Was Sie über RJ45-Anschlüsse wissen müssen: RJ45-Gigabit-PoE-Übertragung × RJ45-Überspannungsschutzlösung × RJ45-neutraler Salzsprühtest

1. Prinzip der Gigabit-Ethernet-Stromversorgung (PoE).

1. Gigabit-Ethernet-Stromversorgungsschnittstelle (PoE) – Technologie, Signal

Power over Ethernet (PoE) ist im Allgemeinen für Systeme mit einer maximalen Versorgungsspannung von 57 VDC und einer benutzerseitigen Leistung von bis zu 73 W anwendbar. Die Spannung beträgt im eingeschalteten Zustand > 42 V. Im Normalbetrieb liegt die Spannung zwischen 36 und 57 V, der typische Wert liegt bei 48 V

Allerdings gibt es bei PoE unterschiedliche Leistungsstufen und auch ihre Namen bzw. Abkürzungen sind unterschiedlich:

·IEEE 802.3af (PoE) bietet 15 W Ausgangsleistung bzw. bis zu 12,95 W am Endgerät.

·IEEE 802.3at (PoE+) liefert 30 W Ausgangsleistung bzw. bis zu 25,5 W am Endgerät.

·IEEE 802.3bt (4PPoE) bietet eine Ausgangsleistung von 90 W und das Endgerät kann bis zu 71,3 W erreichen.

·IEEE 802.3bu (PoDL) für Single-Pair-Ethernet Tabelle 1: Übersicht der wichtigsten Kenndaten der Ethernet-Standards und der zugehörigen Klassen

PoE-Systeme bestehen aus Power Sourcing Equipment (PSE) und Powered Devices (PD, Lasten) mit einer maximal empfohlenen Kabellänge von 100 Metern. Aufgrund des kleinen Leiterquerschnitts, der großen Kabellänge und der niedrigen Systemspannung kommt es zu erheblichen Leistungsverlusten im Kabel, was zu einer geringen Systemeffizienz führen kann. Bei Klasse 4 kann ein PD beispielsweise eine Leistung von 25,5 W verarbeiten, mit einem Leitungsschleifenwiderstand von bis zu 12,5 Ω bei 100 Metern und einem maximal zulässigen Strom von 600 mA.
Dies führt zu einer Verlustleistung von bis zu 4,5 W im Kabel und einem Wirkungsgrad von nur 82 %!

PoE ist im IEEE 802.3af-2003-Standard (IEEE 802.3-2005 Abschnitt 33) oder im 2009-Update IEEE 802.3at spezifiziert. Je nach System kommen unterschiedliche Energiebereitstellungstechnologien zum Einsatz.

·Datenpaar: Stromversorgung über das Mittelanzapfungspaar der Primär- und Sekundärspulen;
·Leerlaufpaar: Stromversorgung über die Verdrahtungsgruppe der Leerlaufstifte direkt oder über Transformatorisolierung;

Beim herkömmlichen 10BASE-T- und 100BASE-TX-Ethernet werden nur zwei der vier Paare für die Datenübertragung verwendet. Die anderen beiden freien Paare können für PoE (Stromversorgung) verwendet werden. Daten werden über einen Pfad und Strom über einen anderen Pfad übertragen, was einer „Leerlaufpaar-Stromversorgung“ entspricht. Als PoE zum ersten Mal eingeführt wurde, war es die sicherste Möglichkeit (siehe Tabelle 2 oben), d. h. Daten und Strom gleichzeitig über ein Kabel zu übertragen.


Tabelle 2: Kabelkonfigurationen in 10BASE-T-, 100BASE-TX- und 1000BASE-T-Ethernet-Kabeln (Gigabit Ethernet).

Bei 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) werden alle vier Paare zur Datenübertragung genutzt. In diesem Fall werden Daten und Leistung über die gleichen Paare übertragen (siehe Tabelle 2 unten), die daher „Datenpaaren“ entsprechen. Dieser Ansatz ist hier möglich, da bei Ethernet über Twisted-Pair-Kabel die differenzielle Datenübertragung über jedes Paar erfolgt und durch einen Transformator entkoppelt wird. Die Signalübertragung selbst unterscheidet sich nicht von der Nicht-PoE-Übertragung; Datenrate und Signalamplitude sind gleich.


