Złącza RJ45 - co należy wiedzieć

Po wprowadzeniu na rynek w latach 60. XX w. przez firmę AT&T w celu zastąpienia nieporęcznych złączy telefonicznych, złącza modułowe stały się podstawą usług komunikacyjnych i transmisji danych na całym świecie. Początkowo zastosowania złączy typu RJ (Registered Jack) ograniczały się do instalacji telefonicznych, jednak z biegiem lat rozszerzyły się również na przesył danych. Doprowadziło to do opracowania prawdopodobnie najbardziej rozpoznawalnego obecnie złącza modułowego RJ45, które jest stosowane w sieciach komputerowych i jest powszechnie określane jako złącze Ethernet. Mimo iż złącza RJ45 są powszechnie używane, w niniejszym artykule dokonamy szczegółowego przeglądu wszystkich związanych z nimi zagadnień, w tym ich podstawowych funkcji i możliwości, zastosowań, standardów i nie tylko.

Podstawy RJ45

Na najbardziej podstawowym poziomie, złącza RJ45 są zintegrowanymi z kablem modułowymi urządzeniami łączącymi, które zapewniają przesył danych do różnych systemów elektronicznych. Zawierają one 8 styków i 8 pozycji przewodów wykorzystywanych dla sygnałów lub zasilania, co oznacza, że pozwalają na użycie 4 skrętek dwużyłowych. Chociaż ta 8-stykowa, 8-pozycyjna konfiguracja czyni je podobnymi do innych złączy 8P8C, w rzeczywistości złącza RJ45 mają dodatkowo zatrzask, który umożliwia włożenie urządzenia tylko w jednej orientacji, do pasującego gniazda, co zapobiega niewłaściwym podłączeniom. Chociaż większość złączy 8P8C nazywa się terminem RJ45, nie jest to do końca zgodne z prawdą, ponieważ złącza 8P8C można podłączać do gniazd RJ45, ale złącza RJ45 nie da się podłączyć do gniazd 8P8C.

Jak wszystkie złącza modułowe, złącza RJ45 oferują szereg korzyści, takich jak niski koszt, montaż bezlutowy złącza i okablowania, szybka produkcja niestandardowych kabli, proste wkładanie i wyjmowanie, łatwy montaż w terenie z użyciem prostych narzędzi oraz możliwość dostosowania kabli na miejscu. Poza tymi podstawowymi zaletami złącza RJ45 mogą również oferować kilka dodatkowych funkcji, w tym:

• Ekranowanie - eliminacja zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych
• Kluczowanie - zapewnienie prawidłowego wprowadzania
• Różne możliwości montażu - montaż na tablicach i płytkach, metodą powierzchniową lub przewlekaną
• Wyświetlacze i wskaźniki - sygnalizacja stanu podłączenia
• Wbudowane komponenty magnetyczne - lepsze ekranowanie oraz ochrona przed prądami
• Hi-Rel - funkcja zapewniająca ochronę sprzętu i połączenia

Zastosowania złączy RJ45

Złącza RJ45 są najczęściej używane do łączenia jednego urządzenia z dostępem do Internetu z innym urządzeniem sieciowym. Na przykład komputera PC z serwerem, routerem, modemem, inteligentnym telewizorem, konsolą do gier lub dowolnym urządzeniem korzystającym z protokołu Ethernet. Połączenie przewodowe zapewniane przez złącza RJ45 charakteryzuje się większą prędkością danych, lepszą stabilnością i większym bezpieczeństwem. To sprawia, że złącza RJ45 są atrakcyjne zarówno do w zastosowaniach profesjonalnych, jak i osobistych.

Ilustracja 1: złącza RJ45 można znaleźć w wielu urządzeniach sieciowych (źródło ilustracji: Same Sky)

Dodatkowe funkcje i możliwości, takie jak zwiększona prędkość i wytrzymałość linii produktów RJ45 sprawiły, że ten system połączeń można również zastosować poza biurem lub siecią domową, podczas gdy wprowadzenie protokołu EtherCAT pozwoliło na szersze wykorzystanie m.in. w halach produkcyjnych. Oto niektóre z nowszych zastosowań technologii RJ45:

• Automatyka przemysłowa
• Sterowanie procesami przemysłowymi
• Robotyka przemysłowa (produkcja i montaż)
• Systemy probiercze i pomiarowe
• Systemy sterowania jakością
• Systemy i urządzenia VOIP (Voice Over Internet Protocol)
• Urządzenia sieciowe Internetu rzeczy (IoT)

Wprowadzenie do norm dla złączy RJ45

Istnieje kilka obowiązujących norm dotyczących złączy RJ45, w zależności od ich zastosowania i przeznaczenia. Poniżej przedstawiamy krótkie podsumowanie obowiązujących norm. Kilka z nich zostanie omówionych bardziej szczegółowo w dalszej części.

