Circuito de fibra óptica: transmisor y receptor

Las señales electrónicas se han enviado con bastante éxito durante décadas a través de conexiones estándar 'cableadas' o mediante enlaces de radio de diferentes tipos que tenían muchas desventajas.

Por otro lado, los enlaces de fibra óptica, ya sea que se utilicen para enlaces de audio o video en largos rangos, o para manejar distancias pequeñas, han estado ofreciendo algunas ventajas distintas en comparación con los cables con cables normales.

Cómo funciona la fibra óptica

En la tecnología de circuitos de fibra óptica, se utiliza un enlace de fibra óptica para transferir datos digitales o analógicos en forma de frecuencia de luz a través de un cable que tiene un núcleo central altamente reflectante.

Internamente, la fibra óptica consta de un núcleo central altamente reflectante, que actúa como una guía de luz para transferir luz a través de ella mediante reflejos continuos de un lado a otro a través de sus paredes reflectantes.

El enlace óptico normalmente incluye un circuito convertidor de frecuencia eléctrica a frecuencia de luz, que convierte señales digitales o de audio en frecuencia de luz. Esta frecuencia de luz se 'inyecta' a uno de los extremos de la fibra óptica a través de un LED potente . Luego se permite que la luz viaje a través del cable óptico hasta el destino previsto, donde es recibida por una fotocélula y un circuito amplificador que convierte la frecuencia de la luz de nuevo a la forma digital original o forma de frecuencia de audio.

Ventajas de la fibra óptica

Una de las principales ventajas de los enlaces de circuitos de fibra óptica es su perfecta inmunidad a las interferencias eléctricas y las tomas perdidas.

Los enlaces de 'cable' estándar podrían diseñarse para reducir este problema, sin embargo, puede ser un gran desafío erradicar por completo este problema.

Por el contrario, las características no eléctricas de un cable de fibra óptica ayudan a que la interferencia eléctrica sea inmaterial, aparte de algunas perturbaciones que podrían detectarse en el extremo del receptor, pero esto también puede eliminarse mediante un blindaje eficaz del circuito del receptor.

De manera muy similar, las señales de banda ancha enrutadas a través de un cable eléctrico regular a menudo disipan las perturbaciones eléctricas causando interferencias en las señales de radio y televisión cercanas.

Pero nuevamente, en el caso de un cable de fibra óptica, realmente puede resultar completamente desprovisto de emisiones eléctricas, y aunque la unidad transmisora ​​posiblemente genere algo de radiación de radiofrecuencia, es bastante simple encerrarlo utilizando estrategias básicas de detección.

Debido a este punto a favor, los sistemas que incorporan muchos cables ópticos que trabajan juntos uno al lado del otro no tienen complicaciones ni problemas con las conversaciones cruzadas.

Por supuesto, es posible que la luz se escape de un cable a otro, pero los cables de fibra óptica generalmente están encapsulados en una funda externa a prueba de luz que idealmente evita cualquier forma de fuga de luz.

Este fuerte blindaje en los enlaces de fibra óptica asegura una transferencia de datos razonablemente segura y confiable.

Otra ventaja es que la fibra óptica está libre de problemas de riesgo de incendio, ya que no hay electricidad o un flujo de corriente elevado.

También tenemos un buen aislamiento eléctrico en todo el enlace para garantizar que no se puedan desarrollar complicaciones con los lazos de tierra. A través de los circuitos de transmisión y recepción adecuados, se adapta bien a los enlaces de fibra óptica para manejar rangos de ancho de banda sustanciales.

También se podrían crear enlaces de ancho de banda amplio a través de cables de alimentación coaxiales, aunque los cables ópticos modernos generalmente experimentan pérdidas reducidas en comparación con los tipos coaxiales en aplicaciones de ancho de banda amplio.

