SICHERE HOHE DATENÜBERTRAGUNG MIT microFX*!
Technische Hintergründe zum Steckverbinderaufbau.
Bedingt durch steigende Datenmengen und den immer schneller werdenden Prozessen, stellen moderne Anlagen immer größere Anforderungen an die Verbindungstechnik. Das wichtigste Glied in einer Verbindung ist immer der Steckverbinder, denn er bildet die empfindlichste Schwachstelle im System. Dementsprechend hoch sind die Ansprüche an einen modernen Steckverbinder.
Steckverbinder müssen auch unter extrem rauen Bedingungen, u.a. Hitze, Wasser, Druck eine einwandfreie Verbindung gewährleisten und auch Daten und Strom übertragen können. Weiters sollte dieser möglichst klein in den Abmessungen sein. Idealerweise sind das Design und die Abmessungen an bereits vorhandene und anerkannte internationale Normen (z.B. IEC) angelehnt. Damit Übertragungen auch bei langen Strecken und äußerlichen Einflüssen, wie z.B. magnetischen Feldern funktionieren, werden Lichtleiter anstelle von Kupferadern verwendet. Mit Hilfe von hybriden Steckverbindern können sowohl Daten in Form von Lichtimpulsen über Lichtleiter und Strom über Kupfer übertragen werden.
Mit dem M12-Steckverbinder microFX von SOURIAU können jeweils bis zu 2 Kupfer- oder Lichtleiterkontakte benutzt werden. Für die optische Übertragung im Lichtleiter-Steckverbinder ist jedoch besonderes Know-How gefragt. Wie eine Kupferleitung an einen Kupferkontakt verbunden wird, ist geläufig. Wie sieht es aber bei Lichtwellenleitern aus? Wie können Lichtstrahlen über einen Kontakt übertragen werden?
Nahtloser Übergang
Bei den optischen Kontakten ist es besonders wichtig, dass ein nahtloser Übergang der Lichtimpulse möglich ist. Bei Kupferkontakten ist die Übertragung richtungsunabhängig und geschieht meistens radial vom Stecker zur Hülse. Bei Lichtwellenleitern muss die Übertragung axial sein, d.h. die Kontaktflächen sind die Stirnflächen der Kontaktstifte. Da Licht elektromagnetischen Wellen entspricht, braucht es als Übertragungsmedium eine möglichst geradlinig geführte Leitung.
Lichtführung
Das Wichtigste bei der Übertragung von Licht über einen Lichtleiterkontakt ist die Zentrierung beider Lichtleiterenden. Bei nicht zentrierten Lichtleitern würde an den Kanten ein Teil des Lichtes aus dem Kabel heraustreten (gebrochen werden). Es würde zu hoher Dämpfung (Verlusten) führen. Außerdem würde das an der Kante zurückreflektierte Licht störende Interferenzen erzeugen. Zur Führung der Lichtwellenleiter dient ein hochpräzises Führungsröhrchen, das als Ferrule bezeichnet wird und sich durch eine sehr geringe Führungstoleranz im µm-Bereich auszeichnet. Kleinste Abweichungen in der Ferrule haben unmittelbare Auswirkung auf den axialen Versatz der Lichtleiter-Kontaktfläche, welche die Dämpfung vergrößert. Um eine untrennbare Einheit zu bekommen, wird der restliche Raum zwischen Faser und Ferrule mit Spezialkleber versiegelt. Dabei legt sich der Kleber gleichmäßig um die Faser und gewährleistet damit eine optimale Zentrierung innerhalb der Ferrule.
Luftspalt
Für eine optimale Übertragung weiterhin wichtig ist: der Spalt zwischen beiden verbundenen Lichtleitern ist so gut wie nicht vorhanden. Der größte Teil des Lichtes würde sonst an der Kontaktstelle reflektieren. Der Grund ist, dass Luft einen niedrigeren Brechungsindex (n0=1) als die Faser (n1>1) besitzt, wobei dies je nach Eintreffwinkel zur Totalreflexion führt. Ein winziger Spalt, der bei einem Kupferkontakt kaum Einfluss hat, wirkt sich bei Lichtleiterkontakten sehr negativ auf die Dämpfung aus. Je breiter der Kern desto schlimmer sind die Auswirkungen eines Spaltes. Damit ein sauberer Kontakt zwischen den Ferrulen entsteht, sind diese auf einer Feder gelagert, sodass beide Ferrulen aufeinander gepresst werden. In einer so genannten PC-Verbindung (Physical Contact) können Rückreflexionen von ca. -40dB erreicht werden. Dies reduziert das Rauschen, welches durch die Rückstrahlung erzeugt wird. In einer nicht PC Verbindung entsteht an der Schnittfläche ein Luftspalt, der Rückreflexionen in der Größenordnung von -14dB erzeugen würde (etwa 4%). Eine Weiterentwicklung der PC-Verbindung ist die APC-Verbindung (Angled PC), bei der die Schnittfläche zusätzlich zur Rundung um 8° angewinkelt ist. Durch diesen Aufbau wird von der Kontaktendfläche zurückreflektiertes Licht aus dem Kern über das Mantelglas in die Luft hinaus gebrochen. So beträgt die Rückreflexion hier nur noch -70dB.
