Endüstriyel ağlar fabrika atölye ekipmanlarını kontrol edebilir, verileri ve görüntüleri uzak monitörlere iletebilir ve hem yerel hem de uzaktan kesintisiz iletişim ve veri iletimi sağlayabilir. Yıllar geçtikçe, bu ağda kullanılan Ethernet teknolojisi, 10 Mbps iletim yapabilen 10BASE-T sistemlerinden, 400 Gbps'ye kadar destekleyebilen kablolu Ethernet ve kablosuz 5G iletim ağlarına doğru gelişmiştir. Bu ilerleme, sinyal iletimini iyileştirmek ve veri akışını yönetmek için cihazları Ethernet kabloları aracılığıyla bir yerel alan ağına (LAN) bağlayan ağ bileşenlerine dayanmaktadır.
Tasarımcılar bireysel endüstriyel ağ cihazlarını seçebilir veya en iyi bileşenleri kurulumu kolay ürünlerde birleştirebilir. Çeşitli seçenekleri anlamak, geleceğe yönelik bir endüstriyel ağ oluşturmanın ilk adımıdır.
Endüstriyel ara bağlantıyı sağlamaya yönelik bileşenler
Endüstriyel ağlarda her cihaz, baskılı devre kartına (PCB) gömülü bir Ethernet yongası olan fiziksel bir katman (PHY) içerir. PHY, cihazlar arasındaki çift yönlü iletişimi yönetir.
Cihazdan çıkan veriler genellikle Ethernet kabloları gibi fiziksel ortamlar aracılığıyla iletilir. Kablo ve PHY, veri aktarım hızını birlikte belirler. Yeni cihazların çoğu en az 1000BASE-T Ethernet'i destekler; bu, cihazların birden fazla bükümlü çift kablodan oluşan veri hatları aracılığıyla 1000 Mbps'ye (veya 1 Gb/s) varan hızlarda veri iletebileceği veya alabileceği anlamına gelir.
Entegre Konektör Modülü (ICM), PHY ile iletim ortamı arasında yer alır ve ikisi arasında etkili iletişim sağlar. ICM, kabloları takmak için standart RJ45 Ethernet jakı gibi bir Ortamla İlgili Arayüz (MDI) sağlamalıdır. ICM ayrıca PHY ve kablonun empedansını da karşılamalı ve bağlantıyı dalgalanmalardan, topraklama döngülerinden ve sinyal gürültüsünden korumak için elektriksel izolasyon sağlamalı, sonuçta sistem içinde elektromanyetik uyumluluk (EMC) sağlamalıdır.
IMC'nin yerleşik 1:1 transformatörü aynı zamanda PHY'yi çalıştırmak için kullanılan doğru akım (DC) öngerimini, Power over Ethernet (PoE) teknolojisi aracılığıyla bağlı cihazlara veri veya güç iletmek için kullanılan DC öngeriliminden yalıtmak için de kullanılacaktır.
ICM, veri iletimi için kullanılan iki bükümlü çift kablo arasında veya Ethernet kablolarında kullanılmayan iki bükümlü çift kablo arasında DC öngerilim sağlayarak PoE'yi yönetir. PoE, fabrika atölye uygulamalarının kablolamasını önemli ölçüde basitleştirebilir, ancak minimum EMI sağlamak için kabloların, ICM'lerin ve diğer ağ bileşenlerinin dikkatli seçimi yapılmalıdır.
PoE'nin rolünü oynayın
PoE'yi endüstriyel ortamlarda uygulamak için mühendislerin, Pulse Electronics'in PulseChip LAN transformatörü TCxG serisi gibi LAN transformatörlerini kullanması gerekir (Şekil 1). Bu cihazlar, dört çift bükümlü çift kablo aracılığıyla 0 ila 90 W DC gücün yanı sıra 1 Gbps, 2,5 Gbps, 5 Gbps veya 10 Gbps temel bant hızlarında veri iletebilir.
