Les ICM de Pulse Electronics fournissent les éléments constitutifs des réseaux industriels Gigabit

Les réseaux industriels contrôlent les équipements de l'usine, transmettent les données et les images à des moniteurs hors site et permettent la communication et le transfert de données fluides, localement et à distance. La technologie Ethernet derrière ces réseaux a évolué au fil des ans, passant des systèmes 10BASE-T capables de transmettre 10 Mbps à des réseaux prenant en charge jusqu'à 400 Gbps tant pour la transmission Ethernet câblée que pour la transmission 5G sans fil. Cette évolution repose sur des éléments fonctionnels de réseau qui connectent les dispositifs au réseau local (LAN) via des câbles Ethernet, améliorent la transmission des signaux et gèrent le flux de données.

Les concepteurs peuvent choisir des dispositifs de réseau industriel individuels ou des produits qui combinent des composants optimaux dans une solution facile à déployer. La connaissance des options est la première étape de mise en œuvre d'un réseau industriel à l'épreuve du temps.

Les éléments constitutifs de la connectivité industrielle

Chaque dispositif d'un réseau industriel a une couche physique (PHY), c'est-à-dire les puces Ethernet intégrées dans son circuit imprimé. La couche PHY gère les communications entrantes et sortantes du dispositif.

Les données quittant le dispositif transitent typiquement par un support physique, tel qu'un câble Ethernet. Le câble et la couche PHY combinés déterminent la vitesse de transmission. La plupart des nouveaux dispositifs prennent au moins en charge 1000BASE-T Ethernet, ce qui signifie que le dispositif peut transmettre ou recevoir des données jusqu'à 1000 Mbps ou 1 Gbps via un câblage composé de plusieurs paires torsadées.

Les modules de connecteurs intégrés (ICM) se situent entre une couche PHY et un support de transmission et permettent la communication efficace entre les deux. Les ICM doivent fournir des interfaces dépendantes du support (MDI), telles que des jacks Ethernet RJ45 standard pour brancher les câbles. Les ICM doivent également garantir la compatibilité électromagnétique (CEM) au sein du système en faisant correspondre les impédances de la couche PHY et du câble et en fournissant une isolation galvanique qui protège la connexion contre les surtensions, les boucles de masse et le bruit de signal.

Un transformateur 1:1 dans l'ICM sépare également la polarisation continue (CC) alimentant la couche PHY des polarisations continues utilisées pour transmettre les données ou l'alimentation aux dispositifs connectés via Power over Ethernet (PoE).

Les ICM gèrent l'alimentation PoE en garantissant une polarisation continue entre deux paires torsadées utilisées pour transmettre des données ou entre deux paires torsadées inutilisées dans le câble Ethernet. L'alimentation PoE peut considérablement simplifier le câblage des applications en usine, bien qu'une sélection rigoureuse des câbles, des ICM et d'autres éléments fonctionnels du réseau soit nécessaire pour minimiser les interférences électromagnétiques (EMI).

Implémentation PoE

Pour mettre en œuvre l'alimentation PoE dans les environnements industriels, les ingénieurs utilisent des transformateurs LAN tels que les transformateurs LAN PulseChip série TCxG de Pulse Electronics (Figure 1). Ces dispositifs facilitent la transmission en bande de base de données à 1 Gbps, 2,5 Gbps, 5 Gbps ou 10 Gbps, ainsi qu'à une puissance CC de 0 W à 90 W sur quatre paires torsadées.

Figure 1 : Les transformateurs LAN PulseChip série TCxG sont associés à des selfs magnétiques pour réduire le bruit de signal et fournir une alimentation PoE CC de 0 W à 90 W, et jusqu'à 10 Gbps de données. (Source de l'image : Pulse Electronics)

Les transformateurs à noyau de ferrite à montage en surface (CMS) fournissent une isolation galvanique de 1500 V_RMS pour réduire le bruit et les EMI. La série TCxG respecte ou dépasse les sections pertinentes de la spécification IEEE 802.3 régissant les exigences électriques des dispositifs de communication Ethernet et Wi-Fi, en particulier les exigences pour la transmission Ethernet 1G, 2.5G, 5G et 10GBASE-T, et IEEE 802.3bt pour les applications PoE de type 4 classe 6/8.

Les transformateurs LAN TCxG sont conçus pour s'adapter aux configurations de circuits imprimés standard à six pastilles au format 1812 (4732). La série TCxG00P gère 60 W d'alimentation PoE dans une empreinte de 4,70 mm ±0,25 mm x 3,20 mm. La série TCxG001P qui gère 90 W mesure 4,60 mm ±0,25 mm x 3,40 mm, une taille spécialement conçue pour s'adapter à une configuration à petit noyau, bien que les ingénieurs de Pulse Electronics recommandent de prévoir un espace supplémentaire pour le côté câble du transformateur afin d'atténuer l'augmentation de la température sous l'effet d'une puissance plus élevée. Les transformateurs sont conçus pour fonctionner à des températures comprises entre -40°C et +85°C, y compris les températures induites par l'auto-échauffement des composants.

Les deux conceptions présentent une perte d'insertion inférieure à -1 dB à des fréquences jusqu'à 200 MHz. Pour réduire davantage les pertes de signaux, les transformateurs série TCxG sont conçus pour être associés à des selfs magnétiques CMS, telles que la série PE-0805GCMC de Pulse Electronics. Ces selfs, qui aident à filtrer le bruit électronique du signal, sont associées aux transformateurs LAN en fonction du débit de données afin de garantir des correspondances d'impédance. Elles s'adaptent à une taille de noyau 0805 (2012) plus petite de 2,00 mm x 1,2 mm et, comme elles n'ont pas de polarité pour restreindre leur placement, elles offrent plus de flexibilité dans la conception de circuits imprimés.