Allgemeine Eigenschaften von LWLs
Es gibt viele Gründe LWL zu verwenden. Einer der gravierenden Unterschiede zu Kupferkabeln ist die bei LWL von Natur aus vorhandene Störsicherheit, d.h. es ist keine Abschirmung mehr nötig. So sind auch LWL-Stecker unempfindlich gegen magnetische/elektrische bzw. elektromagnetische Felder. Dagegen kann die Abschirmung eines Kupfersteckers nie zu 100% gewährleistet werden. Besonders wichtig wird dies in der Nähe von elektrischen Maschinen und Hochspannungsanlagen (Gleich- oder Wechselstrom) oder bei Blitzeinfall. Außerdem kann es auch keine Signaleinstreuung auf benachbarte Fasern geben.
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Durch die hohe Störsicherheit, die geringe Streckendämpfung und hohe Bandbreite der LWLs kann ein hohes Strecke/ Übertragungsrateverhältnis erreicht werden. Eine andere günstige Eigenschaft von LWL ist das nicht leitende Übertragungsmedium (Dielektrikum). Zum Beispiel wirkt es als Blitzschutz bzw. braucht man kein zusätzliches Potentialausgleichskabel zwischen zwei entfernten Anlagen oder Gebäuden. Außerdem ist es geeignet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umfeldern (Chemie-, Bergbau-, Gas-, Holzindustrie), da keine Funkenbildung entstehen kann.
Weitere nicht zu unterschätzende, materialbedingte und mechanische Vorteile sind z.B., dass LWLs dünn, leicht und hochflexibel sind. Der Platzbedarf im Kabelkanal wird reduziert. Immer wichtiger wird in industriellen Netzwerken auch die bei LWL vorhandene hohe Abhörsicherheit.
Ausblick
Der Trend zu Fiber Optik in industriellen Anwendungen wird in jüngster Zeit durch das hohe Interesse in den einschlägigen Arbeitskreisen von PROFInet, IAONA, ODVA und anderen Organisationen bestätigt. Diese haben auch bereits eigene „Planning and Installation Guides" erarbeitet, die dem Anwender zusätzliche Hilfe bei der Einführung von Fiber Optik geben können.
Technische Daten des microFX Steckverbinders:
• Geeignet für Fast-Ethernet (100Mbit/s)
• Geeignet für multimode, singlemode, POF und HCS Lichtleiter
• Geringe Einfügedämpfung (< 0,3dB)
• Hohe mechanische Beständigkeit (100 Steckzyklen)
• Niedriger elektrischer Kontaktwiderstand (max.15mOhm)
• Stromstärke 4A
• Spannung: Steckverbinder: 250VAC/DC -Transceiver: 60VDC
• Temperaturbereich: -25 °C bis +85°C
• Schutzart: IP 67
• Feuerbeständigkeit: UL94V0
microFX bietet eine einfache Umsetzung der Fiberoptik Technologie in die Praxis
MicroFX ist ein M12 Komplettsystem bestehend aus Steckverbinder, Transceiver und 2 Adaptern, welches auf die Bitübertragungsschicht als Lösung für Fast-Ethernet (100BaseFX) direkt eingesetzt werden kann. Als LWL wird ein 62,5/125µm Kabel verwendet.
a) Verbindungsadapter gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen: als freies Verbindungsstück, um zwei lose LWL-Kabel miteinander zu verbinden oder als Wanddurchführung z.B. innerhalb eines Schaltschranks.
b) Der Transceiver bildet auf kompakte Weise die Schnittstelle zwischen elektrischen und optischen Signalen und ist für die Wellenlängen 650nm und 1300nm geeignet. Gleichzeitig überträgt er auch die (optionalen) Stromkontakte. Durch eine Zentralverschraubung an einer Trennwand befestigt, kann er auf der einen Seite direkt auf eine Platine gelötet werden und ist auf der anderen Seite mit einer IP67 microFX-Kupplung versehen. Das Interface ist angelehnt an IEC 61076-2-101 (M12 Standard).
c) Der microFX Steckverbinder ist mit bis zu zwei optischen und zwei elektrischen Kontakten frei konfigurierbar. Die Kontakte lassen sich auf einfache Weise einsetzen und herausnehmen. Durch eine Kodiermarkierung werden Fehler beim Anschluss vermieden. Die optischen Kontakte (Ferrulen) stellen sicher, dass kein Luftspalt in dem Berührungspunkt der Stirnflächen entstehen kann. Beim Übergang über einen Adapter entsteht so eine direkte Berührung der LWLs zweier microFX Steckverbinder. Die zwei (optionalen) elektrischen Kontakte können z.B. angeschlossene Geräte mit Strom versorgen, sodass auf eine separate Leitung verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere bei weit entfernten Anlagen von großem Vorteil. Durch verschiedene Dichtungsringe in Steckverbinder, Adapter und Transceiver wird der hohe IP67 Schutz gewährleistet, der auch Salzwasser-Sprühnebel standhält. Auch die neue Klassifizierung der Umweltbeständigkeit nach IEC24702 für rauen Betrieb ist anwendbar. Eine Zugentlastung sichert das Kabel vor starken Erschütterungen und Zugkräften. Ein weiteres anspruchvolles Kriterium ist der große Betriebstemperaturbereich von -25°C bis +85°C.
*„microFX" ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firmen SOURIAU, Hirschmann und Harting
Details erhalten Sie gerne bei:
Gerhard Strobl, DW 37
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