert kleinere Steckverbinder-Einheiten – bei gleichzeitig höheren Anforderungen an die Zuverlässigkeit, da geringere Latenzzeiten erzielt werden müssen. In industriellen IP20-Anwendungen werden häufig RJ45-Steckverbinder eingesetzt, die im Ursprung für ungeschirmte Telefonleitungen mit einer Kontaktierung über Piercing-Kontakte entwickelt wurden. Diese Steckverbinder-Anschlüsse gelten in korrosiven Umgebungen mit Vibrationen und Feuchtigkeit nicht als die stabilsten und zuverlässigsten elektrischen Verbindungen.

Eine Alternative für das industrielle Ethernet ist das ‚Mini I/O‘-Steckverbindersystem von TE Connectivity, bei dem die Steckseite nur 25 % der Größe einer RJ45-Buchse ausmacht. Wie bewähren sich die Systeme im Vergleich? Dies hat sich die Firma TE gefragt und beide System speziellen Testabläufen unterzogen. Getestet wurden der RJ45 und der Mini I/O, sowohl in Ausführungen mit Durchdringungsverbindungen (Piercing) und mit Lötanschlusstechnik als auch für die Feldinstallation. Fünf verschiedene Hersteller wurden berücksichtigt.

Die Testbedingungen

Zu Beginn wurden für das Benchmarking die Anforderungen gemäß IEC 60603-7-X herangezogen. Für einen Leistungsvergleich der Steckverbindersysteme genügt es jedoch nicht, nur zu testen, ob bestimmte Spezifikationskriterien eingehalten werden können. Vielmehr müssen die Systeme über die Anforderungen der Produktfrei-gabe oder der IEC-Vorgaben hinaus belastet werden. So erfordert IEC 60603-7-3 zum Beispiel eine Schadgasprüfung von nur vier Tagen Dauer, eine Vibrationsbeständigkeit von 50 m/s², also circa 5 g, und keine Grenzwerte hinsichtlich Schock-/Stoßbelastung. Normen für Stecker für den industriellen Einsatz hingegen beinhalten Testsequenzen, die deren Eignung für entsprechende Umgebungen nachweisen. So beschreibt die ISO/IEC 11801-1 die ‚MICE‘-Umgebungsklassen (Mechanical, Ingress, Climatic & Chemical und Electromagnetic); die M3-Umgebungsklasse beispielsweise erfordert Beständigkeit bei einem Schock/Stoß von 250 m/s².

Ergo sind für einen aussagekräftigen Vergleich Testkombinationen erforderlich, um eine Beanspruchung zu erzeugen, die den tatsächlichen Bedingungen in industriellen Anwendungen entspricht. Vibrationspegel lassen sich problemlos erhöhen, doch erst durch einen Ablauf von Belastungssimulationen für Langlebigkeit (Steckzyklen), Schadgasprüfungen (Mixed Flowing Gas MFG), hohe Temperaturen sowie Vibrationen lassen sich Verschleiß und Korrosion hervorrufen. Auf diese Weise ergibt sich ein besseres Bild von der Leistung eines Kontaktsystems in rauer Umgebung.

Die IEC 60603-7 spezifiziert einen Test, um Diskontinuitäten während der Vibration zu überprüfen, die ein Bestanden- oder Nichtbestanden-Ergebnis (Pass/Fail) liefern. Für den Test von TE wurde ein alternativer Test definiert, bei dem die Anzahl der kurzen Diskontinuitäten während der Vibration gezählt wird.

Das RJ45-Steckverbindersystem

Der RJ45 ist als modularer 8P8C-Steckverbinder gemäß IEC 60603-7, ANSI/TIA-1096-A und ISO-8877 standardisiert. Bei einer Kontaktierung nach T568A und T568B (gemäß dem Standard TIA/EIA-568) eignet sich der RJ45 sowohl für Telefon als auch für Ethernet. Sein Piercing-Kontakt ist das einzig bekannte Prinzip, mit dem zuverlässige Verbindungen mit Lahnlitzenleiter möglich sind, die in Spiralkabeln von Festnetz-Telefonen verwendet werden. Das modulare Design eignet sich insbesondere für Anschlüsse an Flachkabel verschiedener Breite und bietet hier eine unübertroffene Anschlussgeschwindigkeit, da alle Leiter in einem Schritt durchdrungen werden und zudem eine doppelte Kabel-Zugentlastung vorhanden ist. Da das Verdrahtungsschema von T568B aber eine Überkreuzung der Leitungen des Rundkabels erfordert, fällt der Anschluss hier bei weitem komplizierter aus. Mit zusätzlicher Abschirmung und robusterer Gehäuse kommt der RJ45 auch in industriellen Umgebungen zum Einsatz.

Das Mini-I/O-Steckverbindersystem

Das speziell für industrielle Anwendungen entwickelte Mini-I/O-System von TE ist kleiner ausgelegt als der RJ45. Diese Größenreduktion des Steckgesichtes wurde mittels vollständig eingeschlossener Metallgehäuse erreicht, die die Kräfte aufnehmen sowie enge Toleranzen und stabile Steckflächen bieten. Mit Hilfe mehrerer zusätzlicher Lötaugen und Ankerstifte kann der Mini I/O gemäß Produktspezifikation einer Zugkraft von bis zu 98 N standhalten, ohne auf vollständige SMD-Bestückung verzichten zu müssen. Aufgrund des Zwitterkontakt-Layouts verfügen sowohl Stecker- als auch Buchsenkontakte über Federdruck und zwei unabhängige Kontaktpunkte. Ein IEC-Normungsprojekt für Mini I/O mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s wurde 2017 mit Standard IEC 61076-3-122:2017 abgeschlossen. Ein weiterer Hersteller des Mini I/O ist Amphenol FCI.

