فیبر نوری چیست و چگونه کار می‌کند؟

هرجا که صحبت از سیستم های جدید مخابراتی، سیستم های تلویزیون کابلی و اینترنت باشد، در مورد فیبر نوری هم چیزهایی می‌شنوید.

فیبرنوری چیست؟

فیبرهای نوری رشته های بلند و نازکی از شیشه بسیار خالصند که ضخامتی در حدود قطر موی انسان دارند. آنها در بسته هایی بنام کابل‌های نوری کنار هم قرار داده می‌شوند و برای انتقال سیگنال‌های نوری در فواصل دور مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنها همچنین برای عکسبرداری پزشکی و معاینه های فنی در مهندسی مکانیک استفاده می‌شود. 

اگر با دقت به یک رشته فیبر نوری نگاه کنید، می بینید که از قسمت‌های زیر ساخته شده :

• هسته _ هسته بخش مرکزی فیبر است که از شیشه ساخته شده و نور در این قسمت سیر می‌کند.     

• لایه روکش _ واسطه شفافی که هسته مرکزی فیبر نوری را احاطه می‌کند وباعث انعکاس نور به داخل هسته می‌شود.

• روکش محافظ _ روکشی پلاستیکی که فیبر نوری در برابر رطوبت و آسیب دیدن محافظت می‌کند.

صدها یا هزاران عدد از این رشته های فیبر نوری بصورت بسته ای در کنار هم قرار داده می‌شوند که به آن کابل نوری گویند. این دسته از رشته های فیبر نوری با یک پوشش خارجی موسوم به ژاکت یا غلاف محافظت می‌شوند.

فیبرهای نوری دو نوعند :

1. فیبرهای نوری تک وجهی: این نوع از فیبرها، هسته های کوچکی دارند ( قطری در حدود inch (4-) 10x 5/3    یا   9 میکرون ) و می‌توانند نور لیزر مادون قرمز ( با طول موج 1300 تا 1550 نانومتر ) را درون خود هدایت کنند.

2. فیبرهای نوری چند وجهی: این نوع از فیبرها هسته های بزرگتری دارند ( قطری در حدود inch (3-) 10x 5/2   یا  5/62  میکرون ) و نور مادون قرمز گسیل شده از دیودهای نوری موسوم به LED   ها را ( با طول موج 850 تا 1300 نانومتر ) درون خود هدایت می‌کنند.

برخی از فیبرهای نوری از پلاستیک ساخته می‌شوند. این فیبرها هسته بزرگی ( با قطر 4 صدم inch   یا یک میلیمتر ) دارند و نور مرئی قرمزی را که از LED   ها گسیل می‌شود ( و طول موجی برابر با 650 نانومتر دارد ) هدایت می‌کنند.

بیایید ببینیم طرز کار فیبر نوری چیست.

یک فیبر نوری چگونه نور را هدایت می‌کند؟

فرض کنید می‌خواهید یک باریکه نور را بطور مستقیم و در امتداد یک کریدور بتابانید. نور براحتی در خطوط راست سیر می‌کند و مشکلی ازین جهت نیست. حال اگر کریدور مستقیم نباشد و در طول خود خمیدگی داشته باشد چگونه نور را به انتهای آن می‌رسانید؟

برای این منظور می‌توانید از یک آینه استفاده کنید که در محل خمیدگی راهرو قرار می‌گیرد و نور را در جهت مناسب منحرف می‌کند. اگر راهرو خیلی پیچ در پیچ باشد و خمهای زیادی داشته باشد چه؟ می‌توانید دیوارها را با آینه بپوشانید و نور را به دام بیندازید بطوریکه در طول راهرو از یک گوشه به گوشه دیگر بپرد. این دقیقا همان چیزی است که در یک فیبرنوری اتفاق می افتد.

