Protocolos comerciales y cableado aeroespacial:Encontrar el equilibrio adecuado

Algunos consejos para elegir el tipo de cable adecuado para la aplicación deseada.

Algunos consejos para elegir el tipo de cable adecuado para su aplicación deseada.

Los protocolos comerciales en aplicaciones aeroespaciales presentan a los diseñadores el desafío de equilibrar el estándar con las necesidades especiales de la aplicación. En la capa física, los cables utilizados para Gigabit y 10 Gigabit Ethernet, USB, IEEE 1394 y otros son un excelente ejemplo de este acto de equilibrio. Los estándares para estos protocolos detallan los requisitos eléctricos y estructurales de los cables. Uno de los objetivos de los estándares es caracterizar los cables con suficiente especificidad para que puedan conectarse con confianza a la aplicación.

Para aplicaciones comerciales, este enfoque funciona admirablemente. Las preocupaciones adicionales para las aplicaciones aeroespaciales llevan a los diseñadores a reconsiderar este conveniente enfoque plug-and-play. Su principal impulsor es reducir el tamaño y el peso en cada oportunidad en el avión. A medida que aumenta drásticamente la cantidad de datos tanto en la operación de aeronaves como en los servicios de pasajeros, también lo hace la cantidad de conductores necesarios para transportar los datos. En conjunto, los cables comerciales son un objetivo atractivo para las reducciones de tamaño y peso. Al mismo tiempo, es posible que los cables estándar de la industria no posean el desempeño mecánico o ambiental deseado, especialmente los exigentes requisitos de baja generación de humo, toxicidad e inflamabilidad en espacios cerrados donde la salida segura puede ser difícil o imposible.

El caso del cable Cat

Considere un cable Cat 5e para Gigabit Ethernet. Su construcción comercial típica es un conductor de cobre desnudo sólido de 24 AWG con aislamiento de polietileno y cubierta de PVC. El estándar ANSI / TIA 568-C.2 define los requisitos eléctricos para atenuación, pérdida de inserción, pérdida de retorno, diafonía y una serie de otros criterios. Para nuestros propósitos, nos centraremos en la pérdida de inserción. Esta característica determina en gran medida las distancias de cable permitidas (suponiendo que se cumplan los objetivos de diafonía).

Figura 1. Las aplicaciones aeroespaciales están aumentando utilizando protocolos comerciales bien establecidos para transferencias de datos de alta velocidad

Considere una progresión típica en la definición de un cable Cat 5e para la industria aeroespacial. Cada paso tiende a aumentar tanto la atenuación como la pérdida de inserción, reduciendo efectivamente la longitud permitida del cable. TE Connectivity trabaja en estrecha colaboración con los diseñadores aeroespaciales para crear soluciones de cableado que cumplan los objetivos del protocolo de aplicación y los requisitos de tamaño, peso y solidez.

Los conductores trenzados brindan una mayor flexibilidad a la hora de instalar y enrutar cables en aeronaves con limitaciones de espacio. Si bien el estándar 568-C.2 reconoce conductores trenzados para cables de conexión cortos, especifica conductores sólidos para las necesidades de la red troncal debido a su menor pérdida de inserción. El cambio de conductor sólido a conductor trenzado permite un aumento del 20% en la pérdida de inserción, lo que daría como resultado una disminución del 20% en la longitud máxima del tendido del cable.

Muchas aplicaciones aeroespaciales especifican conductores de aleación de cobre recubiertos de plata debido a su alta resistencia a la tracción. Pasar de cobre puro a una aleación de cobre puede aumentar la pérdida de inserción en otro 10 por ciento, dependiendo del diseño del cable. Los conductores más pequeños ahorran peso, lo que explica la tendencia hacia 26 AWG e incluso 28 AWG. La figura 2 muestra distancias prácticas para diferentes conductores. También se pueden obtener reducciones adicionales de tamaño y peso mediante el uso de dieléctricos de menor permitividad de pared delgada y materiales de revestimiento más resistentes.

Figura 2. Las configuraciones de cable que ahorran tamaño y peso satisfacen la necesidad de Ethernet de alta velocidad en distancias reducidas.

El cable Cat 6A, para habilitar Ethernet 10G, presenta ventajas y desventajas similares.

