Protocoles commerciaux et câblage aérospatial :trouver le bon équilibre

Quelques conseils pour choisir le bon type de câble pour votre application souhaitée.

Quelques conseils pour choisir le bon type de câble pour votre application souhaitée.

Les protocoles commerciaux dans les applications aérospatiales présentent aux concepteurs des défis pour équilibrer la norme par rapport aux besoins particuliers de l'application. Dans la couche physique, les câbles utilisés pour Gigabit et 10 Gigabit Ethernet, USB, IEEE 1394 et autres sont un excellent exemple de cet équilibre. Les normes de ces protocoles détaillent les exigences électriques et structurelles des câbles. L'un des objectifs des normes est de caractériser les câbles avec suffisamment de spécificité pour qu'ils puissent être branchés en toute confiance dans l'application.

Pour les applications commerciales, cette approche fonctionne admirablement. Les préoccupations supplémentaires pour les applications aérospatiales conduisent les concepteurs à reconsidérer cette approche plug-and-play pratique. Leur principal moteur est de réduire la taille et le poids à chaque occasion dans l'avion. À mesure que la quantité de données dans les opérations aériennes et les services passagers augmente considérablement, le nombre de conducteurs nécessaires pour transporter les données augmente également. Dans l'ensemble, les câbles commerciaux constituent une cible attrayante pour les réductions de taille et de poids. Dans le même temps, les câbles standard de l'industrie peuvent ne pas posséder les performances mécaniques ou environnementales souhaitées, en particulier les exigences strictes en matière de faible génération de fumée, de toxicité et d'inflammabilité dans les espaces fermés où une sortie en toute sécurité peut être difficile ou impossible.

L'étui pour câble Cat

Considérez un câble Cat 5e pour Gigabit Ethernet. Sa construction commerciale typique est un conducteur en cuivre nu solide de 24 AWG avec une isolation en polyéthylène et une gaine en PVC. La norme ANSI/TIA 568-C.2 définit les exigences électriques en matière d'atténuation, d'affaiblissement d'insertion, d'affaiblissement de retour, de diaphonie et de nombreux autres critères. Pour nos besoins, nous nous concentrerons sur la perte d'insertion. Cette caractéristique détermine en grande partie les distances de câble admissibles (en supposant que les objectifs de diaphonie sont atteints).

Figure 1. Les applications aérospatiales se multiplient en utilisant des protocoles commerciaux bien établis pour les transferts de données à grande vitesse

Considérez une progression typique dans la définition d'un câble Cat 5e pour l'aérospatiale. Chaque étape tend à augmenter à la fois l'atténuation et la perte d'insertion, réduisant efficacement la longueur de câble admissible. TE Connectivity travaille en étroite collaboration avec les concepteurs de l'aérospatiale pour concevoir des solutions de câblage qui répondent aux objectifs du protocole d'application et aux exigences de taille, de poids et de robustesse.

Les conducteurs toronnés offrent une plus grande flexibilité dans l'installation et l'acheminement des câbles dans les aéronefs à espace restreint. Alors que la norme 568-C.2 reconnaît les conducteurs multibrins pour les cordons de raccordement courts, elle spécifie les conducteurs solides pour les besoins de la dorsale en raison de leur perte d'insertion plus faible. Le passage d'un conducteur solide à un conducteur toronné permet une augmentation de 20 % de la perte d'insertion, ce qui entraînerait une diminution de 20 % de la longueur maximale du câble.

De nombreuses applications aérospatiales spécifient des conducteurs en alliage de cuivre revêtus d'argent en raison de leur haute résistance à la traction. Le passage du cuivre pur à un alliage de cuivre peut augmenter la perte d'insertion de 10 % supplémentaires, selon la conception du câble. Les conducteurs plus petits permettent de gagner du poids, ce qui explique la tendance vers le 26 AWG et même le 28 AWG. La figure 2 montre les distances pratiques pour différents conducteurs. Des réductions supplémentaires de taille et de poids peuvent également être obtenues en utilisant des diélectriques à faible permittivité à paroi mince et des matériaux de gaine plus résistants.

Figure 2. Les configurations de câbles à faible encombrement et poids répondent au besoin d'Ethernet haut débit sur des distances réduites.

Le câble Cat 6A, pour activer l'Ethernet 10G, présente des compromis similaires.

