Kommerzielle Protokolle und Luft- und Raumfahrtverkabelung:Die richtige Balance finden

Einige Tipps zur Auswahl des richtigen Kabeltyps für Ihre gewünschte Anwendung.

Einige Tipps zur Auswahl des richtigen Kabeltyps für Ihre gewünschte Anwendung.

Kommerzielle Protokolle in Luft- und Raumfahrtanwendungen stellen Entwickler vor die Herausforderung, den Standard gegen die speziellen Anforderungen der Anwendung abzuwägen. Im Physical Layer sind die Kabel für Gigabit und 10 Gigabit Ethernet, USB, IEEE 1394 und andere ein Paradebeispiel für diesen Spagat. Die Standards für diese Protokolle beschreiben die elektrischen und strukturellen Anforderungen an die Kabel. Ein Ziel von Standards ist es, Kabel mit ausreichender Spezifität zu charakterisieren, damit sie sicher in die Anwendung eingesteckt werden können.

Für kommerzielle Anwendungen funktioniert dieser Ansatz hervorragend. Die zusätzlichen Bedenken hinsichtlich Luft- und Raumfahrtanwendungen führen dazu, dass Designer diesen praktischen Plug-and-Play-Ansatz überdenken. Ihr Hauptantrieb besteht darin, bei jeder Gelegenheit im Flugzeug Größe und Gewicht zu reduzieren. Da die Datenmenge sowohl im Flugzeugbetrieb als auch im Passagierverkehr dramatisch ansteigt, steigt auch die Anzahl der Schaffner, die zum Transport der Daten benötigt werden. Insgesamt sind handelsübliche Kabel ein attraktives Ziel für Größen- und Gewichtsreduzierungen. Gleichzeitig weisen Kabel nach Industriestandard möglicherweise nicht die gewünschte mechanische oder umweltbezogene Leistung auf, insbesondere die hohen Anforderungen an geringe Rauchentwicklung, Toxizität und Entflammbarkeit in geschlossenen Räumen, in denen ein sicherer Austritt schwierig oder unmöglich sein kann.

Der Fall für Katzenkabel

Ziehen Sie ein Cat-5e-Kabel für Gigabit-Ethernet in Betracht. Seine typische kommerzielle Konstruktion ist ein 24 AWG massiver blanker Kupferleiter mit Polyethylenisolierung und PVC-Mantel. Der ANSI/TIA 568-C.2-Standard definiert elektrische Anforderungen an Dämpfung, Einfügedämpfung, Rückflussdämpfung, Übersprechen und eine Vielzahl anderer Kriterien. Für unsere Zwecke konzentrieren wir uns auf die Einfügedämpfung. Diese Eigenschaft bestimmt weitgehend die zulässigen Kabelabstände (vorausgesetzt, die Übersprechziele werden erreicht).

Abbildung 1. Luft- und Raumfahrtanwendungen werden immer häufiger mit etablierten kommerziellen Protokollen für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen

Betrachten Sie einen typischen Ablauf bei der Definition eines Cat 5e-Kabels für die Luft- und Raumfahrt. Jeder Schritt neigt dazu, sowohl die Dämpfung als auch die Einfügungsdämpfung zu erhöhen, wodurch die zulässige Kabellänge effektiv reduziert wird. TE Connectivity arbeitet eng mit Luft- und Raumfahrtdesignern zusammen, um Verkabelungslösungen zu entwickeln, die die Ziele des Anwendungsprotokolls und die Anforderungen an Größe, Gewicht und Robustheit erfüllen.

Litzenleiter bieten mehr Flexibilität bei der Installation und Verlegung von Kabeln in Flugzeugen mit beengten Platzverhältnissen. Während der Standard 568-C.2 Litzenleiter für kurze Patchkabel anerkennt, spezifiziert er massive Leiter für Backbone-Anforderungen wegen ihrer geringeren Einfügedämpfung. Der Wechsel vom Massivleiter zum Litzenleiter ermöglicht eine 20-prozentige Erhöhung der Einfügedämpfung, was zu einer 20-prozentigen Verringerung der maximalen Kabellänge führen würde.

Viele Luft- und Raumfahrtanwendungen erfordern aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit silberbeschichtete Leiter aus einer Kupferlegierung. Der Wechsel von reinem Kupfer zu einer Kupferlegierung kann die Einfügedämpfung je nach Kabeldesign um weitere 10 Prozent erhöhen. Kleinere Leiter sparen Gewicht, was den Trend zu 26 AWG und sogar 28 AWG erklärt. Abbildung 2 zeigt praktische Abstände für verschiedene Leiter. Zusätzliche Größen- und Gewichtsreduzierungen können auch durch die Verwendung von dünnwandigen Dielektrika mit niedrigerer Permittivität und widerstandsfähigeren Mantelmaterialien erzielt werden.

Abbildung 2. Größen- und gewichtssparende Kabelkonfigurationen erfüllen den Bedarf an Hochgeschwindigkeits-Ethernet über reduzierte Distanzen.