Los cables ópticos suelen ser delgados y ligeros, y también inmunes a las condiciones climáticas y a varias sustancias químicas. Esto frecuentemente permite que se apliquen rápidamente en entornos inhóspitos o escenarios desfavorables donde los cables eléctricos, específicamente los de tipo coaxial, simplemente resultan ser muy ineficaces.

Desventajas

Aunque los circuitos de fibra óptica tienen tantas ventajas, estos también tienen algunos inconvenientes.

La aparente desventaja es que las señales eléctricas no se pueden transferir directamente a un cable óptico y, en varias situaciones, el costo y los problemas encontrados con los circuitos codificadores y decodificadores vitales tienden a ser bastante incompatibles.

Una cosa crucial para recordar cuando se trabaja con fibras ópticas es que normalmente tienen un diámetro mínimo especificado, y cuando se retuercen con una curva más pronunciada dan lugar a daños físicos al cable en esa curva, haciéndolo inútil.

El radio de 'curvatura mínimo', como se lo denomina normalmente en las hojas de datos, suele estar entre 50 y 80 milímetros aproximadamente.

La consecuencia de tales dobleces en un cable de red con cable normal podría ser simplemente nula, sin embargo, para los cables de fibra óptica, incluso pequeñas curvas cerradas pueden obstaculizar la propagación de las señales de luz y provocar pérdidas drásticas.

Básico de Fibra Óptica

Aunque nos pueda parecer que un cable de fibra óptica simplemente está hecho de filamento de vidrio cubierto por una funda externa a prueba de luz, la situación es mucho más avanzada que esto.

Hoy en día, el filamento de vidrio tiene principalmente la forma de un polímero y no de vidrio real, y la configuración estándar puede ser la que se muestra en la siguiente figura. Aquí podemos ver un núcleo central que tiene un índice de refracción alto y un blindaje exterior con índice de refracción reducido.

La refracción en la que interactúan el filamento interior y el revestimiento exterior hace posible que la luz atraviese el cable saltando eficientemente de pared a pared a lo largo del cable.

Es este rebote de la luz a través de las paredes del cable lo que hace posible que el cable corra como una guía de luz, llevando la iluminación suavemente por las esquinas y las curvas.

Propagación de luz en modo de orden superior

El ángulo en el que se refleja la luz está determinado por las propiedades del cable y el ángulo de entrada de la luz. En la figura anterior, se puede ver el rayo de luz atravesado por un 'modo de orden superior' propagación.

Propagación de luz en modo de orden bajo

Sin embargo, encontrará cables con luz alimentada con un ángulo menor, lo que hará que rebote entre las paredes del cable con un ángulo considerablemente amplio. Este ángulo más bajo permite que la luz viaje a una distancia relativamente mayor a través del cable en cada rebote.

Esta forma de transferencia de luz se denomina 'modo de orden bajo' propagación. El significado práctico de ambos modos es que la luz que se aventura a través del cable en el modo de orden alto necesita viajar considerablemente más lejos en comparación con la luz que se propaga en el modo de orden bajo. Esto difumina las señales enviadas por el cable, lo que reduce el rango de frecuencia de la aplicación.

Sin embargo, esto solo es relevante en enlaces de ancho de banda extremadamente amplio.

Cable monomodo

Tambien tenemos el 'Modo singular' cables de tipo que están destinados simplemente a habilitar un modo de propagación único, pero no es realmente necesario utilizar este tipo de cable con las técnicas de ancho de banda comparativamente estrecho que se detallan en este artículo. Además, puede encontrar un tipo alternativo de cable llamado 'índice calificado' cable.

De hecho, esto es bastante similar al cable de índice escalonado discutido anteriormente, aunque existe una transformación progresiva de un índice de refracción alto cerca del centro del cable a un valor reducido cerca de la funda exterior.

Esto hace que la luz atraviese profundamente el cable de una manera bastante similar a la explicada anteriormente, pero la luz debe atravesar una ruta curva (como en la siguiente figura) en lugar de propagarse a través de líneas rectas.