El estuche para USB

Las aplicaciones USB 2.0 / 3.0 presentan la situación opuesta a las aplicaciones Ethernet Cat 5e. Los diseñadores quieren extender las distancias de transmisión más allá de los 5 metros estándar para USB 2.0. (USB 3.0 no especifica una longitud máxima de cable, pero la longitud práctica para cables comerciales es de 3 metros). Dado que el USB admite energía y datos, los diseñadores deben considerar tanto la caída de voltaje en la línea eléctrica como la pérdida de inserción en las líneas de datos. Una preocupación adicional es el tiempo de retardo:26 ns de extremo a extremo o 5,2 nanosegundos por metro para el cable en USB 2.0.

La extensión de longitudes de datos para USB implica tanto el tamaño del conductor como el tipo de aislamiento (así como sólido o espumado). Si bien un conductor más grande puede reducir la pérdida de inserción, la velocidad de propagación es más crítica para cumplir con los requisitos de retardo. Un aislamiento de alta velocidad permitirá distancias más largas sin aumentar el tiempo de retardo. El PTFE de baja densidad y el FEP espumado ofrecen velocidades de propagación entre un 13 y un 25 por ciento más rápidas que las posibles con el polietileno utilizado en los cables USB comerciales. Descontando la pérdida de inserción por el momento, el PTFE de baja densidad o el FEP espumado pueden extender las distancias a 6,3 metros sin dejar de cumplir con los requisitos de tiempo de demora. La Figura 3 muestra ejemplos de cómo los aislamientos alternativos pueden extender las distancias de los cables USB.

Figura 3. Las opciones de aislamiento afectan las posibles longitudes del cableado USB.

El caso de IEEE 1394

IEEE 1394, como columna vertebral de datos, está comenzando a afianzarse en el mercado aeroespacial. Los diseñadores de sistemas están eliminando los componentes que suministran energía al dispositivo final o al sensor. Las construcciones de cables cuadraxiales que solo proporcionan los dos pares de datos proporcionan la configuración de cable más pequeña y liviana. Dependiendo del conductor AWG, los recorridos máximos de cable pueden variar de 50 a 80+ pies. Luego, la energía al dispositivo se suministra mediante cables separados del tamaño adecuado para cumplir con los requisitos de voltaje de entrada.

Lograr la solidez

Las opciones de aislamiento y cubierta también afectan la robustez del cable. Los cables que cumplen con los estándares se pueden fabricar con una variedad de polímeros para cumplir con los requisitos especiales de resistencia química / combustible, temperaturas extendidas, baja desgasificación, toxicidad, características de llama, flexibilidad y otros factores. Para cumplir con los exigentes requisitos de humo, toxicidad, inflamabilidad y otros requisitos ambientales impuestos por las aplicaciones aeroespaciales, los materiales son más caros que los utilizados en las construcciones comerciales.

¿Fuera de la estantería o diseñado?

Si bien los estándares como ANSI / TIA 568 o USB juegan un papel valioso al permitir que las aplicaciones se implementen de manera sencilla, pueden verse como mandatos o recomendaciones. Para la mayoría de los usuarios, son mandatos. Saber que un cable que cumple con todas las especificaciones Cat 5e conlleva la seguridad de que funcionará dentro de las pautas de la aplicación. Sin embargo, una visión más amplia es que el rendimiento del canal triunfa sobre el rendimiento del componente:el problema crítico es entregar la señal con la integridad de señal requerida por el receptor. Existen estándares para garantizar esta entrega. Los diseñadores aeroespaciales aceptarán algunas modificaciones en las especificaciones de rendimiento siempre que se cumplan los requisitos generales de la aplicación.

Estos cables pueden estar fácilmente disponibles o pueden ser semi personalizados. TE, por ejemplo, tiene una amplia experiencia en la creación de cables para ayudar a cumplir objetivos específicos. Tal experiencia nos permite equilibrar las diversas compensaciones involucradas en el cumplimiento no solo de los requisitos del protocolo de alta velocidad, sino también de la necesidad de cables más pequeños y livianos que también resistan los peligros de la aplicación.

Este artículo fue publicado originalmente por TE Connectivity. Puede ver más de sus informes técnicos aquí.

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