Los ICM de Pulse Electronics proporcionan los componentes básicos de las redes industriales Gigabit

Las redes industriales controlan los equipos de la fábrica, transmiten datos e imágenes a monitores externos y permiten una comunicación y transferencia de datos local y remota sin fisuras. La tecnología Ethernet subyacente a estas redes ha evolucionado a lo largo de los años desde sistemas 10BASE-T capaces de transmitir 10 Mbps hasta redes que admiten hasta 400 Gbps tanto en Ethernet por cable como en transmisión inalámbrica 5G. Esta evolución se basa en bloques de construcción de redes que conectan dispositivos a la red de área local (LAN) mediante cables Ethernet, mejoran la transmisión de señales y gestionan el flujo de datos.

Los diseñadores pueden elegir dispositivos de red industriales individuales o productos que combinan componentes óptimos en un paquete fácil de instalar. Conocer las opciones es el primer paso para implantar una red industrial preparada para el futuro.

Los componentes básicos de la conectividad industrial

Cada dispositivo de una red industrial tiene una capa física (PHY), los chips Ethernet integrados en su placa de circuito impreso (placa CI). El PHY gestiona la comunicación dentro y fuera del dispositivo.

Los datos que salen del dispositivo suelen viajar por un medio físico, como un cable Ethernet. El cable y el PHY combinados determinan la velocidad de transmisión. La mayoría de los nuevos dispositivos son compatibles con Ethernet 1000BASE-T como mínimo, lo que significa que el dispositivo puede transmitir o recibir datos a una velocidad de hasta 1,000 Mbps o 1 Gb/s a través de un cableado compuesto por varios pares trenzados de hilos.

Los módulos conectores integrados (ICM) se sitúan entre el PHY y el medio de transmisión y permiten una comunicación eficaz entre ambos. Los ICM deben suministrar interfaces dependientes del medio (MDI), como conectores Ethernet RJ45 estándar en los que enchufar los cables. Los ICM también deben garantizar la compatibilidad electromagnética (CEM) dentro del sistema adaptando las impedancias de la PHY y el cable y proporcionando un aislamiento galvánico que proteja la conexión de sobretensiones, bucles de masa y ruido de señal.

Un transformador 1:1 dentro de la IMC también separa la polarización de corriente continua (CC) que opera el PHY de las polarizaciones de CC utilizadas para transmitir datos o alimentación a los dispositivos conectados a través de Power over Ethernet (PoE).

Los ICM gestionan PoE garantizando una polarización de CC entre dos pares trenzados utilizados para transmitir datos o entre dos pares trenzados no utilizados en el cable Ethernet. PoE puede simplificar enormemente el cableado de las aplicaciones de fábrica, aunque es necesaria una cuidadosa selección de cables, ICM y otros componentes de red para reducir al mínimo las interferencias electromagnéticas.

Poner PoE a trabajar

Para implementar PoE en entornos industriales, los ingenieros utilizan transformadores LAN como los de la serie PulseChip TCxG de Pulse Electronics (Figura 1). Estos dispositivos facilitan la transmisión en banda base de datos a 1 Gbps, 2.5 Gbps, 5 Gbps o 10 Gbps, así como de 0 a 90 W de corriente continua a través de cuatro pares trenzados de cables.

Figura 1: Los transformadores LAN de la serie PulseChip TCxG se emparejan con choques magnéticos para reducir el ruido de la señal y suministrar de 0 W a 90 W de PoE de CC junto con hasta 10 Gbps de datos. (Fuente de la imagen: Pulse Electronics)

Los transformadores con núcleo de ferrita y dispositivo de montaje en superficie (SMD) proporcionan 1,500 V_RMS de aislamiento galvánico para reducir el ruido y las interferencias electromagnéticas. La serie TCxG cumple o supera las secciones pertinentes de la especificación 802.3 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) que rige los requisitos eléctricos de los dispositivos de comunicación Ethernet y Wi-Fi, en concreto los requisitos para la transmisión Ethernet 1G, 2.5G, 5G y 10GBASE-T y IEEE 802.3bt para aplicaciones PoE de tipo 4 clase 6/8.

Los transformadores TCxG LAN están diseñados para adaptarse a los diseños estándar de placas de circuito impreso de seis pastillas en el tamaño de núcleo 1812 (4732). La serie TCxG00P gestiona 60 W de PoE en un tamaño de 4.70 ±0.25 mm por 3.20 mm. La serie TCxG001P, que gestiona 90 W, mide 4.60 ±0.25 mm por 3.40 mm, un tamaño diseñado específicamente para adaptarse a la disposición de núcleo pequeño, aunque los ingenieros de Pulse Electronics recomiendan dejar espacio adicional en el lado del cable del transformador para mitigar el aumento de temperatura con la potencia más alta. Los transformadores están diseñados para funcionar a temperaturas comprendidas entre -40 °C y +85 °C, incluidas las temperaturas inducidas por el autocalentamiento de los componentes.

Ambos diseños presentan una pérdida de inserción inferior a -1 dB a frecuencias de hasta 200 MHz. Para reducir aún más las pérdidas de señal, los transformadores de la serie TCxG están diseñados para combinarse con choques magnéticos SMT, como la serie PE-0805GCMC de Pulse Electronics. Estos choques, que ayudan a filtrar el ruido electrónico de la señal, se emparejan con los transformadores LAN por velocidad de datos para garantizar la coincidencia de impedancias. Se ajustan a un tamaño de núcleo 0805 (2012) más pequeño, de 2.00 mm por 1.2 mm, y, al no tener polaridad que restrinja su colocación, ofrecen flexibilidad en el diseño de placas de circuito impreso.

