ICMs von Pulse Electronics liefern die Bausteine für industrielle Gigabit-Netzwerke

Industrielle Netzwerke steuern die Anlagen in der Fabrik, übertragen Daten und Bilder an externe Monitore und ermöglichen eine nahtlose lokale und entfernte Kommunikation und Datenübertragung. Die diesen Netzen zugrunde liegende Ethernet-Technologie hat sich im Laufe der Jahre von 10BASE-T-Systemen, die 10 Mbit/s übertragen können, zu Netzen entwickelt, die bis zu 400 Gbit/s sowohl bei der kabelgebundenen Ethernet- als auch bei der drahtlosen 5G-Übertragung unterstützen. Diese Entwicklung stützt sich auf Netzwerkbausteine, die Geräte über Ethernet-Kabel mit dem lokalen Netzwerk (LAN) verbinden, die Signalübertragung verbessern und den Datenfluss verwalten.

Entwickler können einzelne industrielle Netzwerkkomponenten oder Produkte wählen, die optimale Komponenten in einem einfach zu implementierenden Paket kombinieren. Die Kenntnis der Optionen ist der erste Schritt zur Implementierung eines zukunftssicheren Industrienetzes.

Die Bausteine der industriellen Vernetzung

Jedes Gerät in einem industriellen Netzwerk hat eine physikalische Schicht (PHY), die Ethernet-Chips, die in die Leiterplatte eingebettet sind. PHY verwaltet die Kommunikation in und aus dem Gerät.

Die Daten, die das Gerät verlassen, werden in der Regel über ein physisches Medium, z. B. ein Ethernet-Kabel, übertragen. Das Kabel und die PHY zusammen bestimmen die Übertragungsgeschwindigkeit. Die meisten neuen Geräte unterstützen mindestens 1000BASE-T-Ethernet, was bedeutet, dass das Gerät Daten mit bis zu 1000 Mbit/s oder 1 Gbit/s über eine Verkabelung mit mehreren verdrillten Adernpaaren übertragen oder empfangen kann.

Integrierte Steckverbindermodule (ICMs) sitzen zwischen einem PHY und einem Übertragungsmedium und ermöglichen eine effektive Kommunikation zwischen beiden. ICMs müssen medienabhängige Schnittstellen (MDIs) bereitstellen, z. B. standardmäßige RJ45-Ethernet-Buchsen, an die die Kabel angeschlossen werden können. ICMs müssen auch die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) innerhalb des Systems sicherstellen, indem sie die Impedanzen von PHY und Kabel aufeinander abstimmen und eine galvanische Isolierung bieten, die die Verbindung vor Überspannungen, Erdschleifen und Signalrauschen schützt.

Ein 1:1-Übertrager innerhalb des IMC trennt außerdem die Gleichstromvorspannung für den Betrieb des PHY von den Gleichstromvorspannungen, die zur Übertragung von Daten oder Strom an angeschlossene Geräte über Power over Ethernet (PoE) verwendet werden.

ICMs verwalten PoE, indem sie eine Gleichstromvorspannung zwischen zwei verdrillten Paaren, die zur Datenübertragung verwendet werden, oder zwischen zwei unbenutzten verdrillten Paaren im Ethernet-Kabel sicherstellen. PoE kann die Verkabelung für Anwendungen in der Fabrik erheblich vereinfachen. Allerdings ist eine sorgfältige Auswahl von Kabeln, ICMs und anderen Netzwerkbausteinen erforderlich, um die EMI auf ein Minimum zu beschränken.

Nutzung von PoE

Um PoE in industriellen Umgebungen zu implementieren, verwenden Ingenieure LAN-Übertrager wie die PulseChip-LAN-Übertrager der TCxG-Serie von Pulse Electronics (Abbildung 1). Diese Komponenten ermöglichen die Basisbandübertragung von Daten mit 1 Gbit/s, 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s oder 10 Gbit/s sowie 0 bis 90 W Gleichstromleistung über vier verdrillte Leitungspaare.