Dimensiones de fibra óptica

La dimensión típica de los cables de fibra óptica es de 2,2 milímetros con una dimensión media de la fibra interior de alrededor de 1 milímetro. Puede encontrar varios conectores accesibles para conexiones a través de este tamaño de cable, además de varios sistemas que se conectan a cables iguales.

Un sistema de conector normal incluye un 'enchufe' que se instala en la punta del cable y lo protege al terminal de 'enchufe' que generalmente se sujeta sobre la placa de circuito con una ranura para acomodar la fotocélula (que forma el emisor o el detector de el sistema óptico).

Factores que afectan el diseño del circuito de fibra óptica

Un aspecto crucial que debe recordarse en la fibra óptica son las especificaciones de salida máxima del emisor. célula fotoeléctrica para la longitud de onda de la luz. Esto debe seleccionarse idealmente para que coincida con la frecuencia de transmisión con la sensibilidad adecuada.

El segundo factor a recordar es que el cable se especificará con solo un rango de ancho de banda limitado, lo que significa que las pérdidas deben ser las mínimas posibles.

Los sensores y transmisores ópticos que se utilizan normalmente en fibras ópticas están clasificados en su mayoría para trabajar en el rango de infrarrojos con la máxima eficiencia, mientras que algunos pueden estar diseñados para funcionar mejor con el espectro de luz visible.

El cableado de fibra óptica se entrega con frecuencia con extremos de terminación sin terminar, lo que podría ser muy improductivo, a menos que los extremos se recorten y trabajen adecuadamente.

Por lo general, el cable proporcionará efectos decentes cuando se corte en ángulo recto con un cuchillo de modelado afilado, cortando el extremo del cable limpiamente en una sola acción.

Se puede usar una lima fina para pulir los extremos cortados, pero si solo acaba de cortar los extremos, es posible que esto no ayude a mejorar significativamente la eficiencia de la luz. Es fundamental que el corte sea nítido, nítido y perpendicular al diámetro del cable.

Si el corte tiene algún ángulo puede deteriorar severamente la eficiencia debido a la desviación en el ángulo de alimentación de luz.

Diseño de un sistema de fibra óptica simple

Una forma básica de comenzar para cualquiera que busque probar cosas con las comunicaciones de fibra óptica sería crear un enlace de audio.

En su forma más elemental, esto puede incluir un circuito de modulación de amplitud simple que varía el Transmisor LED brillo de acuerdo con la amplitud de la señal de entrada de audio.

Esto provocaría una respuesta de corriente de modulación equivalente a través del receptor de la fotocélula, que se procesaría para generar un voltaje correspondientemente variable a través de una resistencia de carga calculada en serie con la fotocélula.

Esta señal se amplificaría para entregar la señal de salida de audio. En realidad, este enfoque fundamental puede tener sus propias desventajas, la principal puede ser simplemente una linealidad insuficiente de las fotocélulas.

La ausencia de linealidad afecta en forma de un nivel proporcional de distorsión a través del enlace óptico que puede ser posteriormente de mala calidad.

Un método que normalmente ofrece resultados significativamente mejores es un sistema de modulación de frecuencia, que es básicamente idéntico al sistema utilizado en Emisiones de radio VHF .

Sin embargo, en tales casos se trata de una frecuencia portadora de alrededor de 100 kHz en lugar de los 100 MHz convencionales que se utilizan en la transmisión de radio de banda 2.

Este enfoque puede ser bastante simple, como se muestra en el diagrama de bloques a continuación. Demuestra el principio establecido para un enlace unidireccional de este formulario. El transmisor es en realidad un oscilador controlado por voltaje (VCO) y, como sugiere el título, la frecuencia de salida de este diseño podría ajustarse mediante un voltaje de control.

Este voltaje puede ser la transmisión de entrada de sonido y, a medida que el voltaje de la señal oscila hacia arriba y hacia abajo, también lo hará la frecuencia de salida del VCO. A filtro de paso bajo se incorpora para refinar la señal de entrada de audio antes de que se aplique al VCO.

