Вилка разъема RJ45 –все ли так просто?

Вилка разъема RJ45 –все ли так просто?


Короткие аббревиатуры RJ45 и СКС стали рассматриваться многими ИТ-специалистами как неразрывное целое. Немыслимо представить себе информационную кабельную систему без разъема этого типа. Оборотной стороной столь высокой популярности становится то, что, как все, встречающееся на практике достаточно часто, начинает восприниматься как нечто предельно простое и незаслуживающее серьезного внимания. Посмотрим на него более внимательно.

Начнем с того, что разъема RJ45 (правильно произносится как “ар-джей”, хотя зачастую употребляется смешанное англо-немецкое его воспроизведение “эр-жи”) и, соответственно, его отдельных составных частей просто не существует. В таком утверждении нет ничего парадоксального. Просто эту аббревиатуру неправильно используют для обозначения разъема модульного типа в 8-контактном варианте, который стандартизирован международным стандартом IEC-603-7 и имеет раскладку проводов типа 568А или 568В. Тем не менее, данное название уже настолько “въелось” в профессиональное арго отечественных специалистов, что мы не будем отходить от сложившихся традиций и в дальнейшем продолжим употребление именно этого термина RJ45.

Остановимся преимущественно на одном из основных компонентов разъема, которым является его кабельная часть или вилка. Даже такой простой и предельно миниатюрный чисто пассивный компонент представляет собой сложнейшее инженерное сооружение. При этом основное внимание уделим тому стандартному изделию этой разновидности, которое в обязательном порядке присутствует в любой СКС и с которым каждый день сталкивается системный администратор, а в ряже случаев пользователь СКС.

История создания и эволюция развития

Разъем RJ45 был разработан еще в начале 80-х гг. прошлого столетия, причем в качестве фокусной области его применения считалась абонентская часть классической телефонной системы. Соответственно, на момент создания на его частотные свойства никто не обращал особого внимания: заказчиков намного больше интересовала технологичность данного компонента при производстве в сочетании с его минимальными габаритами и ценой. “Телефонные” корни изделия хорошо прослеживаются в нем и сейчас. Для этого достаточно просто бросить беглый взгляд на его раскладку. Центральная пара проводов RJ45 подключается к контактам 3-6 и 4-5, причем внешняя пара охватывает внутреннюю. В результате реализуется схема USOC, исторически повсеместно распространенная в оборудовании телефонной связи, чему в немалой степени способствует ее простота и интуитивная понятность.

В 1987 году разъем RJ45 был сертифицирован для использования в довольно популярных в Центральной Европе сетях ISDN, которые в силу целого ряда причин, не последней в перечне которых было малое быстродействие, не получили в нашей стране сколь-нибудь серьезного распространения. Соответственно, разъем практически не был известен в СССР.

В процессе сертификации на новую область применения верхняя граничная частота соединителя была установлена равной 3 МГц, что намного превышала тактовую частоту линейного сигнала сетевых интерфейсов ISDN. При этом указанное значение было примерно в 1.5 раза выше по сравнению с частотой линейного сигнала широко распространенных цифровых интерфейсов Е1, не говоря уже об обычных аналоговых и цифровых телефонных аппаратах. Таким образом, уже в тот момент в RJ45 были заложены определенные запасы по пропускной способности.

Хорошие эксплуатационные свойства разъема RJ45 привели к его массовому применению в СКС, которые впервые были стандартизированы в 1991 году. Обращение к этой области потребовало расширения спектра предлагаемого оборудования и разработки экранированных вариантов разъемов в сочетании с наращиванием поддерживаемой полосы пропускания. Последовавшее затем очень быстрое наращивание быстродействия СКС, которое было вызвано стремительным развитием компьютерной техники, привело к череде последующих модернизаций. Их результатом стало то, что верхняя граничная частота серийных изделий категории 6а достигает 500 МГц. Таким образом, она более чем на два порядка превышает аналогичный показатель и своего прародителя.

Варианты реализации

Существующая уже свыше четверти века стандартизация касается преимущественно геометрических размеров компонентов разъема и раскладки его проводов. Таким образом, она реально описывает только непосредственно взаимодействующие между собой элементы. Действующая на сегодняшний день версия стандарта, известная как IEC-60603-7, предусматривает 4-, 6-,8- и 10-позиционные варианты этого изделия. С практической точки зрения наибольшую популярность имеют 4- и 8-контактные разъемы, которые заметно опережают 6-контактное исполнение. 10-контактные разъемы встречаются преимущественно в тех ситуациях, когда коммутационные панели СКС являются составной частью системы интерактивного управления и снабжены соответствующими датчиками.

Отметим, что вилки с меньшим количеством контактов могут включаться в розетки, изначально рассчитанные на большее количество контактов. Кроме того, по своему форм-фактору 8- и 10-позиционные варианты изделия RJ45 полностью совпадают друг с другом, отличаясь только числом токопроводящих элементов.