نور در یک کابل فیبرنوری، بر اساس قاعده ای موسوم به بازتابش داخلی، مرتبا بوسیله دیواره آینه پوش لایه ای که هسته را فراگرفته، به این سو و آن سو پرش می‌کند و در طول هسته پیش می‌رود.

از آنجا که لایه آینه پوش اطراف هسته هیچ نوری را جذب نمی‌کند، موج نور می‌تواند فواصل طولانی را طی کند. به هر حال، برخی از سیگنال‌های نوری در حین حرکت در طول فیبر، ضعیف می‌شوند که علت عمده آن وجود برخی ناخالصی‌ها داخل شیشه است. میزان ضعیف شدن سیگنال به درجه خلوص شیشه بکار رفته در داخل فیبر و نیز طول موج نوری که درون فیبر سیر می‌کند بستگی دارد.

سیستم ارتباط بوسیله فیبرنوری

برای پی بردن به اینکه فیبرهای نوری چگونه در سیستم های ارتباطی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اجازه دهید نگاهی بیاندازیم به فیلم یا سندی که مربوط به جنگ جهانی دوم است. دو کشتی نیروی دریایی را درنظر بگیرید که از کنار یکدیگر عبور می‌کنند و لازم است باهم ارتباط برقرار کنند درحالی که امکان استفاده از رادیو وجود ندارد و یا دریا طوفانی است. کاپیتان یکی از کشتی ها پیامی را برای یک ملوان که روی عرشه است می‌فرستد. ملوان آن پیام را به کد مورس ترجمه می‌کند و از نورافکنی ویژه که یک پنجره کرکره جلو آن است برای ارسال پیام به کشتی مقابل استفاده می‌‌نماید. ملوانی که در کشتی مقابل است این پیام مورس را می‌گیرد، ترجمه می‌کند و به کاپیتان می‌دهد. (ملوان کشتی دوم عکس عملی را انجام می‌دهد که ملوان کشتی اول انجام داد.)

حالا فرض کنید این دو کشتی هر یک در گوشه ای از اقیانوسند و هزاران مایل فاصله دارند و در فاصله بین آنها یک سیستم ارتباطی فیبرنوری وجود دارد.

سیستم‌های ارتباط بوسیله فیبرنوری، شامل این قسمت هاست:

• فرستنده: سیگنال‌های نور را تولید می‌کند و به رمز در می‌آورد.

• فیبرنوری: سیگنال‌های نور را تا فواصل دور هدایت می‌کند.

• تقویت کننده نوری: ممکن است برای تقویت سیگنال‌های نوری لازم باشد. (برای ارسال سیگنال به فواصل خیلی دور)

• گیرنده نوری: سیگنال‌های نور را دریافت و رمزگشائی می‌نماید.

فرستنده

نقش فرستنده شبیه ملوانی است که روی عرشه کشتی فرستنده پیام ایستاده و پیام را ارسال می‌کند. فرستنده ابزار تولید نور را در فواصل زمانی مناسب خاموش یا روشن می‌کند.

فرستنده درعمل به فیبر نوری متصل می‌شود و حتی ممکن است دارای لنزی برای متمرکز کردن نور به داخل فیبر هم باشد. قدرت اشعه لیزر بیش از LED‌   هاست اما با کم و زیاد شدن دما شدت نورشان تغییر می‌کند و گرانتر هم هستند. متداول‌ترین طول موج‌هایی که استفاده می‌شود عبارتند از: 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. (مادون قرمز و طول موج‌های نامرئی طیف).

تقویت کننده نوری

همانطور که قبلا هم به آن اشاره شد، نور حین عبور از فیبر ضعیف می‌شود. (مخصوصا در فواصل طولانی بیش از نیم مایل یا حدود یک کیلومتر مثلا در کابل‌های زیر دریا) بنابرین یک یا بیش از یک تقویت کننده نوری در طول کابل بسته می‌شوند تا نور ضعیف شده را تقویت کنند.

