Mark Patrick, Mouser Electronics
Desde sus inicios hace 40 años, Ethernet se ha convertido rápidamente en el protocolo de red por cable que todo el mundo usa. En la última década, Ethernet ha dejado de estar limitado al entorno de la informática y los centros de datos y ha empezado a expandirse hacia aplicaciones industriales y del sector del automóvil. Gracias a su integridad y solidez, Ethernet es una opción perfecta para estos casos de uso, en los que la fiabilidad y la latencia son esenciales. Sin embargo, implantar cables de Ethernet de categoría 6 en aplicaciones con limitaciones de espacio no es una tarea sencilla, lo que ha generado el desarrollo del Ethernet de un solo par (SPE, por sus siglas en inglés).
En este artículo, hablaremos brevemente del SPE y veremos cuáles son los problemas que supone la implantación de redes de alta velocidad en entornos industriales, en los que el ruido eléctrico es considerable.
Ethernet sale de los centros de datos
El estándar de protocolo de red Ethernet IEEE 802.3 se empezó a desarrollar en los ochenta y se ha convertido en un método contrastado, fiable, sólido y práctico para conectar servidores, ordenadores y periféricos de comunicación de datos. En las últimas décadas, Ethernet se ha ido fortaleciendo y progresando en casos de uso y ancho de banda. En aquel contexto, era de esperar que la misma arquitectura de conectividad que se empleaba para los sistemas operativos y financieros de una organización acabase por implantarse también en equipos de fabricación. Las iniciativas para mejorar el funcionamiento en ámbitos industriales, como la Industria 4.0, necesitan una conectividad sólida, así que Ethernet estaba preparada cuando los conceptos tecnológicos del Internet de las cosas (IdC) se convirtieron en una realidad.
La Industria 4.0 y el Internet industrial de las cosas (IIdC) no son las primeras implantaciones tecnológicas con el objetivo de mejorar la eficacia de las estrategias de fabricación. Desde hace ya cuatro décadas, se están empleando métodos para conectar bienes de producción de alto coste y equipos de fabricación; además, hay métodos de conexión en serie, como Modbus, RS232, RS422 y Profibus, que llevan mucho tiempo en el mercado. Sin embargo, el IIdC ha aportado inmediatez al análisis de datos, lo que exige velocidades más altas en la transferencia de datos y un uso mucho mayor de sensores, accionadores y sistemas de control conectados.
El desarrollo del Ethernet de un solo par
Las bondades de Ethernet lo convierten en una opción ideal para distintas aplicaciones alejadas del entorno informático tradicional. Algunos avances, como el Ethernet industrial, han aportado redes «time-sensitive» (con capacidad para enviar datos en un plazo determinado) y en tiempo real que, además, tienen un comportamiento determinista y la capacidad de transportar muchos de los protocolos industriales antiguos de los que hemos hablado antes. Ethernet también está aceptándose como un pilar fundamental en las redes intravehiculares.
Sin embargo, aunque nadie duda de la flexibilidad, la solidez y la sencillez de Ethernet, los requisitos para el cableado físico (cuatro pares trenzados y el conector RJ45) no son viables en el uso industrial. Las condiciones ambientales en estos entornos son muy duras y los armarios de control suelen tener un espacio muy limitado, mientras que los cables de Ethernet de categoría 6 son demasiado gruesos y no pueden adaptarse a los radios de curvatura de los conductos metálicos. Además, si instalamos una enorme cantidad de dispositivos IIdC en la periferia, necesitaremos una fuente de alimentación fiable; la alimentación a través de Ethernet (PoE, por sus siglas en inglés) puede proporcionarla, pero solo con los ocho conductores.
En 2019, Ethernet Alliance anunció una solución de Ethernet que podía solucionar todos los problemas del cableado y garantizar el éxito futuro de este estándar en las aplicaciones industriales y del automóvil.
El estándar SPE IEEE 802.bp 1000BASE-T1 a velocidad de gigabit ofrece conectividad con un cable sin apantallamiento compuesto por un solo par de conductores. En comparación con el cable de categoría 6 tradicional (de cuatro pares), un cable SPE es un 60 % más ligero y tiene una sección bastante más pequeña. Lo más importante es que los estándares 802.3bu y 802.3cg relativos al SPE de alimentación a través de la línea de datos (PoDL, por sus siglas en inglés) permiten un máximo de 52 W transferidos en un solo par. En lugar del conector RJ45, el SPE puede emplear los famosos conectores industriales y circulares M8 y M12, de clase IP65/67.
Los problemas en la comunicación en redes
A pesar de la notable solidez de la conexión de Ethernet, la implantación de una red en un entorno con mucho ruido eléctrico presenta algunos desafíos. Los paquetes perdidos aumentan la tasa de errores de bit, lo que precisa del reenvío, disminuye el rendimiento y aumenta la latencia. La interferencia electromagnética (IEM) y los transitorios eléctricos son fuentes de ruido comunes que pueden aumentar significativamente la transmisión de datos a alta velocidad en toda la red. Es muy posible que los grandes motores, accionadores y unidades de frecuencia variable generen ruido IEM por radiación (normalmente, superior a 1 MHz) o conducción, lo que puede llegar a varios voltios en un entorno industrial. Aunque el cable SPE tenga el par trenzado, es inevitable que haya ruido inducido, ya que los sistemas de control se ubican cerca de equipos eléctricos.
La Imagen 1 muestra la arquitectura típica del recorrido de un SPE entre dos dispositivos (por ejemplo, un «host» conmutador o microcontrolador, a la izquierda, y un sensor en el nodo de la periferia, a la derecha). El conmutador incluye un equipo de alimentación/punto de inyección de alimentación por la línea de datos (PSE). El sensor obtiene la alimentación del par trenzado/suministro (PD).
