Update für die Ethernet-Schnittstelle

Neuer Steckverbinder will die RJ45-Welt erobern

| Autor / Redakteur: Matthias Fritsche, Jonas Diekmann (Redaktion: Ines Stotz) / Andreas Donner

Hartings ix Industrial Steckverbinder soll Miniaturisierung voranbringen und setzt einen neuen Standard in Sachen Robustheit und Performance für IP20 Ethernet-Verbindungen.
Hartings ix Industrial Steckverbinder soll Miniaturisierung voranbringen und setzt einen neuen Standard in Sachen Robustheit und Performance für IP20 Ethernet-Verbindungen. (Bild: Harting)

Die Welt der industriellen Produktion steht vor großen Umbrüchen. Neue Probleme, Risiken aber auch Herausforderungen und große Chancen gilt es zu bewältigen und zu nutzen. In unsicheren Zeiten braucht es Orientierungspunkte und Vorbilder. Manchmal auch kleine Helden – wie Hartings Symbolfigur Captain ix.

Die Kommunikation und Netzwerke sind im Umbruch. Die Entwicklung von Industrie 4.0 und IoT sorgt für eine stetige Ausbreitung und Anbindung von immer mehr Komponenten und Teilnehmern im industriellen Umfeld an Ethernet-Netzwerke. Ethernet erobert so immer mehr Bereiche unseres Lebens und wird in Zukunft bis in die letzten Strukturen eines Unternehmens vordringen.

Der Weg führt weg von co-existenten Ethernet- und Bus-Systemen für Daten und Sensorik, hin zu einem durchgängigen Ethernet-System von der Cloud bis in die letzten Winkel der industriellen Produktion. Dazu gehört neben einheitlichen Protokollen auch die entsprechende Infrastruktur, die aufgrund immer kleiner werdender Endgeräte und Sensor-/Aktorsysteme mit schrumpfen muss.

Die Anforderungen an die Nervenbahnen und Synapsen der Industrie von morgen sind klar. Die Geräteschnittstellen, sowie auch die Systemkabel, müssen kleiner, leistungsfähiger und gleichzeitig robuster werden. Genug Herausforderungen aber auch Chancen warten auf Anwender und Hersteller. Hartings neuer ix Industrial Steckverbinder ist ein klares Bekenntnis zur Miniaturisierung und setzt einen neuen Standard in Sachen Robustheit und Performance für IP20 Ethernet-Verbindungen.

Ethernet-Schnittstelle bisher ̶ Hassliebe RJ45

Bisheriger Inbegriff der Ethernet-Schnittstelle in IP20-Umgebung ist der RJ45-Steckverbinder. Dieser sicher weltweit am meisten verwendete Stecker ist überall präsent und wird von den Anwendern deshalb so geliebt. In Anbetracht der mangelhaften Robustheit durch gebrochene Verrastungshebel oder gelegentliche Kontaktprobleme, verbindet viele Anwender allerdings eher eine Hassliebe mit dem RJ45.

Mit Blick auf immer kleiner werdende Geräte, wie flache Mobilgeräte, Displays, kleinere Automatisierungsgeräte, Kameras und Sensoren, beschränkt die Baugröße des RJ45 die mögliche Miniaturisierung. Somit steht eine kleinere und robustere Steckverbindung auf der Wunschliste vieler Anwender und Entwickler, die gleichzeitig eine Cat.6A-Performance für 1/10Gbit/s Ethernet in der Steuerungsebene stemmt.

Und ab jetzt?

Das Espelkamper Unternehmen präsentiert mit dem Harting ix Industrial ein auf all diese Anforderungen passendes, durchgängiges System. Die im Vergleich zum RJ45 um 70 Prozent verringerte Baugröße der Buchsen erlaubt Geräteherstellern einen Einsatz in wesentlich kleineren Geräten, die so leichter der Notwendigkeit der Miniaturisierung gerecht werden können. Das können immer weiter schrumpfende Kamerasysteme sein, an denen eine herkömmliche RJ45-Buchse schon den meisten Platz im Gehäuse einnimmt oder auch Steuereinheiten und kleine Industriecomputer. Hier wird ebenfalls schnelles Ethernet über eine kleine Schnittstelle benötigt, wie auch in Switchen, WLAN Access Points, Routern und anderen Netzwerkkomponenten.

