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Connettori RJ45: la guida definitivaERT

francescoferrari

di Jeff Smoot

In questo articolo..

  1. Connettori RJ45: concetti di base
  2. Connettori RJ45: caratteristiche e funzionalità
  3. Standard in vigore per i connettori RJ45
  4. Utilizzi attuali dei dispositivi RJ45
  5. Connettori RJ45 e reti Ethernet
  6. Uno sguardo a EtherCAT
  7. Cablaggio Cat5 e Cat6: le differenze
  8. PoE (Power over Ethernet) e connettori RJ45
  9. Specifiche tecniche dei dispositivi RJ45 e layout della scheda: alcune considerazioni
  10. Pinout dei connettori RJ45
  11. Tipologie di connettori RJ45
  12. Prese magnetiche RJ45
  13. Applicazioni dei connettori RJ45
  14. Scelta del prodotto e progettazione: alcune considerazioni
  15. Considerazioni conclusive

 

L’utilizzo di connettori elettronici modulari è stato sicuramente uno dei fattori alla base della diffusione su scala mondiale dei servizi di comunicazione e dati. In questa famiglia di dispositivi modulari, una delle tipologie di più ampio utilizzo è senza dubbio il connettore RJ45.

Come già spiegato in un questo altro blog, il sistema di connettori modulare è stato sviluppato da AT&T negli anni ’60 e ’70 per sostituire gli ingombranti connettori telefonici in uso a quei tempi ed eliminare le laboriose operazioni di installazione degli stessi. Questo nuovo sistema di connettori modulare assicurava un’installazione semplice, rapida ed economica che poteva essere personalizzata direttamente sul posto da un tecnico o installata dall’utente nella propria abitazione. Questa linea di prodotti è andata via via ampliandosi nel corso degli anni fino a includere i dispositivi che rappresentano i “pilastri” della comunicazione dati, come appunto i connettori RJ45, che erano stati sviluppati per il collegamento in rete tra computer. In effetti, i connettori RJ45 sono comunemente indicati come connettori Ethernet.

Connettori RJ45: concetti di base

Un connettore RJ45 è un dispositivo di interconnessione modulare di utilizzo molto comune abbinato a un cavo che fornisce servizi di comunicazione dati a un gran numero di sistemi e dispositivi elettronici.

I vari connettori sviluppati utilizzando questo sistema sono stati classificati nel 1976 da FCC all’interno del sistema Registered Jack (RJ), dando così origine alla denominazione RJ. Questa operazione è stata fatta al fine di garantire l’interoperabilità tra l’hardware delle Compagnie telefoniche e le apparecchiature degli utenti. Il sistema RJ copre i seguenti aspetti: costruzione fisica del connettore, schema di cablaggio (wiring pattern) e specifiche del segnale.

I dispositivi RJ45, come tutti i connettori modulari, prevedono contatti metallici separati da canali di isolamento in plastica. I canali si inseriscono in uno zoccolo di accoppiamento e il connettore viene bloccato con una linguetta che lo tiene fisso ma ne permette anche la rimozione. Internamente, i dispositivi RJ45 contengono 8 pin e 8 posizioni del filo utilizzate per gestire i segnali o la potenza e sono quindi in grado di ospitare 4 coppie di fili intrecciati.

La configurazione a 8 pin dei dispositivi RJ45 è simile a quelli dei connettori 8P8C, ma un “vero” connettore RJ45 prevede una linguetta che assicura l’inserzione in uno zoccolo con il corretto orientamento per evitare cablaggi impropri.

Ne consegue che RJ45 è un tipo di connettore 8P8C. Nell’uso comune la maggior parte dei connettori 8P8C sono denominati RJ45, anche se questa definizione non è molto precisa. È possibile innestare connettori 8P8C negli zoccoli RJ45, ma non è consentita l’operazione inversa.

Connettori RJ45: caratteristiche e funzionalità

I connettori RJ45 condividono le caratteristiche fondamentali dei connettori modulari: basso costo, assemblaggio senza saldatura di connettori e cablaggi, possibilità di produrre in tempi brevi cavi personalizzati, semplicità di inserzione e rimozione, facilità di assemblaggio sul campo con attrezzature semplici e possibilità di personalizzare i cavi sul posto. Gli zoccoli (o prese) possono avere un orientamento orizzontale o verticale, consentendone l’uso in svariate applicazioni.