یک تقویت کننده نوری دارای فیبرهای نوری با پوشش ویژه ای است. نور ضعیف شده پس از ورود به این تقویت کننده تحت تاثیر این پوشش خاص و نیز نور لیزری که به این پوشش تابیده می‌شود تقویت می‌شود. ملکول‌های موجود در این پوشش ویژه با تابش لیزر به آنها، سیگنال نوری جدید و قوی تولید می‌کنند که مشخصات آن مشابه نور ورودی به تقویت کننده است. درواقع تقویت کننده نوری یک آمپلی فایر لیزری برای نور ورودی به آن است.

گیرنده نوری

گیرنده نوری مشابه ملوانی که روی عرشه کشتی گیرنده پیام بود عمل می‌کند. این گیرنده سیگنال‌های نوری ورودی را می‌گیرد، رمزگشائی می‌کند و سیگنال‌های الکتریکی مناسب را برای ارسال به کامپیوتر، تلویزیون یا تلفن کاربر تولید و به آنها ارسال می نماید. این گیرنده برای دریافت و آشکارسازی نور ورودی از فتوسل یا فتودیود استفاده می‌کند.

چگونه ترانزیستورهای معادل را انتخاب کنیم :

برای انتخاب ترانزیستور معادل و یا جانشین مناسب آن به مهمترین پارامترهای آن توجه کنید .
1 – ماکزیمم ولتاژ قابل تحمل EC
2 – ماکزیمم جریان گذر از EC
3 – توان ترانزیستور
4 – ضریب تقویت ترانزیستور
5 – فرکانس قطع ترانزیستور

نکات فوق الذکر در اکثر موارد باید مورد توجه باشد . اگر یک ترانزیستور خروجی هریزنتال و یا یک ترانزیستور سویچینگ تغذیه را انتخاب می کنیم تمام موارد فوق حتی به اضافه ظرفیت خازنی بین BC   نیز باید مورد توجه قرار گیرد زیرا فرکانس کار هرچه بالاتر رود اهمیت ظرفیت خازنی ما بین پایه های ترانزیستور بیشتر می شود .
نکته مهمی که در انتخاب ترانزیستور های قدرت حائز اهمیت است مقدار جریان گذر از EC می باشد در این حالت انتخاب ترانزیستور جانشین باید به صورتی باشد که نه تنها تحمل جریان گذر را داشته باشد بلکه اندکی از ترانزیستور قبلی نیز بهتر بوده تا طول عمر بیشتری در مدار داشته باشد .
در انتخاب ترانزیستورهای طبقه هریزنتال علاوه بر توجه به جریان گذر اهمیت تحمل ولتاژ کار بالا بیشتر از ترانزستورهای سویچینگ است . زیرا همواره خروجیهای هریزنتال پیکهای ولتاژ بالاتر تولید می کنند . این بدان معنی نیست که در طبقه POWER SUPPLY یا منبع تغذیه ولتاژ کار ترانزیستور اهمیتی ندارد . به هر حال انتخاب ولتاژ کار با توجه به ماکزیمم دامنه پیکهای تولیدی اهمیت دارد . در ترانزیستورهای خروجی هریزنتال گاهی محدوده ولتاژ کار بالاتر از 1500V می باشد پس الزاماً باید ولتاژ کار این ترانزیستورها بالاتر از پیکهای تولیدی باشد تا تحمل کاردر این وضعیت را داشته باشد

چگونه ترانزیستور را تست کنیم ؟

ابتدا یک ترانزیستور سالم را بررسی می کنیم:
یک ترانزیستور یا مثبت (pnp) و یا منفی (npn) می باشد .
برای تشخیص تیپ ترانزیستور چندین روش وجود دارد .
تیپ بعضی از ترانزیستورهارا از روی نامگذاری می توان مشخص نمود .
وبرای تشخیص از این راه باید سیستم های نامگذاری ترانزیستور را بشناسیم.
1- سیستم نامگذاری ژاپنی:
نام گذاری ترانزیستور در این سیستم به شرح زیر است :
با 2Sدر ابتداشروع و اگر حرف بعدی A و یا B باشدترانزیستور مثبت (PNP) میباشد پس 2SAیعنی ترانزیستور مثبت بافرکانس کار بالا و 2SB یعنی ترانزیستور مثبت (PNP )با فرکانس کار پائین می باشد.
مثال :
2SA1015 این ترانزیستور از نوع مثبت با فرکانس کار زیاد می باشد.
ویا 2SB941 این ترانزیستور از نوع مثبت با فرکانس کار پائین می باشد.

