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Modificación y adaptación de circuitos electrónicos utilizados para transmisión óptica de datos y multiplexación por división en longitud de onda en los talleres 'Aprendizaje Activo de Óptica y Fotonica- ALOP'
Inti Ariel Poveda Nuñeza
Diana Carolina González Suspesb
Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Departamento de Física.
Bogotá, Colombia.
Resumen
Mostramos las modificaciones y adaptaciones realizadas en los circuitos electrónicos utilizados para transmisión óptica de datos y multiplexación por división en longitud de onda en los talleres de aprendizaje activo de óptica y fotonica- ALOP. Estos nuevos diseños fueron utilizados con éxito en ALOP-SPN, Bogotá 2010.
Abstract
We show the modifications and adaptations in electronic circuits used for optical data transmission and multiplexing by wavelength division in the active learning in optics and photonics workshops ALOP. These new designs have been used successfully in ALOP – SPN, Bogotá 2010.
INTRODUCCIÓN
En los talleres ALOP se realizan dos experiencias dirigidas a mostrar algunas aplicaciones tecnológicas de la óptica, tales como la transmisión óptica de datos a través de una fibra óptica y la forma de hacer un sistema de comunicaciones eficiente aumentando la cantidad de información que puede enviarse simultáneamente por una fibra óptica. Para esto se utilizan tres dispositivos electrónicos: un telégrafo digital que transmite una señal de un LED transformándola en un tono, un dispositivo para realizar transmisión de una señal de audio a través de un láser y un dispositivo formado por un emisor capaz de transmitir simultáneamente varias señales a través de una fibra óptica y un sistema óptico capaz de diferenciarlas. Estos circuitos fueron diseñados por Mazzolini et al.(2006) (1).. Presentamos aquí las modificaciones realizadas para construir estos circuitos con las partes electrónicas disponibles en el comercio local y algunas mejoras para su funcionamiento.
REDISEÑO DE CIRCUITOS
El rediseño se realizó a través del paquete de software ORCAD 9.2®, garantizando que el nuevo diseño realiza, como mínimo, la misma función que el dispositivo original.
A continuación, se muestra una descripción de cada uno de ellos.
Telégrafo óptico
Este dispositivo está compuesto por un emisor que envía señales de luz pulsadas a un receptor que las recibe y transforma en una señal auditiva.
En la figura 1 se presenta un diagrama del emisor que requiere para su construcción los siguientes elementos:
LED blanco x 1
Resistencia ¼ W x 1
Entrada a batería de 9 V x 1
Pulsador x 1
Batería de 9 V x 1
Circuito impreso x 1
Montaje en acrílico x 1
Figura 1. Circuito emisor para el telégrafo óptico.
En la figura 2 se presenta un diagrama del receptor correspondiente que requiere para su construcción los siguientes elementos:
Fototransistor de encapsulado plástico translúcido
Transistor NPN x 1
Resistencia ¼ W x 1
Buzzer Piezoeléctrico de 6V a 12V
Entrada a batería de 9 V x 1
Switch x 1
Batería de 9 V x 1
Circuito impreso x 1
Montaje en acrílico x 1
Figura 2. Circuito receptor para el telégrafo óptico.
Funcionamiento del dispositivo: El LED emisor se enciende cada vez que se acciona el pulsador. El LED y el receptor están acoplados a través de una fibra óptica. La tensión sobre el fototransistor disminuye dependiendo de intensidad y frecuencia de la luz que reciba. En el caso del LED blanco, se observó una caída máxima de 1.5V, y por consiguiente, aumenta la corriente que sale por el emisor.
Para que se accione el buzzer, éste debe recibir una tensión mínima de 6V. El circuito original no utiliza ni el transistor NPN ni la resistencia. En el diseño se incorporaron estos elementos, ya que la caída de tensión sobre el fototransistor (que será la tensión recibida por el buzzer), impedirá poner en funcionamiento el buzzer. Luego, el transistor cumple la tarea de amplificación, y la resistencia permitirá polarizar el transistor, obteniendo una ganancia de 1:8, es decir, el buzzer recibirá una tensión de 8.3V, (no será de 12V, ya que la batería proporciona 9V, y el fototransistor, junto con el transistor, requieren una tensión mínima de aproximadamente 0.71V para su funcionamiento (2)).
En este caso, ya que la señal de entrada proporcionada por el fototransistor corresponde a una señal de corriente continua, no se presentan problemas de corte por frecuencia en el transistor.
Transmisor de una señal de audio mediante un láser
Dispositivo que transmite mediante un laser modulado una señal de audio de un emisor a un receptor. El emisor, cuyo diagrama se muestra en la figura 3 será el encargado de enviar una señal de audio cualquiera (radio, micrófono, dispositivo portátil, etc.), mediante un láser cuya intensidad variará de la misma forma que varíe la señal de audio.
Figura 3. Circuito emisor para la transmisión de una señal de audio
por medio de un Láser.