Oltre a ciò, i connettori RJ45 prevedono anche la già menzionata linguetta di polarizzazione per impedire un cablaggio non corretto. Grazie alla configurazione a 8 pin possono essere usati in applicazioni particolarmente impegnative e ad alta intensità di dati.

Tra le altre caratteristiche di rilievo si possono segnalare le seguenti:

Standard in vigore per i connettori RJ45

I connettori RJ45 devono soddisfare le specifiche di parecchi standard in funzione del tipo di applicazione. Lo standard ANSI/TIA 1096-A si occupa delle dimensioni fisiche di base, delle caratteristiche meccaniche e dei requisiti per i contatti dei dispositivi RJ45. T-568A e T568B fanno invece riferimento ai cablaggi e ai pinout (piedinatura) di questi connettori. Le specifiche Ethernet e i dettagli per i dispositivi PoE (Power over Ethernet), dove il connettore fornisce la corrente elettrica al dispositivo finale sono invece l’oggetto degli standard IEEE 802.3at, 802.3af e 802.3bt. IEEE 1394 definisce invece la struttura del bus dell’interfaccia dati utilizzata con i dispositivi RJ45, che dipende in larga misura dalla specifica applicazione. Parecchi di questi standard saranno analizzati con maggior dettaglio nel seguito dell’articolo.

Utilizzi attuali dei dispositivi RJ45

I dispositivi RJ45 sono utilizzati principalmente per connettere un dispositivo in grado di collegarsi a Internet (come a esempio un personal computer) con un altro dispositivo di rete, come server, router, modem, smart TV, console per videogiochi e numerosi altri prodotti che utilizzano il protocollo Ethernet (Fig. 1). Le reti Ethernet sono ampiamente diffuse in ambito sia professionale sia domestico. Il cablaggio effettuato mediante dispositivi RJ45 permette di effettuare trasmissioni dati ad alta velocità e assicura un trasferimento stabile e sicuro: grazie a queste caratteristiche può essere utilizzato anche in ambito industriale e all’interno di uno stabilimento.

Fig. 1 – Dispositivi di rete tipici di applicazioni in ambito residenziale, commerciale e industriale che utilizzano connettori RJ45

Connettori RJ45 di tipo “rugged” (robusti) vengono adottati in misura sempre maggiore in tutte quelle applicazioni di comunicazione dati in cui i vari componenti del sistema sono esposti all’umidità, alla polvere, alle vibrazioni, agli agenti chimici o a sollecitazione di natura meccanica. Particolari accorgimenti, quali l’uso di guaine protettive o di dispositivi anti-strappo, permettono ai connettori di assicurare le prestazioni previste per “sopravvivere” in questi ambienti ostili.

Connettori RJ45 e reti Ethernet

Ethernet è semplicemente una modalità impiegata per collegare computer e altri dispositivi ubicati all’interno di uno spazio fisico. Essa permette la trasmissione dati su reti LAN (Local Area Network) o WAN (Wide Area Network) e prevede collegamenti di tali dispositivi attraverso cavi in modo da consentire la reciproca comunicazione.

Lo standard Ethernet (IEEE 802.3) è stato sviluppato da IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) negli anni ’80 ed è attualmente la più diffusa tecnologia LAN utilizzata su scala mondiale. Esso definisce le regole da seguire per configurare una rete Ethernet (connessioni), il numero di conduttori richiesti per una connessione e le prestazioni previste, oltre a un framework per la trasmissione dati.

L’ampia diffusione della tecnologia Ethernet è dovuta al bilanciamento che è in grado di offrire tra semplicità di installazione, velocità, costo e ampio supporto di protocolli di rete. I connettori RJ45 sono i dispositivi standard utilizzati per l’installazione della rete.

