Protocolos comerciais e cabeamento aeroespacial:Encontrando o equilíbrio certo

Algumas dicas para escolher o tipo certo de cabo para a aplicação desejada.

Algumas dicas para escolher o tipo certo de cabo para a aplicação desejada.

Os protocolos comerciais em aplicações aeroespaciais apresentam aos projetistas o desafio de equilibrar o padrão com as necessidades especiais da aplicação. Na camada física, os cabos usados ​​para Gigabit e 10 Gigabit Ethernet, USB, IEEE 1394 e outros são um excelente exemplo desse ato de equilíbrio. Os padrões para esses protocolos detalham os requisitos elétricos e estruturais dos cabos. Um dos objetivos dos padrões é caracterizar os cabos com especificidade suficiente para que eles possam ser conectados com segurança ao aplicativo.

Para aplicações comerciais, essa abordagem funciona admiravelmente. As preocupações adicionais com as aplicações aeroespaciais levam os projetistas a reconsiderar essa abordagem plug-and-play conveniente. Seu principal objetivo é reduzir o tamanho e o peso em todas as oportunidades na aeronave. À medida que a quantidade de dados na operação da aeronave e nos serviços de passageiros aumenta drasticamente, também aumenta o número de condutores necessários para transportar os dados. Em conjunto, os cabos comerciais são um alvo atraente para reduções de tamanho e peso. Ao mesmo tempo, os cabos padrão da indústria podem não possuir o desempenho mecânico ou ambiental desejado, especialmente os requisitos exigentes para baixa geração de fumaça, toxicidade e inflamabilidade em espaços fechados onde uma saída segura pode ser difícil ou impossível.

O estojo para cabo Cat

Considere um cabo Cat 5e para Gigabit Ethernet. Sua construção comercial típica é um condutor sólido de cobre nu 24 AWG com isolamento de polietileno e revestimento de PVC. O padrão ANSI / TIA 568-C.2 define os requisitos elétricos para atenuação, perda de inserção, perda de retorno, diafonia e uma série de outros critérios. Para nossos objetivos, vamos nos concentrar na perda de inserção. Essa característica determina amplamente as distâncias de cabo permitidas (assumindo que os objetivos de diafonia sejam atendidos).

Figura 1. As aplicações aeroespaciais estão aumentando usando protocolos comerciais bem estabelecidos para transferências de dados em alta velocidade

Considere uma progressão típica na definição de um cabo Cat 5e para a indústria aeroespacial. Cada etapa tende a aumentar a atenuação e a perda de inserção, reduzindo efetivamente o comprimento do cabo permitido. A TE Connectivity trabalha em estreita colaboração com designers aeroespaciais para criar soluções de cabeamento que atendam aos objetivos do protocolo de aplicação e aos requisitos de tamanho, peso e robustez.

Os condutores trançados fornecem maior flexibilidade na instalação e direcionamento de cabos em aeronaves com espaço limitado. Embora o padrão 568-C.2 reconheça condutores trançados para patchcords curtos, ele especifica condutores sólidos para as necessidades de backbone por causa de sua menor perda de inserção. A mudança de condutor sólido para condutor trançado permite um aumento de 20% na perda de inserção, o que resultaria em uma redução de 20% no comprimento máximo do cabo.

Muitas aplicações aeroespaciais especificam condutores de liga de cobre com revestimento de prata devido à sua alta resistência à tração. Mudar de cobre puro para liga de cobre pode aumentar a perda de inserção em outros 10 por cento, dependendo do projeto do cabo. Condutores menores economizam peso, o que explica a tendência para 26 AWG e até 28 AWG. A Figura 2 mostra distâncias práticas para diferentes condutores. Reduções adicionais de tamanho e peso também podem ser obtidas usando paredes finas, dielétricos de baixa permissividade e materiais de revestimento mais resistentes.

Figura 2. As configurações de cabo com redução de peso e tamanho atendem à necessidade de Ethernet de alta velocidade em distâncias reduzidas.

O cabo Cat 6A, para habilitar Ethernet 10G, apresenta compensações semelhantes.