Para su construcción se utilizan:
Regulador LM317 x 1
Resistencia ¼ W x 2
Resistencia variable (trimer) x 2
Conector para audio estéreo macho x 1
Módulo diodo láser 2.5mW a 3.0V 650nm
Entrada a batería de 9 V x 1
Switch x 1
Batería de 9 V x 1
Circuito impreso x 1
Montaje en acrílico x 1
La fuente de tensión es básicamente una fuente variable LM317, que proporciona una tensión de 1,3V a 3,5V, para una carga representada por el Láser y la resistencia R3 (salida).
La entrada de señal de audio, siendo una señal de corriente alterna (variable), se sumará a la tensión de la fuente, obteniendo como resultado a la salida, la misma señal de audio pero con un nivel DC correspondiente al de la fuente de tensión.
El láser, al ser de 2,5 mW de potencia, requiere de una tensión máxima de 3.2V y una mínima de 2,4V para reproducir esta potencia. Para obtener una señal de salida confiable, se debe ajustar la fuente de tensión en 2,8V, para permitir que la señal de audio, al sumarse a la señal DC, no supere los 3,2V ni esté por debajo de 2,4V.
El receptor cuyo diagrama se muestra en la figura 4 se encargará de recibir la señal láser modulada y convertirla en una señal de corriente, para entregarla a un sistema reproductor de sonido cualquiera (parlantes)
Figura 4. Circuito receptor para transmisión de una
señal de audio por medio de un Láser.
Este circuito receptor lo constituyen los siguientes elementos:
Fototransistor de encapsulado plástico translúcido
Resistencia ¼ W x 1
Conector para audio estéreo hembra x 1
Condensador cerámico 1uF
Parlantes estéreo de 0.5W
Entrada a batería de 9 V x 1
Switch x 1
Batería de 9 V x 1
Circuito impreso x 1
Montaje en acrílico x 1
Funcionamiento del dispositivo: Dependiendo de la intensidad del láser, al dirigir éste hacia el fototransistor, ya sea directamente, o por medio de fibra óptica, se producirá una caída de tensión entre colector y emisor. Esta caída de tensión, más un nivel DC otorgado por la batería de 9V, será la tensión sobre la resistencia. El nivel DC, corresponde a una tensión que será igual a 9V menos la tensión sobre el fototransistor. Luego, la caída de tensión del fototransistor, al responder a la intensidad del Láser corresponde a la misma señal de audio, transmitida por el láser, cuya intensidad varía con la misma frecuencia y amplitud que el audio.
Para transmitir únicamente esta señal de corriente alterna al sistema de reproducción (altavoces o parlante), se conecta un condensador de 1μF en serie con la salida (amplificador de audio), el cual actúa aproximadamente como circuito abierto para señales DC, con lo que se consigue que sólo pase la señal recibida por el láser, filtrando así la señal de la batería.
Multiplexado por longitud de onda
Mediante este dispositivo se envían por una fibra óptica y simultáneamente, varias señales que mediante un sistema óptico -formado por una lente de alta potencia refractiva y una rejilla de difracción- se separan para ser recibidas por diferentes receptores. Como receptor se utiliza el mismo diseñado para el telégrafo óptico y como emisor se utiliza un led RGB controlado para que pueda emitir diferentes señales en secuencias predefinidas.
El circuito emisor está constituido por los siguientes elementos:
Módulo de desarrollo para CPLD (Complex Programmable Logic Device)
Led RGB
Oscilador variable basado en LM555 desde aproximadamente 500Hz a 1MHz
Resistencia ¼ W x 4
Pulsador x 1
Entrada a batería de 9 V x 1
Switch x 1
Batería de 9 V x 1
Circuito impreso x 1
Montaje en acrílico x 1
Figura 5. Circuito emisor para el dispositivo de multiplexado por longitud de onda.
El módulo CPLD (Complex Programmable Logic Device), es el encargado de manejar la programación del LED. El CPLD, es un dispositivo reprogramable de gran capacidad, el cual permite su programación mediante cable paralelo (JTAG) utilizando el lenguaje VHDL. El código diseñado para el circuito se puede encontrar en la http://sites.google.com/site/astronomdinti/, en la sección trabajos propios ALOP Bogotá 2010.
El diseño original utiliza un microchip de programación fija que fue sustituido por el módulo CPLD. Con esto obtenemos un dispositivo menos sensible a campos electromagnéticos externos, y posible de reprogramar según necesidades de uso.
Las resistencias limitan la corriente que entra al LED. El oscilador realiza la labor de reloj para la CPLD, lo cual permite la variación de los colores con una periodicidad definida.
El dispositivo denominado CON2, consiste en un pulsador normalmente abierto, que cada vez que se acciona proporciona una diferente secuencia de colores emitidos por el LED.
Los diseños para los circuitos impresos de todos los dispositivos anteriormente descritos se encuentran en el apéndice I. Las referencias exactas y un distribuidor de los elementos electrónicos necesarios para la construcción están en el Apendice II.
MEJORAS ADICIONALES PROPUESTAS
Para garantizar un mejor funcionamiento de los circuitos receptores proponemos una modificación en el circuito, consistente en adicionar un sistema de amplificación, que evitará pérdidas por frecuencia, con un amplificador operacional.