Uno sguardo a EtherCAT

EtherCAT, abbreviazione di Ethernet for Control Automation Technology, è stato introdotto nel 2003 e le sue caratteristiche sono specificate nello standard IEC (International Electrotechnical Commission) 61158. Si tratta di un protocollo di rete estremamente flessibile utilizzati in ambito industriale per applicazioni quali automazione della fabbrica in real-time, misura e collaudo e molte altre ancora. Tra le caratteristiche di rilievo da segnalare il funzionamento ad alta velocità e l’elevata efficienza. Anche per l’implementazione di una rete EtherCAT vengono utilizzati connettori RJ45 e non è richiesto nessun altro particolare componente hardware. Un dispositivo di una rete EtherCAT ha due porte RJ45, una collegata con il nodo che lo precede nella rete e l’altro con il nodo che lo segue. Una simile configurazione assicura un utilizzo efficiente dell’ampiezza di banda.

Cablaggio Cat5 e Cat6: le differenze

Il cablaggio utilizzato nelle reti Ethernet ed EtherCAT è disponibile in differenti versioni. Benché per la connessione in rete di computer vengano utilizzati cavi Cat5 e Cat6, le prestazioni differiscono notevolmente.

Un cavo Cat5 è formato da 4 coppie intrecciate di fili e, anche se ampiamente utilizzato in passato, è diventano obsoleto a causa dell’introduzione del cavo Cat5e. Anche quest’ultimo prevede 4 coppie intrecciate di fili ma, grazie alle modifiche apportate in fase di progettazione, è caratterizzato da una velocità fino a 10 volte superiore rispetto a un cavo Cat5, oltre a garantire una maggiore resistenza nei confronti di fenomeni di diafonia (crosstalk) o interferenza.

Sempre composto da 4 coppie intrecciate, il cavo Cat6 assicura una velocità più elevata rispetto a un cavo Cat5e, un’ampiezza di banda e un numero di funzionalità maggiori, oltre a migliore resistenza alla diafonia e alle interferenze grazie alla schermatura. Compatibili con i cavi Cat5 e Cat5e, i cavi Cat6 vengono solitamente utilizzati per l’installazione di reti che devono garantire velocità dell’ordine dei Gigabit. Il cavo Cat6a di più recente introduzione prevede un involucro in plastica spessa per attenuare in misura ancora maggiore il fenomeno della diafonia e può essere usato su distanze fino a 100 metri. Come visibile nella tabella 1, i cavi Cat7 sono caratterizzati da un’ampiezza di banda più estesa.

Tipo di cavo                            Velocità (max.)                   Ampiezza di banda (max.)

Cat 5

100 Mbps

100 MHz

Cat 5e

1,000 Mbps

100 MHz

Cat 6

1,000 Mbps

250 MHz

Cat 6a

10,000 Mbps

500 MHz

Cat 7

10,000 Mbps

600 MHz

Cat 7a

10,000 Mbps

1,000 MHz

Tab. 1 – Differenze tra le varie categorie di cavi

A questo punto è utile sottolineare che i cavi appartenenti a tutte queste categorie prevedono 4 coppie intrecciate, ovvero 8 fili, per cui è necessario ricorrere a connettori RJ45 con 8 pin per collegare tutti i fili. I cavi di tutti le categorie menzionate – Cat5, Cat5e, Cat6, Cat6a, Cat7 e Cat7a – utilizzano i medesimi connettori RJ45.

 

PoE (Power over Ethernet) e connettori RJ45

I connettori modulari come i dispositivi RJ45 danno la possibilità di trasmettere segnali e fornire potenza elettrica ai dispositivi collegati. PoE (Power over Ethernet) è una tecnica utilizzata per fornire potenza in continua (dc) ai dispositivi sfruttando le coppie intrecciate inutilizzate presenti nei cavi Ethernet, eliminando la necessità di un cablaggio separato per la potenza. La tecnologia PoE è regolata dallo standard IEEE 802.3af e dalle versioni successive che hanno aumentato i livelli di potenza erogabile. Le varie versioni sono riportate nella tabella 2.

 

Nomenclatura

Standard

Potenza (max.)

