מודולי Pulse Electronics ICM מספקים את אבני הבניין של רשתות תעשייתיות ג'יגה-ביט

רשתות תעשייתיות שולטות בציוד רצפת המפעל, משדרות נתונים ותמונות למוניטורים מחוץ לאתר, ומאפשרות תקשורת והעברת נתונים מקומית ומרוחקת חלקה. טכנולוגיית ה-Ethernet בבסיס רשתות אלו התפתחה במהלך השנים ממערכות 10BASE-T המסוגלות לשדר ‎10 Mbps‏ לרשתות התומכות בעד ‎400 Gbps‏ הן ב-Ethernet קווי והן בשידור 5G אלחוטי. אבולוציה זו מסתמכת על אבני בניין של רשת המחברות התקנים לרשת התקשורת המקומית (LAN‏) באמצעות כבלי Ethernet, משפרים שידור אותות ומנהלים את זרימת‏ הנתונים.

מתכננים יכולים לבחור בהתקנים או מוצרים בודדים של רשת תעשייתית המשלבים רכיבים אופטימליים בחבילה קלה לפריסה. הבנת האפשרויות היא הצעד הראשון בכיוון מימוש רשת תעשייתית‏ מוכנה לעתיד.

אבני הבניין של‏ חיבוריות תעשייתית

לכל התקן‏ ברשת תעשייתית יש שכבה פיזית (PHY), שבבי ה-Ethernet‏ המשובצים בלוח המעגל המודפס (PCB) שלו. ה-PHY מנהל תקשורת אל ומההתקן.

הנתונים העוזבים את ההתקן בדרך כלל נעים דרך מדיום פיזי, כגון כבל Ethernet. הכבל וה-PHY במשולב קובעים את מהירות ההעברה. מרבית ההתקנים החדשים תומכים לפחות ב-1000Base-T Ethernet‏, זאת אומרת ההתקן יכול להעביר או לקבל נתונים בעד ‎1,000 Mbps או ‎1 Gb/sec‏ דרך כבלים המורכבים ממספר זוגות חוטים שזורים.

מודולי מחבר משולבים (ICMs‏) יושבים בין PHY ומדיית העברה ומאפשרים תקשורת אפקטיבית בין השניים. מודולי ICM‏ חייבים לספק ממשקים תלויי-מדיה ‏(MDIs), כמו שקעי RJ45 Ethernet תקניים‏ עבור חיבורי כבלים. מודולי ICM‏ חייבים גם להבטיח תאימות אלקטרומגנטית (EMC) בתוך המערכת על ידי התאמת העכבות של ה-PHY והכבל ואספקת בידוד גלווני המגן על החיבור מפני נחשולים, חוגי ארקה ורעש אותות.

שנאי‏ 1:1 בתוך ה-ICM גם מפריד בין ממתח (Bias‏) הזרם-הישר (DC‏) המפעיל את ה-PHY מממתחי ה-DC המשמשים כדי להעביר נתונים או הספקת-כוח להתקנים מחוברים דרך הספקת-כוח על Ethernet‏ (Power Over Ethernet‏ ‏(PoE)).

מודולי ICM‏ מנהלים PoE על ידי הבטחת ממתח (Bias‏) DC‏ בין שני זוגות חוטים שזורים המשמשים להעביר נתונים או בין שני זוגות חוטים שזורים שאינם בשימוש בכבל ה-Ethernet. הספקת-כוח על Ethernet ‏(PoE) יכולה לפשט במידה רבה חיווט עבור יישומי רצפת המפעל, אם כי בחירה מדוקדקת של‏ כבלים, מודולי ICM‏ ואבני בניין רשת אחרים הכרחי כדי לשמור על EMI ברמה מינימלית.

הכנסת PoE לעבודה

כדי לממש PoE בסביבות תעשייתיות, מהנדסים משתמשים בשנאי LAN‏ כמו אלה בסדרת ‏PulseChip LAN Transformer TCxG של Pulse Electronics (איור 1‏). התקנים אלה מקלים על העברת‏ נתוני פס-בסיס ב-‎1 Gbps,‏ ‎2.5 Gbps,‏ ‎5 Gbps או ‎10 Gbps, כמו גם 0 עד ‎90 W‏ של הספקת-כוח DC דרך ארבעה זוגות חוטים שזורים.

