Wie funktioniert eine HFBR-Kunststoff-Lichtwellenleiter-Verbindung? Von elektrischen Signalen zu 650-nm-Licht

HFBR-Glasfaserverbindungen aus Kunststoff werden häufig für die Signalübertragung über kurze Entfernungen in der industriellen Steuerung, Fabrikautomation, Leistungselektronik und Geräten verwendet, die eine elektrische Isolierung erfordern.

Die Produktfamilien HFBR und Versatile Link von Avago und Broadcom umfassen aktive Sender und Empfänger sowie passive Steckverbinder und Kabel. Eine vollständige Verknüpfung hängt jedoch nicht von einer einzelnen Komponente ab.

Es funktioniert als elektrisch-optisch-elektrisches System:

Controller → HFBR-Sender → 650-nm-Rotlicht → 1-mm-POF-Kabel → HFBR-Empfänger → Elektrischer Ausgang

Das Kabel ist nur ein Teil dieses Weges. Eine zuverlässige Kommunikation hängt vom Zusammenwirken von Sender, Empfänger, Glasfaser, Anschlüssen, Signalrate, Temperatur und optischem Gesamtverlust ab.

Das Verständnis dieser Beziehungen hilft Ingenieuren dabei, die richtige POF-Kabelbaugruppe auszuwählen, eine realistische Übertragungsentfernung abzuschätzen und Verbindungsfehler zu diagnostizieren.

Was ist eine HFBR-Kunststoff-Glasfaserverbindung?

Eine HFBR-Verbindung überträgt ein Signal zwischen zwei elektronischen Schaltkreisen über optische Kunststofffasern.

Der Sender wandelt die elektrische Eingabe in moduliertes rotes Licht um. Das POF-Kabel überträgt das optische Signal zur anderen Seite, wo der Empfänger es wieder in ein elektrisches Ausgangssignal umwandelt.

Da der optische Pfad nicht leitend ist, kann er eine galvanische Trennung zwischen Stromkreisen unterstützen, wenn das gesamte Gerätedesign den erforderlichen Isolationsabstand einhält.

POF ist daher nützlich, wenn die Kupferkommunikation beeinträchtigt sein kann durch:

• Elektromagnetische Störungen

• Erdschleifen

• Spannungsunterschiede

• Transienten schalten

• Elektrisch laute Stromversorgungsgeräte

Aufgrund dieser Eigenschaften sind HFBR-POF-Links für industrielle Steuerungs-, Spannungsisolations- und EMI/RFI-empfindliche Anwendungen relevant.

HFBR-Sender, -Empfänger und -Anschlüsse sind unterschiedliche Komponenten

HFBR-Teilenummern können entweder aktive optoelektronische Geräte oder passive Steckverbinder identifizieren.

Zum Beispiel:

• Bei den Modellen HFBR-15xx und AFBR-16xx handelt es sich im Allgemeinen um Sender.

• Bei den Modellen HFBR-25xx und AFBR-26xx handelt es sich im Allgemeinen um Empfänger.

• HFBR-4501Z, HFBR-4511Z und verwandte Modelle sind passive POF-Anschlüsse.

• Eine fertige HFBR-POF-Kabelbaugruppe enthält Glasfaser und Anschlüsse, aber keinen aktiven Sender oder Empfänger.

Der häufig verwendete HFBR-4501Z ist ein grauer Simplex-Stecker, während der HFBR-4511Z blau ist. Diese Farben werden häufig verwendet, um bei der Installation die Identifizierung der Sender- und Empfängerseite zu erleichtern.

Allerdings ist die optische Kunststofffaser selbst passiv und nicht gerichtet.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da Steckercodes allein nicht die Datenrate, die optische Leistung oder die maximale Übertragungsentfernung bestimmen können. Außerdem sind die genauen Sender- und Empfängermodelle erforderlich.

Ein Beispiel für eine fertige passive Verbindung finden Sie imHFBR-4501 bis HFBR-4511 POF-Kabelbaugruppe.

Wie aus dem elektrischen Signal rotes Licht mit 650 nm wird

Der Übertragungsprozess beginnt mit einer MCU, einer SPS, einem Gate-Steuerkreis oder einer anderen elektronischen Steuerung.

Der Controller erzeugt ein digitales elektrisches Signal, das Informationen überträgt, wie zum Beispiel:

• Steuerbefehle

• Ausrüstungsstatus

• Störungssignale

• Triggerimpulse

• Positions- oder Geschwindigkeitsdaten

• Serielle Kommunikationsdaten

Die Sender-Ansteuerschaltung steuert entsprechend diesem Eingangssignal eine rote LED. Änderungen im elektrischen Signal erzeugen entsprechende optische Impulse, die die Daten durch die Faser übertragen.

