Gli ICM di Pulse Electronics sono i componenti costitutivi delle reti industriali Gigabit

Le reti industriali controllano le apparecchiature presenti in fabbrica, trasmettono dati e immagini a monitor esterni e assicurano comunicazioni e trasferimenti ininterrotti di dati locali e remoti. La tecnologia Ethernet alla base di queste reti si è evoluta nel corso degli anni, passando da sistemi 10BASE-T in grado di trasmettere 10 Mbps a reti che supportano fino a 400 Gbps, sia nella trasmissione Ethernet cablata sia in quella wireless 5G. Questa evoluzione si basa su blocchi di rete che collegano i dispositivi alla rete locale (LAN) tramite cavi Ethernet, migliorano la trasmissione del segnale e gestiscono il flusso di dati.

I progettisti possono scegliere singoli dispositivi di rete industriale o prodotti che combinano componenti ottimali in un'unità facile da implementare. Conoscere le varie opzioni è il primo passo verso l'implementazione di una rete industriale a prova di futuro.

I componenti costitutivi della connettività industriale

Ogni dispositivo di una rete industriale ha uno strato fisico (PHY), ossia i chip Ethernet embedded nella scheda a circuiti stampati (PCB). Questo PHY gestisce la comunicazione in entrata e in uscita dal dispositivo.

I dati in uscita viaggiano tipicamente su un supporto fisico, come un cavo Ethernet. La velocità di trasmissione è determinata dalla combinazione di cavo e PHY. La maggior parte dei nuovi dispositivi supporta almeno 1000BASE-T Ethernet, il che significa che il dispositivo può trasmettere o ricevere dati fino a 1.000 Mbps o 1 Gbps su un cablaggio composto da più coppie di fili a doppino intrecciato.

I moduli di connessione integrati (ICM) si trovano tra il PHY e il supporto di trasmissione e consentono una comunicazione efficace tra i due. Gli ICM devono fornire interfacce dipendenti dai supporti (MDI), come le prese Ethernet RJ45 standard da collegare ai cavi. Gli ICM devono anche garantire la compatibilità elettromagnetica (EMC) all'interno del sistema, adattando le impedenze del PHY e del cavo e fornendo l'isolamento galvanico per proteggere la connessione da sovratensioni, anelli di massa e rumore del segnale.

Un trasformatore 1:1 all'interno dell'IMC separa inoltre la polarizzazione della corrente continua (c.c.) che aziona il PHY dalle polarizzazioni c.c. utilizzate per trasmettere dati o dall'alimentazione ai dispositivi collegati tramite Power over Ethernet (PoE).

Gli ICM gestiscono PoE assicurando una polarizzazione c.c. tra due doppini intrecciati, utilizzati per trasmettere i dati o tra due doppini intrecciati inutilizzati nel cavo Ethernet. PoE può semplificare notevolmente il cablaggio per le applicazioni in fabbrica, anche se è necessaria un'attenta selezione dei cavi, degli ICM e di altri elementi della rete per ridurre al minimo le EMI.

PoE all'opera

Per implementare PoE in ambito industriale, i tecnici utilizzano trasformatori LAN come quelli della serie PulseChip TCxG di Pulse Electronics (Figura 1). Questi dispositivi consentono la trasmissione di dati in banda base a 1 Gbps, 2,5 Gbps, 5 Gbps o 10 Gbps, oltre a un'alimentazione c.c. da 0 a 90 W su quattro coppie di fili a doppini intrecciati.

Figura 1: I trasformatori LAN serie PulseChip TCxG si accoppiano con bobine di arresto magnetiche per ridurre il rumore del segnale e fornire da 0 W a 90 W di PoE in corrente continua e un massimo di 10 Gbps di dati. (Immagine per gentile concessione di Pulse Electronics)

I trasformatori a montaggio superficiale (SMD), con nucleo in ferrite, offrono un isolamento galvanico di 1.500 V_RMS per ridurre il rumore e le EMI. La serie TCxG soddisfa o supera le sezioni pertinenti della specifica 802.3 dell'Institute for Electrical and Electronics Engineers (IEEE) che disciplina i requisiti elettrici dei dispositivi di comunicazione Ethernet e Wi-Fi, in particolare i requisiti per la trasmissione Ethernet 1G, 2,5G, 5G e 10GBASE-T e IEEE 802.3bt per le applicazioni PoE di tipo 4 classe 6/8.

I trasformatori LAN TCxG sono progettati per adattarsi a layout di PCB standard a sei piazzole nel formato 1812 (4732). La serie TCxG00P gestisce 60 W di PoE in un ingombro di 4,70 ±0,25 x 3,20 mm. La serie TCxG001P, che gestisce 90 W, ha dimensioni di 4,60 ±0,25 x 3,40 mm, un formato progettato specificamente per adattarsi a layout con nucleo piccolo, anche se gli ingegneri di Pulse Electronics raccomandano di prevedere uno spazio aggiuntivo per il lato del cavo del trasformatore per attenuare l'aumento di temperatura in presenza di una tensione più elevata. I trasformatori sono progettati per funzionare a temperature comprese tra -40 °C e +85 °C, incluse le temperature indotte dall'autoriscaldamento dei componenti.

