Коммерческие протоколы и аэрокосмические кабели:поиск правильного баланса

Несколько советов по выбору правильного типа кабеля для желаемого приложения.

Несколько советов по выбору правильного типа кабеля для желаемого приложения.

Коммерческие протоколы в аэрокосмических приложениях ставят перед разработчиками задачу найти баланс между стандартом и особыми потребностями приложения. На физическом уровне кабели, используемые для Gigabit и 10 Gigabit Ethernet, USB, IEEE 1394 и других, являются ярким примером этого процесса балансировки. Стандарты для этих протоколов детализируют электрические и конструктивные требования к кабелям. Одна из целей стандартов - характеризовать кабели с достаточной специфичностью, чтобы их можно было надежно подключить к приложению.

Для коммерческих приложений этот подход отлично работает. Дополнительные проблемы, связанные с аэрокосмическими приложениями, заставляют дизайнеров пересмотреть этот удобный подход plug-and-play. Их основной движущей силой является уменьшение габаритов и веса самолета при каждой возможности. По мере того, как объем данных как при эксплуатации самолетов, так и при обслуживании пассажиров резко увеличивается, увеличивается и количество проводников, необходимых для передачи данных. В целом, коммерческие кабели представляют собой привлекательную цель для сокращения размеров и веса. В то же время стандартные кабели могут не обладать желаемыми механическими или экологическими характеристиками, особенно высокими требованиями к низкому дымообразованию, токсичности и воспламеняемости в закрытых помещениях, где безопасный выход может быть затруднен или невозможен.

Чехол для кабеля Cat

Рассмотрим кабель Cat 5e для Gigabit Ethernet. Типичная коммерческая конструкция представляет собой сплошной неизолированный медный провод 24 AWG с полиэтиленовой изоляцией и оболочкой из ПВХ. Стандарт ANSI / TIA 568-C.2 определяет электрические требования к затуханию, вносимым потерям, обратным потерям, перекрестным помехам и множеству других критериев. В наших целях мы сосредоточимся на вносимых потерях. Эта характеристика в значительной степени определяет допустимые расстояния между кабелями (при условии, что соблюдены требования по перекрестным помехам).

Рисунок 1. Все больше аэрокосмических приложений используют хорошо зарекомендовавшие себя коммерческие протоколы для высокоскоростной передачи данных

Рассмотрим типичный процесс выбора кабеля Cat 5e для аэрокосмической отрасли. Каждый шаг имеет тенденцию увеличивать как затухание, так и вносимые потери, эффективно уменьшая допустимую длину кабеля. TE Connectivity тесно сотрудничает с проектировщиками аэрокосмической отрасли над созданием кабельных решений, отвечающих целям прикладного протокола и требованиям к размеру, весу и надежности.

Многожильные проводники обеспечивают большую гибкость при установке и прокладке кабелей в самолетах с ограниченным пространством. В то время как стандарт 568-C.2 распознает многожильные проводники для коротких коммутационных шнуров, он определяет одножильные проводники для магистральных нужд из-за их более низких вносимых потерь. Переход от одножильного к многопроволочному проводнику позволяет на 20% увеличить вносимые потери, что приведет к 20-процентному уменьшению максимальной длины кабеля.

Во многих областях применения в аэрокосмической сфере требуются проводники из медного сплава с серебряным покрытием из-за их высокой прочности на разрыв. Переход от чистой меди к медному сплаву может увеличить вносимые потери еще на 10 процентов, в зависимости от конструкции кабеля. Меньшие по размеру проводники снижают вес, что объясняет тенденцию к использованию 26 AWG и даже 28 AWG. На рисунке 2 показаны практические расстояния для разных проводников. Дополнительное уменьшение размера и веса можно также получить за счет использования тонкостенных диэлектриков с более низкой диэлектрической проницаемостью и более жестких материалов оболочки.

Рисунок 2. Компактные и весовые конфигурации кабелей удовлетворяют потребность в высокоскоростном Ethernet на меньших расстояниях.

Кабель Cat 6A, позволяющий использовать 10G Ethernet, дает аналогичные компромиссы.

