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Neues T-Chip-Design – Automatisierte Fertigung hochwertiger Ethernet-Transformatoren

04.09.2023 Knowledge

Als Schnittstelle zwischen Gerät und Ethernet-Kabel übernehmen Ethernet-Transformer wichtige Funktionen. Dank neuem Design sind sie jetzt in großen Stückzahlen und hoher Qualität für den wachsenden Markt der Ethernet-Netzwerke verfügbar.

Heutige Ethernet-Netzwerke können dank Fortschritten in der Fertigungstechnologie und der Einführung effizienter Kodierungsverfahren Übertragungsraten von bis zu 40 Gbit/s über Kupfer und 100 Gbit/s in Glasfasernetzen erreichen. Aufgrund der weiten Verbreitung ist Ethernet inzwischen zudem die kostengünstigste Lösung für digitale Netzwerke. Daher ist es kein Wunder, dass die Anzahl der Ethernet-Netze kontinuierlich zunimmt. Auch die Zahl der so verbundenen Endgeräte in der Industrie ebenso wie im Kommunikations-, Transport- oder im privaten Bereich steigt stetig.

Eine kritische Komponente in Ethernet-Netzwerken ist der Transformator. Als Schnittstelle zwischen Gerät und Ethernet-Kabel übernimmt er wichtige Funktionen. Er sorgt für die sicherheitsrelevante galvanische Trennung zwischen den digitalen Schaltkreisen, die die Datenübertragungsschicht für Ethernet-Systeme bilden, und der PHY-Schicht (Physical Layer). Letztere wandelt digitale Signale in analoge um. Gleichzeitig übernimmt der Ethernet-Transformer die Impedanzanpassung und die Datenübertragung. Dabei darf das Sende- und Empfangssignal nur so wenig wie möglich gedämpft werden.

Bild 2 zeigt das elektrische Schaltbild eines Transformators, der in einem LAN zum Einsatz kommt. Der Transformator besteht aus vier Wicklungen. Zwei Wicklungen werden primärseitig für die digitale Schnittstelle genutzt, während die anderen beiden auf der Sekundärseite über den RJ45 Steckverbinder mit den Twisted-Pair-Leitungen verbunden sind.

Der Transformator H1190NL von Pulse (Bild 3) bietet eine elektrische Isolation von 1500 Vrms oder 2250 VDC gemäß IEEE-Spezifikation 802.XX / IEC62368-1 und entfernt potenzielle Hochspannungsstöße, die z. B. durch elektrische Kurzschlüsse in der Gebäudeverkabelung verursacht werden. Dies wird möglich durch eine magnetische Kopplung, die die Übertragung elektrischer Signale von der Primär- zur Sekundärseite zulässt, während gleichzeitig die erforderliche Sicherheitsfunktion gewährleistet ist.

Höhere Stückzahlen und verbesserte Qualität dank automatisierter Fertigung  

Bis vor Kurzem war der Anteil an Handarbeit bei der Produktion von Ferrit-Ringkerntransformatoren für Ethernet-Anwendungen noch ziemlich hoch. Denn die Magnetdrähte mussten von Hand mit den Kontakten verbunden und an die Pins angeschlossen werden – ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Bei manuellen Fertigungsprozessen ist die Gefahr eines Mismatch der Impedanzen sehr groß. Dies hat auch zur Folge, dass die nutzbare maximale Bandbreite ggf. abnimmt und die Zuverlässigkeit der Datenübertragung darunter leidet. Um den steigenden Bedarf an Transformatoren zu decken und gleichzeitig die Qualität der Bauteile zu verbessern, hat Pulse auf eine automatisierte Wickelausrüstung zur Herstellung der T-Chip-Serie (TC1000/2500/5000/10000) umgestellt. So werden die Transformatoren vollautomatisch auf einen spulenförmigen Kern mit beschichteten Kontakten für die Drahtanschlüsse gewickelt. Ein weiterer Vorteil der automatisierten Fertigung: Der bisher nötige visuelle Testschritt zur Sicherstellung der korrekten Wickelung kann nun entfallen.

Neben den reduzierten Kosten durch verkürzte Fertigungszeiten und geringere Fertigungsschwankungen bieten die Transformatoren der T-Chip-Serie noch weitere Vorteile. Die Technologie integriert das mechanische Gehäuse um den Ferritkern, wodurch ein Kunststoffgehäuse überflüssig wird. Somit sind die Transformatoren kleiner und leichter als klassische Ringkern-Modelle.

Dabei unterstützen T-Chip-Transformatoren dieselben Datenraten wie Ringkern-Designs. Sie erfüllen die IEE802.3xx-Standards für Datenübertragungsraten von 100 Mbit/s bis 10 Gbit/s. Zudem liefern sie bis zu 600 mA PoE (Power over Ethernet) -Strom, um entfernte Endgeräte zu versorgen.

Qualitätsmerkmale der T-Chip-Transformatoren

Neben dem Übersprechen, der Gleichtaktunterdrückung und der Rückflussdämpfung ist die Einfügungsdämpfung (Insertion Loss) ein entscheidendes Qualitätsmerkmal von Transformatoren. Sie beschreibt den Verlust der Übertragungsenergie von der Quelle zur Last und stellt den Teil an übertragener Signalenergie dar, der zwischen Eingang und Ausgang verloren geht. Sie hängt eng mit der möglichen Reichweite bzw. der Kabellänge zusammen.

Die Diagramme in Bild 5 zeigen die Einfügungsdämpfung von 1-Gbit/s-Transformatoren einmal mit Toroidal- und einmal mit T-Chip-Design. Aus den dargestellten Messkurven ist zu erkennen, dass LAN-Transformatoren im T-Chip-Design eine geringere Streuung der elektrischen Parameter aufweisen und bessere Werte besitzen.

Fazit

Die T-Chip-Technologie ermöglicht die Herstellung von hochwertigen Ethernet-Transformatoren mit hoher Qualität für eine Vielzahl von Netzwerkanwendungen. Für hochwertige Ethernet-Netzwerke sind neben der Qualität der Bauteile zudem eine EMV- bzw. HF-gerechte Umgebung und ein entsprechendes PCB-Layout entscheidend.

 


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Neues T-Chip-Design – Automatisierte Fertigung hochwertiger Ethernet-Transformatoren

Der Transformator trennt die digitalen Schaltkreise von der PHY-Schicht. (Quelle: Pulse)

Transformator, halb- (a) bzw. vollautomatisiert (b) gewickelt (Quelle: Pulse)

Einfügungsdämpfung von Toroidal- und T-Chip-Transformatoren im Vergleich (Quelle: Pulse)