Entrambi i progetti presentano una perdita di inserzione inferiore a -1 dB a frequenze fino a 200 MHz. Per ridurre ulteriormente le perdite di segnale, i trasformatori serie TCxG sono progettati per essere abbinati a bobine di arresto magnetiche SMT, come la serie PE-0805GCMC di Pulse Electronics. Queste bobine di arresto, che aiutano a filtrare il rumore elettronico dal segnale, sono accoppiate con i trasformatori LAN in base alla velocità dati per garantire l'adattamento di impedenza. Si adattano a un nucleo di formato ridotto 0805 (2012) (2,00 x 1,2 mm) e, poiché non hanno polarità che ne limita il posizionamento, offrono flessibilità nella progettazione delle PCB.

La progettazione flessibile e modulare dei trasformatori TCxG e delle loro bobine di arresto accoppiate, nonché la loro capacità di trasportare PoE, li rendono ideali per applicazioni come le interfacce uomo-macchina (HMI), gli switch LAN Industrial Ethernet, i router e i server e gli access point wireless (WAP) 5G e Wi-Fi.

Integrazione della connettività con gli ICM

Sebbene i trasformatori LAN e le bobine di arresto magnetiche siano disponibili separatamente, molte applicazioni richiedono una soluzione integrata. Un ICM riunisce un trasformatore LAN con bobine di arresto magnetiche e una presa RJ45 per il connettore del cavo Ethernet, mantenendo la compatibilità con i chip PHY di uso comune.

Nella serie di ICM Ethernet Pulsejack JXT7 di Pulse Electronics (Figura 2), questi componenti forniscono insieme velocità di trasmissione dati fino a 10 Gbps secondo IEEE 802.3an o raggiungono velocità multi-rate di 2,5 Gbps e 5 Gbps secondo IEEE 802.3bz. Possono inoltre erogare fino a 140 W di alimentazione c.c. su una tratta di 30 m di cavo a doppino intrecciato non schermato (UTP), come Cat5e o Cat6, secondo IEEE 802.3bt.

Figura 2: Gli ICM serie Pulsejack JXT7 combinano un trasformatore LAN, bobine di arresto magnetiche e una presa RJ45 per supportare velocità di trasmissione dati da 1 Gbps a 10 Gbps e fino a 140 W di PoE DC in un SMD robusto ideale per WAP. (Immagine per gentile concessione di Pulse Electronics)

Per contrastare il potenziale surriscaldamento a questi livelli di potenza più elevati e a correnti fino a 1,3 A, gli ICM JXT7, dalle dimensioni complessive di 34,29 mm di profondità, 16,51 mm di larghezza e 13,33 mm di altezza, presentano una cavità più ampia. L'ampia schermatura EMI di queste unità comprende contatti lamellari superiori e inferiori ed etichette di messa a terra supplementari. Gli ICM JXT7 sono realizzati in materiale robusto per applicazioni industriali e per esterni con temperature da -40 °C a +85 °C.

Connettività di rete di livello superiore

Gli ICM sono i componenti costitutivi che collegano i singoli dispositivi a una rete Industrial Ethernet, ma la realizzazione di tale rete richiede switch, router e antenne in grado di soddisfare le velocità di trasmissione dati dei dispositivi. Per garantire le qualità salvaspazio negli ambienti di fabbrica offerte dagli ICM compatti e dalla tecnologia PoE, questi dispositivi di rete devono adattarsi ai layout delle PCB esistenti.

Un modo per farlo consiste nell'utilizzare i ball grid array (BGA), elementi SMD che consentono di impacchettare ad alta densità i componenti di rete. I moduli Ethernet LAN SMD BGA da 1 Gb di Pulse Electronics (Figura 3) supportano la connettività Ethernet da 10BASE-T a 1000BASE-T e forniscono fino a 70 W di PoE c.c. con una densità inferiore a 140 mm²/porta.

Figura 3: I moduli Ethernet LAN SMD BGA da 1 Gb di Pulse Electronics possono aggiornare gli switch di rete per supportare livelli maggiori di PoE e velocità di trasferimento dati fino a 1 Gbps. (Immagine per gentile concessione di Pulse Electronics)

Le unità, che si adattano agli ingombri dei vecchi componenti che supportano velocità più basse o tensioni inferiori, si inseriscono dietro i connettori 2xN, che hanno due file di 1 - 8 porte ciascuna. I moduli progettati per gli ambienti industriali sono adatti a temperature di funzionamento comprese tra -40 °C e +80 °C.

Questi moduli ad alta densità possono anche supportare l'aggiunta di antenne 5G per la comunicazione RF wireless. Le soluzioni di antenna per applicazioni 5G, come quelle di Pulse Electronics (Figura 4), possono essere interne a un dispositivo sulla PCB o sulla scheda a circuiti flessibili (FPC), oppure possono essere montate esternamente con minuteria o magneti. La scelta dell'antenna dipende dalla velocità di trasmissione dati e dalla larghezza di banda desiderate, dalla distanza dal ricevitore e da eventuali ostacoli o interferenze.

Queste antenne supportano la banda bassa e media della trasmissione 5G con frequenze da 617 MHz a 7.125 MHz. A queste frequenze, possono trasmettere dati dai sensori ai dispositivi intelligenti a velocità elevate e con bassa latenza.

Figura 4: Le antenne 5G di Pulse Electronics supportano le reti industriali su Wi-Fi, Bluetooth e altri standard di comunicazione RF su frequenze da 617 MHz a 7.125 MHz. (Immagine per gentile concessione di Pulse Electronics)

Conclusione

Le reti industriali dipendono da una serie di componenti come trasformatori LAN, bobine di arresto magnetiche, cavi a doppino intrecciato, prese Ethernet, switch, router e antenne. Quando questi componenti lavorano insieme come da progetto, la rete industriale di oggi e del futuro supporta velocità multi-gigabit con alta precisione e bassa latenza.