Componenti essenziali per la progettazione di applicazioni Single-Pair Ethernet

Secondo le previsioni, il mercato globale dell'Industrial IoT (IIoT) dovrebbe crescere in modo esponenziale anno dopo anno fino a raggiungere 59,6 miliardi di dollari entro il 2029, in quanto i produttori e i fornitori di soluzioni cercano di connettere sempre più macchine e sensori a Internet per incrementare l'automazione, migliorare il monitoraggio in tempo reale e raccogliere sempre più dati. La tecnologia Single-Pair Ethernet (SPE) offre ai progettisti nuove opportunità per sfruttare questa domanda su applicazioni quali sensori, attuatori, telecamere, display, controller, gateway e switch.

Il team che ha sviluppato lo standard IEEE 802.3cg per SPE a 10 Mbps si è concentrato sul "gap di Ethernet" nelle zone periferiche delle reti industriali. È qui che i fieldbus non Ethernet dominano le connessioni di rete dell'automazione, grazie al fatto che - tra le altre cose - sono generalmente più economici e semplici da installare, meno sensibili al rumore elettronico e più facili per la trasmissione di potenza sulla rete.

A differenza dell'Ethernet tradizionale, che utilizza quattro coppie di conduttori intrecciati, SPE utilizza una sola coppia per trasmettere dati a 10 Mbps su distanze fino a 1000 metri per le applicazioni industriali basate su 10Base-T1L. SPE può essere combinata con Single-Pair Power over Ethernet (SPoE) per fornire contemporaneamente potenza e trasmettere dati a e da dispositivi IIoT.

SPE e SPoE offrono all'automazione industriale i vantaggi di uno strato fisico (PHY) comune, di schede di interfaccia di rete (NIC) standardizzate e di una maggiore flessibilità per i fornitori che sviluppano dispositivi per interagire e comunicare su Ethernet. La capacità di trasmettere sia dati che potenza su distanze maggiori facilita la comunicazione e riduce la necessità di batterie nei sensori e in altri dispositivi.

SPE offre ai progettisti di soluzioni e ai clienti vantaggi quali la riduzione del peso e del costo del cablaggio, la compatibilità con l'infrastruttura Ethernet esistente e una maggiore flessibilità per ampliare la tecnologia standard del settore. Le sfide nella progettazione di applicazioni SPE riguardano i problemi di interferenze elettromagnetiche, l'integrità del segnale, la distribuzione dell'energia elettrica e i problemi di gestione termica.

Componenti necessari per le applicazioni SPE

La progettazione di applicazioni SPE 10Base-T1L richiede un insieme di componenti, tra cui bobine di arresto di modo comune (CMC), induttori di modo differenziale (DMI) e induttori accoppiati isolati, che si combinano per garantire l'integrità della potenza e dei dati, l'isolamento e il filtraggio del rumore. TDK è il primo fornitore a offrire tutti gli induttori necessari per implementare SPE industriali con e senza trasmissione di potenza.

Se si prevede di utilizzare 10Base-T1L per la trasmissione di dati solo tra componenti di controllo e di rilevamento o di azionamento, i progettisti possono limitarsi a utilizzare il CMC, che filtra il rumore. RCM70CGI-471 di TDK (Figura 1) sopprime le interferenze asimmetriche accoppiate sulle linee, senza influire sui segnali di dati. Funziona in un intervallo di temperatura compreso tra -40 e +125 °C, con una tensione nominale di 80 V c.c.

Figura 1: Bobina di arresto di modo comune RCM70CGI di TDK per la soppressione delle interferenze. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Per le applicazioni PoDL (Power over Data Line), i progettisti dovranno includere anche un induttore di modo differenziale, come PID75-650M di TDK (Figura 2), per ridurre l'impedenza e garantire l'integrità della trasmissione di potenza. È caratterizzato da un'induttanza nominale di 2 x 65 μH, una bassa resistenza c.c. e funziona a temperature fino a +150 °C.

Figura 2: L'induttore di modo differenziale PID75-650M di TDK riduce l'impedenza e garantisce l'integrità della trasmissione di potenza. (Immagine per gentile concessione di TKD)

Nel caso di implementazioni in cui la sicurezza è fondamentale ed è richiesto l'isolamento galvanico, i progettisti dovranno integrare il CMC e il DMI con un induttore accoppiato di isolamento per impedire il passaggio di corrente indesiderata tra i dispositivi. ICI70CGI-222 di TDK (Figura 3) ha un'induttanza nominale di 2,2 mH, una capacitanza parassita inferiore a 20 pF e una resistenza alla tensione fino a 2250 V c.c.

Figura 3: Induttore di isolamento ICI70CGI. (Immagine per gentile concessione di TDK)

Conclusione

Gli induttori industriali SPE di TDK consentono ai progettisti di creare dispositivi SPE per applicazioni di automazione di fabbrica, automazione degli edifici, trasporti, energia e sanità. Grazie al supporto di numerosi protocolli di comunicazione, tra cui IEEE 802.3cg, IEEE 802.3bu e IEEE 802.3bw, le applicazioni SPE possono estendere l'infrastruttura Ethernet con maggiore flessibilità, costi di cablaggio contenuti e peso ridotto.