Esto ayuda a evitar que los 'silbidos' heterodinos se produzcan debido a las notas de tiempo entre el oscilador controlado por voltaje y cualquier señal de entrada de alta frecuencia.

Por lo general, la señal de entrada solo cubrirá el rango de frecuencia de audio, pero puede encontrar contenido de distorsión en frecuencias más altas y señales de radio que se captan del cableado e interactúan con la señal de VCO o los armónicos alrededor de la señal de salida de VCO.

El dispositivo emisor, que puede ser simplemente un LED, es impulsado por la salida VCO. Para un resultado óptimo, este LED es normalmente un tipo de LED de alta potencia . Esto necesita el uso de una etapa de búfer de controlador para operar la potencia del LED.

Esta siguiente etapa es una multivibrador monoestable que debe estar diseñado como un tipo no reactivable.

Esto permite que la etapa genere pulsos de salida a través de intervalos determinados por la red de temporización C / R, que es independiente de la duración del pulso de entrada.

Forma de onda operativa

Esto proporciona una conversión de frecuencia a voltaje fácil pero efectiva, ya que la forma de onda que se muestra en la siguiente figura explica claramente su patrón operativo.

En la Figura (a), la frecuencia de entrada genera una salida del monoestable con una relación de espacio de marca de 1 a 3, y la salida está en el estado alto durante el 25% del tiempo.

El voltaje de salida promedio (como se muestra dentro de la línea de puntos) es como resultado 1/4 del estado de salida ALTA.

En la Figura (b) anterior, podemos ver que la frecuencia de entrada se ha incrementado en dos veces, lo que significa que obtenemos dos veces más pulsos de salida para un intervalo de tiempo específico con una relación de espacio de marca de 1: 1. Esto nos permite obtener un voltaje de salida promedio que es 50% del estado de salida ALTO, y 2 veces más magnitud que el ejemplo anterior.

En términos simples, el monoestable no solo ayuda a convertir la frecuencia en voltaje, sino que además permite que la conversión obtenga una característica lineal. La salida del monoestable por sí sola no puede generar una señal de frecuencia de audio, a menos que se incorpore un filtro de paso bajo que asegure que la salida se estabilice en una señal de audio adecuada.

El problema principal con este método simple de conversión de frecuencia a voltaje es que se requiere un nivel de atenuación más alto (esencialmente 80 dB o más) en la frecuencia de salida mínima del VCO para poder crear una salida estabilizada.

Pero, este método es realmente simple y confiable en otras consideraciones, y junto con los circuitos modernos puede no ser difícil diseñar una etapa de filtro de salida que tenga una precisión adecuada. característica de corte .

Un nivel mínimo de señal de portadora sobrante en la salida puede no ser demasiado crítico y podría ignorarse, porque la portadora generalmente se encuentra en frecuencias que no están dentro del rango de audio y, como resultado, cualquier fuga en la salida será inaudible.

Circuito transmisor de fibra óptica

El diagrama completo del circuito del transmisor de fibra óptica se puede ver a continuación. Encontrará muchos circuitos integrados adecuados para funcionar como VCO, junto con muchas otras configuraciones construidas con piezas discretas.

Pero para una técnica de bajo costo, la ampliamente utilizada NE555 se convierte en la opción preferida, y aunque ciertamente es barata, tiene una eficiencia de rendimiento bastante buena. Puede modularse en frecuencia integrando la señal de entrada al pin 5 del IC, que se conecta con el divisor de voltaje configurado para crear los límites de conmutación de 1/3 V + y 2/3 V + para el IC 555.

Esencialmente, el límite superior aumenta y disminuye de modo que el tiempo consumido por el condensador de temporización C2 para cambiar entre los dos rangos podría aumentarse o disminuirse correspondientemente.