איור 1‏: שנאי LAN‏ מסדרת PulseChip TCxG מצטרפים למשנקים מגנטיים כדי להפחית רעש אותות ולספק ‎0 W עד ‎90 W של DC PoE, יחד עם עד ‎10 Gbps נתונים. (מקור תמונה: Pulse Electronics)

התקן ההרכבה-המשטחית (SMD), שנאי ליבת-פריט (Ferrite‏), מספקים בידוד גלווני של ‎1,500 V_RMS כדי להפחית רעש ו-EMI. סדרת ה-TCxG עומדת או עולה על המדורים הרלוונטיים של מפרטי 802.3 של מכון מהנדסי החשמל והאלקטרוניקה (IEEE) המסדירים את דרישות החשמל של התקני תקשורת Ethernet ו-Wi-Fi, במיוחד את דרישות השידור עבור G‏1‏, 2.5G‏, 5G‏ ו-10GBase-T Ethernet‏ ו-IEEE 802.3bt עבור יישומי type 4 class 6/8 PoE.

שנאי TCxG LAN מתוכננים להתאים לפריסות PCB סטנדרטיות של שישה פדים בגודל ליבה 1812 (4732). סדרת ה-TCxG00P מנהלת PoE של ‎60 W בחתימת-שטח של ‎4.70 ±0.25 מ"מ על 3.20 מ"מ. סדרת ה-TCxG001P המטפלת ב-90‎ W‏ היא בגודל‏ ‎4.60 ±0.25 מ"מ על 3.40 מ"מ,‏ גודל המתוכנן במיוחד להתאים לפריסת הליבה הקטנה, אם כי מהנדסי Pulse Electronics‏ ממליצים להשאיר מקום נוסף עבור צד הכבל של השנאי כדי להפחית את עליית הטמפרטורה תחת ההספק הגבוה יותר. השנאים מתוכננים לעבוד בטמפרטורות בין ‎40°C- ו-85‎°C+, כולל טמפרטורות הנגרמות על ידי חימום עצמי של הרכיבים.

שני התכנים כוללים הפסדי שילוב קטנים מ-1‎ dB‎- בתדרים עד ‎200 MHz. כדי להקטין עוד יותר הפסדי אותות, שנאי סדרת ה-TCxG מתוכננים להיות‏ מזווגים עם משנקים מגנטיים SMT, כגון סדרת PE-0805GCMC של Pulse Electronics. משנקים אלה, שעוזרים לסנן רעש אלקטרוני מהאות, מזווגים עם שנאי ה-LAN ‏על ידי קצב נתונים כדי להבטיח תאום עכבות. הם מתאימים לגודל ליבה קטן יותר‏ 0805 (2012), 2.00 מ"מ על 1.2 מ"מ, ומכיוון שאין להם קוטביות שתגביל את מיקומם, הם מציעים גמישות בתכנון PCB.

התכן המודולרי הגמיש של שנאי ה-TCxG והמשנקים המזווגים שלהם, כמו גם היכולת של השנאים לשאת PoE, הופכים אותם לאידיאליים עבור יישומים כמו ממשקי אדם-מכונה (HMI‏), מתגי Ethernet LAN תעשייתיים, נתבים ושרתים, ונקודות גישה אלחוטיות (WAPs)‏ 5G ו-Wi-Fi‏‏.

אינטגרציה של חיבוריות עם מודולי ICM‏

בעוד שאפיון שנאי LAN ומשנקים מגנטיים בנפרד מספק גמישות, יישומים רבים דורשים פתרון משולב. מודול‏ ICM‏ מביא יחד שנאי‏ LAN‏ עם משנקים מגנטיים ועם‏ שקע RJ45 עבור תקע כבל ה-Ethernet,‏ תוך שמירה על תאימות עם שבבי PHY נפוצים.

בסדרת Pulsejack JXT7 של מודולי Ethernet ICM (איור 2) של Pulse Electronics,‏ רכיבים אלה עובדים ביחד כדי לספק קצבי נתונים עד ‎10 Gbps‏ לפי IEEE 802.3an‏ או להשיג עבודה בקצבים מרובים של ‎2.5 Gbps‏ ו-‎5 Gbps‏ לפי IEEE 802.3bz‏. הם יכולים לספק גם עד ‎140 W הספק‏ DC‏ לאורך ריצת כבל זוג שזור לא מסוכך (UTP) של ‎100-ft‏, כמו Cat5e או Cat6, לפי IEEE 802.3bt.