PoE

IEEE 802.3af

Fino a 15,4 W

PoE+

IEEE 802.3at (Tipo 2)

Fino a 30 W

PoE++

IEEE 802.3bt (Tipo 3)

Fino a 60 W

PoE++

IEEE 802.3bt (Tipo 4)

Fino a 100 W

Tab. 2 – Le differenti versioni dello standard IEEE 802.3af per la tecnologia PoE (Power over Ethernet)

L’impiego della tecnologia PoE si è diffuso rapidamente grazie al risparmi correlati alla sua adozione, che premette di eliminare il ricorso a cavi elettrici separati, prese e costi di installazione (Fig. 2). Essa assicura anche la massima flessibilità in quanto non è necessario posizionare i dispositivi in prossimità delle prese elettriche. Nel progetto di questa tecnologia è stata prestata una particolare attenzione agli aspetti relativi alla sicurezza, all’affidabilità e alla scalabilità.

Fig. 2 – Gli iniettori PoE (Power over Ethernet) forniscono potenza ai dispositivi connessi tramite Ethernet

Specifiche tecniche dei dispositivi RJ45 e layout della scheda: alcune considerazioni

Se si sta progettando un dispositivo che dovrà interfacciarsi con una rete Ethernet e utilizzerà i connettori RJ45 sono necessarie alcune considerazioni di natura tecnica che dipendono dal grado di coinvolgimento nel progetto.

A livello di scheda l’obiettivo è ridurre le interferenze EMI, mantenere l’integrità del segnale e preservare l’isolamento del segnale elettrico. Senza entrare nel dettaglio della progettazione del circuito, l’attenzione deve essere focalizzata sulla lunghezza e posizione delle piste sulla scheda. I componenti magnetici dovrebbero essere isolati e mantenuti il più vicino possibile alle connessioni RJ45. Dal punto di vista teorico i connettori con componenti magnetici integrati rappresentano la miglior soluzione per ridurre le interferenze EMI, come sarà discusso in modo più approfondito in seguito. Inoltre deve essere preso in considerazione il posizionamento fisico dei connettori sulla scheda.

Come accennato già in precedenza, i connettori RJ45 prevedono numerose opzioni di montaggio, tra cui il montaggio su pannello, su scheda, a fori passanti o a montaggio superficiale.

Pinout dei connettori RJ45

Il termine pinout si riferisce all’assegnamento di ciascuno dei vari contatti all’interno del connettore. I fili codificati tramite colore devono essere inseriti nella posizione esatta all’interno del connettore per assicurare il corretto funzionamento della rete Ethernet. Al fine di semplificare l’allineamento, sono disponibili connettori RJ45 di tipo pass-through (a cavo passante) che consentono di far passare i fili attraverso i connettori, che vengono tagliati durante l’operazione di crimpatura.

Esistono due standard relativi al pinout dei connettori RJ45: T568A e T568B. Essi definiscono la disposizione degli 8 fili nel connettore e ciascuno prevede un proprio schema di colori che deve essere seguito (Fig. 3). Lo standard T568A garantisce la compatibilità con i cablaggi più datati, mentre lo standard T568B assicura un miglior isolamento del segnale e una maggiore protezione contro il rumore. Entrambi possono essere utilizzati in una rete Ethernet.

Fig. 3 – Ripartizioni delle assegnazioni dei pin secondo gli standard T568A e T569B

Cablaggio secondo T568B in un connettore RJ45

La modalità di utilizzo dipende dalle specifiche esigenze di progetto e dal fatto che si stia utilizzando un cavo di tipo “straight-through” (diretto) o un cavo di tipo “crossover” (incrociato). Un cavo del primo tipo (detto anche cavo patch), ha il medesimo standard di cablaggio a ciascuna estremità. I cavi incrociati sono usati per collegare gli stessi tipi di dispositivi in quanto hanno una connessione T568A a una estremità e una connessione T568B all’altra estremità.

I cavi rollover sono cavi piatti e vengono impiegati per collegare i dispostivi alla porta della console di uno switch: essi sono usati solamente per stabilire un interfacciamento e non trasmettono dati.