Tabelle 3: Einschaltsequenz und zugehörige Spannungsbereiche

2. Gigabit-Ethernet-Schnittstelle mit PoE-Schnittstellenstruktur

Konform mit dem IEEE 802.3at-Standard (PoE+) beträgt die Leistung des angetriebenen Geräts (PD) bis zu 25,5 W. Abbildung 1 zeigt die Grundschaltung des PoE+-Systems.



Abbildung 1: Grundschaltung für ein System nach IEEE 802.3at oder PoE+

Gleichstrom- und Lastanschlüsse stehen über den Mittelabgriff des Transformators auf der PSE- und PD-Seite zur Verfügung. Jedes Kabelpaar arbeitet im Gleichtakt über den Mittelabgriff als eine Seite der Gleichstromversorgung (positiv oder negativ), daher sind zwei Kabelpaare erforderlich, um den Stromkreis zu vervollständigen. Die Polarität des Gleichstroms ist nicht wichtig, da die Gleichrichtung auf der Seite des angetriebenen Geräts (PD) erfolgt. Das mit Strom versorgte Gerät muss über eines der folgenden zwei Kabelpaare mit Strom versorgt werden: Ersatzkabelpaare 4-5 und 7-8 oder Datenkabelpaare 1-2 und 3-6.

3. Einschaltvorgang, PoE-Erkennung

Bevor das PSE (Power Supply Equipment) Strom liefert, muss das Endgerät klassifiziert werden. Dadurch können Schäden an Endgeräten vermieden werden, die PoE nicht unterstützen. Durch die Klassifizierung des PD (Powered Device) wird die vom PSE bereitgestellte Leistung auf die erforderliche Reichweite begrenzt und so Schäden minimiert. Die Stromquelle des PSE ermittelt anhand eines Klassifizierungsstroms und einer Niederspannung, ob das Endgerät die PoE-Stromversorgung unterstützt und zu welcher Klasse es gehört. Daher ist je nach Endgerät ein Informationsaustausch (Handshake-Prozess) zwischen der Stromquelle und dem Endgerät erforderlich, wobei das Endgerät seine PD-Klasse mitteilt. Um im ersten Schritt zwischen PoE-fähigen und nicht-PoE-fähigen Endgeräten zu unterscheiden, wird bei PoE-Stromquellen eine auf Widerstand basierende Methode eingesetzt, um festzustellen, ob eine PoE-Stromversorgung unterstützt wird. PoE-fähige Endgeräte sind zu diesem Zweck mit einem Eingangskreis ausgestattet, der passive Komponenten enthält. Die PSE-Stromquelle prüft den Innenwiderstand des PD-Kreises mithilfe einer Messschaltung. Liegt der Widerstand zwischen 19 kΩ und 26,5 kΩ und die Leitungskapazität ≤ 150 nF, wird die Stromquelle aktiviert. In der zweiten Erkennungsphase wird die Leistungsklasse ermittelt (Tabelle 1). In dieser Phase erhöht der PD schrittweise die Spannung, bis er signalisiert, zu welcher der vier im 802.3af-Standard definierten Leistungsklassen er gehört. Das System sorgt dann für die richtige Stromversorgung. Dieser Erkennungsvorgang dauert insgesamt etwa eine Sekunde. Um Schäden an Endgeräten zu verhindern, schaltet die PSE automatisch die Stromversorgung der zugehörigen Ports ab, sobald das PD aus dem LAN entfernt wird. Abbildung 2 zeigt grafisch den Einschaltvorgang und Tabelle 3 zeigt die Einschaltschritte, zugehörigen Prozesse und Spannungsbereiche.


Abbildung 2: Einschaltsequenz zwischen PSE und PD

Tabelle 4 zeigt die Aufteilung der Klassen (klassifiziert gemäß Tabelle 3) und den Schleifenstrombereich zwischen PSE und PD, der zur Erkennung oder Zuordnung einer Klasse erforderlich ist.

Die graue Linie (d. h. der Mittelwert) wird vom Klassifizierungssystem ignoriert.


