Steckverbinder-Standard RJ45 Sinnvoll für industrielle Awendungen?

Steckverbinder Standard für industriellen Applikationen.
RJ45 - Steckverbinder-Standard für industrielle Applikationen.

RJ45-Steckverbinder kennt jeder, der mit PC und Telekommunikation zu tun hat. Bei industriellen Applikationen sind sie ebenso verbreitet, obgleich sie aus technischer Sicht für dieses Anforderungsprofil wenig geeignet sind.

RJ45 – nahezu jeder kennt ihn: den Steckverbinder an Ethernet-Kabeln, welche PC und Router mit dem Internet verbinden. Manche nennen ihn auch Westernstecker oder Western-Modular-Stecker. Eigentlich ist er gar nicht modular, sondern besteht aus einem Stück klarsichtigem Polycarbonat mit acht vergoldeten Plättchen als Kontakten.

Seit 1877 gab es in den USA die Bell Telephone Company – benannt nach Graham Bell, dem amerikanischen Erfinder des Telefons. Diese wurde 1899 von der eigenen Tochtergesellschaft für Ferngesprächsverbindungen, der AT&T (American Telephone & Telegraph), übernommen. Das ganze Konstrukt nannte sich dann American Bell (auch Ma Bell genannt) und hatte in USA eine Monopolstellung für die Telefonie.

Bereits 1881 übernahm AT&T die 1856 gegründete Western Electric Manufacturing Company: ein Unternehmen, welches Schreibmaschinen, Alarmsysteme und Relais für die Western Union herstellte. Und 1925 entstanden die Bell Telephone Laboratories (auch Bell Labs genannt), die zu gleichen Teilen aus den Western Electric Research Laboratories und den Entwicklungsabteilungen der AT&T hervorgingen. Dort wurden nicht nur der Transistor sondern auch der Hamming Code, der Hall-Effekt, der Laser, CDMA-Modulation, Unix, C++ und vieles mehr entwickelt und verfeinert. Mit sieben Nobelpreisen der Physik sind die Bell Labs weltweit führend.

Alles begann bereits 1976

Die Bell Labs reichten das Konzept eines sehr preiswerten Steckverbinders als Standardanschluss für Telefone ein, das 1976 von der Federal Communications Commission registriert wurde und sich auch im Namen (RJ = Registered Jack) wiederfindet. Die folgende Nummerierung ist die Sequenz der Registrierung und somit rein zufällig.

So entstanden als RJ11 der 2-polige (Kontakte 4&5), als RJ14 der 4-polige (Kontakte 3/4/5/6), als RJ25 der 6-polige (Kontakte 2/3/4/5/6/7) und als RJ45 der 8-polige Modular Connector (Kontakte 1 bis 8). Letzterer ist im Detail in IEC 60603 in Bezug auf seine Hochfrequenzeigenschaften bis 2 GHz (in geschirmter Ausführung) und in EIA/TIA-568 für 10/100BASE-T und 1G/10GBASE-T bezüglich der Ethernet-Verkabelung standardisiert.

Die Bezeichnung »Modular« verweist auf die damalige Zeit: Die Fernsprechapparate wurden modularisiert, sodass zum Beispiel mit Hilfe des RJ11 am Handapparat (Telefonhörer) dieser oder dessen Schnur ersetzt werden konnte, ohne dass die Basiseinheit mit der Wählscheibe zerlegt werden musste.

Bilder: 3

RJ45-Steckverbinder-Version, Bilder 1-3

RJ45-Steckverbinder-Version, Bilder 1-3

Der ursprüngliche RJ45-Stecker hatte eine Spezialkodierung und wurde für Highspeed-Modems mit nur zwei Kontakten (4 & 5) und zwei zusätzlichen gebrückten Kontakten (7 & 8) bestückt. Wenn man jedoch heute über den RJ45 spricht, so ist das der bekannte Ethernet-Steckverbinder mit acht Kontakten und dem Manko, dass zwei verdrillte Paare auf den Kontakten 4 & 5 sowie 3 & 6 (aus Gründen der historischen RJ11–>RJ14-Kompatibilität) aufliegen, was insbesondere bei höheren Datenraten Schwierigkeiten hinsichtlich der Kompensation des Nebensprechens bereitete.

Auch die offensichtliche Rückwärtskompatibilität, wonach man RJ11-, RJ14- und RJ25-Stecker tatsächlich in RJ45-Buchsen einstecken kann, ist mit Vorsicht zu genießen! Da die schmäleren Stecker an den Kanten Kunststoffrippen haben, können sie die Kontakte 1, 2, 7 und 8 einer RJ45-Buchse überbiegen und so beschädigen, dass nach diesen Steckver­suchen ein RJ45-Stecker auf den besagten Kontakten nicht mehr kontaktiert!