• ANSI/TIA 1096-A - podstawowe właściwości mechaniczne, wymiary fizyczne i wymagania dotyczące styków dla urządzeń RJ45
• T-568A i T-568B - podstawowe standardy okablowania i układów wyprowadzeń
• IEEE 802.3at, 802.3af i 802.3bt - różne standardy zasilania przez Ethernet (PoE) dla złączy RJ45 zdolnych do dostarczania prądu elektrycznego do urządzenia końcowego
• IEEE 1394 - architektura magistrali interfejsu danych używanej ze złączami RJ45

Różne inne standardy określają kable lub przewody używane w urządzeniach RJ45, również w dużej mierze w zależności od zamierzanego zastosowania.

Ethernet i EtherCAT

RJ45 i Ethernet to dwa terminy, które idą ze sobą w parze. Opracowany przez Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) w latach 80. standard Ethernet (IEEE 802.3) określa zasady konfiguracji sieci Ethernet (połączeń), liczbę przewodów wymaganych do połączenia, oczekiwaną wydajność i ramy transmisji danych. Nadal jest to najszerzej stosowana i najpopularniejsza na całym świecie technologia sieci LAN ze względu na łatwość użycia, cenę, szybkość i szeroką obsługę protokołów sieciowych. Złącza RJ45 są standardowymi urządzeniami wykorzystywanymi w instalacjach sieciowych w tym standardzie.

Wprowadzony w 2003 r. protokół EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) jest wysoce elastycznym protokołem sieciowym używanym w branży do automatyzacji fabryk działającej w czasie rzeczywistym, prób, pomiarów i nie tylko. Został zdefiniowany w normie IEC 61158 i działa przy dużych prędkościach z dużą wydajnością. Sieci EtherCAT wykorzystują dwa porty RJ45 i nie wymagają żadnego dodatkowego specjalnego sprzętu. Jeden port RJ45 jest podłączony do poprzedniego węzła w sieci, a drugi do następnego, co pozwala na efektywne wykorzystanie szerokości pasma.

Kategorie okablowania Ethernet

Okablowanie stosowane w sieciach Ethernet i EtherCAT jest oferowane w kilku różnych typach, od Cat5 i Cat6, obecnie Cat7, a nawet nowym Cat8. Każdy ze standardów okablowania oferuje znacząco różne parametry pracy, ale wszystkie nadal wykorzystują te same złącza RJ45. Oznacza to, że każdy kabel, niezależnie od standardu, będzie składał się z 8 przewodów, czyli 4 skrętek dwużyłowych, co odpowiada konfiguracji 8P8C RJ45.

Standard Cat5 jest w tym momencie w większości przestarzały ze względu na to, że kable Cat5e są nawet 10 razy szybsze niż Cat5 oraz posiadają lepszą odporność na przesłuchy i zakłócenia. Kable Cat6 z kolei wykazują lepszą przepustowość w stosunku do Cat5e, mają jeszcze większą odporność na przesłuchy i zakłócenia dzięki ekranowaniu i są kompatybilne wstecznie z Cat5/5e. Są często używane w instalacjach sieciowych wymagających prędkości gigabitowych. Nowsze kable Cat6a posiadają grubą plastikową osłonę, która zapewnia jeszcze lepszą redukcję przesłuchów i pozwala na instalację jeszcze dłuższych kabli, nawet 100m. Zarówno kable Cat7, jak i Cat7a charakteryzują się jeszcze lepszą przepustowością.

Tabela 1: specyfikacje kategorii kabli Ethernet (źródło ilustracji Same Sky)

Zasilanie PoE (Power over Ethernet)

Oprócz przekazywania sygnałów danych złącza RJ45 oferują możliwość dostarczania energii elektrycznej do podłączonych urządzeń dzięki wykorzystaniu wolnych skrętek dwużyłowych w kablach Ethernet. Opisywana technologia Power over Ethernet (PoE) jest zdefiniowana przez standard IEEE 802.3af i jego kolejne iteracje, z których każda charakteryzuje się większą dostarczaną mocą.

Tabela 2: standardy Power over Ethernet (źródło ilustracji: Same Sky)

Możliwość dostarczania prądu stałego przez te pary przewodów eliminuje potrzebę stosowania oddzielnego okablowania zasilającego. Eliminacja potrzeby stosowania oddzielnych kabli elektrycznych, gniazdek lub instalacji spowodowała szybki rozwój standardu PoE dzięki oszczędnościom i elastyczności. Standard PoE jest również zaprojektowany tak, aby był bezpieczny, niezawodny i skalowalny.

