Commerciële protocollen en ruimtevaartbekabeling:de juiste balans vinden

Enkele tips voor het kiezen van het juiste type kabel voor uw gewenste toepassing.

Enkele tips voor het kiezen van het juiste type kabel voor uw gewenste toepassing.

Commerciële protocollen in ruimtevaarttoepassingen stellen ontwerpers voor de uitdaging om de standaard af te wegen tegen de speciale behoeften van de toepassing. In de fysieke laag zijn de kabels die worden gebruikt voor Gigabit en 10 Gigabit Ethernet, USB, IEEE 1394 en andere een goed voorbeeld van deze evenwichtsoefening. De normen voor deze protocollen beschrijven elektrische en structurele vereisten voor de kabels. Een doel van standaarden is om kabels te karakteriseren met voldoende specificiteit zodat ze met vertrouwen in de applicatie kunnen worden aangesloten.

Voor commerciële toepassingen werkt deze aanpak bewonderenswaardig. De extra zorgen voor ruimtevaarttoepassingen brengen ontwerpers ertoe deze handige plug-and-play-aanpak te heroverwegen. Hun belangrijkste drijfveer is het verkleinen van de afmetingen en het gewicht bij elke gelegenheid in het vliegtuig. Naarmate de hoeveelheid gegevens in zowel de exploitatie van vliegtuigen als de passagiersdiensten dramatisch toeneemt, neemt ook het aantal conducteurs dat nodig is om de gegevens te vervoeren, toe. Over het algemeen vormen commerciële kabels een aantrekkelijk doelwit voor reductie van afmetingen en gewicht. Tegelijkertijd hebben industriestandaard kabels mogelijk niet de gewenste mechanische of milieuprestaties, met name de hoge eisen voor lage rookontwikkeling, toxiciteit en ontvlambaarheid in gesloten ruimten waar een veilige uitgang moeilijk of onmogelijk kan zijn.

De behuizing voor Cat-kabel

Overweeg een Cat 5e-kabel voor Gigabit Ethernet. De typische commerciële constructie is een 24 AWG massief blanke koperen geleider met polyethyleen isolatie en PVC-mantel. De ANSI/TIA 568-C.2-standaard definieert elektrische vereisten voor demping, invoegverlies, retourverlies, overspraak en tal van andere criteria. Voor onze doeleinden zullen we ons concentreren op invoegverlies. Deze eigenschap bepaalt grotendeels de toegestane kabelafstanden (ervan uitgaande dat overspraakdoelen worden gehaald).

Figuur 1. Lucht- en ruimtevaarttoepassingen nemen toe met behulp van gevestigde commerciële protocollen voor snelle gegevensoverdracht

Overweeg een typische progressie bij het definiëren van een Cat 5e-kabel voor ruimtevaart. Elke stap heeft de neiging om zowel de demping als het invoegverlies te vergroten, waardoor de toegestane kabellengte effectief wordt verminderd. TE Connectivity werkt nauw samen met ruimtevaartontwerpers om bekabelingsoplossingen te ontwikkelen die voldoen aan de doelstellingen van het toepassingsprotocol en de vereisten voor grootte, gewicht en robuustheid.

Gestrande geleiders bieden meer flexibiliteit bij het installeren en leiden van kabels in vliegtuigen met beperkte ruimte. Terwijl de 568-C.2-standaard gestrande geleiders herkent voor korte patchsnoeren, specificeert het massieve geleiders voor backbone-behoeften vanwege hun lagere invoegverlies. De verandering van massieve geleider naar gevlochten geleider zorgt voor 20% meer invoegverlies, wat zou resulteren in een afname van 20% in de maximale kabellengte.

Veel lucht- en ruimtevaarttoepassingen specificeren verzilverde geleiders van koperlegeringen vanwege hun hoge treksterkte. De overstap van puur koper naar een koperlegering kan het invoegverlies met nog eens 10 procent verhogen, afhankelijk van het kabelontwerp. Kleinere geleiders besparen gewicht, wat de trend naar 26 AWG en zelfs 28 AWG verklaart. Figuur 2 toont praktische afstanden voor verschillende geleiders. Extra reducties in afmetingen en gewicht kunnen ook worden verkregen door gebruik te maken van dunwandige diëlektrica met lagere permittiviteit en hardere mantelmaterialen.

Figuur 2. Grootte- en gewichtsbesparende kabelconfiguraties voldoen aan de behoefte aan high-speed Ethernet over kortere afstanden.

Cat 6A-kabel, om 10G Ethernet mogelijk te maken, biedt vergelijkbare compromissen.