Tabelle 4: Klassifizierung (basierend auf Tabelle 3) und der entsprechende erforderliche Bereich für den Schleifenstrom zwischen PSE und PD; Zwischenwerte werden ignoriert; Klassifizierungsstrom = definierter Lastwiderstand durch PD

Mit 802.3bt (PoE++) wurden im September 2018 zwei neue PoE-Typen (Typ 3 und Typ 4) und vier zusätzliche Klassen eingeführt. Der Standard ist vollständig abwärtskompatibel mit früheren PoE-Standards und kann erfolgreich mit älteren Typ 1- und Typ 2-Geräten verwendet werden. Die Ausgangsleistung wird auf 90 W - erhöht 100 W mit Strömen von 600 mA - 960mA. In diesem Fall benötigt die Stromversorgung alle vier Paare, um Leitungsverluste zu begrenzen. Um Leitungsverluste zwischen PSE und PD zu reduzieren und hohe Datenraten zu erreichen, werden hohe Anforderungen an das Kabel gestellt; Eine Übersicht ist in Tabelle 5 dargestellt.


Tabelle 5: Übersicht über PoE-Standards, einschließlich der relevanten Leistung jedes Ports, der verwendeten Adernpaare und der Kabelkategorie

II. RJ45-Überspannungsschutzschema

RJ45-Module werden für die Verbindung zwischen physischen (PHY-)Chips verwendet. Wie in Abbildung 1 gezeigt, gibt es bei RJ45 zwei Kombinationen: Eine ist diskret, der Netzwerkport-Transformator und der RJ45-Anschluss sind getrennt, und die andere ist der Netzwerkport-Transformator und RJ45, die zusammen integriert sind.



Abbildung 1: Zwei Hauptformen von RJ45

Nehmen wir als Beispiel die diskrete RJ45 100M-Netzwerkschaltung. Abbildung 2 zeigt eine typische 100-M-Ethernet-Schaltung.



Bob-Smith-Rennstrecke
Die Bob-Smith-Schaltung wird verwendet, um die Übertragungsqualität von Netzwerksignalen zu verbessern und Interferenzen zu reduzieren. Seine Hauptfunktionen sind wie folgt
1) Gleichtaktunterdrückung
Die Bob-Smith-Schaltung bietet einen Rückweg mit niedriger Impedanz für das Gleichtaktrauschen auf der Signalleitung
2) Impedanzanpassung
Um eine gute Impedanzanpassung zu erreichen und Echostörungen zu reduzieren, wird der mittlere Abgriff der Sekundärspule im Allgemeinen über einen 75-Ω-Widerstand auf Masse gezogen.
3) Überspannungsschutz
Der Überspannungsschutz wird in Gleichtaktschutz und Differenzialmodusschutz unterteilt. Gemäß den IEC61000-4-5-Blitzüberspannungsanforderungen erfordert der Gleichtaktmodus 4 kV und der Differentialmodus 2 kV.

Gleichtaktschutz


Überspannungsentladungspfad auf der Signalleitung: RJ45 → Transformator → Mittelabgriff → 75Ω-Widerstand → Kondensator → Masse; Der Transformator, der Widerstand und der Kondensator in diesem Pfad müssen der Stoßbelastung von 4 kV standhalten.

Überspannungsentladungspfad auf der NC-Leitung: RJ45 → 75-Ω-Widerstand → Kondensator → Masse: Der Widerstand und der Kondensator müssen der Stoßbelastung von 4 kV standhalten

PS: Für die nicht verwendeten Pins von RJ45 muss auch die Bob-Smith-Schaltung angeschlossen werden, um eine Signalimpedanzanpassung zu erreichen und externe Strahlungsstörungen zu unterdrücken.

Differenzmodusschutz


Wie in der Abbildung oben gezeigt, erfordert der Differenzmodus-Überspannungsentladungspfad, dass der Netzwerktransformator selbst 2-kV-Überspannungen standhält. Gleichzeitig wird der Differenzmodus über den Transformator an das PHY-Ende gekoppelt, sodass das PHY-Ende Stößen von 2 kV standhalten muss. Normalerweise werden ein bidirektionales TVS-Gerät oder andere Schutzmaßnahmen in der Nähe des PHY auf der Datenleitung platziert.

RJ45-Schutzschaltung

Outdoor-Ethernet ist anfällig für Blitzeinschläge. Die durch Blitzstöße erzeugte Spannung und Überstrom können Ethernet-Geräte beschädigen. Daher bieten einige Anwendungen einen zusätzlichen Blitzschutz für die RJ45-Schnittstelle. Wie in der Abbildung unten gezeigt, werden keramische Gasentladungsröhren, ESD- und TVS-Geräte hinzugefügt. Die Primärspule und die Sekundärspule können nicht gemeinsam geerdet werden. In der Mitte muss ein Isolationsbereich vorhanden sein. Kupfer ist auf der Leiterplatte verboten. Für die Signalerdung und -abschirmung sind Magnetperlen erforderlich.