Подключение 4- и 6-позиционной вилки в гнездо 8- или 10-контактного разъема технически возможно, но существует реальная опасность “залипания” крайних контактов розетки после нескольких месяцев эксплуатации. Особенно грешат этим разъемы несертифицированных кабельных систем, зачастую отличающиеся сравнительно невысоким качеством контактов. Для устранения этого недостатка в некоторых 4- и 6-позиционных вилках в боковых “щеках” торцевой части корпуса выполняется по дополнительной прорези для входа в него контакта розетки, что снимает с него излишнее механическое напряжение.

Разъемы RJ45 доступны в экранированном и неэкранированном вариантах. При этом между неэкранированными компонентами достигнута очень хорошая степень совместимости, что требуется всеми стандартами СКС из-за необходимости обеспечения свойства открытости архитектуры кабельной системы. Этому способствуют очень жесткие требования на допуски геометрических размеров компонентов разъемов. В области экранированных систем взаимная совместимость обеспечивается намного хуже. Это связано как с различной толщиной экранирующих покрытий, так и с разной конструкцией элементов обеспечения круговой гальванической связи экранирующих покрытий вилки и розетки.

Важность качественного взаимного контакта проводящих поверхности вилки и розетки определяется тем, что он является одним из основных условий высокой эффективности функционирования элементов телекоммуникационного экранирования. Не случайно рядом крупных дистрибуторов компонентов СКС разработаны и поддерживаются в актуальном состоянии таблицы совместимости продукции разных производителей, которые доводятся до сведения партнеров и клиентов. В случает отсутствия такой информации в экранированных СКС предпочтительно применение коммутационных панелей и шнуров от одного производителя.

Компоненты разъема в ключевом или кодированном исполнении встречаются на практике достаточно редко. Это свойство достигается применением несимметричной формы корпуса с целью блокировки некорректного подключения. Несимметричность обеспечивается смещением от оси симметрии узла установки защелки или же формированием на корпусе вилки бокового выступа с соответствующей прорезью в розетке. Один из вариантов кодированного разъема применяет в системе управления своего оборудования такой известный производитель ИБП, которым является компания АРС.

Главные конструктивные особенности вилки модульного типа 

Разъем модульного типа по действующей классификации относится к несимметричным вариантам разъемных соединителей, т.е. содержит всего две части. Кабельная часть представлена вилкой, приборную или панельную часть образует розетка.

Вилка разъема представляет собой отформованный чрезвычайно экономичным и высокопроизводительным методом литья под давлением пластмассовый корпус, в который запрессованы одиночные контакты. Имеются также интегральные или съемные дополнительные компоненты, которые предназначены для обеспечения требуемых электрических характеристик и механической прочности крепления к кабелю.

Контакты вилки рассчитываются для установки на гибкий многопроволочный или жесткий инсталляционный кабель. Популярность последнего из них несколько возросла в последнее время в связи с наращиванием числа открытых офисов и увеличения объемов применения точек консолидации. Работа с ними становится намного более удобной при обращении к т.н. СР-кабелям (кабелям точки консолидации). Этот компонент содержит жесткие проводники и построен по схеме “тяни-толкая”: на одном конце содержит розетку, на втором вилку.

Фиксация вилки в розетке осуществляется защелкой, которая располагается на стороне, противоположной стороне установки контактов. С учетом необходимости защиты контактов розетки от осаждения на них пыли это означает, что последние размещаются в верхней части розеточного гнезда, а защелка в рабочем положении будет ориентирована вниз, что не вполне удобно для пользовательских информационных розеток.

Вилка вполне может быть установлена на кабель с помощью специального обжимного инструмента. Тем не менее, она из-за своих малых габаритов и конструктивных особенностей плохо приспособлена к выполнению процедур полевой сборки. В силу этого не рекомендуется изготовление шнуров в полевых условиях. Это определяется целым комплексом основных соображений:

трудностями обеспечения требуемых стандартами качественных показателей соединения в трактах с высокими категориями (наиболее распространенные на сегодняшний день кабельные системы категорий 5е и 6 имеют верхнюю граничную частоту в 100 и 250 МГц, соответственно);

малым результирующим финансовым выигрышем для интегратора из-за массового применения процедур механизации отдельных технологических операций на производстве и вызванной эти возможностью снижения отпускной цены;

доступностью шнуровых изделий наиболее востребованных размеров на складах дистрибуторов.

Обеспечение эксплуатационной надежности электрического контакта

СКС, как известно, согласно стандартам должна эксплуатироваться на протяжении по меньшей мере 10 лет, а параметры разъемного соединителя не должны выходить за пределы разрешенных допусков минимум при 750 циклах включения-отключения.

Выполнение столь жестких требований возможно за счет обращения к целому комплексу мероприятий. Не затрагивая здесь эксплуатационные требования (обязательность применения организаторов  и т.д.), остановимся только на двух главных конструктивных решениях.