Allerdings: Der RJ45 war nicht für raue Umgebungen designt. Die Tatsache jedoch, dass Milliarden weltweit in Betrieb sind, beweisen das Gegenteil! Leider werden Steckverbinder – insbesondere, wenn sie gut funktionieren – immer wieder über ihre Spezifikation hinaus ausgereizt. Das passierte auch mit dem RJ45. Man hatte ein standardisiertes Steckgesicht und steckte es nun in Umgebungen, für die es nicht designt war.

Ein schlechtes Gewissen gab es dabei schon, weshalb man den Stecker mit einem Panzergehäuse (Bild 1) versehen hat, um diesen gegen Beschädigungen zu schützen. Der Verriegelungsmechanismus dieser RJ45-Steckerdesigns ist wesentlich stabiler, gleichzeitig wird aber die Buchse durch das Zusatzgewicht des Panzergehäuses gestresst. Es ist also eine Führung des Steckers vor der Buchse erforderlich, was Bautiefe kostet.

Andere »Spezial«-Designs adressieren Wasserdichtheit gemäß IP65 oder die extrem dicken CAT5-Kabel mit AWG22-Adern im Industriebereich oder sie verpacken den RJ45 mit dem ODVA-Renkverschluss (Bild 2). Eine sehr preiswerte Lösung für Wasserdichtheit wiederum hat sich vor Jahren schon ein Hersteller von Basisstationen einfallen lassen. Durch eine Gummikappe mit Dichtlippen (Bild 3) wird IP55 erreicht. Der (Standard-)RJ45 wird erst gesteckt, anschließend wird der »Gummistiefel« von der Kabelseite über den Stecker geschoben und dichtet über den Dichtrahmen aus Hartplastik.

Warum wird all dieser Aufwand getrieben?

Diese kundenspezifische Lösungen haben allesamt einen einfachen Grund: Man will es ermöglichen, dass Servicepersonal weltweit in der Lage ist, mit einem ordinären Patchkabel und einem Laptop an diesen Schnittstellen Signale abzugreifen. Das wäre sogar in Nepal an einer Flaschenabfüllanlage möglich!

Es bieten sich aber auch alternative Schnittstellen für Ethernet-Schnittstellen an. Ein neues Steckgesicht, das RJ Point Five genannt wird, adressiert drei Schwachpunkte des herkömmlichen RJ45:

  • Das Platzproblem, wenn viele Verbindungen Seite-an-Seite in einer »Pizzabox« – also einem 19-Zoll-Einschub – untergebracht werden müssen. Das bisherige System hat einen Buchsenabstand von 13,97 mm im verketteten Gehäuse und bis zu 19 mm, wenn geschirmte Buchsen einzeln in die Frontplatte gesetzt werden.
  • Die historisch bedingte Kontaktbelegung des Aderpaares »3 & 6« mit erhöhtem Nebensprechen auf die Nachbarkontakte bereitet Kompensationsprobleme in der Buchse und im Stecker.
  • Die Piercing-Kontaktierung der Aderpaare in den Stecker ist kritisch, wenn der Aderaufbau und die Isolation der Adern nicht optimal auf die Messerkontakte des Steckers abgestimmt sind.

 

TE Connectivity hat vor einigen Jahren den RJ.5 (Bild 4) entworfen, der eine Breite von 7 mm pro Port benötigt und – wegen des zu breiten Daumens – für die Entriegelung Zuglaschen am Stecker vorsieht. Trotz alledem gibt es Lichtleiter oder LEDs in der Buchse, die über Indikatoren im Stecker zur einfachen Aktivitätskontrolle des Ports verlängert sind.

Aufgrund der Dichte der Anschlusspins sind die Buchsen in Einpresstechnik ausgeführt. Die Aderkontaktierung erfolgt im feldanschlagbaren Stecker über eine verbesserte Piercingtechnik mit Aderführung der AWG26-Drähte. Natürlich ist der RJ.5 wegen der Steckerdichte (siehe Doppelstöcker mit 2 × 8 Ports in der Bildmitte von Bild 4) hauptsächlich für Router, Switches und Storage vorgesehen.

