Vodiče jsou důležitou součástí elektrických rozvodů, ať již silových, nebo sdělovacích.
Vodič je elektrický prvek určený k přenášení výkonu, nebo informace. Představuje širší pojem než kabel.
Každý vodič má jádro a izolaci, které dohromady tvoří tzv. žílu. Podle toho, zda je izolace pevná, či ji tvoří pouze vzduch, můžeme vodiče dělit na izolované a holé.
Kabel se skládá z více žil, které mají ještě další společnou izolační vrstvu. Kabel pak může mít i více vrstev společné izolace, případně plášť, stínění, pancíř a další obaly.
b) Segmentové (sektorové) - jádra jednotlivých žil mají tvar kruhových výsečí pro lepší vyplnění prostoru kabelu, nevýhodou je nehomogenní pole, používá se výhradně v rozvodech nízkého napětí. Sektorové jádro je vidět též na obr. 8.3.
c) Trubkové - možnost chlazení.
d) Obdélníkové - hlavně pro holé vodiče a přípojnice.
e) Trolejové - vodič má charakteristický tvar, na bocích má drážky, které slouží k upevnění úchytů tak, aby držely drát dostatečně pevně a spolehlivě a přitom nezasahovaly do dráhy sběrače. Rozměry a zaúhlení nosné i sběrné části troleje se pak liší podle toho, z jakého materiálu je vyroben a pro jaké účely určen. Trolejový drát je též na obr. 8.9.
Obr. 8.1: Tvary jader vodičů
8.2.2 Provedení jádra
Dvě různá provedení jader vodičů ukazuje obr. 8.2.
a) Plné jádro - je tvořené kompaktním materiálem, používá se pro menší průřezy;
b) Složené jádro - průřez je tvořen jednotlivými lanky, což zaručuje snazší tvarování a značné omezení skinefektu.
Skinefekt - průchodem střídavého proudu vodičem se vytvoří ve vodiči střídavé magnetické pole, které indukuje ve vodiči vířivé proudy. Vířivé proudy vytvoří vlastní magnetické pole, které působí proti původnímu proudu vodičem. Proud ve vodiči je vytlačován k povrchu vodiče. Skinefekt zvyšuje odpor vodiče a v jeho důsledku dochází k nadměrnému zahřívání izolace, což by mohlo vést k průrazu. Skinefekt se zvyšuje s větší frekvencí, při frekvenci 50Hz je proud na povrchu vodiče přibližně o 1 % větší než uprostřed.
Jádra pro energetické vodiče jsou téměř vždy definována jejich odporem. Výsledný geometrický průřez závisí na měrné vodivosti materiálu vodiče.
Obr. 8.2: Provedení jader vodičů
8.2.3 Materiály pro jádra vodičů
Měď (Cu) - ρ = 0,0178 Ω·mm2·m-1 - nejčastěji používaný materiál pro vodiče všech průřezů. Podrobně o mědi pojednává kap. 4.4.
Hliník (Al) - ρ = 0,0285 Ω·mm2·m-1 - velmi často používaný spíše pro větší průřezy a pro lana AlFe. Podrobně o hliníku pojednává kap. 4.6. na obr. 8.3 je hliníkový kabel se sektorovým složeným jádrem.
Ocel (Fe) - ρ ≅ 0,15 Ω·mm2·m-1 - nosný vodič v lanech AlFe. Lana AlFe viz též kap. 8.4.1.
Stříbro (Ag) - ρ = 0,0163 Ωmm2·m-1. Více o stříbře v kap. 4.9.1.
Polyetylen HDPE (vysokohustotní) - teplotní odolnost 85ºC, pro vodiče nízkého napětí, případně vnější vrstvu izolace u kabelů vysokého, nebo velmi vysokého napětí.
Zesíťovaný polyetylen - XPE - pro vodiče vysokého, nebo velmi vysokého napětí. Obr. 8.4 ukazuje vodiče 110 kV s izolací ze zesíťovaného polyetylenu s jádry z mědi i hliníku.
Více o izolačních materiálech pro vodiče se lze dozvědět v kap. 6.7.
Obr. 8.3: Izolovaný čtyřžilový vodič s hliníkovým složeným jádrem a izolací PVC
Obr. 8.4: Vodiče 110 kV s izolací ze zesíťovaného polyetylenu
8.3.2 Kapalná izolace
Vodiče pro vinutí se izolují několika vrstvami laku (jedna vrstva mívá tloušťku asi 0,01 mm).
Celé vinutí transformátorů se pak často ukládá do transformátorového oleje, viz kap. 6.8.1.
