産業用アプリケーションに適したデータケーブルの選び方

何らかの形で通信に貢献するケーブルや電線はすべて、一般にデータケーブルと呼ばれます。しかし、データケーブルの中には銅ケーブルと光ファイバーケーブルのように、まったく異なる構造のものがあるなど、大きな違いがあります。銅製のデータケーブルには、低周波ケーブル、同軸ケーブル、電話ケーブル、バスケーブル、多様なイーサネットシステム、ギガヘルツ帯の伝送を必要とする特殊用途向けのマイクロ波ケーブルなど、さまざまな種類があります。間違ったケーブルを選択すると、コストのかかる障害やエラーを引き起こしかねません。

一般に、データケーブルは低容量ケーブルです。つまり、データ転送時にケーブルに蓄積される電気エネルギーをできるだけ少なくし、信号品質への悪影響を抑えます。容量は、ケーブルの絶縁材によるところがあります。近年のバスケーブルやイーサネットケーブルは、主に PE や PP といった絶縁性に特に優れた素材を使用しており、誘電率（εr）を測定することでその絶縁性を判断することができます。この値が低ければ低いほど、絶縁性に優れ、ケーブルの容量が小さくなります。このため、同じ絶縁耐力であれば、より薄い絶縁体を使用することができます。

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正確なデータ伝送は、正しいケーブル構造によってこそ実現可能です。完全な円形で直径が均一なソリッドワイヤーは、最良の電気性能を提供します。産業用イーサネットおよびバスケーブルでは、その柔軟な構造が円形の導体を可能にするため、AWG に従った構造が好まれます。メートルケーブルは、束になった構造で円形でないため、この用途には適しません。導体が円形でないことにより、容量が変化し、高周波のデータ伝送に大きな支障をきたします。

1. 高周波アプリケーションにおける低周波ケーブル

高周波イーサネット接続に低周波ケーブルを選択することは、データ伝送に不具合を引き起こすよくある原因です。これらのケーブルも低容量ですが、イーサネット規格で要求されるものとは異なる特性インピーダンスを示します。その結果、ミスマッチや不連続性が発生します。低周波データケーブルでは、すべてのペアが平行に撚られています。つまり、4 本のピッチ長はすべて同じです。高周波アプリケーションで使用されるイーサネットケーブルもまた、最適に切り離されていなければなりません。これは、個別に測定された 4 つの異なるピッチ長を使用することで実現されます。全体の構造におけるツイストペアの位置も考慮する必要があります。

2. 星形カッド線に代わるクラシックなペア撚線

PROFInet、EtherCAT、SERCOS III など多くの産業用通信規格では、データ伝送において星形カッドにツイストされた 2 対のツイストペアケーブルを使用します。この場合、4 つのコアはすべて完全な円形に撚られています。利点は、伝送時間に差が生じないことです。これはクラシックなペア撚り線と異なり、個々のツイストペアは、必要なデカップリングのため、2 つの異なるピッチ長となっていなければなりません。不適切なツイストペアケーブルを使用すると、伝送やトランジットタイムに問題が生じる可能性があります。

星形カッドでは、対角線上にあるコア同士が電気的なペアを形成します。このルールを無視して接続すると、ケーブルの特性インピーダンスやニアエンドクロストーク（NEXT）が変化し、伝送品質も低下する可能性があります。スクリーン付きの 4 芯センサーケーブルも、一見すると同等の構造に見えますが、高周波の産業用イーサネットケーブルやバスケーブルとしての使用には適していません。その違いは、コアの絶縁強度がイーサネット向けではないこと、撚り線が完全な円形構造ではないことです。その結果、特性インピーダンス、NEXT、ケーブル減衰が適切でないため、ケーブルとして十分に機能しなくなるのです。

3. 長すぎるケーブル、小さすぎる直径

もう一つのよくある例は、長すぎるセグメントです。イーサネットの規格では、最大 100 メートルの長さを超えるとリピーターを使用しなければなりません。リピータは弱い信号を受信し、再びフルパワーで送信します。実際には、100 メートルを超える長さのセグメントも見受けられますが、これらは適用される規格に準拠していません。このような場合、温度上昇、経年劣化、その他の要因により、すぐに欠陥や故障につながる可能性があります。直径が AWG 26 の細いケーブルは、60 ～ 70 メートルに制限されています。プラグコネクターはすべて、減衰や反射による損失を引き起こす接合部であり、その結果、到達距離が短くなることを覚えておく 必要があります。

4. 不適切なプラグ

イーサネットアプリケーションでは、D-Sub や M12 プラグのような、8 ピン設計で A コード化された非標準の未試験プラグが使用されることがよくあります。これらのプラグはデータを伝送しますが、ニアエンドクロストーク（NEXT）が低いため、品質は著しく低下します。中間ピンの位置が規格に準拠しておらず、データ伝送を妨げているからです。