Aber auch abseits der Industrie kann der kleine Superheld seine Stärken ausspielen. Auch in Bahnfahrzeugen und Bussen im öffentlichen Personenverkehr können Displays und Passagierinformationssysteme über die ix Schnittstelle gleichzeitig mit Daten und via PoE/PoE+ auch mit Power versorgt werden. Vibrationen oder andere mechanische Beanspruchungen stellen dabei kein Problem dar.

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Einfache Integration in kleinere Geräte

Für die Geräteintegration steht eine kleine aber dennoch robuste Buchse mit fünf THR Schirmkontakten für Stabilität auf der Leiterplatte bereit. Die Datenkontakte sind als SMD-Kontakte ausgeführt. Damit lassen sich die Leiterplattenbuchsen im normalen Reflow-Lötprozess mit allen anderen üblichen Bauteilen verarbeiten und es ist keine separater Hand- oder Wellenlötschritt notwendig. Somit kann der Entwickler und Gerätehersteller das ix Industrial System einfach in neue Geräte integrieren und hat außerdem die Sicherheit, dass dieses Interface fest auf der Leiterplatte verankert ist und auch rauer Handhabung sicher standhält.

Insgesamt lassen sich die Endgeräte durch den verringerten Bauraum der Buchse leichter verkleinern, da miniaturisierte Buchsen und Stecker eine wesentlich höhere Packungsdichte ermöglichen. In der dargestellten aufrechten und gewinkelten Buchse liegt das Rastermaß zwischen den Buchsen bei gerade einmal 10 mm. In absehbarer Zeit wird es die Buchse auch in einer flachen gewinkelten Bauform für sehr flache Geräte geben. Auch Wanddurchführungen die das Anwendungsspektrum vervollständigen, werden perspektivisch ins ix Portfolio aufgenommen und das neue ix Ecosystem vervollständigen.

Geräteverkabelung für kleinere Gehäuse

Da sowohl Komponenten als auch die Gehäuse der Systeme stetig schrumpfen, ist auch der Platz für die Verkabelung begrenzt. Harting hat auch dafür eine Antwort: flexible, dünne Systemkabel mit kleinem Biegeradius, die auch den Einbau in miniaturisierte Gehäuse ermöglichen. Sie sind beidseitig mit dem ix-Steckgesicht oder gemischt mit ix- und RJ45-Steckverbinder ausgeführt. Die dritte Variante ist auf einer Seite mit einem X-kodierten M12 versehen. Im ersten Schritt ist der ix Steckverbinder als gerade verfügbar. Gewinkelte Varianten werden zukünftig folgen um mit einem gewinkelten Kabelabgang auch weiter platzkritische Applikationen zu realisieren. Insbesondere mit den gemischten Systemkabeln von ix- auf RJ45-Steckgesicht, ist eine schrittweise Integration von Geräten mit dem ix-Steckgesicht in bestehende Verkabelungen einfach möglich.

Kleiner und trotzdem robuster

Kleiner wird in der Regel mit filigraner, feiner aber auch empfindlicher gleichgesetzt. Da aber genau diese, im industriellen Umfeld, negativen Eigenschaften beim RJ45 häufiger zu Problemen geführt haben, ist der ix Industrial deutlich robuster konstruiert. Die Stecker verfügen über eine stabile Verrastung über zwei Metallhaken, die beim Stecken mit einem deutlich hörbaren Klick einrasten und so dem Anwender eine akustische und haptische Rückmeldung über die korrekte Verriegelung vermitteln. Sie garantieren damit eine sichere und vibrationsfeste Verbindung vom Kabel bis auf die Leiterplatte.

