Tvrdá slupka, chytré jádro

Ethernet získává uznání jako komunikační standard v průmyslu a automatizaci, kde převodníky představují hlavní součástku v moderní komunikační technice. Bez nich by byl přenos dat s velkou šířkou pásma a dobrou signálovou integritou nemyslitelný. Jednotlivé části sítě a kabelové sekce musí být navzájem galvanicky oddělené kvůli ochraně PHY čipů. Takové provedení je podobné obvodům s klasickým transformátorem, ale s tím rozdílem, že transformátor musí být konstruován pro dobrý přenos signálu v širokém kmitočtovém pásmu. Aby bylo možné uspokojit současný trend v miniaturizaci v průmyslu a automatizaci, firma HARTING představila nové konektory M12 PCB s integrovaným transformátorem.

Transformátory jsou jako indukční součástky vyráběny pro komunikační techniku v podstatě stejně jako ty pro klasické použití. Rozdíl je v tom, že klasické transformátory jsou optimalizované pro přenos výkonu s největší možnou účinností v úzkém kmitočtovém pásmu, zatímco komunikační transformátory vyžadují přenos dat v relativně širokém pásmu, ale v nejvyšší možné kvalitě. Z toho vyplývá, že u komunikačního transformátoru je dobrý přenos signálu důležitější než jeho účinnost. Kvůli kvalitě přenášeného signálu zaujímají transformátory v ethernetu vedoucí roli. Dobrou vlastností transformátoru je linearita a minimální zkreslení signálu, protože to by mohlo vest k jeho poškození, v jehož výsledku signály nemohou být čteny na straně příjemce. V nejhorším scénáři to může vést k funkčnímu narušení aplikace, nebo dokonce jejímu výpadku.

Současný stav

Proč by vůbec měly být signály různých částí ethernetové sítě přenášeny v nejvyšší možné kvalitě komplikovaným způsobem přes různé indukčnosti? Transformátory jsou v lokální ethernetové síti používány pro galvanické oddělení signálů čili pro jejich přenos a oddělení. Jakákoliv komunikace založená na tomto protokolu vyžaduje různé čipy a další elektronické součástky, které jsou velmi citlivé na vyšší napětí. Protože ne všechny součástky a přenosové sítě mají stejný potenciál, vhodnou ochranu součástek zajišťuje galvanické oddělení přes transformátor.

Stávající připojení desky plošných spojů ke kabelu se v ethernetové síti provádí takto: vhodný konektor se připájí na desku plošných spojů a poblíž něho se na desku umístí součástky periferního obvodu. Protože současný trend podporuje zmenšování rozměrů, technické provedení takového připojení se potřebuje také zmenšit. Proč by nemohly být jednotlivé součástky a transformátor zabudovány přímo do konektoru?

Konektor RJ45 PCB je již dobře zavedeným standardem na trhu, ale co když je potřeba zajistit ochranu připojení ve smyslu IP65/67? V takovém případě nezbude než použít například konektor M12 PCB. Obrázek 1 ukazuje řešení připojení konektoru M12 s deskou, které je založené na použití několika diskrétních součástek. Mezi ethernetovým čipem a konektorem je umístěn transformátor, který tak na desce zabírá určitý prostor. V případě desky například s 16 konektory klade požadavek na umístění stejného počtu transformátorů na desce vysoké nároky na prostor desky. Transformátor vykonává dvě důležité funkce – na jedné straně zajišťuje galvanické oddělení, čímž jsou ethernet čipy (PHY) chráněny, na druhé straně přispívá k lepší kvalitě signálu.

Nároky budoucích aplikací

Současný trend jasně směřuje k miniaturizaci v průmyslu, a tak stále větší počet výrobců začíná vyrábět svá zařízení menší, kompaktnější a chytřejší. Jejich hlavním motivem je snaha zůstat konkurenceschopnými a snížit náklady na vývoj a výrobu.

Aby mohli výrobci miniaturizovat své výrobky, musí se také zmenšit jednotlivé součástky. Transformátory použité na deskách plošných spojů to příliš neumožňují, a tak struktura diskrétních součástek ukázaná na obr. 1 ve spojení s konektory M12 zabírá na desce plošných spojů příliš místa. S tradičním řešením nelze tedy v budoucnosti počítat, je potřeba přijít s kompaktním řešením.

Dva v jednom

Řešení, které HARTING vyvinul, kombinuje klasický konektor M12 a transformátor do jedné součástky, aniž by se zvětšoval rozměr konektoru na desce. Prostor, který jinak zaujímá na desce transformátor, zůstává volný, protože transformátor je přímo v konektoru. Návrhář desky tak má návrh desky jednodušší a může využít ušetřený prostor ke zmenšení rozměrů desky. Navíc se integrováním transformátoru do konektoru vyřeší i problémy se signálovou integritou, protože všechny potřebné součástky jsou s transformátorem v konektoru. Kromě splnění požadavků standardu IEC 61076-2-101/109 kladených na konektor M12 a IEEE 802.3 pro ethernet splňuje konektor M12 s integrovaným transformátorem také rozšířené požadavky železniční dopravy na nárazy a vibrace v souladu se standardem IEC 61373.

Kromě konektoru M12 D-kód s transformátorem pro rychlé aplikace s ethernetem bude k dispozici také varianta provedení s konektorem M12 X-kód určená pro přenos velkého množství dat, 1 GB / 10 GB. Všechny varianty konektorů v přímém a zahnutém provedení budou opatřeny volbou s/bez PoE/PoE+, aby bylo možné přenášet kromě dat i napájení pro malé součástky, např. spínače.

Zmenšená velikost desky přispívá k celkové robustnosti, miniaturizaci a výrobě, protože na desce nebudou součástky s průchozími vývody.

Další informace jsou dostupné na webu http://www.harting.com/en/news/product-news/detail/article/robust-transformer-in-a-connector-m12-m-003926/.