Altri termini di uso comune sono a esempio Loopback, nome che indica una connessione che consente a un computer di collegarsi con se stesso. Esso viene impiegato per scopi di diagnostica, ricerca guasti e per la connessione con i server. Il termine T1, infine, fa riferimento a una linea dedicata che collega direttamente il fornitore di servizi telefonici con l’utente finale ed è caratterizzata da una maggiore velocità e dalla possibilità di trasportare sia voce sia dati. Anche se vi sono ancora linee T1 in servizio, sono molto meno diffuse rispetto a 15-20 anni fa.

Tipologie di connettori RJ45

In funzione della particolare applicazione considerata, esistono differenti tipologie di connettori RJ45. Tra le principali si possono annoverare:

Prese magnetiche RJ45

I dispositivi magnetici sono componenti avvolti (come a esempio i trasformatori) che garantiscono la schermatura contro le interferenze EMI, proteggono contro guasti e fenomeni transistori e garantiscono l’isolamento elettrico e il bilanciamento del segnale. I componenti magnetici possono essere integrati in un progetto di una rete Ethernet seguendo due differenti modalità. La prima prevede l’aggiunta di un modulo magnetico alla scheda posta tra il chip PHY (livello fisico dell’implementazione Ethernet) e la presa del connettore. La seconda opzione contempla invece il ricorso a un connettore RJ45 che integra nell’alloggiamento i componenti magnetici.

I moduli tendono a essere più economici rispetto ai dispositivi integrati e assicurano una migliore protezione contro le scariche elettrostatiche (ESD – Electrostatic Discharge). I connettori RJ45 con componenti magnetici integrati forniscono una schermatura più efficace contro le interferenze EMI e garantiscono connessioni più affidabili. Entrambe le strategie comportano ovviamente vantaggi e svantaggi, ma è utile sottolineare che i componenti magnetici devono essere presi in considerazione laddove è prevista l’aggiunta di una rete Ethernet cablata in un progetto perchè tali componenti sono previsti nelle specifiche Ethernet per reti 10/100/1000 Base-T.

Applicazioni dei connettori RJ45

Nel momento in cui si vogliono integrare funzionalità Ethernet in un sistema, il ricorso a connettori RJ45 con cablaggio di Cat5 o Cat6 è la soluzione standard per la connettività in dispositivi di rete, periferiche e apparati di telecomunicazione. L’aggiunta di ulteriori caratteristiche e funzionalità, quali l’incremento della velocità e la maggiore robustezza, ai dispositivi RJ45 ha consentito di espandere l’utilizzo di questo sistema di interconnessione al di là della connessione in rete in ambito domestico e d’ufficio.

L’introduzione del protocollo EtherCAT ha consento l’uso di Ethernet anche negli stabilimenti e in numerose altre realtà. Tra le nuove applicazioni che utilizzano la tecnologia RJ45 si possono segnalare le seguenti:

Scelta del prodotto e progettazione: alcune considerazioni

Nel processo di progettazione di un prodotto o di un sistema trova sempre posto una sessione di domande e risposte. Di seguito un elenco, seppur limitato, di alcuni aspetti da prendere in considerazione quando si devono progettare prodotti che richiedono la connettività con connettori RJ45:

Considerazioni conclusive

Il sistema di connettori modulare è stato inizialmente concepito per migliorare un processo di interconnessione telefonica antiquato e che richiedeva laboriose operazioni di installazione. I connettori RJ45 sono stati introdotti all’interno di questo sistema per risolvere espressamente i problemi di interconnessione tra dispositivi che utilizzano il protocollo Ehernet.

Al pari degli altri connettori modulari, i dispositivi RJ45 si distinguono per la facilità di integrazione, la semplicità e rapidità di installazione, l’ampiezza della gamma disponibile e l’accessibilità da parte dell’utente. Essi sono stati accettati su scala mondiale per applicazioni di connessione in rete in ambito domestico e d’ufficio e trovano un impiego sempre più vasto negli stabilimenti e in numerose applicazioni in ambienti gravosi.

CUI Devices mette a disposizione un’ampia gamma di connettori RJ45 corredati da numerose opzioni, compresa l’integrazione di componenti magnetici, il supporto della funzionalità PoE, la presenza di indicatori LED e molte altre ancora.