Paarweise geprüft

Bild 1: Vergleich der Querschnitte der Steckflächen zweier Ethernet-Steckverbindersysteme.

© TE Connectivity

Für den Test werden die Steckverbinder an einem industrieüblichen Cat5e-Kabel mit 26-AWG-Drähten (0,13 mm²) angeschlossen. Die RJ45-Buchsen sind – mit Ausnahme einer Buchse in Reflow-Ausführung – für die Durchsteckmontage konzipierte rechtwinklige SMD-Buchsen, bei den RJ45-Steckern handelt es sich um Piercing- oder Feldinstallations-Versionen. Alle Steckverbinder-Produkte werden paarweise geprüft; mit Ausnahme eines Paars sind Stecker und Buchse von derselben Marke. Bei rechtwinkligen Mini-I/O-Buchsen wurde eine SMD-Version mit einer Typ-2-Codierung mit Lötsteckern kombiniert. Bereits bei den ersten LLCR-Messungen im Labor wurden nach der Vorbereitung der Leitungssätze mehrere mangelhafte RJ45-Piercing-Anschlüsse (Rtotal – Rbulk >20 mΩ) festgestellt. Bei der regelmäßigen Qualitätsprüfung der Anschlüsse mit einem Werkzeug zur Prüfung der elektrischen Kontinuität wurden diese Mängel nicht erkannt. Die Untersuchungen ergaben, dass für gute Piercing-Anschlüsse die Drahteinsetztiefe und/oder Kabel-Managertiefe entscheidend ist (siehe Bild 1). Das heißt, bei RJ45-Piercing-Stecker-Produkten muss auf die richtige Drahteinsetztiefe geachtet werden, wenn der Kabel-Manager in den Steckverbinder gedrückt wird. 

Analyse der Kontaktphysik

Sowohl die RJ45- als auch die Mini-I/O-Kontaktsysteme basieren auf einer Goldbeschichtung. Die Hauptunterschiede der beiden Steckverbindertypen hinsichtlich der Beeinflussung der Verbindungsstabilität finden sich im Layout:

So lassen die Abmessungen und Toleranzen der IEC-60603-Serie beim RJ45 große Bewegungen des Kontaktpunkts (im schlimmsten Fall bis zu 1,08 mm in Steckrichtung) sowie Abweichungen der Normalkraft des Kontakts zu. Kontaktsysteme mit nur einem Federelement und Kontaktpunkt können hingegen äußerst stabil sein. In Kombination mit durch mangelhafte Kontaktpunktstabilität verursachtem Verschleiß fehlt jedoch die Redundanz paralleler Kontaktpunkte, was zu Widerstandsschwankungen führen kann. Dies gilt insbesondere, wenn auf den Test auf Verschleiß durch Steckzyklen ein Test auf Beanspruchung durch Umwelteinflüsse folgt. Die Stanzrichtung des Piercing-Kontakts führt zu einem abgescherten Rand der Kontaktsteckfläche, wobei die Kontaktflächen der RJ45-Stecker einiger Hersteller geglättet sind. Probleme kann auch das Prinzip des Kabelanschlusses mit Piercing-Kontakten machen, da das Werkzeug beim Durchdringen gegen die Kontaktfläche drückt, die dabei verformt oder beschädigt werden kann.

Beim Layout des Mini I/O wird die Toleranzkette des Kontaktpunkts gut überwacht; die Metallgehäuse ermöglichen engere Toleranzen und mehr Steifigkeit. Beim Stecker mit Lötanschlusstechnik verfügen die Kontakte von Stecker und SMD-Buchse über glatte Oberflächen. Das Layout ist insgesamt komplexer als beim RJ45 und erfordert auf der Stecker- sowie auf der Buchsenseite ein elastisches Federmaterial.

Leistung und Zuverlässigkeit

Die Testgruppen wurden anhand bestimmter Leistungsbereiche definiert. Jede Gruppe besteht aus vier gesteckten Paaren, was 32 Signalkontaktmessungen pro Gruppe ergibt.

Bei zwei Testgruppen folgte auf 375 Steckzyklen und entweder einen Feuchtigkeits- (21 Zyklen bei –10/25/65 °C) oder einen MFG-Test (4 Gase/21 Tage) ein Temperaturbeständigkeits- und Vibrationstest mit maximal 25 g. Auf diese Weise sollte eine Beanspruchung durch Umwelteinflüsse nach Verschleiß simuliert werden, um ohne zu schwache Tests oder zerstörte Anschlüsse Unterschiede zwischen den Kontaktsystemen ermitteln zu können. Eines der Ergebnisse war ein erhöhter Kontaktwiderstand bei niedriger Stromstärke (ΔLLCR). Während zu Beginn der Testsequenz alle Signalverbindungen in Ordnung sind (<20 mΩ), ließ sich bereits nach den ersten 375 Steckzyklen ein großer Anstieg des statischen Widerstands (>300 mΩ) beobachten.