Чехол для USB

Приложения USB 2.0 / 3.0 представляют собой противоположную ситуацию по сравнению с приложениями Cat 5e Ethernet. Разработчики хотят увеличить дальность передачи данных сверх стандартных 5 метров для USB 2.0. (В USB 3.0 не указана максимальная длина кабеля, но практическая длина коммерческих кабелей составляет 3 метра.) Поскольку USB поддерживает как питание, так и данные, разработчикам необходимо учитывать как падение напряжения в линии питания, так и вносимые потери в линиях передачи данных. Дополнительную озабоченность вызывает время задержки:26 нс между концом или 5,2 наносекунды на метр для кабеля в USB 2.0.

Увеличение длины данных для USB связано как с размером проводника, так и с типом изоляции (а также сплошной или вспененной). В то время как более крупный проводник может снизить вносимые потери, скорость распространения более важна для удовлетворения требований к задержке. Высокоскоростная изоляция позволит использовать более длинные расстояния без увеличения времени задержки. ПТФЭ низкой плотности и вспененный ФЭП обеспечивают скорость распространения на 13–25 процентов быстрее, чем это возможно для полиэтилена, используемого в коммерческих USB-кабелях. Не считая вносимых потерь на данный момент, можно сказать, что PTFE низкой плотности или вспененный FEP могут увеличивать расстояние до 6,3 метра, при этом соблюдая требования по времени задержки. На Рисунке 3 показаны примеры того, как альтернативные изоляционные материалы могут увеличить длину кабеля USB.

Рисунок 3. Выбор изоляции влияет на возможную длину кабеля USB.

Обоснование IEEE 1394

IEEE 1394, как основа данных, начинает завоевывать рынок аэрокосмической отрасли. Разработчики системы удаляют компоненты, которые обеспечивают питание конечного устройства или датчика. Конструкции четырехосных кабелей, которые обеспечивают передачу только двух пар данных, обеспечивают наименьшую и легкую конфигурацию кабеля. В зависимости от провода AWG максимальная длина кабеля может составлять от 50 до 80+ футов. Затем питание на устройство подается по отдельным проводам, размер которых соответствует требованиям к входному напряжению.

Достижение прочности

Выбор изоляции и оболочки также влияет на прочность кабеля. Соответствующие стандартам кабели могут изготавливаться из ряда полимеров, отвечающих особым требованиям по химической / топливной стойкости, повышенным температурам, низкому выделению газов, токсичности, характеристикам пламени, гибкости и другим факторам. Эти материалы более дороги, чем те, которые используются в коммерческих конструкциях, чтобы соответствовать высоким требованиям по дымности, токсичности, воспламеняемости и другим экологическим требованиям, предъявляемым аэрокосмическими приложениями.

Готовый продукт или разработано?

Хотя такие стандарты, как ANSI / TIA 568 или USB, играют важную роль, позволяя развертывать приложения в режиме «резак для печенья», их можно рассматривать как предписания или рекомендации. Для большинства пользователей это мандат. Знание того, что кабель, отвечающий всем спецификациям Cat 5e, дает уверенность в том, что он будет работать в соответствии с инструкциями по применению. Однако более широкая точка зрения заключается в том, что производительность канала превосходит производительность компонентов:критическая проблема состоит в том, чтобы доставить сигнал с целостностью сигнала, требуемой для приемника. Существуют стандарты, обеспечивающие такую ​​доставку. Конструкторы аэрокосмической отрасли примут некоторые изменения в технических характеристиках, если будут выполнены общие требования к приложению.

Такие кабели могут быть легко доступны, или они могут быть полузаказными. TE, например, имеет большой опыт в создании кабелей для достижения конкретных целей. Такой опыт позволяет нам найти баланс между различными компромиссами, связанными не только с требованиями высокоскоростного протокола, но и с потребностью в меньших и легких кабелях, которые также выдерживают опасности приложений.

Эта статья изначально была опубликована TE Connectivity. Вы можете просмотреть другие их официальные документы здесь.

Отраслевые статьи - это форма содержания, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного содержания. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.