Steckverbinder RJ45-Steckverbinder für den Industrieeinsatz

Autor / Redakteur: Tim Kindermann / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

RJ45-Steckverbinder wurden für die Heim- und Büroanwendung entwickelt. Im Industrieeinsatz sind die Anforderungen jedoch sehr hoch. Deshalb hat ein Hersteller dafür geeignete Ausführungen entwickelt.

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Bild 2: Kabel- und Gerätesteckverbinder der Serie RJ45 Industrial wurden für industrielle und semiindustrielle Anwendungen konzipiert.
Bild 2: Kabel- und Gerätesteckverbinder der Serie RJ45 Industrial wurden für industrielle und semiindustrielle Anwendungen konzipiert.
(Bild: Phoenix Contact)

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 Communication Commission (FCC) in den USA registrierten Telefonschnittstelle 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 Netzwerkgeräten zum Einsatz. Vom DSL-Router über das Smart-TV bis hin zur Heizungssteuerung werden intelligente Ethernet-fähige Geräte seit Jahrzehnten mit dieser kompakten Datenschnittstelle ausgestattet.

Immer neue Anwendungsbereiche

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 übertragungsphysischen 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.

Hohe Nachfrage nach RJ45

In der industriellen Kommunikation wächst der Anteil Ethernet-basierter Kommunikationssysteme, 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 % [1]. Mit der Anzahl an Kommunikationsteilnehmern wächst 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. So folgten auf die zunächst ungeschirmten Varianten schnell und vollumfänglich geschirmte Steckverbindungen mit goldbeschichteten Kontakten, die den Anforderungen des industriellen Umfelds genügen sollten.

Große Toleranzbereiche machen Probleme

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 oftmals zu Kontaktierungsfehlern, sodass die stabile Ethernet-Kommunikation der Feldgeräte nicht mehr möglich ist.

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 weit überlegen. Sie sind jedoch für IP-geschützte Bereiche konzipiert – und daher für industrielle Anwendungen ohne erhöhten Staub-, Schmutz- oder Spritzwasserschutz „überdimensioniert“.

Kontaktdesign wurde optimiert

Für diese Anwendungsgebiete hat Phoenix Contact ein robustes, abgestimmtes Design für Kabel- und Gerätesteckverbinder entwickelt. Bei der Serie „RJ45 Industrial“ sorgt es für eine höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu bisherigen Standardschnittstellen (Bild 2).

Bild 2: Kabel- und Gerätesteckverbinder der Serie RJ45 Industrial wurden für industrielle und semiindustrielle Anwendungen konzipiert.
Bild 2: Kabel- und Gerätesteckverbinder der Serie RJ45 Industrial wurden für industrielle und semiindustrielle Anwendungen konzipiert.
(Bild: Phoenix Contact)

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.

Zusätzliche Stabilität bieten zwei Andruckfedern des Kabelsteckverbinders. Diese befinden sich auf der Oberseite des Steckverbinders neben dem Rasthaken und verbessern den Anpressdruck im gesteckten Zustand. Dies minimiert zusätzlich die Toleranzunterschiede zwischen Steckverbinder und Buchse, die bei einer hohen mechanischen Belastung zu Kontaktunterbrechungen führen können.

Schirmkontakte erhöhen Zuverlässigkeit

Weil Geräteschnittstellen in der Industrie oftmals einer erhöhten mechanischen Belastung durch Vibrationen oder Zugkräfte am Kabel unterliegen, hat Phoenix Contact 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 Geräte-Design fortzuführen. Ein positiver Nebeneffekt ist dabei, dass sie auch die mechanische Stabilität zur Leiterplatte erhöhen und so verbesserten Schutz selbst bei dauerhaften Vibrationen bieten (Bild 3).

Bild 3: Das optimierte Kontaktsystem ermöglicht eine hohe elektromechanische Stabilität bei Vibrationen oder Schock.
Bild 3: Das optimierte Kontaktsystem ermöglicht eine hohe elektromechanische Stabilität bei Vibrationen oder Schock.
(Bild: Phoenix Contact)

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 bis circa 100 °C ausgelegt. Dies ist nicht nur relevant, wenn hohe Temperaturen von außen einwirken, wie beispielsweise 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 erhöhen den Komfort

Optionale Hybrid-LED erlauben den Anwendern und dem 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 – erlaubt die flexible Visualisierung der elektrischen Funktion sowie der aktiven Datenverbindung je nach Programmierung des Geräts (Bild 4).

Bild 4: Integrierte Hybrid-LED visualisieren den Zustand der Datenschnittstelle.
Bild 4: Integrierte Hybrid-LED visualisieren den Zustand der Datenschnittstelle.
(Bild: Phoenix Contact)

Der rasant zunehmende Automatisierungs- und Digitalisierungsgrad industrieller und semiindustrieller Anwendungen führt zu einem großen Bedarf an robusten und hochverfügbaren Datenschnittstellen. Industrietaugliche RJ45-Schnittstellen sind die ideale Lösung für Anwendungen, die keinen erhöhten Schutz gegen Staub, Schmutz oder Spritzwasser erfordern. Durch die richtige Kombination von Kabelsteckverbinder und Geräteschnittstelle können Gerätehersteller, Installateure und Anwender häufig auftretende Kompatibilitätsprobleme von vornherein ausschließen und eine hohe Anlagenverfügbarkeit sicherstellen.

Die Serie RJ45 Industrial zeigt, dass in der etablierten Datenschnittstelle noch viel Potenzial steckt. Verbesserte mechanische und elektrische Eigenschaften machen den Dinosaurier der Datenübertragung endgültig fit für Anwendungen in der Industrie – und damit zu einem unverzichtbaren Pfeiler des Industrial Internet of Things.

Literatur

[1] https://www.openautomation.de/detailseite/hms-marktanteile-industrieller-netzwerke-2019.html, am 30.11.2019

* Tim Kindermann ist Produktmanager Datensteckverbinder, Business Unit Field Device Connectors, bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in 32825 Blomberg, Tel. (0 52 35) 3-1 20 00 Fax (0 52 35) 3-1 29 99, tkindermann@phoenixcontact.com

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