Оптоволоконный кабель для электричества
Power-over-Fiber – это развивающаяся технология передачи мощности для питания электронных устройств с использованием оптоволоконного кабеля. Применение этой технологии позволяет отказаться от металлических проводников и аккумуляторов в тех случаях, когда их использование сопряжено с серьезными трудностями с точки зрения технической реализации, может повлиять на работоспособность оборудования или же представляет угрозу для обслуживающего персонала.
Технология Power-over-Fiber подразумевает, что мощность, необходимая для питания удаленного устройства, передается по оптоволокну в виде оптического излучения, генерируемого лазерным источником. На стороне питаемого устройства находится полупроводниковый фотоприемник особой конструкции, называемый фотовольтаическим преобразователем. Он преобразует мощность оптического излучения, распространяющегося по оптоволокну, в электрическую мощность. Величина электрической мощности и напряжения на выходе преобразователя зависит от характеристик выбранного преобразователя, а также от величины оптической мощности на его входе.
В общем случае система Power-over-Fiber состоит из трех основных элементов, каждый из которых оказывает влияние на работоспособность системы в целом:
- Источник лазерного излучения. Для того чтобы обеспечить приемную сторону достаточной мощностью, необходимо использовать лазеры с величиной оптической мощности порядка сотен мВт-десятков Вт, что значительно превышает значения, используемые в телекоммуникациях. Наиболее распространенные диапазоны длин волн для систем Power-over-Fiber – 800, 950, 1050 и 1480 нм.
- Оптоволоконный кабель.Для любого оптического волокна существует определенный предел оптической мощности, которую возможно передавать без его повреждения. Этот предел зависит от длины волны излучения и диаметра сердцевины волокна. В связи с этим чаще всего в технологии Power-over-Fiber используется многомодовое волокно, причем его диаметр должен быть тем больше, чем больше передаваемая оптическая мощность. Необходимость применения многомодового волокна ограничивает дальность линии десятками-сотнями метров, чего достаточно для большинства применений. Системы PoF на основе одномодового волокна также существуют, но в этом случае накладываются ограничения на величину передаваемой мощности.
- Фотовольтаический преобразователь (конвертер оптической мощности). Преобразователь представляет собой полупроводниковый фотоэлемент, чаще всего многослойной структуры, имеющий высокую эффективность преобразования мощности на рабочей длине волны (>25 %). Преобразователь не имеет внешнего питания, генерация носителей заряда происходит исключительно за счет подводимой оптической мощности. При подключении преобразователя в цепь питаемого устройства преобразователь начинает работать как источник постоянного тока.
Коммерчески доступные системы Power-over-Fiber характеризуются значениями электрической мощности на выходе конвертера порядка сотен мВт – единиц Вт при напряжении в единицы-десятки В. Этого достаточно для питания широкого круга маломощных устройств, применяемых в различных областях промышленности. Бо́льшую мощность можно получить, если использовать несколько преобразователей, соединенных последовательно или параллельно (при этом используются несколько лазеров или один лазер и оптический делитель 1xN).
К основным преимуществам технологии Power-over-Fiber можно отнести следующие:
- полная гальваническая развязка питаемого устройства от источника питания;
- помехозащищенность линии питания, отсутствие влияния на соседние линии связи;
- снижение риска возгорания проводки вследствие повреждения изоляции;
- уменьшение габаритов и веса линии питания.
Исходя из этих особенностей, можно выделить следующие ключевые области применения Power-over-Fiber:
- электрические сети (высоковольтные датчики, камеры для контроля подстанций);
- судовое и бортовое оборудование (топливные системы, системы мониторинга и диагностики);
- нефтегазовые и горнодобывающие предприятия (оборудование во взрывоопасных зонах);
- телекоммуникационные сети (антенны сотовой связи, удлинители PON);
- медицинская техника (высоковольтные элементы лечебно-диагностического оборудования).
Компания «ЭФО» предлагает ряд компонентов для реализации технологии Power-over-Fiber. Среди них высокоэффективные фотовольтаические преобразователи компании Broadcom, работающие в диапазоне длин волн 800-850 нм (мощность на выходе до 600 мВт), а также готовые системы (источник + конвертер) от компании MH GoPower, работающие на длине волны 976 нм (мощность до 2,6 Вт). Наши специалисты готовы проконсультировать Вас по вопросам применения технологии Power-over-Fiber и помочь с подбором компонентов. Вы можете связаться с нами удобным для Вас способом.
Источник
Оптоволоконные кабели — устройство, виды и характеристики
В оптоволоконных кабелях, в отличие от кабелей с медными или алюминиевыми жилами, в качестве среды для передачи сигнала используется прозрачный волоконный световод. Сигнал здесь передается не с помощью электрического тока, а с помощью света. Это значит, что движутся практически не электроны, а фотоны, соответственно и потери при передаче сигнала оказываются пренебрежимо малы.