Dříve se též kabely velmi vysokého a vysokého napětí ukládaly do izolačního oleje.
8.3.3 Plynná izolace
Jako plynná izolace vodičů slouží zejména vzduch u venkovního vedení (kap. 6.9.2). Mezi lany AlFe, která jsou umístěna na stožárech, není žádná jiná izolace.
V zapouzdřených rozvodnách se přípojnice a další vodivé části ukládají do pouzder, která jsou naplněna izolačním plynem SF6 (kap. 6.9.6).
8.4 Holé vodiče
8.4.1 Vodiče pro venkovní vedení
Vodiče pro venkovní vedení tvoří důležitou součást rozvodné soustavy. V současné době se vyrábějí v různých provedeních a tvarech. Jsou zkonstruované ze spirálovitých točivých drátů s kruhovým příčným řezem. Průřez vodiče pak obsahuje poměrně velké oblasti dutin. Pomocí drátů lichoběžníkového tvaru může být zkonstruován vodič se zvětšeným poměrem kovu vůči vzduchu. Další možnost je provedení vodiče mozaikou ve tvaru písmene „Z“, při kterém se zformované vodiče efektivně tisknou.
Tvarované vodiče mají větší hliníkovou část a tak nižší odpor než normální vodič kruhového průřezu se stejným vnějším průměrem. U vedení s vodiči z tvarovaných drátů bude váha vodičů větší a tím i mírně vyšší zatížení stožáru. Nebo je naopak možné dosáhnout menšího průřezu a tím i větrného namáhání při zachování stejných hodnot činného odporu vodiče. [1]
Obr. 8.5: Různé tvary venkovních vodičů
a) Lana AlFe
Mezinárodní označení je ACSR (Aluminium Conductor Steel Reinforced).
Lano je složeno z ocelového nosného drátu uprostřed a z hliníkových drátů slaněných okolo, viz obr. 8.6.
Ocelová duše mívá následující počet drátů: 1, 1+6, 3+9.
Počet hliníkových drátů pak může být: 6, 11+17, 10+16, 12+18.
Nejčastěji používaná jsou lana AlFe6, kde je poměr hliníku ku železu = 6:1.
Lana AlFe3 se používají v oblastech s velkou námrazou, protože mají vyšší přetížitelnost.
Lana AlFe přenášejí všechny druhy napětí, tedy ne jen napětí „vysoké“, jak se domnívá řada laiků.
Pro zvlášť vysoké a vyšší napětí se používají tzv. svazkové vodiče, které jsou tvořeny několika spojenými lany AlFe (jako by měl vodič větší průřez). Toto provedení slouží k omezení skinefektu a snížení ztrát koronou. Při výpočtech takového vedení se uvažuje tzv. ekvivalentní průměr lana. V ČR se používají svazky se třemi lany AlFe pro jednu fázi (viz obr. 8.7), uspořádání se čtyřmi lany se používá např. v SRN a Španělsku, se dvěma lany je venkovní vedení k vidění např. v Chorvatsku.
Lana AlFe se vyrábějí slaňováním hliníkových drátů o určitém průřezu kolem ocelového nosného vodiče.
Obr. 8.6: Lana AlFe
Obr. 8.7: Svazkové vodiče AlFe - 3 lana pro 1 fázi
b)
Celohliníkové vodiče
Mezi celohliníkové vodiče patří vodič AAC (All Aluminium Conductor) a AAAC (All Aluminium AlloyConductor).
Vodiče jsou vyrobeny ze slitiny tepelně ošetřeného hliníku, hořčíku a křemíku.
Celohliníkové vodiče mají vyšší pevnost než lana AlFe a dobrou ochranu proti korozi, protože nepřítomnost ocelového jádra odstraňuje možnost vzniku galvanické koroze, k níž může docházet u klasických lan AlFe. Ke korozi ale může docházet např. v pobřežních oblastech, kde je běžnou praxí u vodičů AAAC používat mazivo, aby se zabránilo korozi způsobené mořskou solí. [1]
c)
Vodiče ze zesílené hliníkové slitiny
Tyto vodiče se označují jako ACAR (Aluminium Conductor Alloy Reinforced). Jsou zde kombinovány prvky vyrobené z hliníkové slitiny (obvykle stejné jako pro AAAC) a elektrovodného hliníku. Tím lze získat vlastnosti, které mají být optimalizovány pro konkrétní aplikace.