Ilustracja 2: iniektory PoE zapewniają zasilanie urządzeniom podłączanym do sieci Ethernet (źródło ilustracji: Same Sky)

Standardy T568A i T568B

T568A i T568B to dwa standardy układów wyprowadzeń złącza RJ45, które określają przypisanie 8 przewodów w złączu. Aby sieć Ethernet działała poprawnie, te oznaczone kolorami przewody muszą być prawidłowo włożone do przewidzianych dla nich miejsc. Standard T568A zapewnia kompatybilność wsteczną dla starszego okablowania, a T568B zapewnia lepszą izolację sygnału i ochronę przed zakłóceniami. Złącza przelotowe RJ45 umożliwiają prowadzenie przewodów przez złącze i przycinanie ich podczas zagniatania w celu łatwiejszego wyrównania.

Ilustracja 3: układy wyprowadzeń T568A oraz T568B (źródło ilustracji: Same Sky)

Ilustracja 4: okablowanie T568B w złączu RJ45 (źródło ilustracji: Same Sky)

Wybór odpowiedniego standardu będzie zależeć od indywidualnych potrzeb projektowych oraz od tego, czy używany jest kabel prosty, czy skrosowany. Kabel prosty (kabel połączeniowy) ma ten sam standard okablowania na każdym końcu, podczas gdy kabel skrosowany łączy te same typy urządzeń, mając z jednej strony końcówkę T568A, a z drugiej T568B. Kable Cisco czy też konsolowe są płaskie i łączą urządzenia z portem konsoli przełącznika sieciowego. Służą tylko do wykonywania połączeń, a nie przesyłu danych.

Pętla zwrotna i T1 to dwa inne często spotykane terminy. Pętla zwrotna to rodzaj połączenia, który umożliwia komputerowi łączenie się ze samym sobą, co może być przydatne do diagnostyki, rozwiązywania problemów i nawiązywania połączeń z serwerami. Natomiast znacznie mniej powszechne niż jeszcze 15-20 lat temu łącza T1 to dedykowane łącza biegnące bezpośrednio od dostawcy usług telekomunikacyjnych do użytkownika końcowego, które oferują wyższe prędkości i mogą transmitować zarówno głos, jak i dane.

Końcowe zagadnienia projektowe dotyczące złączy RJ45

Podczas projektowania należy pamiętać o kilku zagadnieniach technicznych dotyczących złączy RJ45, które będą współpracować z siecią Ethernet. Na poziomie płytki nacisk kładziony jest na zmniejszenie zakłóceń elektromagnetycznych, zachowanie izolacji sygnału elektrycznego oraz zachowanie integralności sygnału. Nie zagłębiając się zbytnio w szczegóły projektowania obwodów, należy zwrócić szczególną uwagę na rozmieszczenie ścieżek na płytce i ich długość. Należy również wziąć pod uwagę fizyczne rozmieszczenie złączy na płytce drukowanej.

Jeśli chodzi o komponenty magnetyczne, konieczne jest ich uwzględnienie w przypadku dodawania sieci Ethernet do projektu, ponieważ są one zawarte w specyfikacji Ethernet dla sieci 10/100/1000 Base-T. Komponenty magnetyczne są komponentami wykonanymi z drutu nawojowego (takie jak transformatory), które zapewniają ekranowanie zabezpieczające przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) , chronią przed usterkami i stanami nieustalonymi oraz zapewniają izolację elektryczną i równoważenie sygnału. Muszą być izolowane i umieszczane jak najbliżej złączy RJ45.

Istnieją dwie opcje dodawania komponentów magnetycznych do projektu. Opcja pierwsza to wybór złącza RJ45 z wbudowanym komponentem magnetycznym w obudowie. Gniazda magnetyczne RJ45 oferują korzyści w postaci ulepszonego ekranowania przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) i bardziej niezawodnych połączeń. Drugą opcją jest dodanie modułu magnetycznego do płytki drukowanej między warstwą fizyczną (PHY) (implementacja sieci Ethernet) a zwykłym gniazdem RJ45. Moduły magnetyczne są zwykle tańsze niż zintegrowane złącza, a jednocześnie oferują lepszą ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Obie opcje mają zalety i wady, które należy rozważyć w oparciu o ogólną konstrukcję systemu.

Podsumowanie

Podobnie jak inne złącza modułowe, złącza RJ45 upraszczają projektowanie, umożliwiają szybką i łatwą instalację, zapewniają szeroką gamę produktów i dostępność dla użytkownika. Zostały one przyjęte na całym świecie w domowych oraz biurowych zastosowaniach sieciowych i są coraz szerzej stosowane w fabrykach oraz w trudnych warunkach środowiskowych.

Firma Same Sky oferuje szeroką gamę złączy RJ45 w różnych wariantach, w tym ze zintegrowanymi komponentami magnetycznymi, w standardzie PoE, ze wskaźnikami LED itp.