Kabelgebundene LANs: Das Oft

May 13, 2023

Joe Pulomena 14. August 2018

Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben technologische Innovationen dazu beigetragen, dass drahtlose Verbindungen verbreiteter und zuverlässiger geworden sind und gemeinsame Verbindungen zwischen Geräten und über größere Entfernungen ermöglicht haben. Wireless hat definitiv seinen Platz. Allerdings bieten kabelgebundene LANs viele Vorteile, die für das Design der meisten Netzwerke von entscheidender Bedeutung sind. Dazu gehören Geschwindigkeit, weniger elektromagnetische Störungen (EMI), bessere Sicherheit, mehr Stabilität und größere Zuverlässigkeit. Mit neuen technologischen Fortschritten nehmen die Vorteile kabelgebundener LANs exponentiell zu.

1. Abgebildet ist eine LAN-Schnittstellenstruktur (100BASE-TX) mit zwei Impulstransformatoren und zwei Gleichtaktdrosseln. (Bildquelle: Product Marketing Magnetics, EPCOS Inc., A TDK Group Co.)

Wir verbinden Wireless oft mit dem Internet der Dinge (IoT), aber es wird auch durch kabelgebundene LANs betrieben. Da beispielsweise in einem Netzwerk immer mehr Server, PCs, Laptops, Smart-TVs, audiovisuelle Geräte, drahtlose Zugangspunkte und andere digitale Geräte vorhanden sind, kann die Sicherstellung, dass sich ein hochwertiges kabelgebundenes LAN so nah wie möglich an den Geräten befindet, zum Schutz beitragen Erfolg des Netzwerks. Einfach ausgedrückt: Um gut zu funktionieren, sind sie auf eine kabelgebundene LAN-Konnektivität angewiesen.

Infolgedessen wird die Zahl der Server und Router, die immer mehr LAN-Ports bedienen, weiter zunehmen – ebenso wie die Vielzahl von Verbrauchergeräten wie Notebook-PCs, Digitalfernsehern und anderen audiovisuellen Geräten, die von den Vorteilen kabelgebundener Geräte profitieren werden LAN-Konnektivität.

Der Schlüssel zu zuverlässigen kabelgebundenen LANs

Damit kabelgebundene LANs funktionieren, senden Impulstransformatoren rechteckige Impulsübertragungen. Impulstransformatoren sind wie alle anderen Transformatoren; Sie enthalten sowohl Primär- als auch Sekundärwicklungen in einem einzigen Kern. Die galvanische Trennung trägt dazu bei, empfindliche ICs und vernetzte Geräte innerhalb des Netzwerks vor Gleichstromvorspannungen zu schützen. Darüber hinaus verhindern diese Kerne Verzerrungen der Pulswellenform über einen weiten Frequenzbereich. Sie haben außerdem geringe Verluste bei der Übertragung von Pulswellen mit vielen verschiedenen Frequenzen, die aus der schnellen Fourier-Transformation resultieren.

Neuere LAN-Impulstransformatoren, die in den letzten Jahren entwickelt wurden, verwenden im Kern leistungsstarke Ferritmaterialien. Dies verbessert nicht nur die Leistung, sondern trägt auch zu einer längeren Lebensdauer der Transformatoren bei.

2. Eine neue Art von Gleichtaktdrossel wird unter Verwendung fortschrittlicher Materialien und automatischer Wickelprozesse hergestellt. Dadurch entstehen Impulstransformatormodule, die klein genug sind, um in Standard-RJ-45-LAN-Anschlüsse integriert zu werden. (Bildquelle: Product Marketing Magnetics, EPCOS Inc., A TDK Group Co.)

LAN-Impulstransformatoren werden typischerweise zusammen mit einer Gleichtaktdrossel verwendet, um ein Impulstransformatormodul zu bilden, das Gleichtaktrauschen begrenzt, das in das System ein- oder austritt. Ein Impulstransformatormodul ist häufig in den RJ-45-Stecker eingebettet, um ein Steckermodul zu bilden. Daher müssen LAN-Impulstransformatoren für den Einsatz in Standard-RJ-45-Anschlüssen äußerst kompakt sein (siehe Abbildung 1).

Äußerst zuverlässige Leistung

Die Nachfrage nach SMD-LAN-Pulstransformatoren ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen, insbesondere durch die zunehmende Vernetzung von Geräten. Allerdings waren traditionelle, manuelle Produktionsmethoden die Norm. Um die Herstellung zu beschleunigen und die Leistung, Qualität und Miniaturisierung von Impulstransformatoren zu verbessern, mussten neue Herstellungsmethoden und Impulstransformatordesigns weiterentwickelt werden.