Zvýšením množství použitého elektrovodného hliníku se zvýší vodivost vodiče, na úkor pevnosti. Stejně tak, pokud se zvyšuje počet drátů ze slitiny, zvyšuje se i mechanická pevnost vodiče na úkor vodivosti. [1]
8.4.2 Přípojnice
Přípojnice slouží k přivedení výkonu v rozvodně, nebo rozvaděči. Nejčastěji se provádějí z mědi nebo hliníku jako pásové vodiče (obdélníkový průřez). Někdy se používají i lana AlFe. Na obr. 8.7 jsou vidět hliníkové přípojnice natřené oranžovou barvou v rozpojovací instalační skříni (RIS).
Obr. 8.8: Přípojnice v RIS
8.4.3 Trolejová vedení
Jako materiál k výrobě trolejového drátu se obvykle používá vysokopevnostní měď, nebo tzv. trolejový bronz, což jsou slitiny mědi se stříbrem, kadmiem, hořčíkem či cínem ke zvýšení pevnosti. Trolejový vodič s jeho charakteristickým tvarem je vidět na obr. 8.8.
Obr. 8.9: Trolejový vodič s charakteristickým tvarem průřezu
8.5 Izolované vodiče
Izolovaný vodič vždy tvoří vždy jádro (kap. 8.2.3) a pevná vrstva izolace (kap. 8.3.1). Někdy je izolačních vrstev více.
8.5.1 Požadavky na materiál izolace
Vysoký měrný odpor, malá elektrická vodivost;
Velká teplotní odolnost;
Vysoká elektrická pevnost;
Dobré mechanické vlastnosti (pevnost, ohebnost dle místních požadavků
apod.);
Odolnost proti vlhkosti a dalším chemickým vlivům.
Používají se nejčastěji extrudované polymery, papír, sklo, minerální izolace,
smalt nebo kombinace těchto materiálů.
Více o izolačních materiálech pro vodiče je v kap. 6.7.6.
Tepelné třídy izolantů dle ČSN EN 60085 ed. 2 jsou uvedeny v kap. 6.5.7.
8.5.2 Rozdělení izolovaných vodičů
a) Silové vodiče
Silové vodiče se používají pro napájení elektrických zařízení a spotřebičů.
Můžeme je rozdělit na vodiče pro pevné uložení a pro pohyblivé uložení.
Izolaci tvoří obvykle několik vrstev, např. izolace každé žíly, vrstva výplně (guma nebo plastová páska), izolace společná, stínění, plášť, venkovní plášť, viz např. obr. 8.10. Podrobně jsou tyto vrstvy, jejich provedení a výroba rozebrány v kap. 8.6.
Pro větší průřezy se provádějí obvykle jádra složená, viz kap. 8.2.2.
Návrh správného typu a průřezu silového vodiče je klíčový z hlediska správné
funkce i bezpečnosti zařízení. Této problematice se věnuje e-kniha Elektroenergetika 1 zpracovaná též pro VOŠ a SPŠE F.
Křižíka.
Izolované vodiče pro pevné uložení (kabely)
Silové kabely se vyrábějí v průřezech od 1,5 mm2Cu a 2,5 mm2 Al až
do průřezu 300 mm2. Výrobce vždy udává v katalogu použité materiály všech vrstev, teplotní odolnost kabelu, jeho jmenovitou proudovou zatížitelnost
a další parametry, viz např. obr. 8.11 (Katalogový list vodiče 1–CYKCY
výrobce PRAKAB).
U kabelů pro vysoké a velmi vysoké napětí je izolačních vrstev několik
pro každou fázi zvlášť, viz obr. 8.12.
Obr. 8.10: Kabel nízkého napětí s několika vrstvami
Šňůry se používají pro připojení pohyblivých zařízení (některých strojů a domácích spotřebičů).
Vyrábějí se obvykle jako vícežilové. Jádra bývají složená z lakovaných
drátků menšího průřezu z mědi nebo hliníku, aby byla zajištěna dobrá ohebnost.
Izolační obal žil i plášť bývají nejčastěji z pryže nebo PVC. Příklad katalogového
listu pro lehké a střední šňůry je na obr. 8.13.
Podle mechanické odolnosti dělíme šňůry na:
Lehké, které se používají pro napájení drobných domácích spotřebičů a malých
strojů. Snesou určité mechanické namáhání a neměly by ležet na zemi ani
ve vodě.
Střední šňůry pro střední namáhání mohou ležet na zemi a krátkodobě i ve vodě. Používají
se v průmyslu stejně jako šňůry těžké.
Těžké šňůry jsou určené pro těžší mechanické namáhání, mohou ležet na zemi i ve vodě.