Die genaue Eingangspolarität, der Strombedarf und die externe Beschaltung hängen vom Sendermodell ab.

Einige HFBR-Sender erfordern einen externen Treiber oder einen Strombegrenzungswiderstand. Neuere AFBR-Geräte integrieren möglicherweise mehr elektronische Funktionen. Daher muss vor der Auslegung der elektrischen Schnittstelle das Datenblatt des Senders überprüft werden.

Warum HFBR-Links 650-nm-Rotlicht verwenden

Viele HFBR- und Versatile Link-Produkte arbeiten im sichtbaren Rotlichtbereich, der normalerweise je nach Komponente und Testbedingung als etwa 650 oder 660 nm beschrieben wird.

Diese Wellenlänge eignet sich gut für optische PMMA-Kunststofffasern, weil:

• PMMA POF verfügt über ein praktisches Transmissionsfenster im roten Bereich.

• Rote LEDs sind zuverlässig und wirtschaftlich.

• LED-Licht kann effizient in einen großen 1 mm POF-Kern eingekoppelt werden.

• Sichtbares rotes Licht kann bei grundlegenden Installationsprüfungen hilfreich sein.

• Passende Industriesender und -empfänger sind weit verbreitet.

Ein System sollte dennoch anhand der Wellenlänge bewertet werden, die für den genauen Sender, Empfänger und die Faser angegeben ist. Nicht jedes HFBR- oder AFBR-Produkt weist identische optische Eigenschaften auf.

Warum 1 mm POF in industriellen Verbindungen üblich ist

Industrielle Stufenindex-POFs haben normalerweise einen viel größeren Kern als Standard-Silica-Kommunikationsfasern.

Der große optische Kern bietet mehrere praktische Vorteile:

• Einfachere LED-zu-Faser-Kopplung

• Größere Toleranz gegenüber kleineren Ausrichtungsfehlern

• Einfachere Steckerstrukturen

• Schnellere Kündigung

• Geringere Montagekosten

• Praktische Installation in kurzen Industrieverbindungen

POF hat normalerweise auch eine relativ große numerische Apertur, wodurch es Licht über einen größeren Bereich von Eingangswinkeln aufnehmen kann.

Allerdings begründet die Bezeichnung „1 mm POF“ keine vollständige Kompatibilität. Unterschiedliche Fasern und fertige Kabel können unterschiedlich sein:

• Kern- und Mantelstrukturen

• Numerische Aperturen

• Dämpfungswerte

• Bandbreiten

• Jackenmaterialien

• Betriebstemperaturen

• Zug- und Biegeleistung

• Flammhemmende oder chemikalienbeständige Eigenschaften

Das Kabel muss daher sowohl entsprechend der optischen Verbindung als auch der Installationsumgebung ausgewählt werden.

Wie Steckverbinder die optische Leistung beeinflussen

Der Stecker hält den POF in der richtigen Position relativ zum Sender oder Empfänger.

Die Verbindungsqualität hängt ab von:

• Richtiger Faserdurchmesser

• Präzise Schnitt- und Längenkontrolle

• Ebenheit und Oberflächenzustand der Endfläche

• Faserposition im Stecker

• Crimp- oder Retentionsqualität

• Vollständiges Einsetzen in den optischen Port

• Steckerverriegelung und Vibrationsfestigkeit

• Schutz vor Kontamination

Eine raue, verwinkelte, verschmutzte oder beschädigte Endfläche kann die in den Empfänger eingekoppelte optische Leistung verringern.

Stecker- und Endflächenverluste müssen daher in die Gesamtstreckenberechnung einbezogen werden.

Für die Vollduplex-Kommunikation sind normalerweise zwei unabhängige optische Kanäle erforderlich. Dies kann mit zwei Simplex-Baugruppen oder einem kompatiblen Duplex-Kabel- und Steckersystem umgesetzt werden.

Was bestimmt die maximale HFBR-Übertragungsentfernung?

Die maximale Entfernung wird durch die gesamte Verbindung bestimmt – nicht nur durch die Faserdämpfung.