Le boîtier pour USB

Les applications USB 2.0/3.0 présentent la situation inverse des applications Ethernet Cat 5e. Les concepteurs souhaitent étendre les distances de transmission au-delà des 5 mètres standard pour l'USB 2.0. (L'USB 3.0 ne spécifie pas de longueur de câble maximale, mais la longueur pratique des câbles commerciaux est de 3 mètres.) Étant donné que l'USB prend en charge à la fois l'alimentation et les données, les concepteurs doivent prendre en compte à la fois la chute de tension dans la ligne électrique et la perte d'insertion dans les lignes de données. Un souci supplémentaire est le temps de retard :26 ns de bout en bout soit 5,2 nanosecondes par mètre pour le câble en USB 2.0.

L'extension des longueurs de données pour l'USB implique à la fois la taille du conducteur et le type d'isolation (ainsi que solide ou en mousse). Alors qu'un conducteur plus gros peut réduire la perte d'insertion, la vitesse de propagation est plus critique pour répondre aux exigences de retard. Une isolation à haute vitesse permettra des distances plus longues sans augmenter le temps de retard. Le PTFE basse densité et la mousse FEP offrent des vitesses de propagation environ 13 à 25 % plus rapides que celles possibles avec le polyéthylène utilisé dans les câbles USB commerciaux. En faisant abstraction de la perte d'insertion pour le moment, le PTFE basse densité ou le FEP en mousse peuvent étendre les distances jusqu'à 6,3 mètres tout en respectant les exigences de temps de retard. La figure 3 montre des exemples de la façon dont les isolations alternatives peuvent étendre les distances des câbles USB.

Figure 3. Les choix d'isolation affectent les longueurs de câblage USB possibles.

Le cas de l'IEEE 1394

IEEE 1394, en tant que dorsale de données, commence à s'imposer sur le marché de l'aérospatiale. Les concepteurs de systèmes suppriment les composants qui alimentent le dispositif final ou le capteur. Les constructions de câbles quadriaxiales qui ne fournissent que les deux paires de données offrent la configuration de câble la plus petite et la plus légère. Selon le conducteur AWG, les longueurs de câble maximales peuvent aller de 50 à 80+ pieds. L'alimentation de l'appareil est ensuite fournie par des fils séparés de taille appropriée pour répondre aux exigences de tension d'entrée.

Atteindre la robustesse

Les choix d'isolation et de gaine affectent également la robustesse du câble. Les câbles conformes aux normes peuvent être fabriqués avec une gamme de polymères pour répondre aux exigences particulières en matière de résistance aux produits chimiques/combustibles, de températures élevées, de faible dégazage, de toxicité, de caractéristiques de flamme, de flexibilité et d'autres facteurs. Afin de répondre aux exigences exigeantes en matière de fumée, de toxicité, d'inflammabilité et d'autres exigences environnementales imposées par les applications aérospatiales, les matériaux sont plus chers que ceux utilisés dans les constructions commerciales.

Sur l'étagère ou sur mesure ?

Bien que des normes telles que ANSI/TIA 568 ou USB jouent un rôle précieux en permettant le déploiement d'applications à l'emporte-pièce, elles peuvent être considérées comme des mandats ou des recommandations. Pour la plupart des utilisateurs, ce sont des mandats. Sachant qu'un câble répondant à toutes les spécifications Cat 5e vous garantit qu'il fonctionnera dans le respect des directives d'application. À plus long terme, cependant, les performances du canal l'emportent sur les performances des composants :le problème critique est de fournir le signal avec l'intégrité de signal requise par le récepteur. Des normes existent pour assurer cette livraison. Les concepteurs aérospatiaux accepteront certaines modifications des spécifications de performances tant que les exigences globales de l'application sont satisfaites.

De tels câbles peuvent être facilement disponibles ou ils peuvent être semi-personnalisés. TE, par exemple, possède une vaste expérience dans la création de câbles pour aider à atteindre des objectifs spécifiques. Une telle expérience nous permet d'équilibrer les divers compromis nécessaires pour répondre non seulement aux exigences du protocole haute vitesse, mais aussi au besoin de câbles plus petits et plus légers qui résistent également aux risques d'application.

Cet article a été initialement publié par TE Connectivity. Vous pouvez voir plus de leurs livres blancs ici.

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