אותות אלקטרוניים נשלחו בהצלחה רבה במשך עשרות שנים באמצעות חיבורי 'חוט קשיח' סטנדרטיים, או באמצעות קישורי רדיו מסוגים שונים שהיו להם חסרונות רבים.

מצד שני קישורי סיבים אופטיים, בין אם הם משמשים לקישורי שמע ווידאו בטווחים ארוכים, ובין אם הם מטפלים במרחקים קטנים, מציעים כמה יתרונות מובהקים בהשוואה לכבלים קווית רגילים.

איך עובד סיבים אופטיים

בטכנולוגיית מעגל סיבים אופטיים נעשה שימוש בקישור סיבים אופטיים להעברת נתונים דיגיטליים או אנלוגיים בצורת תדר אור באמצעות כבל בעל ליבה מרכזית המשתקפת ביותר.

באופן פנימי, הסיב האופטי מורכב מליבה מרכזית מחזירה אור, הפועלת כמדריך אור להעברת האור דרכו באמצעות השתקפויות מתמשכות הלוך ושוב על קירותיו המחזירים.

הקישור האופטי כולל בדרך כלל מעגל ממיר תדר אור לממיר, הממיר אותות דיגיטליים או שמע לתדר אור. תדר אור זה 'מוזרק' לאחד מקצות הסיב האופטי דרך a LED חזק . לאחר מכן מותר לאור לנסוע דרך הכבל האופטי אל היעד המיועד, שם הוא מתקבל על ידי תא צילום ותא מעגל מגבר הממיר את תדר האור חזרה לצורה הדיגיטלית המקורית או לצורת תדר השמע.

יתרונות סיבים אופטיים

יתרון עיקרי אחד של קישורי מעגל סיבים אופטיים הוא החסינות המושלמת שלהם להפרעות חשמליות ואסיפות משוטטות.

קישורי כבלים סטנדרטיים יכולים להיות מתוכננים להפחתת בעיה זו, אולם זה עשוי להיות מאתגר מאוד למגר את הבעיה לחלוטין.

נהפוך הוא, המאפיינים הלא חשמליים של כבל סיב אופטי מסייעים בהפרעות חשמליות לחשובות, מלבד הפרעה כלשהי שניתן להבחין בקצה המקלט, אך ניתן לבטל זאת גם באמצעות הגנה יעילה על מעגל המקלט.

באופן דומה למדי, אותות פס רחב המועברים על פני כבל חשמלי רגיל מפיצים לעיתים קרובות הפרעות חשמליות הגורמות לתקיעה של אותות רדיו וטלוויזיה בקרבת מקום.

אבל שוב, במקרה של כבל סיב אופטי הוא באמת יכול להוכיח שהוא נטול פליטות חשמליות, ולמרות שיחידת המשדר עשויה להבריח קרינת תדר רדיו מסוימת, פשוט למדי לסגור אותה באמצעות אסטרטגיות סינון בסיסיות.

בשל נקודת פלוס זו, למערכות המשלבות כבלים אופטיים רבים הפועלים יחד זו לצד זו אין סיבוכים או בעיות עם שיחות צולבות.

כמובן שאור יכול לדלוף החוצה מכבל אחד למשנהו, אך כבלים סיבים אופטיים בדרך כלל נעטפים בשרוול חיצוני חסין אור המונע באופן אידיאלי כל סוג של דליפת אור.

מיגון חזק זה בקישורי סיבים אופטיים מבטיח העברת נתונים בטוחה ואמינה באופן סביר.

יתרון נוסף הוא שהסיבים האופטיים נקיים מבעיות בסכנת שריפה מכיוון שלא מעורב חשמל או זרם זרם גבוה.

יש לנו בידוד חשמלי טוב בכל הקישור כדי להבטיח שסיבוכים עם לולאות כדור הארץ אינם מסוגלים להתפתח. באמצעות מעגלי שידור וקבלה מתאימים הוא מתאים מאוד לקישורי סיבים אופטיים לטיפול בטווחי רוחב פס משמעותיים.

ניתן ליצור קישורי רוחב פס רחבים גם באמצעות כבלים חשמליים קואקסיאליים, אם כי כבלים אופטיים מודרניים בדרך כלל חווים הפסדים מופחתים בהשוואה לסוגים קואקסיאליים ביישומי רוחב פס רחב.

כבלים אופטיים הם בדרך כלל דקים וקלילים, וגם חסינים מפני תנאי אקלים ומספר חומרים כימיים. זה לעתים קרובות מאפשר ליישם אותם במהירות בסביבה בלתי הולמת או בתרחישים שליליים שבהם כבלים חשמליים, במיוחד סוגים קואקסיאליים פשוט מתגלים כלא יעילים מאוד.