Pulse Electronics'ten PulseChip TCxG serisi LAN transformatörleri
Şekil 1: Manyetik bobinlerle eşleştirilmiş PulseChip TCxG serisi LAN transformatörleri, sinyal gürültüsünü azaltabilir ve 0 W ila 90 W DC PoE ve 10 Gbps'ye kadar veri hızları sağlayabilir. (Resim kaynağı: Pulse Electronics)
Yüzeye monte cihaz (SMD) demir çekirdekli transformatörler, gürültüyü ve EMI'yi azaltmak için 1500 VRMS'lik elektriksel izolasyon kapasitesine sahiptir. TCxG serisi, Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü (IEEE) 802.3 spesifikasyonundaki Ethernet ve Wi Fi iletişim ekipmanına yönelik elektrik gereksinimlerini, özellikle 1G, 2.5G, 5G ve 10GBASE-T Ethernet iletim gereksinimlerinin yanı sıra IEEE 802.3bt Sınıf 4 6/8 PoE uygulama gerekliliklerini karşılar veya aşar.
TCxG serisi ağ transformatörü, 1812 (4732) spesifikasyonlu manyetik çekirdekleri benimser ve tasarımı, standart altı pedli PCB düzeniyle uyumludur. TCxG00P serisi, 4,70 ± 0,25 mm x 3,20 mm'lik bir pakette 60 W PoE yönetim kapasitesine ulaşır. TCxG001P serisi transformatör, 90 W güç iletebilir ve özellikle küçük manyetik çekirdek düzenleri için 4,60 ± 0,25 mm x 3,40 mm'lik pakette tasarlanmıştır. Ancak Pulse Electronics mühendisleri, yüksek güçte sıcaklık artışını azaltmak için transformatörün kablo tarafında ekstra boşluk bırakılmasını öneriyor. Bu transformatörün çalışma sıcaklığı, bileşenin kendiliğinden ısınmasından kaynaklanan sıcaklık artışı da dahil olmak üzere -40°C ile +85°C arasındadır.
Her iki tasarım da 200 MHz'e kadar frekanslarda -1 dB'den daha az ekleme kayıplarına sahiptir. Sinyal kayıplarını daha da azaltmak için TCxG serisi transformatörler, Pulse Electronics'in PE-0805GCMC serisi gibi SMT manyetik bobinleriyle kullanılmak üzere özel olarak tasarlanmıştır. Bu bobinler sinyallerdeki elektronik gürültüyü filtrelemeye yardımcı olur ve empedans eşleşmesini sağlamak için veri hızlarında LAN transformatörleriyle birlikte kullanılır. Bu bobinler daha küçük 0805 (2012) manyetik çekirdekler (2,00 mm x 1,2 mm) için uygundur ve polarite kısıtlamalarının olmaması nedeniyle PCB tasarımına esnek bir şekilde yerleştirilebilir.
TCxG transformatörü ve eşleştirilmiş bobini, PoE güç kaynağı işlevi desteğiyle birleştirilmiş esnek bir modüler tasarımı benimser ve bu da onu insan-makine arayüzü (HMI), endüstriyel Ethernet LAN anahtarları, yönlendiriciler ve sunucuların yanı sıra 5G ve Wi Fi kablosuz erişim noktaları (WAP) gibi uygulamalar için ideal bir seçim haline getirir.
Bağlantıyı ICM ile Birleştirme
LAN transformatörlerini ve manyetik bobinleri ayrı ayrı belirlemek esnekliğe sahip olsa da birçok uygulama entegre çözümler gerektirir. ICM, LAN transformatörlerini manyetik bobinlerle ve Ethernet kablo fişleri için RJ45 soketleriyle entegre ederken, yaygın olarak kullanılan PHY çipleriyle uyumluluğu korur.
Pulse Electronics'in Pulsejack JXT7 serisi Ethernet ICM'sinde (Şekil 2), bu bileşenler, IEEE 802.3an tarafından belirtildiği gibi 10 Gbps'ye kadar veri hızlarına veya IEEE 802.3bz tarafından belirtildiği gibi 2,5 Gbps ve 5 Gbps çoklu hızda çalışmaya ulaşmak için birlikte çalışır. Bu seri aynı zamanda IEEE 802.3bt tarafından belirtildiği gibi 100 ft uzunluğunda korumasız bükümlü çift (UTP) kablolar (Cat5e veya Cat6 kablolar gibi) aracılığıyla 140 W'a kadar DC güç sağlayabilir.
