Az ipari automatizálásban is egyre szélesebb körben kerülnek alkalmazásra optikai adatátviteli megoldások. Ennek fő oka a fényvezető kábelek, átalakítók árának csökkenése. Rövid ismeretterjesztő cikksorozatunk célja hogy összefoglaljuk azon alapismereteket, melyek birtokában már el lehet kezdeni a komolyabb ismerkedést a témával. A stílus - szokás szerint - kissé "szájbarágós", a témával ismerős olvasóktól emiatt előre elnézést kérek. Az automatizálási iparban működő adatátviteli rendszerek kizárólag digitálisak, ezért csak ezzel fogunk foglalkozni.

Miért opto, miért nem réz?

Ipari környezetben az adatátviteli feladatok megoldásán dolgozók számára négy olyan probléma is van, mely a megoldást nehezíti, bonyolítja, drágítja:

1. Az erős elektromágneses zavarok elleni védekezés,
2. a galvanikus leválasztás (robbanásveszély, földhurok, EPH),
3. az átviteli sebesség függése a kábelhossztól,
4. nagy áthidalandó távolság.

Mindezekre gyógyírt jelent az opto átvitel.

Hogyan működik?

Az átvitel három fő alkatrészt igényel: adó - átviteli közeg - vevő. A jobboldali képen egy optokaput láthatunk. Itt az átviteli közeg a levegő. Nagy fényerejű lézer adó alkalmazásával akár 2 km távolság is "átlőhető". Gyakran használják ezt kábelezés kiváltására beépített területen, folyók partján. Ha köd van, az baj. Segít a fénykábel!

Úgy tanultuk, a fény egyenes vonalban terjed. Ez persze csak homogén közegekre igaz. Ha a fény egyik közegből a másikba megy át (melyeknek a törésmutatója eltér), fénytörés keletkezik. Ha pedig a közeghatárt az ún. "határszög" alatti szögben éri el a fénysugár, teljes visszaverődés következik be.
A baloldali, sötétkamrában készült fotón azt láthatjuk, hogy egy lézersugár nem bír kitörni a szép nagy ívben hajló vízsugárból. Ha a vízsugarat egy megfelelő üveg- vagy műanyag szállal helyettesítjük, előáll az optokábel.

Az optokábelekről:

Az optokábelben belül tehát van egy fényvezető mag, azon van egy felületi bevonat (erről verődik vissza a fény), azon egy "érszigetelés", és innentől bonyolódik a helyzet, ahogy azt később látni fogjuk.
Lényeg, hogy egy éren egy irányba halad a fény. Duplex kapcsolatokhoz kettő "kábelér" kell: Az egyiken adunk, a másikon veszünk. A szál egyik vége tehát az egyik interfész adás (Tx) lábára, másik vége a másik interfész vétel (Rx) lábára megy!

Multi-módus

A legegyszerűbb esetben a mag vége egyszerűen le van csiszolva (smirglizve), és egy LED-et illesztünk hozzá - többnyire légrés maradásával. A túlsó végen - szintén kényszerű légréssel - egy fototranzisztor veszi a fényimpulzusokat. Ehhez elég vastag mag (az alkalmazott fény hullámhosszának többszöröse) kell, hogy a LED fényéből minél több bejusson. Az átmérő akár 1 mm is lehet! Mivel a LED-ből kilépő fény nem koherens, a fotonok minden lehetséges irányban lépnek be a fényvezetőbe. Ebből kifolyólag annak faláról számtalanszor visszaverődve haladnak előre (baloldali ábra). Mivel több "fényút" alakul ki, ezt multi-módusúnak nevezzük. Az ilyen mag teljes keresztmetszetében azonos törésmutatójú, így olcsón gyártható - többnyire műanyagból.

Mono-módus

A multi-módusú szálak nagy távolságra nem alkalmasak, két okból: Egyrészt az alkalmazott (olcsóbb) alapanyagnak nagyobb a csillapítása (kevésbé átlátszó), másrészt a sok visszaverődés is sok veszteséggel jár. Olyan megoldást kellett találni, ahol a fény nem verődik össze-vissza. Ez a mono-módusú módszer (jobboldali ábra). Ebben az esetben a fényvezető igen kis átmérőjű (az alkalmazott fény hullámhosszával össze- hasonlítható), ráadásul törésmutatója is változik, ahogy a mag közepétől a kerülete felé haladunk. A gyakorlatban az átmérők 0.05 mm környékén vannak. Az ilyen szálban a fény igyekszik mindig középen haladni. Ehhez persze koherens fény kell, tehát az adó itt lézer kell legyen. Az adó és a kábel között finoman illesztett érintkezés van, a veszteségek csökkentésére.

A fényvezető anyaga

Az ipari gyakorlatban két fő kategóriával találkozhatunk, mindkettő kacagva képes az automatizálási rendszerek által kívánt sávszélesség-igény (max. 100 MBPS) átvitelére.

- Műanyag fényvezetős kábelek:
A szakirodalomban gyakran POF (Plastic Optical Fibre) rövidítéssel látják el. Az alkalmazott anyagok köre igen széles. Ennek következtében műszaki paramétereik széles sávban széthúzódnak azonban általánosságban elmondható hogy ezek a kábelek alacsonyabb árfekvésűek, hajlékonyabbak, viszont nagyobb csillapításúak mint üvegalapú társaik. Egyszerűbb a szerelésük is, igaz nagyobb a veszteség is a csatlakozón. Többnyire multimódusúak, bár létezik "single-mode" is.
Az automatizálási rendszerek jellemzően használatos kábelei ezek. Az 1-50 méteres tartományban a polimerek dominálnak koax-szerűen alacsony árukkal, 50-500 méterig a HCS és egyéb, akrilát típusok használandóak. Ezek egy kicsivel drágábbak. Mind soros vonalak, mind buszok, vagy Ethernet átvitelére alkalmazhatjuk a POF kábeleket.

- Üveg fényvezetős kábelek:
Ezek neve GOF (Glass Optical Fibre) az angol nyelvű szakirodalomban. Kis csillapítású, professzionális csatlakozókkal szerelhető kábelek ezek. A magas ár csak úgy térül meg az IT szektorban, ha nagyon szélessávú (több GBPS) átvitelre használják. Ipari automatizálási alkalmazások szempontjából ritkábban használatosak, inkább csak nagyobb távolságokra levő üzemek összekötésére. Ezekkel a szálakkal akár 100 km is lehet az áthidalt távolság!


A következő részben a kábelek technikai paramétereit tekintjük át.