Данные кабели идеальны в качестве средства передачи информации, ведь свет способен проходить по прозрачному стекловолокну практически беспрепятственно на десятки километров, при этом интенсивность света уменьшается незначительно.
Бывают GOF-кабели (англ. glass optic fiber cable) — со стеклянным волокном, а также POF-кабели (англ. plastic optic fiber cable) — с прозрачным пластиковым волокном. И те и другие традиционно называются оптоволоконными или волоконно-оптическими кабелями.
Устройство оптоволоконного кабеля
Оптоволоконный кабель имеет достаточно простое устройство. В центре кабеля расположен световод из стекловолокна (его диаметр не превышает 10 мкм) облаченный в защитную пластиковую или стеклянную оболочку, обеспечивающую полное внутреннее отражение света за счет разности коэффициентов преломления на границе двух сред.
Получается что свет, на всем своем пути от передатчика к приемнику, не может выйти из центральной жилы. К тому же свету не страшны электромагнитные помехи, поэтому такой кабель не нуждается в электромагнитном экранировании, а нуждается лишь в упрочнении.
Для придания оптоволоконному кабелю механической прочности, применяют особые меры — делают кабель бронированным, тем более когда речь заходит о многожильных оптических кабелях, несущих сразу несколько отдельных световодов. Кабели для подвесного монтажа требуют особого упрочнения металлом и кевларом.
Самая простая конструкция оптоволоконного кабеля — стеклянное волокно в пластиковой оболочке. Более сложная конструкция — многослойный кабель с упрочняющими элементами, например для прокладки под водой, под землей или для подвесного монтажа.
В многослойном броневом кабеле несущий упрочняющий трос изготовлен из заключенного в полиэтиленовую оболочку металла. Вокруг него располагаются светонесущие пластиковые или стеклянные волокна. Каждое отдельное волокно покрыто слоем цветного лака в качестве цветовой маркировки и для защиты от механических повреждений. Пучки волокон облачены в пластиковые трубки, заполненные гидрофобным гелем.
В одной пластиковой трубке может находиться от 4 до 12 таких волокон, в то время как общее количество волокон в одном таком кабеле может доходить до 288 штук. Трубки оплетены нитью, стягивающей пленку, смоченную гидрофобным гелем — для большего демпфирования механических воздействий. Трубки и центральный кабель заключены в полиэтилен. Далее идут кевларовые нити, практически и обеспечивающие многожильному кабелю броню. Потом снова полиэтилен для защиты от влаги, и наконец внешняя оболочка.
Два основных типа оптоволоконных кабелей
Оптоволоконные кабели есть двух типов: многомодовый и одномодовый. Многомодовый стоит дешевле, одномодовый — дороже.
Одномодовый кабель обеспечивает лучам, проходящим по световоду, практически один и тот же путь без существенных взаимных отклонений, в итоге на приемник все лучи приходят одновременно и без искажений формы сигнала. Диаметр световода в одномодовом кабеле составляет около 1,3 мкм, и свет именно с такой длиной волны следует по нему передавать.
По этой причине в качестве передатчика используется источник лазерного излучения с монохроматическим светом строго требуемой длины волны. Именно кабели данного типа (одномодовые) рассматриваются сегодня как наиболее перспективные для коммуникаций на значительные расстояния в будущем, но пока они дороги и недолговечны.
Многомодовый кабель менее «точен», чем одномодовый. Лучи от передатчика идут в нем с разбросом, и на стороне приемника имеется некоторое искажение формы передаваемого сигнала. Диаметр световодного волокна в многомодовом кабеле составляет 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм.
Здесь используется обычный (а не лазерный) светодиод на стороне передатчика (с длиной волны 0,85 мкм), и оборудование получается не таким дорогим как с лазерным источником света, да и срок службы у нынешних многомодовых кабелей дольше. Кабели данного типа не превышают по длине 5 км. Типовое время задержки сигнала при передаче составляет порядка 5 нс/м.
Достоинства оптоволоконных кабелей
Так или иначе, оптоволоконный кабель принципиально отличается от обычных электрических кабелей исключительной помехозащищенностью, что обеспечивает максимальную сохранность как целостности, так и конфиденциальности передаваемой по нему информации.
Электромагнитная помеха, направленная на оптоволоконный кабель, не способна исказить световой поток, да и сами фотоны не порождают внешнего электромагнитного излучения. Без нарушения целостности кабеля невозможно перехватить передаваемую по нему информацию.
Полоса пропускания оптоволоконного кабеля теоретически составляет 10^12 Гц, что не идет ни в какое сравнение с токонесущими кабелями любой сложности. Можно легко передавать информацию со скоростью до 10 Гбит/с на километры.
Сам по себе оптоволоконный кабель стоит не дорого, почти так же, как тонкий коаксиальный кабель. Но основная доля удорожания готовой сети все же приходится на передающее и приемное оборудование, задача которого — преобразовать электрический сигнал в свет и обратно.