חסרונות

למרות שלמעגל הסיבים האופטיים יש כל כך הרבה יתרונות, יש גם כמה צדדים למטה.

החיסרון הניכר הוא שלא ניתן להעביר אותות חשמליים ישירות לכבל אופטי, ובמספר מצבים העלות והבעיות שנתקלו במעגלי המקודדים והמפענחים החיוניים נוטים להיות בלתי תואמים למדי.

דבר קריטי שכדאי לזכור בעת עבודה עם סיבים אופטיים הוא שבדרך כלל יש להם קוטר מינימלי מוגדר, וכאשר אלה מעוותים בעקומה חדה יותר מוליד נזקים פיזיים לכבל בעיקול זה, מה שהופך אותו לחסר תועלת.

רדיוס 'עיקול מינימלי' כפי שהוא מכונה בדרך כלל בגליונות הנתונים, הוא בדרך כלל בין 50 ל- 80 מילימטרים.

התוצאה של כיפוף כזה בכבל רשת רגיל קווי לא יכולה להיות פשוט דבר, אולם עבור כבלים סיביים אפילו כיפופים הדוקים קטנים יכולים לעכב את התפשטות אותות האור המובילים להפסדים דרסטיים.

בסיסי של סיבים אופטיים

למרות שנראה לנו שכבל סיבים אופטיים פשוט מורכב מחוט זכוכית המכוסה בשרוול חיצוני אטום לאור, המצב למעשה הרבה יותר מתקדם מזה.

כיום, חוט הזכוכית הוא בעיקר בצורת פולימר ולא זכוכית ממשית, וההתקנה הסטנדרטית עשויה להיות כמתואר באיור הבא. כאן אנו יכולים לראות גרעין מרכזי בעל אינדקס שבירה גבוה ומגן חיצוני עם אינדקס שבירה מופחת.

השבירה שבה הלהט הפנימי והחיפוי החיצוני פועלים זה בזה מאפשרים מעבר קל דרך הכבל על ידי קפיצה יעילה בין הקיר לקיר לאורך הכבל.

הקפצה זו של האור על פני קירות הכבלים היא שמאפשרת לכבל לרוץ כמו מדריך אור, הנושא את התאורה בצורה חלקה סביב פינות והעקומות.

ריבוי אור בהזמנה גבוהה

הזווית בה מוחזר האור נקבעת על ידי מאפייני הכבל וזווית הכניסה של האור. באיור לעיל ניתן לראות את קרן האור מועברת דרך a 'מצב בהזמנה גבוהה' רְבִיָה.

ריבוי אור במצב מסדר נמוך

עם זאת, תוכלו למצוא כבלים עם אור המוזן בזווית רדודה יותר וגורם לו להקפיץ בין קירות הכבלים בזווית רחבה במידה ניכרת. זווית נמוכה יותר זו מאפשרת לאור לנוע במרחק גדול יותר יחסית דרך הכבל בכל קפיצה.

צורה זו של העברת אור מכונה 'מצב בהזמנה נמוכה' רְבִיָה. המשמעות המעשית של שני המצבים הללו היא שמיזוג האור דרך הכבל במצב מסדר גבוה צריך לנוע בצורה ניכרת בהשוואה לאור המופץ במצב של סדר נמוך. אותות כתמים אלה מועברים בכבל ומקטינים את טווח התדרים של היישום.

עם זאת, הדבר רלוונטי רק בקישורי רוחב פס רחבים במיוחד.

כבל במצב יחיד

יש לנו גם את 'מצב יחיד' סוג כבלים אשר נועדו פשוט להפעלת מצב התפשטות יחיד, אך לא ממש נדרש להשתמש בכבל מסוג זה בטכניקות רוחב הפס הצרות יחסית המפורטות במאמר זה. יתכן שתיתקל בסוג חלופי אחר של כבל בשם 'אינדקס מדורג' כֶּבֶל.

למעשה זה די דומה לכבל האינדקס המדורג שנדון קודם לכן, אם כי קיים מהפך פרוגרסיבי ממדד שבירה גבוה ליד מרכז הכבל לערך מופחת ליד השרוול החיצוני.

זה גורם לאור לעבור עמוק על פני הכבל בצורה די דומה כפי שהוסבר קודם, אך כאשר האור צריך לעבור מסלול מעוקל (כמו באיור הבא) במקום להפיץ אותו בקווים ישרים.