O estojo para USB

Os aplicativos USB 2.0 / 3.0 apresentam a situação oposta dos aplicativos Ethernet Cat 5e. Os designers desejam estender as distâncias de transmissão além dos 5 metros padrão para USB 2.0. (USB 3.0 não especifica um comprimento máximo de cabo, mas o comprimento prático para cabos comerciais é de 3 metros.) Como o USB oferece suporte a energia e dados, os projetistas precisam considerar a queda de tensão na linha de força e a perda de inserção nas linhas de dados. Uma preocupação adicional é o tempo de atraso:26 ns ponta a ponta ou 5,2 nanossegundos por metro para o cabo em USB 2.0.

Estender o comprimento dos dados para USB envolve o tamanho do condutor e o tipo de isolamento (bem como sólido ou espumado). Embora um condutor maior possa diminuir a perda de inserção, a velocidade de propagação é mais crítica para atender aos requisitos de atraso. Um isolamento de alta velocidade permitirá distâncias mais longas sem aumentar o tempo de atraso. O PTFE de baixa densidade e o FEP espumado oferecem velocidades de propagação cerca de 13 a 25 por cento mais rápidas do que o possível com o polietileno usado em cabos USB comerciais. Descontando a perda de inserção no momento, o PTFE de baixa densidade ou FEP espumado pode estender distâncias para 6,3 metros enquanto ainda atende aos requisitos de tempo de retardo. A Figura 3 mostra exemplos de como isolamentos alternativos podem estender as distâncias do cabo USB.

Figura 3. As opções de isolamento afetam os possíveis comprimentos do cabeamento USB.

O caso para IEEE 1394

O IEEE 1394, como backbone de dados, está começando a se estabelecer no mercado aeroespacial. Os projetistas do sistema estão removendo os componentes que fornecem energia para o dispositivo ou sensor final. As construções de cabo quádruplo que fornecem apenas os dois pares de dados fornecem a configuração de cabo menor e mais leve. Dependendo do condutor AWG, o comprimento máximo do cabo pode variar de 50 a 80+ pés. A energia para o dispositivo é então fornecida por fios separados de tamanho apropriado para atender aos requisitos de tensão de entrada.

Alcançando robustez

As opções de isolamento e jaqueta também afetam a robustez do cabo. Os cabos em conformidade com os padrões podem ser fabricados com uma variedade de polímeros para atender a requisitos especiais de resistência química / combustível, temperaturas estendidas, baixa emissão de gás, toxicidade, características de chama, flexibilidade e outros fatores. Para atender aos exigentes requisitos de fumaça, toxicidade, inflamabilidade e outros requisitos ambientais impostos pelas aplicações aeroespaciais, os materiais são mais caros do que os usados ​​nas construções comerciais.

Fora da prateleira ou projetado?

Embora os padrões como ANSI / TIA 568 ou USB desempenhem um papel valioso ao permitir que os aplicativos sejam implantados de maneira mais simples, eles podem ser vistos como mandatos ou recomendações. Para a maioria dos usuários, eles são mandatos. Saber que um cabo que atende a todas as especificações Cat 5e oferece a garantia de que funcionará de acordo com as diretrizes da aplicação. Uma visão mais ampla, entretanto, é que o desempenho do canal supera o desempenho do componente:a questão crítica é entregar o sinal com a integridade do sinal exigida pelo receptor. Existem normas para garantir esta entrega. Os projetistas aeroespaciais aceitarão algumas modificações nas especificações de desempenho, desde que os requisitos gerais da aplicação sejam atendidos.

Esses cabos podem estar prontamente disponíveis ou podem ser semipersonalizados. A TE, por exemplo, tem ampla experiência na criação de cabos para ajudar a cumprir objetivos específicos. Essa experiência nos permite equilibrar as várias compensações envolvidas no cumprimento não apenas dos requisitos de protocolo de alta velocidade, mas da necessidade de cabos menores e mais leves que também resistem aos riscos da aplicação.



Este artigo foi publicado originalmente pela TE Connectivity. Você pode ver mais de seus white papers aqui.

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