Používají se v průmyslových provozech.
Obr. 8.13: Katalogový list pro lehké a střední šňůry (Draka kabely)
b) Sdělovací vodiče
Sdělovací vodiče jsou určené k přenosu dat a informací. Dva vodiče tvoří
vždy pár, dva páry se označují jako čtyřka.
Vzhledem k tomu, že tyto vodiče přenášejí pouze malé výkony (až 10-6 W), lze je provádět v malých průřezech. Na rozdíl od silových
kabelů je u kabelů sdělovacích v názvosloví uváděn průměr jádra, nikoliv průřez.
Využití kabelů souvisí s přenášenou frekvencí (může být až 108 Hz), čím je vyšší,
tím jsou větší požadavky na podélnou elektrickou homogenitu jednotlivých
přenosových prvků. Stejně rostou tyto požadavky v souvislosti s požadavky
na délku kabelové trasy. [5]
Nejběžnějším typem sdělovacích kabelů pro přenos signálu je tzv. kroucená dvojlinka. V kabelu jsou žíly stáčeny do definovaně
kroucených párů, ze kterých je potom stáčena duše kabelu, viz např. obr. 8.14, kde je sdělovací kabel JCXFE-V 2x2x0,8 s následující konstrukcí:
1 - Holý, plný měděný vodič průměr 0,5 nebo 0,8 mm
2 - Izolace žil z bezhalogenové směsi, značení žil dle ČSN IEC 189-2,
žíly stočeny do párů
3 - Ovin žil ochrannou fólií
4 - Stínění laminovanou hliníkovou fólií, příložný drát
5 - Vnější plášť z bezhalogenového polymeru, hnědý.
Obr. 8.14: Kabel JCXFE-V 2x2x0,8
Dalším často používaným typem sdělovacího vodiče je koaxiální kabel, viz obr. 8.15. Jedná se o souosý kabel
s vnitřním jádrem a stíněním. Vnitřní jádro bývá z mědi, stínění buď též
z mědi, nebo z hliníku.
Obr. 8.15: Koaxiální vodič
8.6 Výroba kabelů
Výroba kabelů a dalších vodičů je poměrně náročná. Je při ní potřeba dodržet
předepsanou kvalitu jak vodivých, tak izolačních materiálů. Výsledné vodiče
mají mít parametry dané normami a dalšími předpisy.
Nejprve se vyrábí drát z elektrovodného materiálu (Cu, nebo Al). Kov se
nejprve válcuje a pak táhne v tažičkách pro zmenšení průměru. V katalozích
jsou uvedeny normalizované hodnoty průřezů jádra, ale skutečná hodnota
se může mírně lišit. Určujícím faktorem je elektrický odpor drátu, který
se kontroluje.
Pokud má být jádro složené, provádí se lanování jednotlivých drátů.
Potom se na jádro nanáší izolace žíly. Proces probíhá v tzv. extrudérech (vytlačovacích
strojích), kde se za vysoké teploty nanese na jádro pod vysokým tlakem
roztavený plast. V extrudéru jsou plasty buď probarvovány podle norem přímo
do směsi, která se stříká na jádro, nebo se žíla barví pomocí koextrudéru
se speciální extruzní hlavou metodou tzv. přístřiku, kdy se na hotovou
bezbarvou izolaci nastříká tenká vrstva probarvené směsi.
Dále se žíly stáčejí do svazku a vytváří se duše kabelu. Někdy se přidává výplňový materiál pro vyplnění
prostoru mezi žílami. Kabelová duše se též obvykle omotává páskami, aby
dobře držela tvar.
Někdy se přidává tzv. silikagel, který chrání vodič proti vodě.
Dle požadavků zákazníka se může provádět stínění opletením měděnými pocínovanými drátky, případně
ovinutí pozinkovanými železnými drátky pro mechanickou ochranu.
Někdy se vytváří pancíř z podélně vpouštěných hliníkových
nebo železných pozinkovaných drátů ovinutých železnou pozinkovanou páskou.
Stínění páskou a oplety bývají doplněny kontinuálním vodičem pro napojení.
[5]
Nakonec se nanáší společná vrstva izolace - kabelový plášť.
V této kapitole si lze prohlédnout prezentaci, která ukazuje výrobu kabelů od počátečního
kovu až ke konečnému několikažilovému izolovanému vodiči. Prezentaci pro
tuto publikaci laskavě zapůjčila naší škole firma PRAKAB,
která vyrábí silové i sdělovací vodiče pro český i zahraniční trh.