Tr1 está cableado como un seguidor emisor etapa de amortiguación que suministra la alta corriente de excitación necesaria para iluminar el LED (D1) de forma óptima. Aunque el NE555 en sí mismo presenta una buena corriente de 200 mA para el LED, un controlador de corriente controlado por separado para el LED permite establecer la corriente de LED deseada de una manera precisa y mediante un método más confiable.

R1 está posicionado para fijar la corriente del LED en aproximadamente 40 miliamperios, pero dado que el LED se enciende / apaga a una tasa del 50% del ciclo de trabajo, permite que el LED funcione con solo el 50% de la clasificación real, que es de aproximadamente 20 miliamperios.

La corriente de salida podría aumentarse o disminuirse ajustando el valor R1 siempre que se considere necesario.

Componentes para resistencias de transmisor de fibra óptica (todas de 1/4 vatios, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Condensadores
C1 = 220µ 10V elect
C2 = placa de cerámica 390pF
C3 = 1u 63V electo
C4 = placa de cerámica 330p
C5 = capa de poliéster 4n7
C6 = capa de poliéster 3n3
C7 = capa de poliéster 470n
Semiconductores
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = ver texto
Diverso
Conector jack SK1 de 3,5 mm
Placa de circuito, caja, batería, etc.

Circuito receptor de fibra óptica

El diagrama del circuito del receptor de fibra óptica principal se puede ver en la sección superior del diagrama siguiente, el circuito del filtro de salida se dibuja justo debajo del circuito del receptor. La salida del receptor se puede ver unida con la entrada del filtro a través de una línea gris.

D1 forma el diodo detector , y funciona en la configuración de polarización inversa en la que su resistencia de fuga ayuda a crear una especie de resistencia dependiente de la luz o efecto LDR.

R1 funciona como una resistencia de carga y C2 crea un enlace entre la etapa del detector y la entrada del amplificador de entrada. Esto forma una red de dos etapas unida capacitivamente donde las dos etapas funcionan juntas en el emisor común modo.

Esto permite una ganancia de voltaje general superior a 80 dB. Dado que se suministra una señal de entrada bastante potente, esto ofrece una oscilación de voltaje de salida suficientemente alta en el pin del colector Tr2 para presionar el multivibrador monoestable .

Este último es un tipo CMOS estándar construido con un par de puertas NOR de 2 entradas (IC1a e IC1b) con C4 y R7 funcionando como elementos de temporización. El otro par de puertas de IC1 no se utilizan, aunque sus entradas se pueden ver conectadas a tierra en un esfuerzo por detener la conmutación falsa de estas puertas debido a la captación perdida.

En referencia a la etapa de filtro construida alrededor de IC2a ​​/ b, es fundamentalmente un sistema de filtro de 2/3 orden (18 dB por octava) con especificaciones comúnmente empleadas en el circuitos transmisores . Estos se unen en serie para establecer un total de 6 polos y una tasa de atenuación general de 36 dB por octava.

Esto ofrece aproximadamente 100 dB de atenuación de la señal portadora en su rango de frecuencia mínima y una señal de salida con niveles de señal portadora relativamente bajos. El circuito de fibra óptica puede manejar voltajes de entrada de hasta 1 voltio RMS aproximadamente sin distorsión crítica y ayuda a trabajar con una ganancia de voltaje marginalmente menor que la unidad para el sistema.

Componentes para filtro y receptor de fibra óptica

Resistencias (todas 1/4 vatios 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 a R15 10k (descuento de 6)
Condensadores
C1 = 100µ10V electrolítico
C2 = poliéster 2n2
C3 = poliéster 2n2
C4 = cerámica 390p
C5 = 1µ 63V electrolítico
C6 = poliéster 3n3
C7 = poliéster 4n7
C8 = cerámica 330pF
C9 = poliéster 3n3
C10 = poliéster 4n7

Semiconductores
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 unidades)
D1 = Ver texto
Diverso
SK1 = conector D de 25 vías
Caja, placa de circuito, cable, etc.