Затухание светового сигнала при прохождении через оптоволоконный кабель локальной сети не превышает 5 дБ на 1 километр, то есть почти такое же как у электрического сигнала низкой частоты. При том чем выше частота — тем выраженнее оказывается преимущество оптической среды перед традиционными электрическими проводниками — затухание растет незначительно. А на частотах выше 0,2 ГГц оптоволоконный кабель однозначно оказывается вне конкуренции. Практически возможно довести расстояние передачи до 800 км.
Оптоволоконные кабели применимы в сетях с топологиями «кольцо» или «звезда», при этом полностью отсутствуют проблемы заземления и согласования с нагрузкой, вечно актуальные для электрических кабелей.
Идеальная гальваническая развязка, наряду с вышеперечисленными достоинствами, позволяет аналитикам прогнозировать, что в сетевых коммуникациях оптоволоконные кабеля вскоре полностью вытеснят электрические, тем более с учетом растущего дефицита меди на планете.
Недостатки оптоволоконных кабелей
Справедливости ради, нельзя не упомянуть и о недостатках волоконно-оптических систем передачи информации, главный из которых — сложность монтажа систем и высокие требования к точности установки разъемов. Микронное отклонения при монтаже разъема способно привести к увеличению затухания в нем. Здесь необходима высокоточная сварка или специальный клеевой гель, коэффициент преломления света в котором аналогичен оному в самом монтируемом стекловолокне.
По этой причине квалификация персонала не допускает снисхождения, необходимы специальные инструменты и высокое мастерство владения ими. Чаще всего прибегают к использованию готовых кусков кабеля, на концах которых уже установлены готовые разъемы требуемого типа. Для разветвления сигнала от оптоволокна, применяют специализированные разветвители на несколько каналов (от 2 до 8), но при разветвлении неизбежно происходит ослабление света.
Конечно, оптоволокно является менее прочным и менее гибким материалом нежели та же медь, и изгибать оптоволокно на радиус менее чем 10 см небезопасно для его сохранности. Ионизирующие излучения снижают прозрачность оптоволокна, усиливают затухание передаваемого светового сигнала.
Оптоволоконные кабели стойкие к радиации стоят дороже обычных оптоволоконных кабелей. Резкий перепад температуры может привести к образованию трещины в световоде. Безусловно, оптоволокно уязвимо и к механическим воздействиям, к ударам, к ультразвуку; для защиты от этих факторов применяются специальные мягкие звукопоглощающие материалы оболочек кабелей.
Источник
Оптоволокно для передачи электроэнергии
Электроэнергия по волокну!
С появлением оптоволокна в различных системах для передачи информации появились новые более мощные возможности. Это связано непосредственно с техническими характеристиками оптических кабелей, которые имеют гораздо больше преимуществ, чем ранее используемые материалы. Среди всего разнообразия новых свойств потребителей в первую очередь привлекают минимальные потери передаваемой информации. Именно поэтому долгое время были попытки разработки нового кабеля волоконно-оптического одномодового, способного эффективно передавать электроэнергию.
На данный момент успеха в этом вопросе удалось достичь компаниям Japan Aviation Electronics Industry и OKI Electric Cable, которые совместно работали над созданием такого кабеля. Решением поставленной проблемы ведущие специалисты этих компаний увидели создание нового волоконно-оптического кабеля с коннектором. Именно благодаря этой детали новый оптический кабель получил способность качественно передавать электроэнергию на любые расстояния с минимальными потерями.
Компании-разработчики утверждают, что использование этого кабеля практически во всех отраслях деятельности человека позволит значительно экономить на приобретении необходимых материалов для монтажа оптических кабелей связи и непосредственно на их обслуживании. А разработка нового кабеля была осуществлена на основе опыта двую компаний, который они соединили в одну технологию оптоволоконных структур H-PCF (Hard Plastic Clad Fiber).
Конструкция разработанного оптического кабеля 32 волокна
Специально разработанная инструкция по монтажу оптического кабеля описывает его строение: оптоволоконная сердцевина, состоящая из двухкомпонентного Р-PCF, и специальная облатка обволакивают пустотелый проводник, в который впрессованна тонкая проволока. Такое строение позволяет даже при установке кабеля, способного передавать электроэнергию, в ВОЛС с изгибами до 90° исключить потери электроэнергии или затухание передаваемого сигнала.
Коннектор оснащен специальной пластиковой изоляцией, которая при монтаже муфт ВОЛС способна предотвращать короткие замыкания. Представители компаний-разработчиков утверждают, что именно новый волоконно-оптический кабель с функцией передачи электроэнергии позволит совместить потребителям две популярные отрасли: энергопитание и волоконную оптику, при этом еще и значительно сэкономив денежные средства.
Источник
