Power over Fiber – quando a fibra óptica é usada para alimentação de sensores

A fibra óptica é muito conhecida pelo seu uso como meio de transmissão de sinais de telecomunicações. Nesta aplicação os níveis de potência óptica transmitida costumam ser inferiores a 0,1 W. Há, porém, outro uso da fibra óptica menos conhecido e muito interessante que é o de transmitir altos níveis de potência óptica.

Níveis de potência óptica muito elevados (acima de 1 W) podem ser usados em lasers a fibra para uso em aplicações industriais de corte e solda de chapas metálicas e outros materiais. Neste caso os níveis de potência podem ser superiores a 1 kW operando de forma pulsada. A fibra óptica pode também ser usada para transmitir a luz captada do sol para o interior de ambientes. Porém neste texto vamos analisar outra aplicação ligada a transmissão de energia pela fibra, basicamente para alimentar remotamente dispositivos eletrônicos e sensores. Esta aplicação que é conhecida como Power over Fiber é muito importante quando sensores eletrônicos devem ser utilizados em ambientes perigosos como os de alta tensão ou em ambientes com forte presença de gases ou líquidos explosivos.

Power over Fiber 

A alimentação óptica por fibra ou Power over Fiber de dispositivos eletrônicos e sensores de baixo consumo instalados remotamente é uma aplicação relativamente antiga no mundo das comunicações ópticas. O conceito Power over Fiber foi introduzido na década de 1970. Power over Fiber é uma forma alternativa de levar energia elétrica para circuitos eletrônicos em situações onde os sistemas tradicionais que usam cabos de alimentação metálicos são críticos, de alto custo ou com algum risco envolvido.

Por exemplo, é conhecido que o ambiente de alta tensão das subestações e das linhas de transmissão afeta substancialmente o desempenho e o tempo de vida de sensores eletrônicos bem como a transmissão de seus sinais. Um dos principais fatores que afetam os sensores eletrônicos e o sistema de transmissão é a isolação galvânica entre os sensores e o potencial de terra. A não existência de isolação galvânica promove danos nos sensores devido a indução de tensão de descargas atmosféricas e transientes da alta tensão. Devido a sua intrínseca imunidade à alta tensão, a fibra óptica apresenta-se como excelente opção para sistemas de sensoriamento em sistemas de energia. A aplicação da técnica Power over Fiber em sistemas de alta tensão garante a confiabilidade e a robustez dos sensores e do sistema de sensoriamento nos processos de monitoração dos ativos do setor elétrico.

Fig blog 4-2

Em um sistema Power over Fiber os elementos básicos são: o laser de alta potência, a fibra óptica, o conversor fotovoltaico, o circuito eletrônico e os sensores a serem alimentados. O sistema tem ainda uma unidade de recepção óptica dos sinais enviados pelo sensor.

Em geral duas fibras conectam a unidade de transmissão de energia e recepção à unidade de sensoriamento. Para a utilização de apenas uma fibra óptica em Power over Fiber é necessário o uso da técnica de multiplexação em comprimentos de onda (WDM). Para tanto, a alimentação óptica é escolhida, por exemplo, em 808 nm enquanto que os sinais da unidade remota são transmitidos, por exemplo, em 1300 nm. Filtros ópticos WDM multiplexam ou demultiplexam estes sinais adequadamente em cada extremidade da fibra óptica tornando a transmissão bidirecional. Podem ser utilizadas fibras monomodo ou fibras multimodo para ambas as configurações.

Em Power over Fiber o diâmetro do núcleo da fibra óptica é um parâmetro de grande importância pois o mesmo limita o valor da potência óptica a ser transmitida. Para aplicações com fibra multimodo encontram-se lasers semicondutores operando na região espectral de 850 nm com potências que vão de 1 até 30 W com distintos diâmetros do núcleo da fibra (62,5 a 200 um).

Na unidade de sensoriamento, o elemento responsável pela detecção de energia é um conversor fotovoltaico. A energia elétrica produzida pelo conversor fotovoltaico é utilizada para alimentação, por exemplo, dos circuitos eletrônicos, dos sensores e da fonte de emissão de luz que transmite o sinal dos sensores da unidade remota até a unidade transmissão e recepção. Uma das principais limitações da tecnologia Power over Fiber está associada às características do conversor fotovoltaico. Para a região espectral de 850 nm os conversores fotovoltaicos mais usados são os feitos com GaAs com eficiência de conversão de 35 a 50%. Conversores fotovoltaicos feitos de Si apresentam eficiência da ordem de 15%.

Com o intuito de aumentar a potência disponível para alimentação de um dado sensor ou circuito eletrônico, outros conversores fotovoltaicos podem ser adicionados remotamente em um esquema de recepção em paralelo para aumentar a corrente ou em série para aumentar a tensão. Nesta configuração, uma ou mais fibras podem ser utilizadas para levar a energia óptica até os conversores fotovoltaicos.

Alguns exemplos de sensores já alimentados com Power over Fiber são sensores de temperatura, corrente, pressão, antenas, câmeras de vídeo, etc.

Até a próxima.

João Batista Rosolem

João Batista Rosolem

João Batista Rosolem concluiu o doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo em 2005. É pesquisador do CPqD desde 1993. Tem amplo conhecimento em comunicações ópticas tendo atuado na coordenação de equipes de P&D de sistemas WDM e amplificadores ópticos desde a década de 1990. Atualmente coordena equipes de P&D de sistemas de sensoriamento óptico aplicados em sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, bem como em sistemas de sensoriamento para a área do petróleo e gás. Publicou mais de 150 artigos em periódicos especializados e anais de eventos e possui mais de 30 pedidos de patente entre Brasil e EUA. É filiado as sociedades SBMO, OSA e SPIE e é agraciado com a Bolsa de Produtividade e Desenvolvimento Tecnológico e Extensão Inovadora do CNPq - Nível 1D.
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