Ein Cat-6A-Kabel zur Aktivierung von 10G-Ethernet weist ähnliche Kompromisse auf.

Die Hülle für USB

USB 2.0/3.0-Anwendungen stellen das Gegenteil von Cat 5e-Ethernet-Anwendungen dar. Designer möchten die Übertragungsdistanzen über die standardmäßigen 5 Meter für USB 2.0 hinaus verlängern. (USB 3.0 gibt keine maximale Kabellänge an, aber die praktische Länge für handelsübliche Kabel beträgt 3 Meter.) Da USB sowohl Strom als auch Daten unterstützt, müssen Designer sowohl den Spannungsabfall in der Stromleitung als auch die Einfügungsdämpfung in den Datenleitungen berücksichtigen. Ein weiteres Problem ist die Verzögerungszeit:26 ns Ende-zu-Ende oder 5,2 Nanosekunden pro Meter für das Kabel in USB 2.0.

Das Erweitern von Datenlängen für USB betrifft sowohl die Leitergröße als auch den Isolationstyp (sowie massiv oder geschäumt). Während ein größerer Leiter die Einfügungsdämpfung verringern kann, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit kritischer, um die Verzögerungsanforderungen zu erfüllen. Eine Hochgeschwindigkeitsisolierung ermöglicht längere Distanzen, ohne die Verzögerungszeit zu verlängern. PTFE mit niedriger Dichte und geschäumtes FEP bieten etwa 13 bis 25 Prozent höhere Ausbreitungsgeschwindigkeiten als das Polyethylen, das in kommerziellen USB-Kabeln verwendet wird. Um die Einfügungsdämpfung im Moment zu reduzieren, können PTFE mit niedriger Dichte oder geschäumtes FEP Entfernungen auf 6,3 Meter verlängern und gleichzeitig die Anforderungen an die Verzögerungszeit erfüllen. Abbildung 3 zeigt Beispiele dafür, wie alternative Isolierungen die USB-Kabelentfernungen verlängern können.

Abbildung 3. Die Isolationsauswahl beeinflusst mögliche USB-Kabellängen.

Der Fall für IEEE 1394

IEEE 1394 als Daten-Backbone beginnt sich im Luft- und Raumfahrtmarkt durchzusetzen. Systemdesigner entfernen die Komponenten, die das Endgerät oder den Sensor mit Strom versorgen. Quadraxialkabelkonstruktionen, die nur die beiden Datenpaare bereitstellen, bieten die kleinste und leichteste Kabelkonfiguration. Abhängig vom AWG-Leiter des Leiters können die maximalen Kabelwege von 50 bis 80+ Fuß reichen. Das Gerät wird dann über separate Drähte mit entsprechender Größe versorgt, um die Eingangsspannungsanforderungen zu erfüllen.

Erzielen von Robustheit

Die Wahl der Isolierung und des Mantels beeinflusst auch die Robustheit des Kabels. Standardkonforme Kabel können mit einer Reihe von Polymeren hergestellt werden, um spezielle Anforderungen an Chemikalien-/Kraftstoffbeständigkeit, erweiterte Temperaturen, geringe Ausgasung, Toxizität, Flammeneigenschaften, Flexibilität und andere Faktoren zu erfüllen. Um den anspruchsvollen Rauch-, Toxizitäts-, Entflammbarkeits- und anderen Umweltanforderungen von Luft- und Raumfahrtanwendungen gerecht zu werden, sind die Materialien teurer als die in kommerziellen Konstruktionen verwendeten.

von der Stange oder entwickelt?

Standards wie ANSI/TIA 568 oder USB spielen zwar eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von Anwendungen in einer ausgefallenen Art und Weise, können jedoch entweder als Vorgaben oder Empfehlungen angesehen werden. Für die meisten Benutzer sind sie Mandate. Zu wissen, dass ein Kabel, das alle Cat 5e-Spezifikationen erfüllt, die Gewissheit bietet, dass es innerhalb der Anwendungsrichtlinien funktioniert. Eine längere Sichtweise ist jedoch, dass die Kanalleistung die Komponentenleistung übertrumpft:Das entscheidende Problem besteht darin, das Signal mit der vom Empfänger geforderten Signalintegrität zu liefern. Es gibt Standards, um diese Lieferung sicherzustellen. Luft- und Raumfahrtdesigner akzeptieren einige Änderungen der Leistungsspezifikationen, solange die allgemeinen Anwendungsanforderungen erfüllt werden.

Solche Kabel können leicht erhältlich sein oder sie können semi-kundenspezifisch sein. TE zum Beispiel verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung von Kabeln, um bestimmte Ziele zu erreichen. Diese Erfahrung ermöglicht es uns, die verschiedenen Kompromisse auszugleichen, die nicht nur die Anforderungen an Hochgeschwindigkeitsprotokolle erfüllen, sondern auch den Bedarf an kleineren, leichteren Kabeln, die auch Anwendungsgefahren standhalten.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von TE Connectivity veröffentlicht. Weitere Whitepapers können Sie hier einsehen.

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