Первым из них является применение принципа контактной шины. Разъем модульного типа сконструирован таким образом, что при его подключении контакты вилки и розетки скользят друг по другу в прижатом состоянии. В результате находящиеся на их рабочей части загрязнения просто сдвигаются назад, а появившаяся оксидная пленка разрушается.

Вторым основным приемом является соответствующее формирование контактирующих поверхностей. Обычно для этого применяется трехслойная структура. Сам контакт изготавливается из фосфористой бронзы, его рабочая поверхность покрывается тонким слоем золота (толщина 2,54 мкм). Для получения необходимой механической прочности бронзу и золото разделяют слоем никеля, который выполняет функции буферной прослойки.

Крепление кабеля к вилке

Действие стандарта IEC-603-7 в части геометрических размеров вилки RJ45 распространяется только на непосредственно взаимодействующие между собой компоненты разъема, т.е. на переднюю часть вилки. Конструкцию ее задней части разработчик выбирает самостоятельно в зависимости от поставленной задачи и возлагаемых нее функций.

Обязательной функцией задней части корпуса является фиксация кабеля. В исходном варианте вилки такая задача решалась треугольным в сечении клином. Эта деталь располагалась перпендикулярно продольной оси вилки, крепилась к ее корпусу узкой перемычкой и формировалась вместе с вилкой в одном технологическом цикле. В процессе установки вилки клин под действием дополнительного толкателя обжимного инструмента поворачивался вокруг оси крепления  внутрь корпуса примерно на 90° и прочно зажимал оболочку кабеля вместе с отдельными витыми парами.

При всей своей довольно высокой надежности фиксации грубое механическое воздействие клина при установке приводило к деформации структуры витых пар и ухудшению некоторых характеристик, в первую очередь по параметру возвратных потерь. Для устранения этого недостатка применяется два основных подхода.

Первый из них основан на обращении к вставке-хвостовику, который содержит две боковые направляющие. В результате в процессе обжима кабель фиксируется в гнезде вилки не только приживающим усилием сверху, но и сжимающим боковым воздействием. Это сопровождается распределением механической нагрузки и снижает деформацию пар.

Еще более лучшие результаты достигаются в случае обращения к заливной технологии. В этом случае узел фиксации и защитный хвостовик (см. далее) формируются в одном технологическом цикле. Пластмасса, нагретая до жидкого состояния, впрыскивается в корпус вилки под давлением, заполняя в нем все внутренние пустоты, в том числе между отдельными витыми парами. На втором этапе процесса разрезным штампом формируется внешняя часть хвостовика. Данная технология обеспечивает более высокое качество, но реализуема только в стационарных производственных условиях.

Хвостовик

Вилки высококачественных СКС в обязательном порядке снабжаются хвостовиками. На этот компонент возлагается задача обеспечения заданного радиуса изгиба кабеля в корпус розетки и его поддержание в процессе эксплуатации, в т.ч. под воздействием изгибающих механических нагрузок. Хвостовик может представлять собой отдельную деталь или же выполняться упомянутым выше методом литься под давлением.

Довольно сложную задачу обеспечения заданного сочетания механической упругости и гибкости хвостовика разработчик соединителя обычно решает подбором материала. Несколько лучшие результаты дает обращение к системе из нескольких прорезей на внешней поверхности этого компонента. Соседние оппозитные пары таких элементов для усиления положительного эффекта располагаются с разворотом на 90° относительно друг друга.

Защита рычажной защелки

Одним из главных факторов широчайшего распространения модульного разъема во всех областях техники явилась простота работы с ним: подключение и отключение вилки к розетке обеспечивается простым линейным движением. Элемент фиксации в рабочем положении выполнен в форме защелки рычажного типа, а необходимость работы с ним требовалась только в процессе отключения.

 Классический вариант исполнения защелки-фиксатора неудобен для практической эксплуатации кабельной системы. При изменении конфигурации СКС из-за большого количества коммутационных шнуров системный администратор часто склонен вытягивать отключаемый шнур из организатора. При этом рычаг защелки цепляется за соседние кабели легко ломается.

В широкую инженерную практику внедрено несколько методов устранения этого недостатка. Для этого на хвостовике тем или иным способом может быть выполнен округлый защитный колпачок, который закрывает свободный конец рычага защелки. Еще одним подходом является применение треугольных выступов в задней части корпуса вилки, высота которых превышает защелку.

Пожалуй, наилучшим решением следует считать изменение формы самого рычага. Основанием для его применения является факт того, что пластик является достаточно гибким и легко формуемым материалом. С учетом данной особенности задний конец рычага просто плавно загибается вниз и в свободном состоянии ложится на корпус вилки. Это не позволяет вилке цепляться за соседние кабели и одновременно за счет своей упругости не препятствует перемещению рычага при включениях и отключениях вилки.

С.А. Алексеев


Возврат к списку