Ausgangspunkt ist das optische Leistungsbudget:

Verfügbares optisches Budget (dB) = Mindestsenderausgang (dBm) − Empfängerempfindlichkeitsgrenze (dBm)

Das verfügbare Budget muss alle Verlustquellen abdecken:

Gesamtverbindungsverlust = Faserverlust + Steckerverlust + Biegeverlust + Endflächenverlust + Sicherheitsmarge

Die Sicherheitsmarge sollte Folgendes berücksichtigen:

• Temperaturänderungen

• Alterung der Komponenten

• Produktionsvariation

• Installationsstress

• Kontamination

• Langfristige Leistungsanforderungen

Wenn beispielsweise das verfügbare optische Budget 14 dB beträgt und die vollständig installierte Verbindung einen Verlust von 11 dB erzeugt, beträgt der verbleibende Spielraum 3 dB.

Dies ist nur eine illustrative Berechnung. Die tatsächlichen Werte müssen den ausgewählten Komponentendatenblättern und der fertigen Kabelspezifikation entnommen werden.

Warum eine veröffentlichte maximale Entfernung nicht universell ist

Ein Sender und Empfänger können für eine bestimmte maximale Entfernung angegeben werden, dieser Wert gilt jedoch nur unter definierten Bedingungen.

Im veröffentlichten Datenblatt der HFBR-0508Z-Serie für den HFBR-1528Z-Sender und den HFBR-2528Z-Empfänger sind beispielsweise die folgenden Abstände bei Verwendung mit dem definierten 1-mm-POF mit besonders geringem Verlust und empfohlenen Schaltkreisen angegeben:

• Bis zu 50 m bei +25°C

• Bis zu 40 m über 0°C bis +70°C

• Bis zu 30 m über −40 °C bis +85 °C

• Signalraten von DC bis 10 MBd

Die aktiven Komponenten bleiben gleich, der angegebene Abstand verringert sich jedoch mit zunehmendem erforderlichen Betriebstemperaturbereich.

Die maximale Verbindungsentfernung kann sich auch aus folgenden Gründen ändern:

• Variation des Senderausgangs

• Empfindlichkeit des Empfängers

• Kommunikationsgeschwindigkeit

• Faserqualität und Dämpfung

• Stecker- und Endflächenverlust

• Kabelbiegen

• Antriebsstrom

• Versorgungsspannung

• Alterung der Komponenten

• Erforderlicher Zuverlässigkeitsspielraum

Aus diesem Grund funktioniert ein Kabel, das bei einer Maschine über 20 m funktioniert, bei einer anderen Maschine möglicherweise nicht über die gleiche Entfernung.

Häufige Probleme mit der HFBR-POF-Verbindung

Ein praktischer Diagnoseablauf ist:

1. Bestätigen Sie die genauen Teilenummern von Sender und Empfänger.

2. Überprüfen Sie die Ausgangsstromkreise des elektrischen Antriebs und des Empfängers.

3. Testen Sie das System mit einem bekanntermaßen kurzen Kabelsatz.

4. Überprüfen Sie die Einfügung des Steckers und den Zustand der Endfläche.

5. Enge Biegungen und mechanischen Druck beseitigen.

6. Vergleichen Sie den installierten Verlust mit dem verfügbaren optischen Budget.

7. Wiederholen Sie den Test bei der erforderlichen Betriebstemperatur.

Erforderliche Informationen zur Auswahl eines HFBR-POF-Kabels

Bevor Sie eine Kabelbaugruppe auswählen oder anpassen, sammeln Sie Folgendes:

1. Teilenummer des Senders

2. Teilenummer des Empfängers

3. Ausrüstungsmodell- und Hafenfotos

4. Erforderliche Kabellänge

5. Signalrate

6. Betriebstemperaturbereich

7. Simplex- oder Duplex-Konfiguration

8. Steckermodell und Verriegelungsanforderung

9. Kabelführung, Biege-, Vibrations- und Zugbedingungen

10. Erforderliche Mantel-, Flamm- oder Chemikalienbeständigkeit

11. Mengen- und Verpackungsanforderungen

12. Optische, dimensionale oder umweltbezogene Akzeptanzkriterien

Bei Ersatzprojekten sind auch die Originalkabelmarkierungen, Steckerfotos und das Gerätehandbuch nützlich.

Ein Steckercode und eine Kabellänge allein geben möglicherweise nicht Aufschluss über die vollständigen Systemanforderungen.

Ruiara Industrial POF-Kabel- und Baugruppenfertigung

Ruiara produziertindustrielle POF-Kabelund HFBR-kompatible Kabelkonfektionen für industrielle Automatisierung, Leistungselektronik, Energiespeicherung und Gerätesteuerungsanwendungen.