מידות סיבים אופטיים

המימד האופייני לכבלי סיבים אופטיים הוא 2.2 מילימטר, כאשר הממד הממוצע של הסיב הפנימי הוא סביב מילימטר אחד. ניתן למצוא מספר מחברים נגישים לחיבורים על פני כבל בגודל זה, בנוסף למספר מערכות המתחברות לכבלים תואמים באותה מידה.

מערכת מחברים רגילה כוללת 'תקע' המותקן על קצה הכבל ושומר עליו אל מסוף 'השקע' שבדרך כלל סוגר מעל לוח המעגל ובו חריץ לאירוח התא הצילום (המהווה את הפולט או את הגלאי של המערכת האופטית).

גורמים המשפיעים על עיצוב מעגלי סיבים אופטיים

היבט מכריע אחד שצריך לזכור בסיבים אופטיים הוא מפרט תפוקת השיא של הפולט תא תאים לאורכי גל האור. יש לבחור באופן אידיאלי כדי להתאים את תדר השידור עם רגישות מתאימה.

הגורם השני שיש לזכור הוא שהכבל יוגדר עם טווח רוחב פס מוגבל בלבד, מה שאומר שההפסדים חייבים להיות מינימליים ככל האפשר.

חיישנים ומשדרים אופטיים המשמשים בדרך כלל בסיבים אופטיים מדורגים בעיקר לעבודה במקום טווח אינפרא אדום ביעילות מירבית, בעוד שחלקם עשויים להיות מיועדים לעבוד בצורה הטובה ביותר עם ספקטרום האור הגלוי.

כבלים של סיבים אופטיים מועברים לעיתים קרובות עם קצוות סיום לא גמורים, אשר עשויים להיות מאוד לא פרודוקטיביים, אלא אם כן הקצוות עוברים כראוי.

בדרך כלל, הכבל יספק אפקטים ראויים כאשר הוא נחתך בזווית ישרה בעזרת סכין דוגמנות חדה כתער, וחותך את קצה הכבל בצורה נקייה בפעולה אחת.

ניתן להשתמש בקובץ משובח לליטוש הקצוות הפרוסים, אך אם רק חתכתם את הקצוות, יתכן וזה לא יעזור לשפר משמעותית את יעילות האור. חיוני כי החיתוך הוא חד, פריך וניצב לקוטר הכבל.

אם לחיתוך יש זווית כלשהי עלול להידרדר מאוד היעילות עקב סטיית זווית הזנת האור.

תכנון מערכת סיבים אופטיים פשוטה

דרך בסיסית להתחיל עבור כל מי שמעוניין לנסות דברים באמצעות תקשורת סיבים אופטיים תהיה יצירת קישור שמע.

בצורתו האלמנטרית ביותר זה עשוי לכלול מעגלי אפנון משרעת פשוטים המשתנים משדר לד בהירות בהתאם למשרעת אות קלט השמע.

זה יגרום לתגובת זרם מווסתת באופן שווה על פני מקלט הפוטו-תאי, אשר יעובד בכדי לזכות במתח משתנה בהתאמה על פני נגד עומס מחושב בסדרה עם תאי הפוטו.

אות זה יוגבר כדי לספק את אות פלט השמע. במציאות גישה בסיסית זו עשויה לבוא עם חסרונות משלה, העיקרית עשויה להיות ליניאריות לא מספקת מתאי הפוטו.

היעדר ליניאריות משפיע בצורה של מידת עיוות פרופורציונאלית על פני הקישור האופטי שעלולה להיות לאחר מכן באיכות גרועה.

שיטה שמציעה בדרך כלל תוצאות טובות משמעותית היא מערכת אפנון תדרים, שהיא זהה בעצם למערכת המשמשת בתקן שידורי רדיו VHF .

עם זאת, במקרים כאלה מעורב תדר נשא של סביב 100 קילוהרץ במקום 100 מגה הרץ המקובלים כפי שמשמשים בהעברת רדיו 2.

גישה זו יכולה להיות די פשוטה, כפי שמוצג בתרשים הבלוקים להלן. זה מדגים את העיקרון שנקבע לקישור חד סטרי של טופס זה. המשדר הוא למעשה מתנד מבוקר מתח (VCO), וכפי שהכותרת מרמזת, ניתן לכוונן את תדר המוצא מתכנון זה באמצעות מתח בקרה.

מתח זה עשוי להיות העברת קלט הקול, וככל שמתח האות מתנודד מעלה ומטה, כך גם תדר הפלט של ה- VCO. א מסנן מעביר נמוך משולב כדי לחדד את אות קלט השמע לפני שהוא מוחל על ה- VCO.