איור 2‏: סדרת Pulsejack JXT7 של‏ מודולי ICM‏ משלבת שנאי‏ LAN‏, משנקים מגנטיים ושקע RJ45 כדי לתמוך בקצבי נתונים של ‎1 Gbps עד ‎10 Gbps‏ ועד ‎140 W‏ של‏ DC PoE ב-SMD מוקשח אידיאלי עבור נקודות WAP. (מקור תמונה:: Pulse Electronics‏)

כדי להילחם בהתחממות-יתר פוטנציאלית ברמות הספק גבוהות יותר אלו וזרמים של עד ‎1.3 A‏, מודולי JXT7 ICM עם מידות כלליות של עומק‏ 34.29 מ"מ על רוחב 16.51 מ"מ על גובה 13.33 מ"מ מספקים תכן עם חלל גדול יותר. סיכוך ה-EMI הנרחב של היחידות כולל אצבעות EMI עליונות ותחתונות ותגי ארקה נוספים. מודולי JXT7 ICM בנויים בצורה קשיחה עבור יישומי חוץ ותעשייתיים בטמפרטורות מ-40°C- עד 85‎°C+.

לקחת רישות לרמה הבאה

מודולי ICM‏ הם אבני בניין חיוניים כדי לחבר התקנים פרטניים לרשת‏ Ethernet תעשייתית, אך לבנות רשת זו נדרשים מתגים, נתבים ואנטנות שיכולים לתאם את קצבי הנתונים המשודרים על ידי ההתקנים. כדי לשמור על יעילות החלל ברצפת המפעל המוצעת על ידי מודולי ICM קומפקטיים ‏וטכנולוגיית PoE, התקני רשת אלה צריכים להתאים לפריסות PCB קיימות.

דרך אחת להשיג יעילות זו היא באמצעות מערכי Ball Grid Arrays‏ (BGAs‏), התקני SMD המאפשרים אריזה בצפיפות גבוהה של רכיבי רשת. מודולי 1‎-GB SMD BGA Ethernet LAN (איור 3) של Pulse Electronics‏ תומכים בחיבוריות Ethernet‏ מ-10Base-T עד 1000Base-T‏ תוך כדי אספקת DC PoE עד ‎70 W בצפיפות נקודת יציאה פחותה מ-140‏ ממ"ר.

איור 3‏: מודולי Pulse Electronics 1-GB SMD BGA Ethernet LAN יכולים לשדרג מתגי רשת כדי לתמוך ברמות גדולות יותר של PoE תוך כדי תמיכה בקצבי נתונים של עד ‎1 Gbps‏. (מקור תמונה: Pulse Electronics‏)

היחידות, שמתאימות לחתימות-השטח של רכיבים ישנים יותר התומכים במהירויות איטיות יותר או במספר וואטים נמוך יותר, מתאימות מאחורי מחברי 2xN, שיש להם שתי שורות של נקודות יציאה ונקודת יציאה אחת עד שמונה נקודות יציאה בשורה. מודולים המתוכננים עבור סביבות תעשייתיות מדורגים לטמפרטורות עבודה מ-‎40°C- עד ‎80°C+.

מודולי צפיפות-גבוהה אלה יכולים גם לתמוך בהוספת אנטנות 5G עבור תקשורת RF אלחוטית. פתרונות אנטנה עבור יישומי 5G‏, כמו אלה מ-Pulse Electronics‏ (איור 4‏), יכולים להיות‏ פנימיים להתקן על ה-PCB או לוח המעגל הגמיש (FPC) שלו, או ניתן להרכיבם חיצונית עם חומרה או מגנטים. בחירת האנטנה תלויה בקצב העברת הנתונים הרצוי וברוחב הפס, המרחק למקלט, וכל מכשול בדרך או הפרעה.

אנטנות אלו תומכות בפס הנמוך והבינוני של שידור 5G עם תדרים מ-‎617 MHz עד ‎7,125 MHz. בתדרים אלה, הן יכולות לשדר נתונים מחיישנים להתקנים חכמים בקצבי נתונים גבוהים ושיהוי נמוך.

איור 4‏: אנטנות Pulse Electronics 5G‏ תומכות ברשתות תעשייתיות דרך Wi-Fi‏, Bluetooth‏ ותקני תקשורת RF אחרים על פני תדרים מ-‎617 MHz עד ‎7,125 MHz. (מקור תמונה: Pulse Electronics‏)

סיכום

רשתות תעשייתיות תלויות במגוון רכיבים כגון שנאי LAN‏, משנקים מגנטיים, כבלי זוגות חוטים שזורים, שקעי Ethernet‏, מתגים, נתבים ואנטנות. כשרכיבים אלה עובדים ביחד כמתוכנן, הרשת התעשייתית של היום והעתידית תומכת במהירויות מרובות ג'יגה-ביט בדיוק רב ושיהוי נמוך.