En la figura 6 presenta el diagrama del circuito modificado:
Etapa de Amplificación
Etapa de Amplificación
Figura 6. Circuito receptor modificado
En este circuito, la amplificación se logra mediante el manejo de las resistencias R2 y R3, de la siguiente forma:
Ventrada=VsalidaR3R2
Con esta relación, y con los valores impuestos en la figura 6, obtenemos una amplificación de 3 : 1 (3).
CONCLUSIONES
La modificación realizada permite que ahora todos los circuitos funcionen a 9 voltios. Este cambio se realizó con el fin de facilitar la manipulación de los circuitos. Para esto fue necesario recalcular los valores de algunas de las componentes electrónicas.
Para dar una mayor protección contra un eventual corto circuito en la tarjeta, y evitar el gasto innecesario de la batería, se instaló un interruptor en cada circuito.
El rediseño incluye conexión removible para las baterías, con lo que se evita el daño de los bornes de éstas.
Al cambiar el microchip por el CPLD se logró mayor versatilidad y mayor estabilidad en el circuito emisor para el dispositivo de multiplexado por longitud de onda.
Dado que originalmente la señal de corriente proveniente del fototransistor era muy pequeña, se propone implementar antes de la salida, una etapa de amplificación implementada en el mismo crcuito.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos el apoyo de los grupos estudiantiles APOP y OPTTA y de los profesores Freddy Alberto Monroy y Catalina Ramírez del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá.
Agradecemos la asesoría del Ing. Manuel Alejandro Poveda Nuñez de la Universidad Nacional de Colombia.
REFERENCIAS
(1) A.P. Mazzolini y P.J. Cadusch, "A simple low-cost demonstration of wavelength division multiplexing," Am. J. Phys. 74, 2006.
(2) Vishay Semiconductors, "BPV11, Silicon NPN Phototransistor Datasheet", puede ser descargado de:
http://www.vishay.com/docs/81504/bpv11.pdf.
(3) National Semiconductor, "LF353, Wide BandwithDual JFET Input Operational Amplifier, Datasheet", puede ser descargado de: http://www.national.com/ds/LF/LF353.pdf.
APÉNDICE I: DISEÑOS DE LOS CIRCUITOS IMPRESOS
(Todos los esquemas están a escala 2:1)
TELÉGRAFO ÓPTICO.
Emisor:
LADO DE COBRE LADO DE COMPONENTES
Receptor:
LADO DE COBRE LADO DE COMPONENTES
TRANSMISOR DE UNA SEÑAL DE AUDIO MEDIANTE UN LÁSER.
Emisor:
LADO DE COBRE LADO DE COMPONENTES
Receptor:
LADO DE COBRE LADO DE COMPONENTES
MULTIPLEXADO POR DIVISIÓN LONGITUD DE ONDA.
Emisor:
LADO DE COBRE LADO DE COMPONENTES
CIRCUITO RECEPTOR CON ETAPA DE AMPLIFICACIÓN.
LADO DE COBRE LADO DE COMPONENTES
APÉNDICE II: COMPONENTES
Componente
Referencia
Distribuidor
Telégrafo óptico
LED blanco x 1
Digikey
Resistencia ¼ W x 1
Digikey
Entrada a batería de 9 V x 1
Pulsador x 1
Digikey
Batería de 9 V x 1
Fototransistor de encapsulado plástico translúcido x 1
BPV11
Digikey
Transistor NPN x 1
2n2222
Digikey
Resistencia ¼ W x 1
Digikey
Buzzer Piezoeléctrico de 6V a 12V
Digikey
Entrada a batería de 9 V x 1
Switch x 1
Batería de 9 V x 1
Transmisión de una señal de audio mediante un Láser
Regulador de voltaje x 1
LM317
Digikey
Resistencia ¼ W x 2
Digikey
Resistencia variable (trimer) x 2
5kΩ
Digikey
Conector para audio estéreo macho x 1
Módulo diodo láser 2.5mW a 3.0V 650nm
VLM-650-03-LPA
Digikey
Entrada a batería de 9 V x 1
Switch x 1
Batería de 9 V x 1
Fototransistor de encapsulado plástico translúcido x 1
BPV11
Digikey
Amplificador operacional JFET
LF353
Digikey
Resistencia ¼ W x 1
Digikey
Conector para audio estéreo hembra x 1
Condensador cerámico 1uF
Digikey
Parlantes estéreo de 0.5W
Entrada a batería de 9 V x 1
Switch x 1
Batería de 9 V x 1
Multiplexado por longitud de onda
Módulo de desarrollo para CPLD
XC9572
EM - Electronics
Oscilador variable basado en LM555
500kHz - 1MHz
EM - Electronics
Resistencia ¼ W x 4
Digikey
Pulsador x 1
Digikey
Entrada a batería de 9 V x 1
Switch x 1
Batería de 9 V x 1
Digikey: http://www.digikey.com/
EM – Electronics: http://www.em-electronics.com/