اگر ترانزیستور با 2SC و یا 2SD شروع شود در این روش یعنی ترانزیستور منفی می باشد .
2SCیعنی ترانزیستور منفی فرکانس بالا و 2SD یعنی ترانزیستور منفی وبا فرکانس کار پائین است .
اما در روش نامگذاری اروپایی که را آوردن دو حرف دراول و سه عدد در آخر مانند BC337 تیپ ترانزیستور قابل تشخیص نیست .
ویا در روش نامگذاری آمریکایی که با 2N شروع و چند عدد در آخر مانند 2N3055 نوع مثبت ویا منفی مشخص نمی شود .
برای تشخیص مثبت ویامنفی ترانزیستورها دیگر ضمن اینکه از دیتا شیت ها می توان استفاده
کرد. در صورت داشتن یک ترانزیستور با همان شماره وسالم می توان به شرح زیر عمل کرد .

ابتدا مولتی متر را روی RX1 قرار داده و دنبال پایه ای می گردیم که به دوپایه ی دیگر راه بدهد یعنی عقربه حرکت کند و معمولاً اهم کمتر از 40 قابل قبول است .
دراین حالت اگر مولتی متر آنالوگ (عقربه دار ) داشته باشیم و سیم قرمز مولتی متر به پایه ای که به دو پایه دیگر راه بدهد متصل کنیم ترانزیستور از نوع مثبت است وپایه ای که به دوپایه ی دیگر راه می دهد پایه ی بیس B می باشد .
و اگر سیم مشکی را به پایه ای متصل کنیم که به دو پایه ی دیگر رابدهد ترانزیستور منفی و پایه مشتر ک بیس B می باشد .

برای تشخیص دو پایه دیگر چندین روش وجود دارد که فقط به دوروش ساده آن اشاره می کنم
اگر مولتی متر رنج RX10K داشته باشد می توان در این رنج به شرح زیر C کلکتور را از امیتر E تشخیص داد .

باید در این رنج دستمان به پایه های ترانزیستور تماس نداشته باشد .

در این حالت( RX10K) ترمینال مشکی مولتی متر را اگر به دو پایه دیگر متصل کنیم ( دست با پایه های ترانزیستور تماس نداشته باشد ) فقط در یک جهت عقربه منحرف می شود .

که در این حالت در ترانزیستور منفی سیم مشکی که بیس را تشخیص داد E امیتر را نیز در این حالت مشخص می کند .
و در ترانزیستور مثبت ترمینال قرمز که قبلاً بیس را تعین نموده است اکنون E امیتر را تعیین می کند .

حال که پایه های ترانزیستور را شناختیم چگونه آنرا تست کنیم تا بدانیم که قطعه صدرصد سالم است .
برای تشخیص صحت ترانزیستور بشرح زیر توجه فرمائید .

1 - پایه بیس باید به دو پایه دیگر با مولتی متر آنالوگ و در رنج RX1 راه بدهد و اهم کمی را نشان دهد . طبیعی است که در این حالت دیود بیس امیتر درگرایش مستقیم است .
2 - پایه بیس به دو پایه دیگر حتی در رنج RX1k هم راه ندهد یعنی هیچ گونه نشتی در این حالت قابل قبول نیست . دیود بیس امیتر در گرایش معکوس می باشد .
3 - پایه های C کلکتور و E امیتر نیز در حالیکه مولتی متر در رنج RX1K قرار دارد از هردو سو نشتی ندارند پس در این حال نیز هیچ گونه نشتی قابل قبول نیست ( دست با پایه های ترانزیستور نباید تمای داشته باشد . )

توجه : این آزمایش فقط در یک ترانزیستور ساده بدون دیود داخلی ویا مقاومت داخلی صحت دارد
ودر ترانزیستوردارلینگتون نیز روش تست متفاوت است.