V současné době se u nás používají dva systémy značení vodičů a kabelů.
8.7.1 České starší značení
Na prvním místě se udává napěťová hladina v kilovoltech (např. 1 - znamená,
že vodič je určený pro napětí do 1 kV, tedy pro nízké napětí, 22 - by bylo
u vodiče pro 22 kV apod.).
1. písmeno - materiál jader
A = hliník
C = měď
2. písmeno - materiál izolace žíly
Y = PVC
G = pryž
E = polyetylén
XE = zesíťovaný polyetylén
3. písmeno - druh vodiče
K = kabel pro pevné uložení
L = lehká šňůra (pro pohyblivé uložení)
S = střední šňůra
T = těžká šňůra
V = vodič pro vysoké napětí (3 nebo 6 kV)
4. písmeno - společná izolace - stejné značení jako u 2. písmena
Další písmena pak mohou popisovat další vrstvy, jako pancíř, plášť, stínění
apod.
Pak následuje číslo udávající počet žil.
Písmeno udávající barevnou kombinaci žil:
J = vodič se zeleno-žlutou žílou pro pevné uložení
G = vodič se zeleno-žlutou žílou pro pohyblivé uložení
Průřez jedné žíly
Příklad: 1-CYKY 3Jx2,5 znamená: vodič pro nízké napětí, materiál
jádra měď, izolace žíly PVC, jedná se o kabel pro pevné uložení, společná
izolace je PVC, 3 žíly, barevná kombinace: černá, světle modrá, kombinace
zelená se žlutou, průřez 2,5 mm2.
Značení lan AlFe: nejprve se uvádí průřez, pak typ lana, např. 120AlFe6 znamená,
že se jedná o lano AlFe6 s průřezem hliníkového vodiče 120 mm2.
8.7.2 Evropské značení
Označení dle tohoto systému má devět pozic, přičemž mezi V. a VI. pozicí
je pomlčka:
I II III IV V - VI VII VIII IX
I - označení předpisu
H = harmonizovaný předpis
A = uznávaný národní typ
II - jmenovité napětí
03 - 300/300 V
05 - 300/500 V
07 - 300/750 V
1 - 0,6/1 kV
3 - 1,7/3 kV
6 - 3,6/6 kV
10 - 6/10 kV
III - izolace žíly
V = PVC
B = pryž
E = polyetylén
R = chloroprénový kaučuk
S = silikonový kaučuk
IV - materiál pláště - stejná písmena a významy jako u III
V - vlastnosti pro montáž
V = kulaté vedení
H = ploché rozdělitelné vedení
H2 = ploché nerozdělitelné vedení
VI - druh vodiče
první část znaku: bez značky = měď
A = hliník
Z = speciální materiál
druhá, případně třetí část znaku:
U - jeden drát, kruhový
R - vícedrátový, kruhový
S - sektorová slaněná jádra
K - z tenkých drátů pro pevné uložení (kabel)
F - z tenkých drátů pro pohyblivé uložení (šňůra)
H - velmi ohebný vodič (z jemných drátků)
R - vícedrátový
VII - počet žil
VIII - ochranný vodič
X = bez ochranného vodiče
G = s ochranným vodičem
IX - průřez vodiče
Příklad: H05 VVH - F3G2,5 znamená: vodič dle harmonizovaného
předpisu, pro napětí
do 300/500 V, izolace žíly PVC, společná izolace PVC, ploché rozdělitelné
vedení, měděné jádro, z tenkých drátů pro pohyblivé uložení (šňůra), 3
žíly, má ochranný vodič,
průřez 2,5 mm2.
8.7.3 Označování vodičů písmeny a barvami
Pro barevné značení vodičů platí norma ČSN 33 0166, ed. 2: 2002, výběr
z této normy viz tab. 8.1.
Na obr. 8.8 si lze prohlédnout názorný příklad označení vodičů barvami:
holé přípojnice natřené oranžovou barvou,
izolované vodiče:
barvy fázových vodičů (černá, hnědá, šedá),
vodič PEN (kombinace zelená se žlutou).
Vodič
Označení písmenem
Barva
Fázový vodič AC - holý
L1, L2, L3
Oranžová
Fázový vodič AC - izolovaný
U, V, W
Černá, hnědá, šedá
Střední vodič
N
Světle modrá
Ochranný vodič
PE
Kombinace zelená se žlutou
DC - kladný pól
L+
Tmavočervená
DC - záporný pól
L-
Tmavomodrá
Vodič PEN
PEN
Kombinace zelená se žlutou
Tab. 8.1: Barevné značení vodičů
8.8 Optické vodiče
8.8.1 Základní pojmy
Světlo je elektromagnetický vlnový děj, který se popisuje stejnými teoretickými principy, jakými se řídí všechny
druhy elektromagnetického záření. Toto záření se šíří ve tvaru dvou navzájem
vázaných vektorových polí, tj. elektrického a magnetického pole. Obě pole
jsou vektorové funkce polohy a času.