Grâce à la conception flexible et modulaire des transformateurs TCxG et de leurs selfs couplées, ainsi qu'à la compatibilité des transformateurs avec PoE, ces dispositifs sont parfaitement adaptés aux applications telles que les interfaces homme-machine (IHM), les commutateurs LAN Ethernet industriels, les routeurs et les serveurs, ainsi que les points d'accès sans fil (WAP) 5G et Wi-Fi.

Intégration de la connectivité avec les ICM

Bien que la spécification séparée des transformateurs LAN et des selfs magnétiques offre une certaine flexibilité, de nombreuses applications requièrent une solution intégrée. Un ICM associe un transformateur LAN avec des selfs magnétiques et une prise RJ45 pour la fiche du câble Ethernet tout en maintenant la compatibilité avec les puces PHY fréquemment utilisées.

Dans la série Pulsejack JXT7 d'ICM Ethernet de Pulse Electronics (Figure 2), ces composants fonctionnent ensemble pour fournir des débits de données jusqu'à 10 Gbps conformément à IEEE 802.3an ou pour atteindre un fonctionnement multi-débit de 2,5 Gbps et 5 Gbps conformément à IEEE 802.3bz. Ils peuvent également fournir jusqu'à 140 W de puissance CC sur une longueur de 30 m de câble à paire torsadée non blindée (UTP), tel que Cat5e ou Cat6, conformément à IEEE 802.3bt.

Figure 2 : Les ICM Pulsejack JXT7 combinent un transformateur LAN, des selfs magnétiques et un jack RJ45 pour prendre en charge des débits de données de 1 Gbps à 10 Gbps et jusqu'à 140 W d'alimentation PoE CC dans un dispositif CMS robuste, idéal pour les points d'accès sans fil. (Source de l'image : Pulse Electronics)

Pour lutter contre la surchauffe potentielle à ces niveaux de puissance plus élevés et à des courants jusqu'à 1,3 A, les ICM JXT7, avec des dimensions globales de 34,29 mm de profondeur x 16,51 mm de largeur x 13,33 mm de hauteur, offrent une conception à cavité plus grande. Le blindage EMI étendu des unités inclut des lames EMI supérieures et inférieures et des broches de mise à la terre supplémentaires. Les ICM JXT7 présentent une construction renforcée pour les applications industrielles et en extérieur à des températures de -40°C à +85°C.

Mise en réseau optimisée

Les ICM sont des éléments fonctionnels essentiels pour connecter des dispositifs individuels à un réseau Ethernet industriel, mais la construction de ce réseau requiert des commutateurs, des routeurs et des antennes capables de s'adapter aux débits de données des dispositifs. Pour conserver l'efficacité d'espace offerte par les ICM compacts et la technologie PoE, ces dispositifs réseau doivent s'adapter aux configurations de circuits imprimés existantes.

L'un des moyens d'atteindre cette efficacité est d'utiliser des boîtiers à billes (BGA), des composants CMS qui permettent une haute densité de composants réseau. Les modules LAN Ethernet BGA CMS 1 Go de Pulse Electronics (Figure 3) prennent en charge la connectivité Ethernet de 10BASE-T à 1000BASE-T tout en fournissant jusqu'à 70 W d'alimentation PoE CC avec une densité inférieure à 140 mm²/port.

Figure 3 : Les modules LAN Ethernet BGA CMS 1 Go de Pulse Electronics permettent de mettre à niveau les commutateurs réseau pour supporter des niveaux PoE plus élevés tout en prenant en charge des débits de données jusqu'à 1 Gbps. (Source de l'image : Pulse Electronics)

Les unités, qui s'adaptent à l'empreinte des composants plus anciens supportant une puissance ou des vitesses inférieures, s'insèrent derrière des connecteurs 2xN, qui ont deux rangées de ports et de 1 à 8 ports par rangée. Les modules sont conçus pour les environnements industriels et répertoriés pour des températures de fonctionnement de -40°C à +80°C.

Ces modules haute densité peuvent également prendre en charge l'ajout d'antennes 5G pour les communications RF sans fil. Les solutions d'antenne pour applications 5G, telles que celles de Pulse Electronics (Figure 4), peuvent être montées en interne dans un dispositif sur son circuit imprimé ou sa carte flexible (FPC), ou en externe avec du matériel ou des aimants. Le choix d'une antenne dépend du débit de transmission de données et de la bande passante souhaités, de la distance par rapport au récepteur et des obstacles ou interférences éventuels.

Ces antennes prennent en charge la bande basse et moyenne de la transmission 5G avec des fréquences de 617 MHz à 7125 MHz. À ces fréquences, elles peuvent transmettre des données entre des capteurs et des dispositifs intelligents avec des débits de données élevés et une faible latence.

Figure 4 : Les antennes 5G de Pulse Electronics prennent en charge les réseaux industriels via Wi-Fi, Bluetooth et d'autres normes de communication RF sur des fréquences de 617 MHz à 7125 MHz. (Source de l'image : Pulse Electronics)

Conclusion

Les réseaux industriels dépendent d'une variété de composants tels que des transformateurs LAN, des selfs magnétiques, des câbles à paires torsadées, des jacks Ethernet, des commutateurs, des routeurs et des antennes. Lorsque ces composants fonctionnent ensemble comme prévu, les réseaux industriels d'aujourd'hui et de demain prennent en charge des vitesses multi-gigabits avec une haute précision et une faible latence.