De behuizing voor USB

USB 2.0/3.0-toepassingen presenteren de tegenovergestelde situatie van Cat 5e Ethernet-toepassingen. Ontwerpers willen de transmissieafstanden uitbreiden tot voorbij de standaard 5 meter voor USB 2.0. (USB 3.0 specificeert geen maximale kabellengte, maar de praktische lengte voor commerciële kabels is 3 meter.) Aangezien USB zowel stroom als data ondersteunt, moeten ontwerpers rekening houden met zowel spanningsdaling in de stroomlijn als invoegverlies in de datalijnen. Een bijkomend punt van zorg is de vertragingstijd:26 ns end-to-end of 5,2 nanoseconden per meter voor de kabel in USB 2.0.

Het verlengen van datalengtes voor USB omvat zowel de geleidermaat als het isolatietype (evenals vast of geschuimd). Hoewel een grotere geleider het invoegverlies kan verminderen, is de voortplantingssnelheid kritischer om aan de vertragingsvereisten te voldoen. Een isolatie met hoge snelheid maakt langere afstanden mogelijk zonder de vertragingstijd te verlengen. PTFE met lage dichtheid en geschuimd FEP bieden voortplantingssnelheden die ongeveer 13 tot 25 procent sneller zijn dan mogelijk is met het polyethyleen dat wordt gebruikt in commerciële USB-kabels. Als er voorlopig geen inbrengverlies is, kan PTFE met een lage dichtheid of geschuimde FEP afstanden verlengen tot 6,3 meter terwijl het toch voldoet aan de vertragingstijdvereisten. Afbeelding 3 toont voorbeelden van hoe alternatieve isolaties de USB-kabelafstanden kunnen verlengen.

Figuur 3. Isolatiekeuzes zijn van invloed op mogelijke lengtes van USB-kabels.

De zaak voor IEEE 1394

IEEE 1394, als data-backbone, begint ingang te vinden in de lucht- en ruimtevaartmarkt. Systeemontwerpers verwijderen de componenten die het eindapparaat of de sensor van stroom voorzien. Quadraxiale kabelconstructies die alleen de twee dataparen leveren, bieden de kleinste, lichtste kabelconfiguratie. Afhankelijk van de AWG-geleider kunnen de maximale kabellengtes variëren van 50 tot 80+ voet. Het apparaat wordt vervolgens van stroom voorzien door afzonderlijke draden die de juiste afmetingen hebben om te voldoen aan de vereisten voor ingangsspanning.

Degelijkheid bereiken

Isolatie- en mantelkeuzes hebben ook invloed op de robuustheid van de kabel. Kabels die aan de normen voldoen, kunnen worden gefabriceerd met een reeks polymeren om te voldoen aan speciale vereisten voor chemische/brandstofbestendigheid, hoge temperaturen, lage ontgassing, toxiciteit, vlamkenmerken, flexibiliteit en andere factoren. Om te voldoen aan de hoge rook-, toxiciteits-, ontvlambaarheids- en andere milieu-eisen die worden gesteld door lucht- en ruimtevaarttoepassingen, zijn de materialen duurder dan de materialen die worden gebruikt in de commerciële constructies.

Van de plank of ontworpen?

Hoewel standaarden zoals ANSI/TIA 568 of USB een waardevolle rol spelen bij het inzetten van applicaties op een cookie-cutter-manier, kunnen ze worden gezien als mandaten of aanbevelingen. Voor de meeste gebruikers zijn het mandaten. Wetende dat een kabel die aan alle Cat 5e-specificaties voldoet, de zekerheid heeft dat deze binnen de toepassingsrichtlijnen zal werken. Een langere visie is echter dat kanaalprestaties de prestaties van componenten overtreffen:het cruciale punt is om het signaal te leveren met de signaalintegriteit die door de ontvanger wordt vereist. Er bestaan ​​normen om deze levering te garanderen. Lucht- en ruimtevaartontwerpers accepteren enige wijziging in de prestatiespecificaties zolang aan de algemene toepassingsvereisten wordt voldaan.

Dergelijke kabels kunnen gemakkelijk verkrijgbaar zijn of ze kunnen half op maat zijn. TE heeft bijvoorbeeld uitgebreide ervaring in het maken van kabels om specifieke doelen te helpen bereiken. Deze ervaring stelt ons in staat om de verschillende afwegingen te maken die nodig zijn om niet alleen te voldoen aan de hogesnelheidsprotocolvereisten, maar ook aan de behoefte aan kleinere, lichtere kabels die ook bestand zijn tegen toepassingsrisico's.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd door TE Connectivity. Je kunt hier meer van hun whitepapers bekijken.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.