Různé složky elektrického a magnetického pole se šíří v daném prostředí
ve formě vln o rychlosti
\nu=\frac{c}{n} (ms-1),
c ... rychlost světla ve vakuu, n ... index lomu prostředí.
Základní zapojení optického spoje je vidět na obr. 8.16.
Optický zdroj vydává světelné záření.
Obvody zpracování signálu převádějí signál na formu vhodnou pro přenos, jsou to např. zařízení
pro sdružování telefonních signálů, zařízení pro kódování signálu apod.
Pomocí
modulátoru je informace namodulována na nosný světelný paprsek.
Vysílací a přijímací optický systém převádí optický signál s co nejmenšími ztrátami z vysílače do optického
prostředí a na přijímací straně na fotodetektor.
Fotodetektor přeměňuje optický signál v přijímači zpět na elektrický. Používají se
následující materiály: Si, Ge, InGaAs. Jako detektory se používají PIN fotodioda (PN
přechod + vrstva vlastního polovodiče mezi tím), nebo lavinová fotodioda APD,
která má vysokou citlivost. Elektrický signál je následnými obvody zesílen,
případně dekódován do původní formy.
Optické prostředí je prostředí propustné pro optické záření, též se označuje jako optická trasa.
Obr. 8.16: Základní zapojení optického spoje (dle [6])
8.8.2 Výhody optických kabelů
Na signál nemá vliv elektromagnetické rušení;
Vysoká přenosová kapacita a rychlost;
Malé rozměry, nízká hmotnost v porovnání s kovovými vodiči;
Vysoká spolehlivost;
Snadno dostupný materiál (sklo, nebo plast).
8.8.3 Optické zdroje
Jako optický zdroj se využívá buď laser, nebo LED.
Laserová dioda – LD (Laser Diode) – využívá stimulovanou emisi optického záření a
optický rezonátor. Princip laseru si lze prohlédnout ve videu 8.1. Vyzářené
fotony jsou téměř stejné, takže vzniká úzký paprsek (úhel
méně než 10°), který lze dobře navázat do SMF vlákna
(jednovidové). Lasery se vyrábějí na bázi sloučenin Al-Ga-As, Ga-As, nebo
např. sulfidu kademnatého. Laser CdS vydává při pokojové teplotě zelené
světlo o vysokém impulzním výkonu. [9]
Luminiscenční dioda – LED (Light Emitting Diode) – využívá spontánní emisi optického záření.
Fyzikální princip luminiscenční diody je založen na rekombinaci elektronu
s dírou. Injekcí většinových nosičů do polovodiče opačné vodivosti při
přiložení napětí na PN přechod v propustném směru dochází k rekombinaci
páru elektron-díra, přitom dojde k uvolnění určitého kvanta energie o jisté
vlnové délce, které se může buď vyzářit mimo krystal, nebo může být absorbováno
v mřížce, což se projeví zvýšením teploty krystalu. Protože každý vyzářený
foton je trochu jiný, vzniká širokospektrální záření (10 nm – 100 nm) a
tedy vzniká rozbíhavý paprsek záření (úhel až přes 100°).
Používá se spíše pro menší přenosové rychlosti a výkony u klasických systémů
s MMF vlákny (mnohovidová). Barva vyzařovaného
světla závisí na použitých materiálech.
Video 8.1: Princip laseru
8.8.4 Princip přenosu světla optickým vláknem
Využívá se tzv. vlnovodový efekt, kdy se světlo úplně odráží na rozhraní, za kterým je menší index lomu.
Pokud je úhel menší než mezní, všechny paprsky zůstanou v jádře, viz obr.
8.17. Šíření světelného záření optickým vláknem je též pěkně vidět ve videu 8.2.
Obr. 8.17: Princip šíření světla optickým vláken
Pro dodržení podmínky, že index lomu obalu má být větší než index lomu
pláště, se obvykle používají materiály s následujícími hodnotami:
n1 = 1,48; n2 = 1,46.
Video 8.2: Šíření světla optickým vláknem
8.8.5 Parametry optických vláken
Běžné optické vlákno se skládá ze tří základních částí:
Jádro (core) - je určené pro vlastní přenos dat.