Abbildung 1: Die PulseChip-LAN-Übertrager der TCxG-Serie sind mit Filterdrosseln gekoppelt, um das Signalrauschen zu reduzieren und 0 W bis 90 W DC PoE zusammen mit bis zu 10 Gbit/s an Daten zu liefern. (Bildquelle: Pulse Electronics)

Die oberflächenmontierbaren SMD-Übertrager mit Ferritkern bieten eine galvanische Isolierung von 1500 V_eff zur Reduzierung von Rauschen und EMI. Die TCxG-Serie erfüllt oder übertrifft die relevanten Abschnitte der Spezifikation IEEE 802.3 (Institute for Electrical and Electronics Engineers), die die elektrischen Anforderungen von Ethernet- und Wi-Fi-Kommunikationsgeräten regelt, insbesondere die Anforderungen für 1G-, 2,5G-, 5G- und 10GBASE-T-Ethernet-Übertragung sowie IEEE 802.3bt für PoE-Anwendungen vom Typ 4 Klasse 6/8.

TCxG-LAN-Übertrager sind für Standard-Leiterplattenlayouts mit sechs Pads in der Kerngröße 1812 (4732) ausgelegt. Die Serie TCxG00P verwaltet 60 W PoE auf einer Grundfläche von 4,70 ±0,25 mm mal 3,20 mm. Die Serie TCxG001P, die 90 W bewältigt, ist 4,60 ±0,25 mm mal 3,40 mm groß, eine Größe, die speziell für das kleine Kernlayout entwickelt wurde, obwohl die Ingenieure von Pulse Electronics empfehlen, zusätzlichen Platz für die Kabelseite des Übertragers vorzusehen, um den Temperaturanstieg bei der höheren Leistung zu verringern. Die Transformatoren sind für den Betrieb bei Temperaturen zwischen -40°C und +85°C ausgelegt, einschließlich der Temperaturen, die durch die Selbsterhitzung der Komponenten entstehen.

Beide Designs weisen eine Einfügedämpfung von weniger als -1 dB bei Frequenzen bis zu 200 MHz auf. Um die Signalverluste weiter zu reduzieren, sind die Übertrager der TCxG-Serie für die Kombination mit SMT-Filterdrosseln wie die der Serie PE-0805GCMC von Pulse Electronics ausgelegt. Diese Drosseln, die dazu beitragen, elektronisches Rauschen aus dem Signal zu filtern, sind mit den LAN-Übertragern nach Datenrate gepaart, um Impedanzübereinstimmungen zu gewährleisten. Sie passen in eine kleinere 0805 (2012) Kerngröße von 2,00 mm mal 1,2 mm und bieten, da sie nicht durch die Polarität in ihrer Platzierung eingeschränkt sind, Flexibilität beim Leiterplattendesign.

Das flexible, modulare Design der TCxG-Übertrager und ihrer gepaarten Drosseln sowie die Fähigkeit der Übertrager, PoE zu übertragen, machen sie ideal für Anwendungen wie Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI), industrielle Ethernet-LAN-Switches, Router und Server sowie 5G- und Wi-Fi-Wireless Access Points (WAPs).

Integration von Vernetzung mit ICMs

Auch wenn die separate Spezifikation von LAN-Übertragern und Filterdrosseln Flexibilität bietet, erfordern viele Anwendungen eine integrierte Lösung. Ein ICM vereint einen LAN-Übertrager mit Filterdrosseln und mit einer RJ45-Buchse für den Ethernet-Kabelstecker, wobei die Kompatibilität mit den gängigen PHY-Chips gewahrt bleibt.

In den Ethernet-ICMs der Pulsejack-Serie JXT7 von Pulse Electronics (Abbildung 2) arbeiten diese Komponenten zusammen, um Datenraten von bis zu 10 Gbit/s gemäß IEEE 802.3an zu liefern oder einen Multiratenbetrieb mit 2,5 Gbit/s und 5 Gbit/s gemäß IEEE 802.3bz zu erreichen. Außerdem können sie gemäß IEEE 802.3bt bis zu 140 W Gleichstrom über eine Strecke von 100 m mit ungeschirmten Twisted-Pair-Kabeln (UTP), wie Cat5e oder Cat6, liefern.