طریقه شناسایی پایه های ترانزیستور توسط مولتی متر آنالوگ :

ابتدا مولتی متر را در رنج RX1  قرار داده و سپس به دنبال پایه ای می گردیم که به دو پایه ی دیگر راه بدهد . این پایه B ( بیس ) است
و اگر این پایه به وسیله سیم قرمز شناسایی شود معرف نوع ترانزیستور PNP ویا اصطلاحاً مثبت است .
و در صورتیکه توسط ترمینال مشکی تشخیص داده شود گویند که ترانزیستورNPN و یا منفی است .
حال پایه B و نوع ترانزیستور مشخص شده است . جهت تشخیص دو پایه ی دیگر مولتی متر را در رنج RX10K قرار داده و در هردو جهت این دو پایه را نسبت به هم تست می کنیم در جهتی که مولتی متر راه می دهد ترمینالی که B ( بیس ) را شناسایی کرده است E ترانزیستور را تشخیص می دهد . و طبعاً پایه بعدی کلکتور است .

روش نام گذاری دیودها:
1» روش ژاپنی: در این روش نامگذاری، از عدد 1 و حرف S   که به دنبال آن می آید استفاده می شود. و سپس تعدادی شماره خواهد آمد که مراجعه به جدول می توان مشخصات الکتریکی آن را به دست آورد در این روش، جنس و نوع دیود مشخص نمی باشد. به عنوان مثال دیود 1S3010A  ، دیود زنراست (درموارد زیادی برای دیودهای زنر حرف A را در انتهای شماره ها می آورند) و دیود 1S310 یک دیود معمولی و دیود 1S2049 دیود واراکتور می باشد.
2» روش اروپایی: در روش اروپایی، تا سال 1960 تمامی دیودها را با حروف OA با تعدادی شماره به دنبال آن مشخص می کردند که با مراجعه به جدول می توانستیم مشخصات الکتریکی آن را بدست آوریم. مانند: دیود OA34 اما از سال 1960 به بعد این روش نامگذاری تغییر کرد. نحوه تغییر بدین صورت بود: دیودهایی که بیشتر در مدارات رادیو و تلویزیون به کار می روند، با دو حرف و سه شماره مشخص می شوند و دیودهایی که کاربرد آنها در مدارات مخصوص می باشد با سه حرف و دو شماره معین می گردند. در ذیل روش نامگذاری دو حرفی و سه شماره ای خواهد آمد:
حرف اول جنس نیمه هادی به کار رفته در دیود را مشخص می کند، اگر دیود از جنس رژمانیوم باشد با حروف A و اگر از جنس سیلیسیم باشد با حروف B مشخص می نمایند.
حرف دوم: یکی از حروف زیر می باشد که نوع دیود را مشخص می کند:
-A دیود معمولی یکسو ساز
- B دیود و اراکتور
- Y دیود یکسو کننده قدرت
- Z دیود زنر
بعد از حروف، شماره هایی آورده می شود که می توان با مراجعه به جدول مشخصات الکتریکی آن را بدست آورد. به عنوان مثال:
دیود معمولی یکسو کننده ژر مانیومی: AA116
دیود معمولی یکسو کننده سیلیسیمی: BA316
3» روش آمریکایی: در این روش نام دیود با 1N شروع می شود و پس از آن تعدادی شماره می آید که با دانستن این عدد و مراجعه به جدول مشخصان دیودها، می توان سایر مشخصات آنرا بدست آورد.