Průměr jádra závisí na typu vlákna. Obvyklé rozměry jádra jsou 9; 50 a
62,5 mikrometrů.
Plášť (cladding), který chrání a zpevňuje jádro.
Spolu s jádrem mívá průměr 125 µm.
Primární ochrana (buffer) - vrstva z vytvrditelné pryskyřice,
která slouží k prvotní ochraně optického vlákna od nepříznivých účinků
okolního prostředí a zajišťuje, že se dá vlákno ohýbat. Spolu s jádrem
a pláštěm má obvykle průměr 250 µm. Nanáší se na vlákno přímo v procesu
výroby.
Pak obvykle následuje sekundární ochrana tvořená z plastických hmot zvyšující
průměr na 900 µm.
Na tuto vrstvu pak dále navazují další vrstvy, které vlákno chrání zejména
proti mechanickému namáhání, případně chemickému působení okolí.
Energie se vláknem šíří ve formě vidu, neboli módu, což jsou fyzikálně dovolené
konfigurace elektromagnetického pole. Pro přenos na dlouhé vzdálenosti
jsou nejvýhodnější vlákna jednovidová, na kratší vzdálenosti se používají
vlákna mnohovidová. Podrobněji viz kap. 8.8.6.
Počet šířících se vidů závisí na:
průměru jádra vlákna - čím menší průměr ⇒ tím méně vidů;
vlnové délce záření - čím delší λ ⇒ tím méně vidů;
zpravidla platí: čím méně vidů ⇒ tím lepší přenosové vlastnosti (útlum,
přenosová rychlost).
Důležitou veličinou každého optického vlákna je jeho numerická apertura, kterou lze určit následovně:
NA=sin\frac{\alpha}{2}=\sqrt{n_1^2-n_2^2}
n1 ... index lomu jádra,
n2 ... index lomu pláště.
Numerická apertura určuje schopnost navázání záření do vlákna.
Dalším významným parametrem všech vláken, kromě zmíněné numerické apertury
je jeho optický útlum. Ten se udává v jednotkách decibely na kilometr (dB/km)
a je definován jako:
\frac{dB}{km} = 100log \frac{I_0}{I}
I0 ... intenzita vstupujícího záření,
I ... intenzita výstupního záření po průchodu jedním kilometrem vlákna.
V praxi při udávání této číselné hodnoty je zapotřebí připojit, pro jakou vlnovou délku platí. Tak například u vlákna
majícího útlum 50 dB/km se výstupní intenzita po proběhnutí 1 km sníží
na stotisícinu původní hodnoty, ale u vlákna o útlumu 5 dB/km se výstupní
intenzita sníží pouze na jednu třetinu. Útlum ovlivňuje též čistota vlákna.
Pro lepší představu útlumu optických vláken lze uvést, že okenní sklo má
útlum 50 000 dB/km, hustá mlha asi 500 dB/km.
8.8.6 Rozdělení optických vláken z hlediska vidů
a)
Jednovidová – SMF (Single Mode Fiber) – malým
průměrem vlákna a malým rozdílem v indexech lomu jádra a pláště je dosaženo
toho, že se vláknem šíří pouze jeden vid.
Dosahuje se větší rychlosti šíření signálu, proto se používají pro velké
vzdálenosti a velké přenosové rychlosti.
b)
Mnohovidová – MMF (Multi Mode Fiber) – vláknem
se šíří stovky až tisíce vidů.
Jádro je širší než u vláken SMF.
Používané vlnové délky: 850 nm (útlum 2,5 - 3,0 dB/km),
1300 nm (útlum 0,50 - 0,1 dB/km).
Typické rozměry: 50/125; 62,5/125 µm.
Zdroj optického záření: LED.
Šíření světla vlákny SMF a MMF je naznačeno na obr. 8.18.
Obr. 8.18: Šíření světla vlákny SMF a MMF
8.8.7 Plastová optická vlákna
Plastové optické vlákno se označuje POF (Plastic Optic Fiber). Jeho jádro i plášť
jsou z plastu.
Vyrábějí se jako mnohovidová z termoplastu polymetylmetakrylátu (PMMA).
Obvyklé rozměry POF jsou na obr. 8.19.
Typické geometrické parametry:
průměr jádra 0,98 mm,
průměr pláště 1 mm,
kabelová ochrana – průměr 2,2 mm.
Typické přenosové parametry:
útlum do 50 dB/km,
přenosová rychlost 101 - 102 Gbit/s na 100 m
Použití:
audio/video, počítačová technika,
senzory.