זה עוזר להרחיק את 'השריקות' ההטרודיניות בגלל הפקתם על רקע פעימות פעימה בין המתנד הנשלט על המתח לבין כל אותות הקלט בתדר גבוה.

בדרך כלל, אות הקלט רק יכסה את טווח תדרי השמע, אך ייתכן שתמצא תוכן עיוות בתדרים גבוהים יותר, ואותות רדיו נקלטים מהחיווט ומתקשרים עם אות ה- VCO או ההרמוניות סביב אות הפלט של ה- VCO.

המכשיר הפולט שיכול להיות פשוט נורית LED מונע על ידי פלט VCO. לקבלת תוצאה אופטימלית נורית זו נורית סוג LED גבוה של הספק . זה מחייב את שימוש בשלב חוצץ הנהג להפעלת כוח LED.

השלב הבא הוא א מולטיברטור מונוסטבל אשר חייבים להיות מתוכננים כסוג שאינו ניתן להפעלה מחדש.

זה מאפשר לשלב לייצר פולסי פלט באמצעות מרווחים כפי שנקבעו על ידי רשת העיתוי C / R שאינה תלויה במשך דופק הכניסה.

צורת גל תפעולית

זה מספק תדר קל אך יעיל להמרת מתח, כאשר צורת הגל כפי שמתואר באיור הבא מסבירה בבירור את דפוס הפעולה שלה.

באיור (א) תדר הקלט מייצר פלט מהמוצב בעל יחס מרווח של 1 עד 3, והפלט נמצא במצב גבוה במשך 25% מהזמן.

מתח היציאה הממוצע (כפי שמתואר בתוך הקו המקווקו) הוא כתוצאה 1/4 ממצב ה- HIGH המוצא.

באיור (ב) לעיל אנו יכולים לראות שתדר הקלט הוגדל פי שניים, מה שאומר שאנו מקבלים פולסי פלט גדולים פי שניים עבור מרווח זמן מוגדר עם יחס מרחב סימן של 1: 1. זה מאפשר לנו לקבל מתח יציאה ממוצע שהוא 50% ממצב יציאה HIGH, ועוצמה פי 2 מהדוגמה הקודמת.

במילים פשוטות, ה- monostable לא רק עוזר להמיר תדר למתח, אלא שהוא גם מאפשר להמרה לקבל מאפיין לינארי. הפלט מהסטנדרט הבודד לבדו אינו יכול לבנות אות תדר שמע, אלא אם כן משולב מסנן נמוך המעבר שמבטיח כי הפלט מתייצב לאות שמע תקין.

הבעיה העיקרית בשיטה פשוטה זו של המרת תדרים למתח היא שנדרשת הנחתה ברמה גבוהה יותר (בעיקר 80 dB ומעלה) בתדר המוצא המינימלי של ה- VCO כדי להיות מסוגל ליצור פלט מיוצב.

אבל, שיטה זו באמת פשוטה ואמינה בשיקולים אחרים, ויחד עם מעגלים מודרניים לא יכול להיות קשה לתכנן שלב מסנן פלט בעל מדויק כראוי. מאפיין חתוך .

רמה זעירה של אות עודף של המוביל ביציאה עשויה שלא להיות קריטית מדי וניתן להתעלם ממנה, מכיוון שהמוביל נמצא בדרך כלל בתדרים שאינם בתחום האודיו, וכל דליפה ביציאה תהיה כתוצאה מכך בלתי נשמעת.

מעגל משדר סיבים אופטיים

את תרשים המעגל של משדר הסיבים האופטיים ניתן לראות להלן. תוכלו למצוא מעגלים משולבים רבים המתאימים לעבודה כמו VCO, יחד עם תצורות רבות אחרות שנבנו באמצעות חלקים נפרדים.

אבל עבור טכניקת עלות נמוכה השימוש הנרחב NE555 הופכת לאופציה המועדפת, ולמרות שהיא בהחלט זולה, אך עם זאת מגיעה עם יעילות ביצועים טובה למדי. זה יכול להיות מווסת תדרים על ידי שילוב אות הקלט בסיכה 5 של ה- IC, שמתחבר עם מחלק המתח שהוגדר ליצירת גבולות המיתוג של 1/3 V + ו- 2/3 V + עבור IC 555.

בעיקרו של דבר, הגבול העליון מוגדל ויורד כך שניתן יהיה להגדיל או להקטין את זמן הקיבול לתזמון C2 לעבור בין שני הטווחים.