3. Analyse des Zusammenhangs zwischen neutralem Salzsprühtest und Vergoldungsanforderungen für RJ45-Stecker
1. Kernanforderungen für den Salzsprühtest von RJ45-Steckverbindern

Als zentrales Mittel zur Bewertung der Umweltanpassungsfähigkeit von RJ45-Steckverbindern bestimmt der neutrale Salzsprühtest (NSS) direkt die Zuverlässigkeit des Steckverbinders in einer salzigen und feuchten Umgebung. Gemäß den internationalen Standards GB/T 10125 und ASTM B117 muss die Salzsprühnebel-Einwirkungszeit von RJ45-Steckverbindern entsprechend der Schwere des Anwendungsszenarios und in Verbindung mit spezifischen Anforderungen an die Struktur der Vergoldungsschicht festgelegt werden:

Unterhaltungselektronik/gewöhnliche kommerzielle Anwendungen: Das Korrosionsrisiko in der Arbeitsumgebung ist gering, die Dicke der Goldbeschichtung muss ≥0,5 μm und die Dicke der Nickel-Unterschicht muss ≥3 μm betragen. Diese Konfiguration muss einen 24/48-Stunden-Salzsprühtest bestehen. Dabei darf die Änderung des Kontaktwiderstands nach dem Test ≤20 % betragen und es darf keine Substratkorrosion auf der Beschichtungsoberfläche auftreten (leichte Verfärbung ist zulässig).

Industrielle Steuerungs-/Außengeräte: Angesichts von Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen sowie chemischer Verschmutzung muss die Vergoldungsschicht auf ≥1,0 ​​μm und die Nickelunterschicht auf ≥5 μm erhöht werden. Die Testdauer wird auf 48-96 Stunden verlängert, wobei der Funktionswiderstand nach 192 Stunden stabil bleiben muss.

Automobilelektronik/Schiffsausrüstung: Sie muss extremer Korrosion wie Tausalz und starker Salzsprühnebel standhalten und Verbundbeschichtungen (wie Nickel + Palladium + Gold) oder eine Goldschicht ≥ 1,5 μm verwenden. Der Test erfordert 96-240 Stunden strenger Überprüfung, und in einigen Szenarien muss ein CASS-Test (Copper Accelerated Acetat Spray) überlagert werden.

Zu den Hauptindikatoren für die Fehlerbestimmung gehören: elektrische Leistung (Anstieg des Kontaktwiderstands > 20 %), mechanische Integrität (Abblättern oder Blasenbildung der Beschichtung) und Substratkorrosion (auf der Kupferlegierung sichtbarer grüner Rost). Wenn zum Beispiel der industrietaugliche RJ45 nach 96 Teststunden eine plötzliche Änderung des Kontaktwiderstands aufweist, deutet dies darauf hin, dass das Versagen der Nickel-Barriereschicht dazu geführt hat, dass sich die Korrosion des darunter liegenden Kupfers ausgebreitet hat.

2. Quantitativer Zusammenhang zwischen Vergoldungsparametern und Salzsprühbeständigkeit

2.1 Korrosionsschutzmechanismus der Dicke und Porosität der Goldschicht

Die Schutzleistung der Vergoldungsschicht nimmt nicht linear zu und ihre Undurchlässigkeit hängt vom Gleichgewicht zwischen Dicke und Porosität ab. Wenn die Goldschicht weniger als 0,3 μm beträgt, ist die Galvanisierungskristallisation diskontinuierlich und bildet dichte Poren, und die Cl⁻-Ionen im Salznebel können bis zur unteren Nickel/Kupfer-Grenzfläche eindringen und elektrochemische Korrosion verursachen. Wenn die Dicke auf mehr als 0,5 μm erhöht wird, verringert sich die Porosität deutlich; Wenn sie 1,0 μm erreicht, kann die Porosität auf ≤5/cm² kontrolliert werden und das Korrosionsrisiko wird stark reduziert. Eine zu dicke Goldschicht (>2,0 μm) erhöht jedoch die Kosten und kann aufgrund innerer Spannungen zu Sprödrissen führen.