Abbildung 2: Die ICMs der Pulsejack-Serie JXT7 kombinieren einen LAN-Übertrager, Filterdrosseln und eine RJ45-Buchse, um Datenraten von 1 bis 10 Gbit/s und bis zu 140 W DC PoE in einem robusten SMD-Gehäuse zu unterstützen, das ideal für WAPs ist. (Bildquelle: Pulse Electronics)

Um einer möglichen Überhitzung bei diesen höheren Leistungen und Strömen von bis zu 1,3 A entgegenzuwirken, bieten die JXT7-ICMs mit Gesamtabmessungen von 34,29 mm Tiefe, 16,51 mm Breite und 13,33 mm Höhe ein größeres Hohlraumdesign. Die umfangreiche EMI-Abschirmung der Komponenten umfasst EMI-Finger an der Ober- und Unterseite sowie zusätzliche Erdungsfahnen. JXT7-ICMs sind robust konstruiert für Industrie- und Außenanwendungen bei Temperaturen von -40°C bis +85°C.

Optimierte Vernetzung

ICMs sind wichtige Bausteine für den Anschluss einzelner Geräte an ein industrielles Ethernet-Netzwerk. Für den Aufbau dieses Netzwerks sind jedoch Switches, Router und Antennen erforderlich, die den Datenübertragungsraten der Geräte entsprechen. Um die von kompakten ICMs und der PoE-Technologie gebotene Platzersparnis in der Fabrikhalle aufrechtzuerhalten, müssen diese Netzwerkgeräte in die bestehenden Leiterplattenlayouts passen.

Eine Möglichkeit, diese Effizienz zu erreichen, sind BGA-Gehäuse (Ball Grid Arrays), SMDs, die eine hohe Packungsdichte von Netzwerkkomponenten ermöglichen. Die 1GB-SMD-BGA-Ethernet-LAN-Module von Pulse Electronics (Abbildung 3) unterstützen Ethernet-Vernetzung von 10BASE-T bis 1000BASE-T und liefern bis zu 70 W DC PoE bei einer Dichte von weniger als 140 mm²/Port.

Abbildung 3: Die 1GB-SMD-BGA-Ethernet-LAN-Module von Pulse Electronics können Netzwerk-Switches so aufrüsten, dass sie ein höheres Maß an PoE unterstützen und gleichzeitig Datenraten von bis zu 1 Gbit/s zulassen. (Bildquelle: Pulse Electronics)

Die Einheiten, die in den Footprint älterer Komponenten passen, die langsamere Geschwindigkeiten oder eine geringere Wattzahl unterstützen, passen hinter 2xN-Anschlüsse, die zwei Reihen von Anschlüssen und einen bis acht Anschlüsse pro Reihe haben. Die für industrielle Umgebungen konzipierten Module sind für Betriebstemperaturen von -40°C bis +80°C ausgelegt.

Diese hochkompakten Module können auch das Hinzufügen von 5G-Antennen für die drahtlose HF-Kommunikation unterstützen. Antennenlösungen für 5G-Anwendungen, wie z. B. die von Pulse Electronics (Abbildung 4), können intern in einem Gerät auf der Leiterplatte oder der flexiblen Platine (FPC) oder extern mit Hardware oder Magneten montiert werden. Die Wahl der Antenne hängt von der gewünschten Datenübertragungsrate und Bandbreite, der Entfernung zum Empfänger und eventuellen Hindernissen oder Störungen ab.

Diese Antennen unterstützen das untere und mittlere Band der 5G-Übertragung mit Frequenzen von 617 MHz bis 7125 MHz. Bei diesen Frequenzen können sie Daten von Sensoren an intelligente Geräte mit hohen Datenraten und geringen Latenzzeiten übertragen.

Abbildung 4: Die 5G-Antennen von Pulse Electronics unterstützen industrielle Netzwerke über Wi-Fi, Bluetooth und andere HF-Kommunikationsstandards im Frequenzbereich von 617 MHz bis 7125 MHz. (Bildquelle: Pulse Electronics)

Fazit

Industrielle Netzwerke hängen von einer Vielzahl von Komponenten wie LAN-Übertragern, Filterdrosseln, Twisted-Pair-Kabeln, Ethernet-Buchsen, Switches, Routern und Antennen ab. Wenn diese Komponenten wie vorgesehen zusammenarbeiten, unterstützt das Industrienetzwerk von heute und in Zukunft Multi-Gigabit-Geschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit und geringer Latenz.