Tr1 מחובר כמו חסיד פולט שלב חיץ המספק את זרם הכונן הגבוה הנדרש להארת LED (D1) בצורה אופטימלית. אף על פי שה- NE555 עצמו כולל זרם טוב של 200 מיליאמפר עבור ה- LED, מנהל התקן נפרד מבוקר זרם עבור ה- LED מאפשר לבסס את זרם ה- LED הרצוי בצורה מדויקת ובאמצעות שיטה אמינה יותר.

R1 ממוקם כדי לתקן את זרם ה- LED בכ- 40 מיליאמפר, אך מכיוון שהנורית מופעלת / כיבה בקצב של 50% מחזור עבודה מאפשרת לנורית לעבוד רק עם 50% מהדירוג בפועל שהוא כ- 20 מיליאמפר.

ניתן להגדיל או להקטין את זרם המוצא על ידי התאמת ערך R1 בכל פעם שזה עשוי להרגיש נחוץ.

רכיבים לנגדי משדר סיבים אופטיים (כולם 1/4 וואט, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
קבלים
C1 = 220µ 10V elect
C2 = 390pF צלחת קרמיקה
C3 = 1u 63V נבחר
C4 = צלחת קרמיקה 330p
C5 = שכבת פוליאסטר 4n7
C6 = שכבת פוליאסטר 3n3
C7 = שכבת פוליאסטר 470n
מוליכים למחצה
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = ראה טקסט
שונות
שקע שקע 3.5 מ'מ SK1
מעגל, מארז, סוללה וכו '

מעגל מקלט סיבים אופטי

ניתן לראות את דיאגרמת המעגל המקבילה של סיבים אופטיים בחלק העליון של התרשים להלן, מעגל מסנן הפלט נמשך ממש מתחת למעגל המקלט. ניתן לראות את פלט המקלט מחובר לקלט המסנן דרך קו אפור.

D1 יוצר את דיודת גלאי , וזה עובד בהטיה הפוכה בה התנגדות הדליפה שלו עוזרת ליצור סוג של נגן תלוי אור או אפקט LDR.

R1 עובד כמו נגד עומס, ו- C2 יוצר קישור בין שלב הגלאי לכניסת מגבר הקלט. זה יוצר רשת מקושרת בקיבולת דו-שלבית שבה שני השלבים מתפקדים יחד ב- פולט נפוץ מצב.

זה מאפשר רווח מתח כולל מעולה העולה על 80 dB. בהתחשב בכך שמספק אות קלט חזק למדי, זה מציע תנודת מתח יציאה גבוהה בסיכת האספן Tr2 כדי לדחוף את מולטיברטור מונוסטבל .

האחרון הוא סוג CMOS סטנדרטי שנבנה באמצעות כמה שערים NOR עם 2 כניסות (IC1a ו- IC1b) כאשר C4 ו- R7 מתפקדים כמו אלמנטים בתזמון. בשני שערים של IC1 האחרים לא נעשה שימוש, אם כי ניתן לראות את התשומות שלהם מחוברות לכדור הארץ במטרה לעצור החלפה כוזבת של שערים אלה עקב איסוף תועה.

בהתייחס לשלב הסינון שנבנה סביב IC2a / b, ביסודו של דבר מדובר במערכות סינון מסדר 2/3 (18 dB לאוקטבה) עם מפרט הנפוץ בדרך כלל מעגלי משדר . אלה מחוברים בסדרות בכדי להקים בסך הכל 6 קטבים ושיעור הנחתה כללי של 36 dB לאוקטבה.

“מה עושה בקר טעינה ”

זה מציע כ- 100 dB של הנחתה של אות המוביל בתחום התדרים המינימלי שלו, ואת אות פלט עם רמות אות מוביל נמוכות יחסית. מעגל הסיבים האופטי יכול להתמודד עם מתח כניסה גבוה עד 1 וולט RMS בערך ללא עיוות קריטי, ולעזור לעבוד עם רווח מתח נמוך פחות של אחדות במערכת.

רכיבים עבור מקלט וסינון סיבים אופטיים

נגדים (כולם 1/4 וואט 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 עד R15 10k (6 הנחה)
קבלים
C1 = 100µ10V אלקטרוליטי
C2 = פוליאסטר 2n2
C3 = פוליאסטר 2n2
C4 = 390p קרמיקה
C5 = 1µ 63V אלקטרוליטי
C6 = פוליאסטר 3n3
C7 = פוליאסטר 4n7
C8 = קרמיקה 330pF
C9 = פוליאסטר 3n3
C10 = פוליאסטר 4n7