Typische Auswirkungen von Fehlern im Vergoldungsprozess:

Verunreinigung durch Verunreinigungen: Organische Verunreinigungen (z. B. Zersetzungsprodukte von Additiven) führen zum Ausblühen der Goldschicht und Metallverunreinigungen (Fe²⁺, Cu²⁺) verringern die Stromeffizienz, was zu einer lockeren und porösen Beschichtung führt.

Ungenauigkeit der Stromdichte: Falsche Amplitudeneinstellung oder Ungleichgewicht der Vibrationsgalvanikparameter, was zu lokaler Kristallisationsrauheit (sichtbare Rötung) führt und das Eindringen von Salznebel beschleunigt.

Alterung der Beschichtungslösung: Nach längerem Gebrauch schwankt die Konzentration der Kobalt-/Nickelionen, wodurch sich das Verhältnis der Hartgoldlegierung (Au-Co/Au-Ni) ändert und die Dichte abnimmt.

2.2 Die Schlüsselrolle der Nickel-Unterschicht

Die Nickelschicht spielt in der vergoldeten Struktur eine Doppelrolle: mechanische Stützschicht und Korrosionsschutzschicht. Wenn die Dicke ≥3 μm beträgt, kann die Ionendiffusion zwischen dem Kupfersubstrat und der Goldschicht wirksam blockiert werden. Wenn sie auf mehr als 5 μm erhöht wird, können die Passivierungseigenschaften von Nickel die Korrosion des Substrats verzögern, selbst wenn Spuren von Poren in der Goldschicht vorhanden sind. Der neutrale Salzsprühtest zeigt, dass die vergoldete Kupferlegierung ohne Nickelschicht innerhalb von 24 Stunden roten Rost aufweist, während die Probe mit 5 μm Nickelschicht nach 96 Stunden nur leichte Verfärbungen am Rand aufweist.

Tabelle: Korrespondenz zwischen den Vergoldungsparametern des RJ45-Steckers und der Leistung des Salzsprühtests

3. Haupteinfluss der Salzsprühtestbedingungen auf die Ergebnisse

3.1 Temperatur-, Feuchtigkeits- und Sedimentationskontrolle

Salzsprühkorrosion ist im Wesentlichen eine elektrochemische Reaktion. Die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht sich mit jedem Temperaturanstieg um 10°C um das 2-/3-fache. Der Standard-NSS-Test erfordert eine konstante Temperatur von 35 ± 2 °C. Bei einer Abweichung von 40 °C kann die äquivalente tatsächliche Korrosionsmenge eines 96-Stunden-Tests 168 Stunden erreichen. Die Sedimentationsmenge muss streng auf 1,0-2,0 ml/80 cm²·h kontrolliert werden. Bei unzureichender Sedimentation wird die Korrosionswirkung unterschätzt, während bei übermäßiger Sedimentation der Flüssigkeitsfilm dicker wird und die Sauerstoffdiffusionskorrosion beschleunigt wird.

3.2 Salzwasserkonzentration und pH-Wert

Die NaCl-Konzentration muss bei 5 % (Massenverhältnis) gehalten werden, um die echte Meeresatmosphäre zu simulieren. Wenn die Konzentration mehr als 5 % beträgt, verringert die Abnahme der Sauerstofflöslichkeit die Korrosionsrate von Stahl; Bei Kupferlegierungen nimmt die Korrosionsrate jedoch weiter zu. Der pH-Wert ist ein sensibler Parameter: Sinkt der pH-Wert von 7,0 auf 3,5 (z. B. durch Versauerung durch CO₂-Lösung), erhöht sich die Korrosionsrate um das 7-8-fache. Daher muss der pH-Wert während des Tests täglich überwacht und mit NaOH/HCl auf neutral eingestellt werden.

3.3 Probenplatzierungswinkel

Wenn der RJ45-Stecker horizontal (0°) platziert wird, beträgt die Salznebelablagerung auf der Oberseite das 1,8-fache der Menge bei vertikaler Platzierung, was zu übermäßiger Korrosion führt. Gemäß GB/T 2423.17 wird empfohlen, es in einer Neigung von 30° aufzustellen, um die Korrosionsverteilung näher an die tatsächlichen Arbeitsbedingungen anzupassen.