Imagen 1: arquitectura de una conexión SPE, con los elementos esenciales de protección y los componentes de mitigación de IEM. (Fuente: Bourns)
Las interfaces y los cables de red se pueden encontrar con distintas categorías de ruido e interferencias eléctricas por radiación o conducción.
La Imagen 2 muestra una señal conducida de ruido en modo común superpuesta en una señal diferencial. El ruido en modo común también puede aparecer en los carriles de alimentación positivos y negativos. Las señales en modo común van en el mismo sentido y suelen volver por la conexión a tierra y por las capacitancias dispersas.
Imagen 2: ruido en modo común en líneas de señal diferencial o carriles de alimentación. (Fuente: Mouser)
Los cebadores en modo común, compuestos por dos bobinas alrededor de un núcleo de ferrita, son un método práctico para cancelar el ruido en modo común y, al mismo tiempo, dejar que pasen sin problemas las señales necesarias.
Las señales del ruido de modo diferencial, también conocido como ruido en modo normal, van en el sentido contrario (ver la Imagen 3). Un buen diseño de filtrado, con bobinas y condensadores, o un cebador en modo diferencial eliminará el ruido de modo diferencial.
Imagen 3: el ruido de modo diferencial fluye en sentido contrario. (Fuente: Mouser)
La descarga electrostática (ESD, por sus siglas en inglés) en cables de red y equipos de control puede dañar los semiconductores y otros componentes. Estos picos de tensiones transitorias (nivel alto de dV/dt) pueden inducir tensiones altas peligrosas en los cables de red. Un componente supresor de tensiones transitorias (TVS, por sus siglas en inglés), como una red de diodos, contribuye a proteger los circuitos más delicados.
Cómo implantar la protección SPE
La Imagen 1 muestra el filtro EMI y los componentes de protección ESD recomendados para una instalación SPE.
Un transformador LAN en chip discreto (1), como los de la gama Bourns SM4532xx, es un pequeño transformador 1:1 de toma central construido en un núcleo de tambor que también se puede usar como inductor en modo común. La serie SM4532 cumple con el estándar 802.3 y aporta un gran nivel de flexibilidad para el montaje de la placa de circuito impreso, gracias a su pequeño tamaño (4,7 x 3,3 x 2,9 mm). Tiene una pérdida por inserción baja (normalmente, -2 dB hasta 500 MHz), aislamiento (HiPot) de 1500 VCA durante 60 segundos y se puede emplear junto con un inductor en chip en modo común para la reducción de la IEM. La serie SM4532 SPE está compuesta por seis variantes, desde la PoE 10Base-T1 hasta la PoE 1000Base-T1.
Para la prevención del ruido en modo común en el lado del chip PHY (2), una opción ideal es el cebado en modo común, por ejemplo, con el inductor en chip en modo común Bourns SRF3216A. Tiene una característica nominal de 50 VCC y puede soportar hasta 125 VCC, está apantallado y construido con bobinas bifilares alrededor de un núcleo de ferrita. La resistencia CC típica es de 0,15 a 1,1 Ω y la impedancia en modo común es de 90 a 2200 Ω (a 100 MHz) y depende de los componentes. La impedancia en modo diferencial suele ser inferior a 10 Ω a 100 MHz. Otro ejemplo de inductor en modo común en el lado PHY es la serie SRF2012AA. El SRF2012AA tiene un rango de impedancia en modo común que va de 67 a 360 Ω (a 100 MHz), una resistencia CC típica de 0,35 Ω y un valor nominal de hasta 400 mA.
Un ejemplo del cebado en modo común en la línea de alimentación (3) es el Bourns SRF6545A. Este inductor cuenta con un rechazo de modo común de -43 dB a 100 MHz y un rechazo de modo diferencial a común de -50 dB a 100 MHz. La pérdida de inserción a 100 MHz suele ser inferior a -3 dB y el cebado nominal es de hasta 350 mA.
Un cebado dual en modo diferencial (4) reduce el ruido de modo diferencial en la fuente de alimentación o en los circuitos de suministro de alimentación. Un ejemplo de esto es la serie Bourns SRF1260A de inductores de potencia con apantallamiento y de doble bobinado. La gama SRF1260 se puede configurar en paralelo o en serie y está disponible en una amplia gama de inductancias, desde 0,47 hasta 4000 µH.
Para la protección ESD, una red de diodos, como el Bourns CDDFN6-3312P de montaje en la superficie, ofrece hasta 8 kV, una tensión de ruptura mínima de 4,5 V y una tensión inversa de pico de 3,3 V. El CDDFN6 está construido en un encapsulado DFN6 de conexión integral («feed-through») con unas dimensiones de 1 x 1,2 x 0,45 mm y tiene unas bajas características de capacitancia: 0,04 pF (E/S a E/S) y 0,18 pF (E/S a tierra).
Fiabilidad y resistencia en las instalaciones SPE
El SPE traslada décadas de fiabilidad y cumplimiento con la conectividad por red 802.3 en el entorno informático y de las telecomunicaciones hacia las nuevas aplicaciones para el sector industrial y del automóvil. Una conexión fiable, resistente y que mantenga los niveles de ancho de banda y latencia depende de implantar de un modo contrastado filtros EMI y protección ESD. En este breve artículo, hemos hablado sobre algunas de las fuentes disruptivas de ruido electromagnético y tensiones transitorias que podrían influir en el rendimiento de la conexión. Todos los componentes de protección que hemos analizado están disponibles en Mouser, distribuidor autorizado de Bourns.