Um die Leistung zu verbessern, verwenden Impulstransformatormodule Ringkerne sowohl in der Gleichtaktdrossel als auch im Transformator. Ringkerne haben konstruktionsbedingt einen geringeren Streufluss, wodurch Luftspalte minimiert werden, die bei anderen Kernformen normal sind. Darüber hinaus können Ringkerne mithilfe eines automatischen Wickelverfahrens hergestellt werden, wodurch Ungleichmäßigkeiten im gesamten Herstellungsprozess und innerhalb der Produktionschargen vermieden werden – selbst bei kompakten SMD-Designs.

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Diese neuen Herstellungsverfahren haben dazu beigetragen, völlig neue Arten von SMD-Gleichtaktfiltern und LAN-Impulstransformatoren zu entwickeln. Ingenieure fanden heraus, dass die Verwendung eines Spulenträgers in SMD-Gleichtaktdrosseln – mit einem rechteckigen Profil (DR-Kern), der automatisch gewickelt und mit einem SP-Ferritkern oder einer SP-Ferritplatte verbunden wird – das funktionale Äquivalent eines Ringkerns schaffen würde. Um dieses Design zu erreichen, wird in diesen Kernen ein spezielles Ni-Zn-Ferritmaterial verwendet, um eine hohe magnetische Permeabilität und Sättigungsflussdichte über die Temperaturbereiche hinweg zu erzeugen, die typischerweise in LAN-Umgebungen anzutreffen sind.

Darüber hinaus verwenden diese Arten von SMD-Gleichtaktfiltern und LAN-Impulstransformatoren ein automatisiertes Thermokompressionsbonden für die Anschlusselektroden und -drähte. Auf diese Weise liefern sie qualitativ hochwertigere Komponenten mit einheitlichen Eigenschaften, einem kleineren Platzbedarf und insgesamt niedrigeren Herstellungskosten.

Dieser Fortschritt im Herstellungsprozess automatisiert die Produktion und verbessert gleichzeitig die Qualität und Stabilität des Kerns. Darüber hinaus können Impulstransformatormodule miniaturisiert und so klein gemacht werden, dass sie in Standard-RJ-45-LAN-Anschlüsse in der Gehäusegröße 3232 (bis zu 3,2 mm × 3,2 mm × 2,9 mm) integriert werden können. Durch den Einsatz dieser Techniken und Herstellungsverfahren können die meisten 100BASE-TX-Impulstransformatormodule um bis zu 30 Prozent reduziert werden, wobei die Stellfläche nur 50 Prozent des Platzes herkömmlicher LAN-Impulstransformatoren einnimmt (siehe Abbildung 2).

Mit diesen innovativen Herstellungsprozessen können Impulstransformatoren im Bereich von 0,1 MHz bis 100 MHz eine sehr geringe Einfügungsdämpfung von 1,5 dB oder weniger aufweisen. Und mit der fortschreitenden Miniaturisierung dürfen sie im gleichen Bereich 2,5 dB nicht überschreiten (siehe Abbildung 3).

3. Dargestellt ist der Einfügungsverlust eines SMD-Impulstransformators, der über einen sehr breiten Frequenzbereich unter 1 dB arbeitet. (Bildquelle: Product Marketing Magnetics, EPCOS Inc., A TDK Group Co.)

Abschließende Gedanken

Neue, flache SMD-Impulstransformatoren und Gleichtaktdrosseln bieten alle Vorteile vollautomatischer Fertigungsprozesse – einschließlich Gleichmäßigkeit, Zuverlässigkeit und Miniaturisierung – für ein breites Spektrum an Temperaturbedingungen. Neue Materialien, Evaluierung und Simulation sowie Geräte- und Modultechnologie werden die hohe Qualität und Leistung dieser Geräte sicherstellen. Diese Leistung und Zuverlässigkeit sind von entscheidender Bedeutung, da immer mehr LAN-Ports zu Servern, Routern, Notebooks, Fernsehern und anderen angeschlossenen Geräten hinzugefügt werden, darunter viele Anwendungen im Automobilmarkt. Ich bin gespannt, welche weiteren Fortschritte in den nächsten Jahren entwickelt werden und ein wesentlicher Bestandteil der Hochgeschwindigkeitsnetze der nächsten Generation von morgen werden.

Joe Pulomena ist Leiter des Produktmarketings Magnetics bei EPCOS Inc., einem Unternehmen der TDK-Gruppe.

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