Damit eignen sie sich für industrielle Anwendungen genauso, wie auch für Bahn, Robotik, in der Automatisierung und überall sonst, wo hohe mechanische Belastungen auftreten. Um auch die auf das Kabel wirkenden Kräfte abzufangen, besitzt der ix eine robuste Zugentlastung die das Kabel fest über einen Schirmcrimp mit der Steckverbinderschirmung verbindet. Damit ist ausgehend von den fünf THR Schirmkontakten, über die zwei Rasthaken in der Steckstelle bis zum Kabel eine robuste Verbindung realisiert.

Übersteht mindestens 5.000 Steckzyklen

Bedingt durch immer mehr modulares Denken und Planen sind auch höhere Steckzyklen ein Thema dem sich Hersteller widmen müssen. Module, wie Fertigungseinheiten, Werkzeuge und andere Systembauteile werden nicht mehr nur starr verkabelt, sondern auch neu angeordnet und häufiger neu verbunden. Innerhalb eines Steckerlebens können so einige hundert bis tausend Steckzyklen zustande kommen. Deshalb ist der ix Industrial für mindestens 5.000 Steckzyklen ausgelegt und geprüft.

Auch nach dieser hohen Zahl an Steckvorgängen liegen alle relevanten Parameter, wie Übergangs- und Isolationswiderstand, Spannungsfestigkeit sowie die Steck- und Ziehkräfte innerhalb der zulässigen Grenzwerte. Alle Steckverbinder werden im hauseigenen Testlabor diversen Tests unterzogen. Dies betrifft alle Umweltsimulationen, wie etwa vielfältige Klima- und Schadgaslagerungen sowie eine Vielzahl mechanischer Prüfungen, wie Schock- und Vibrationstests, Steckzyklen und Steck- und Ziehkräfte. Kein Problem für den kleinen Superhelden. Selbst die anspruchsvollen Schock- und Vibrationsprüfungen nach der Bahnnorm EN 50155 steckt er locker weg. Aber Captain ix ist nicht nur ein robuster Typ. Schnell ist er auch.

Für mehr Performance

Auch Übertragungsbandbreiten spielen eine Rolle in der Zeit von immer mehr Datenlieferanten. Und das auch unter schwierigen Einsatzbedingungen in denen EMV ein Thema ist. Eine hochfrequente Übertragung ist stets dem Problem von Störeinflüssen ausgesetzt. Hier setzt Harting eine durchgehende 360° Schirmung entgegen. Vom Kabel bis zur Verbindungsstelle gibt es keine ungeschützten Adern mehr, die ein fehlerfreies hochfrequentes Signal beeinflussen können. Der Kabelschirm wird mit dem gecrimpten Ring direkt am Steckverbinder-Gehäuse verpresst und hat damit eine Zugentlastung und eine durchgehende Schirmübergabe.

Eine besondere Herausforderung ist es in dieser kleinen Bauform mit nah beieinander liegenden Kontakten das Übersprechen zwischen den einzelnen Datenpaaren wirksam zu minimieren. Dazu ist zwischen den beiden Kontaktreihen in der Buchse ein Schirmblech versteckt, das das Übersprechen zwischen den beiden gegenüberliegenden Kontaktreihen wirksam verhindert.

Weiterhin besitzt der ix Industrial nicht acht, sondern zehn Kontakte. In jeder Kontaktreihe dient hier der mittige Kontakt als Abschirmung zwischen den beiden Adernpaaren. Dazu wird dieser Mittelkontakt auf der Leiterplatte mit dem Massepotential verbunden. Durch das Schirmblech und die geerdeten Kontakte ergibt sich in der Anordnung der signalführenden Kontakte eine ähnliche Anordnung wie bei einem x-kodierten M12-Rundsteckverbinder. Jedes Adernpaar liegt gut gegen seine Nachbarn abgeschirmt in einem eigenen Kabel- bzw. Steckverbinder-Quadranten. Diese Maßnahme schützt wirksam gegen Übersprechen für eine perfekte Datenübertragung realisiert.

Über die Autoren

Matthias Fritsche ist Product Manager bei Harting Electronics, Jonas Diekmann ist Technical Editor bei Harting Electronics.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal elektrotechnik.

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