Für ausgewählte Projekte kombiniert Ruiara qualifizierte importierte PMMA-POF-Materialien, einschließlich Optionen von Mitsubishi Chemical oder Toray, sofern angegeben, mit hauseigener Kabel- und Montageverarbeitung.

Der steuerbare Fertigungsumfang umfasst:

• Kabelextrusion und -ummantelung

• Kabelaußendurchmesser und -farbe

• Simplex-, Duplex- und verstärkte Strukturen

• PVC-, PE-, PUR- und anwendungsspezifische Manteloptionen

• Benutzerdefinierte Längen- und Dimensionskontrolle

• Steckverbindermontage und Crimpen

• Schneiden und Veredeln der Faserenden

• Manschetten, Staubkappen und Zugentlastungsstrukturen

• Kabeldruck, Etiketten und Private Branding

• Individuelle Verpackung

• Projektspezifische optische und maßliche Prüfung

Dieser Verarbeitungsumfang ermöglicht die Anpassung des fertigen Kabels an Temperatur, Flexibilität, Zugfestigkeit, Biegung, Abrieb und Installationsanforderungen.

Das Ergebnis ist nicht auf eine standardmäßige blanke POF oder eine feste Kabelstruktur beschränkt. Der Kabelmantel, die mechanische Struktur und die Steckermontage können entsprechend der tatsächlichen Anwendung entwickelt werden.

Häufig gestellte Fragen

Verwendet ein HFBR-Sender eine LED oder einen Laser?

Herkömmliche HFBR Versatile Link-Sender verwenden im Allgemeinen eine rote LED. Die genaue Lichtquelle, Wellenlänge und Antriebsanforderungen sollten dem Datenblatt des ausgewählten Senders entnommen werden.

Kann jedes 1-mm-POF-Kabel in einer HFBR-Verbindung verwendet werden?

Nicht unbedingt. Der Durchmesser ist nur ein Parameter. Numerische Apertur, Dämpfung, Bandbreite, Mantelstruktur, Temperaturbereich, Steckerkompatibilität und vollständiger Montageverlust müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Sind die Sender- und Empfängermodelle HFBR-4501 und HFBR-4511?

Nr. HFBR-4501Z und HFBR-4511Z identifizieren passive Simplex-Steckertypen. Zur Bestimmung der Datenrate, der optischen Leistung und der maximalen Entfernung sind separate aktive Sender- und Empfänger-Teilenummern erforderlich.

Kann eine HFBR-4501/4511-Kabelbaugruppe in beide Richtungen installiert werden?

Der POF selbst ist nicht gerichtet. Die graue und blaue Steckerkonvention hilft jedoch dabei, die vorgesehene Sender- und Empfängerseite zu identifizieren. Bei der Installation sollten stets die Gerätedokumentation und die Anschlussgeometrie beachtet werden.

Was ist die maximale Entfernung eines HFBR-POF-Links?

Es gibt keinen allgemein gültigen Maximalabstand. Dies hängt vom Sender, Empfänger, der Signalrate, der Faserdämpfung, dem Baugruppenverlust, der Temperatur, der Antriebsschaltung und der erforderlichen Sicherheitsmarge ab.

Warum funktioniert die Verbindung mit einem kurzen Kabel, aber mit einem längeren nicht?

Ein längeres Kabel verursacht zusätzlichen optischen Verlust. Wenn die empfangene Leistung unter den erforderlichen Eingangspegel des Empfängers fällt – oder der verbleibende Spielraum zu klein wird – kann die Kommunikation instabil werden oder abbrechen.

Abschluss

Eine zuverlässige HFBR-Kunststoff-Glasfaserverbindung hängt vom vollständigen Strom-zu-Optik-zu-elektrischen Pfad ab.

Der Sender muss genügend rotes Licht aussenden, die Kabel und Anschlüsse müssen den optischen Verlust innerhalb des verfügbaren Budgets halten und der Empfänger muss über ausreichend optische Leistung verfügen, um das Signal wiederherzustellen.

Entfernung, Datenrate, Temperatur, Endflächenqualität, Biegung und Kabelkonstruktion beeinflussen alle das Endergebnis.

Zur Bewerbungsbewertung, Kontaktieren Sie Ruiaramit den Teilenummern des Senders und Empfängers, dem Gerätemodell, der erforderlichen Länge, der Signalrate, der Betriebstemperatur, dem Steckertyp und der Anzahl.

Ruiara kann Ihnen dabei helfen, eine geeignete Standard- oder kundenspezifische POF-Kabelkonfektionskonfiguration zu bestätigen.