Pulse Electronics'ten Pulsejack JXT7 serisi ICM
Şekil 2: Pulsejack JXT7 serisi ICM, LAN transformatörlerini, manyetik bobinleri ve RJ45 soketlerini birleştirerek 1 Gbps ila 10 Gbps ve 140 W DC PoE'ye kadar veri iletim hızlarını destekler. Sağlam ve dayanıklı bir SMD paketinde paketlenmiştir, bu da onu WAP için ideal bir seçim haline getirir. (Resim kaynağı: Pulse Electronics)
JXT7 ICM'nin genel boyutları 34,29 mm derinlik, 16,51 mm genişlik ve 13,33 mm yüksekliktedir. Yüksek güç seviyeleri ve 1,3 A'ya kadar akımlar altında olası aşırı ısınmayla başa çıkmak için daha büyük bir boşluk tasarımı benimser. Bu seri, üst ve alt EMI yay plakalarının yanı sıra ek topraklama plakalarını içeren kapsamlı bir elektromanyetik koruma tasarımına sahiptir. JXT7 ICM sağlam ve dayanıklıdır, -40°C ila+85°C sıcaklık aralığında endüstriyel ve dış mekan uygulamalarına uygundur.
Ağ yapısını yeni bir seviyeye yükseltin
ICM, bireysel cihazları endüstriyel Ethernet ağlarına bağlamak için önemli bir bileşendir ancak bu ağı oluşturmak, cihazların veri iletim hızıyla eşleşebilecek anahtarlar, yönlendiriciler ve antenler gerektirir. Kompakt ICM ve PoE teknolojisiyle elde edilen fabrika atölye alanının kullanımını sürdürmek için bu ağ cihazlarının mevcut PCB düzenine uyum sağlaması gerekir.
Bu kullanım oranına ulaşmanın yöntemlerinden biri de SMD cihazlarında ağ bileşenlerinin yüksek yoğunluklu paketlenmesini sağlayabilen Ball Grid Array (BGA) kullanmaktır. Pulse Electronics'in 1 GB SMD BGA Ethernet LAN modülü (Şekil 3), 10BASE-T'den 1000BASE-T'ye kadar Ethernet bağlantılarını desteklerken, port başına 140 mm²'nin altındaki yoğunluklarda 70 W'a kadar DC PoE sağlar.
Pulse Electronics'in 1 Gb SMD BGA Ethernet LAN Modülü
Şekil 3: Pulse Electronics'in 1 GB SMD BGA Ethernet LAN modülü, gelişmiş PoE'yi desteklerken aynı zamanda 1 Gbps'ye kadar veri aktarım hızlarını da destekleyen yükseltilebilir bir ağ anahtarıdır. (Resim kaynağı: Pulse Electronics)
Bu üniteler, daha düşük veri hızlarına veya daha düşük güce sahip eski bileşenleri destekleyen konumlara kurulabilir ve her biri bir ila sekiz bağlantı noktası içeren iki sıra bağlantı noktasına sahip 2xN konektörün arkasındaki boşluğa kurulabilir. Endüstriyel ortamlar için tasarlanan modüllerin anma çalışma sıcaklığı -40°C ile+80°C arasındadır.
Bu yüksek yoğunluklu modüller, kablosuz video iletişimi için 5G antenlerin eklenmesini de destekler. Pulse Electronics'in anteni (Şekil 4) gibi 5G uygulama anteni çözümleri, PCB'ler veya esnek devre kartları (FPC'ler) üzerindeki cihazların içine veya donanım veya mıknatıslar aracılığıyla harici olarak monte edilebilir. Antenlerin seçimi, gerekli veri iletim hızına ve bant genişliğine, alıcıya olan mesafeye ve veri iletimi sırasındaki engellere veya girişim faktörlerine bağlıdır.
Bu antenler, 617 MHz ile 7125 MHz arasındaki orta ve düşük frekans aralığında 5G iletimini destekler. Bu frekans bandında sensörlerden akıllı cihazlara yüksek veri hızlarında ve düşük gecikme süresiyle veriler aktarılabilmektedir.