Porovnání plastových a skleněných vláken je v tab. 8.2.
Obr. 8.19: Plastové optické vlákno
8.8.8 Skleněná vlákna
Mají skleněné jádro i plášť (SiO2).
Vyrábějí se jako SMF i MMF.
Jednovidová:
průměr jádra bývá 8 - 9 µm,
průměr pláště 125 µm,
primární ochrana 250 µm.
vlnové délky 1310 (útlum 0,33 dB/km) a 1550 nm (útlum 0,20 dB/km).
Mnohovidová:
průměr jádra 50 a 62,5 µm,
průměr pláště 125 µm,
primární ochrana 250 µm,
vlnové délky 850 nm (útlum 0,33 dB/km) a 1300 nm (útlum 0,20 dB/km).
Vlákna
skleněná
POF
MMF
SMF
MMF
λ (nm)
850
1 300
1 310
1 550
650 /850
Útlum (dB/km)
2,5 - 3,0
0,5 - 1,0
0,33
0,20
50
Typické rozměry
50/125 µm
62,5/125 µm
9/125 µm
0,9/1 mm
Tab. 8.2: Typické parametry různých druhů optických vláken (dle [10])
8.8.9 Výroba skleněných optických vláken
Nejprve je potřeba připravit tzv. preformu pro jádro. Materiál musí být velmi kvalitní,
čistý a kompaktní. Používá se metoda MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition).
Sklo vzniká při tomto postupu spékáním vloček, které se tvoří spalováním
chloridu křemičitého. Tento proces ukazuje obr. 8.20. [8] Preforma má tvar
tyčky o průměru několika centimetrů.
Tažení vlákna se provádí v tažičce, přitom se zároveň nanáší i plášť a ochranná
vrstva. Postup je znázorněn na obr. 8.21.
Lze použít dvě metody:
a) Metoda dvojího kelímku - vlákno je vyráběno ze dvou koncentrických kelímků, v jednom je roztavený materiál jádra a ve druhém je materiál pláště.
b) Metoda „tyčka v tyčce” - vlákno je vyráběno natavením tyčky materiálu jádra zaseknutého v trubce z materiálu pláště.
Obr. 8.20: Výroba prefomy [8]
Obr. 8.21: Tažení optického vlákna [8]
8.8.10 Vedení optických kabelů
Obvykle se sdružuje větší množství vláken v jednom optickém kabelu. Optický
kabel pak může být buď veden samostatně, nebo jako součást jiných vodičů.
Samostatný optický kabel - obvykle se zafukuje do ochranných trubek.
V současnosti se již např. při stavbě RIS připravují trubky na optický kabel, viz obr. 8.8, kde je vidět takováto trubka vedoucí po vnitřních stranách skříně.
Světelný vodič umístěný ve stínění silového kabelu – do měděného stínění se umísťují světelné vodiče, lze je pak využít
k přenosu dat i měření teploty vodiče.
Optický vodič je umístěn ve fázovém lanu AlFe, nebo zemnícím lanu na stožárech venkovního vedení,
viz obr. 8.22. Takto je možné vést bez problémů optické sítě na dlouhé
vzdálenosti již připravenou cestou.
Světelný vodič v jádru silového kabelu - mezi lanky jádra silového kabelu se umístí optický vodič. Problémem
jsou zde ovšem koncovky a spojky.
Obr. 8.22: Kombinované zemnící lano s optickým vodičem
[1] TLUSTÝ J., KYNCL J, MUSIL L., ŠPETLÍK J., ŠVEC J., HAMOUZ P., MULLER M., MULLER Z. Monitorování, řízení a chránění elektrizačních soustav. Praha ČVUT 2011. 256 stran. ISBN 978-80-01-04940-2
[2] Základy kabelářské techniky. Prezentace PRAKAB. Vzdělávací dokument pro SKB-GROUP.
[3] MALÝ Z., SIMERSKÝ M. Elektrotechnologie Elektrotechnické materiály. Praha: SNTL 1980. 340 stran.
[4] WASYLUK R. Elektrotechnologie pro školu a praxi. Praha: Scientia, s.r.o., 2004. 366 stran. ISBN 80-7183-306-1
Obr. 8.20
MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition) [obrázek]. In: Vláknové lasery a nelineární optika. Laboratoř nelineární vláknové optiky. Laboratoř optických vláken. Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR.
Obr. 8.21
Tažení vláken [obrázek]. In: Vláknové lasery a nelineární optika. Laboratoř nelineární vláknové optiky. Laboratoř optických vláken. Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR.