Eine weitere Variante, der Mini I/O, kam 2016 für den industriellen Bereich auf den Markt. Das Steckgesicht mit acht Kontakten (Bild 5) in zwei Reihen im Raster 1,27 mm hat zwei Kodiervarianten. Lichtindikatoren sind nicht vorgesehen; andererseits benötigt der Mini I/O auch nur einen Frontplattenausschnitt von 11 mm × 9,5 mm und eine Schirmanbindung an die Frontplatte ist auch nicht vorgesehen.

Der Stecker erlaubt den Anschluss von 8 × AWG26-Piercingtechnik mit Aderführung oder 4 × AWG22, die angelötet werden. Die sehr stabile Rastverriegelung findet zwischen den Metallkrägen der Schirmungen statt und wird – ähnlich wie beim SFP – durch einen Kunststoffschieber im Stecker gelöst. Neben vertikalen und abgewinkelten Buchsen für SMT-Verarbeitung gibt es auch Kabelkupplungen, die als Frontplattendurchführungen benutzt werden können. Diese sind ebenfalls durch Piercingtechnik mit Aderführung der AWG26-Drähte feldinstallierbar.

M12 – das „Arbeitspferd

Der schraub- oder schnellverriegelte M12-Rundsteckverbinder (Bild 6) ist mittlerweile das »Arbeitspferd« für industrielle Elektronik-Applikationen. Es gibt zwischenzeitlich mehr als zehn Kodierungen, die Fehlsteckungen für Polzahlen von drei bis zwölf Kontakten ausschließen. Hierzu gehört auch die achtpolige X-Kodierung, welche die für Ethernet erforderlichen vier Aderpaare sauber getrennt in geschirmten Kammern dieses Rundsteckverbinders beinhaltet und CAT6A-Betrieb bis 10 Gbit/s zulässt. Dies alles ist sogar in einer IP67-wasserdichten Ausführung mit Metallgehäuse und mit Schneidklemmtechnik zum schnellen Kabelanschluss verfügbar.

Die Nachteile liegen auf der Hand: Die M12-Lösung ist größer (20 mm Durchmesser wegen der Verriegelung) und teurer als die genannten Alternativen. Die Anbindung der abgewinkelten Buchse an die Leiterplatte des Gerätes bereitet wegen der rückseitigen Montage und der Toleranzen bei mehreren Ports Kopfzerbrechen.

Die X-kodierte M12-Lösung setzte sich dennoch durch; wohl auch, weil Aspekte wie Wasserdichtheit und Robustheit unschlagbare Argumente sind. Damit schließt sich der Kreis, und die ursprüngliche Frage ist damit immer noch nicht beantwortet: Ist der RJ45 sinnvoll für industrielle Anwendungen?

Die Antwort kann nur »ja, aber« lauten: Ja, weil die Kosten für RJ45 unschlagbar sind, die Universalität einmalig ist und die Produktvielfalt (inklusive der RJ45 mit integrierten Übertragern und zugehöriger »3 & 6«-Kompensation) die absolut breiteste Palette abdeckt.

»Aber« muss man hinzufügen, weil es Anwendungen gibt, die den RJ45 schlichtweg überfordern. Sei es wegen der Portdichte, wegen der Wasserdichtheit, wegen Kabelzug oder wegen der erforderlichen Drahtquerschnitte im industriellen Bereich.

Man muss sich all dessen bewusst sein, wenn man einen RJ45 ins Industriedesign übernimmt. Aber als Entwickler muss man sich auch darüber im Klaren sein, dass der Nepalese nur einen Laptop mit einem RJ45-Patchcord hat, wenn er seine Anlage warten muss. Wäre an der besagten Anlage eine Schnittstelle mit einem besser geeigneten Steckgesicht vorgesehen, so wäre es fraglich, ob er dafür auch das geeignete Adapterkabel parat hätte.

 

Der Autor

Dipl. Ing. (FH) Herbert Endres

studierte nach seiner Lehre als Rundfunk- und Fernsehtechniker an der TH Nürnberg Nachrichtentechnik. Seine berufliche Laufbahn begann er als Projekt- und Verkaufsingenieur in der Prozessautomatisierung bei AEG in Nürnberg und wechselte 1975 in den Bauelementebereich bei AEG Telefunken, wo er als Produktmanager für Tantal- und Folienkondensatoren tätig war. Nach weiteren Stationen bei TRW und Labinal Components & Systems ging er im Januar 1994 zu Molex nach Heilbronn, um dort als Bereichsleiter Produkt Management Steckverbinder für die Telekommunikation weltweit zu vermarkten. Seit Juli 2017 arbeitet er nun freiberuflich als Berater für Fragen rund um den Steckverbinder; und zwar unter dem ConConsult-Logo.

endres@conconsult.de