El diseño flexible y modular de los transformadores TCxG y sus reactancias emparejadas, así como la capacidad de los transformadores para transportar PoE, los hacen ideales para aplicaciones como interfaces hombre-máquina (HMI), conmutadores LAN Ethernet industriales, enrutadores y servidores, y puntos de acceso inalámbrico (WAP) 5G y Wi-Fi.

Integrar la conectividad con los ICM

Aunque especificar los transformadores LAN y las reactancias magnéticas por separado proporciona flexibilidad, muchas aplicaciones requieren una solución integrada. Un ICM reúne un transformador LAN con choques magnéticos y con una toma RJ45 para el enchufe del cable Ethernet, manteniendo la compatibilidad con los chips PHY de uso común.

En la serie Pulsejack JXT7 de ICM Ethernet de Pulse Electronics (Figura 2), estos componentes trabajan juntos para ofrecer velocidades de datos de hasta 10 Gbps según IEEE 802.3an o lograr un funcionamiento multitasa de 2.5 Gbps y 5 Gbps según IEEE 802.3bz. También pueden suministrar hasta 140 W de corriente continua en un tramo de 100 pies de cable de par trenzado no apantallado (UTP), como Cat5e o Cat6, según IEEE 802.3bt.

Figura 2: La serie Pulsejack JXT7 de ICM combina un transformador LAN, choques magnéticos y un conector RJ45 para admitir velocidades de datos de 1 Gbps a 10 Gbps y hasta 140 W de PoE de CC en un SMD reforzado ideal para WAP. (Fuente de la imagen: Pulse Electronics)

Para combatir el posible sobrecalentamiento a estos niveles de potencia más elevados y corrientes de hasta 1.3 A, los ICM JXT7, con unas dimensiones totales de 34.29 mm de profundidad por 16.51 mm de ancho y 13.33 mm de altura, ofrecen un diseño de cavidad más grande. El amplio blindaje EMI de las unidades incluye dedos EMI superiores e inferiores y etiquetas de conexión a tierra adicionales. Los ICM JXT7 tienen una construcción robusta para aplicaciones industriales y al aire libre a temperaturas de -40  °C a +85°C.

Llevar el trabajo en red al siguiente nivel

Los ICM son bloques de construcción cruciales para conectar dispositivos individuales a una red Ethernet industrial, pero la construcción de esa red requiere interruptores, enrutadores y antenas que puedan igualar las velocidades de transmisión de datos de los dispositivos. Para mantener la eficiencia de espacio en la planta de producción que ofrecen los ICM compactos y la tecnología PoE, estos dispositivos de red deben adaptarse a los diseños de placa CI existentes.

Una forma de lograr esta eficiencia es con las matrices de malla de bolas (BGA), SMD que permiten un empaquetado de alta densidad de los componentes de red. Los módulos LAN Ethernet SMD BGA de 1 GB de Pulse Electronics (figura 3) admiten conectividad Ethernet desde 10BASE-T hasta 1000BASE-T y proporcionan hasta 70 W de PoE de CC con una densidad inferior a 140 mm²/puerto.

Figura 3: Los módulos LAN Ethernet SMD BGA de 1 GB de Pulse Electronics pueden actualizar los interruptores de red para que admitan mayores niveles de PoE y velocidades de datos de hasta 1 Gbps. (Fuente de la imagen: Pulse Electronics)

Las unidades, que encajan en las huellas de componentes más antiguos que admiten velocidades más lentas o menor vataje, encajan detrás de los conectores 2xN, que tienen dos filas de puertos y de uno a ocho puertos por fila. Los módulos diseñados para entornos industriales están homologados para temperaturas de funcionamiento de -40 °C a +80 °C.

Estos módulos de alta densidad también admiten la incorporación de antenas 5G para la comunicación inalámbrica por radiofrecuencia. Las soluciones de antena para aplicaciones 5G, como las de Pulse Electronics (figura 4), pueden ser internas a un dispositivo en su placa CI o placa de circuito flexible (FPC), o pueden montarse externamente con hardware o imanes. La elección de la antena depende de la velocidad de transmisión y el ancho de banda deseados, la distancia al receptor, los obstáculos o las interferencias.

Estas antenas admiten la banda baja y media de transmisión 5G con frecuencias de 617 MHz a 7,125 MHz. A estas frecuencias, pueden transmitir datos de sensores a dispositivos inteligentes con altas velocidades de transmisión y baja latencia.

Figura 4: Las antenas 5G de Pulse Electronics admiten redes industriales a través de Wi-Fi, Bluetooth y otros estándares de comunicación por radiofrecuencia en frecuencias de 617 MHz a 7,125 MHz. (Fuente de la imagen: Pulse Electronics)

Conclusión

Las redes industriales dependen de diversos componentes, como transformadores LAN, choques magnéticos, cables de par trenzado, tomas Ethernet, interruptores, enrutadores y antenas. Cuando estos componentes funcionan juntos según lo previsto, la red industrial de hoy y del futuro admite velocidades de varios gigabits con alta precisión y baja latencia.