Circuit de fibra òptica: transmissor i receptor

Els senyals electrònics s’han enviat amb èxit durant dècades a través de connexions estàndard de “cable dur” o mitjançant l’ús d’enllaços de ràdio de diferents tipus que presentaven molts desavantatges.

D'altra banda, els enllaços de fibra òptica, ja siguin utilitzats per a enllaços d'àudio o vídeo a llarg abast, o per manejar distàncies petites, han estat oferint alguns avantatges diferents en comparació amb els cables amb cable normals.

Com funciona la fibra òptica

En tecnologia de circuits de fibra òptica, s’utilitza un enllaç de fibra òptica per transferir dades digitals o analògiques en forma de freqüència de llum a través d’un cable que té un nucli central altament reflectant.

Internament, la fibra òptica està formada per un nucli central altament reflectant, que actua com una guia de llum per transferir la llum a través d’ella mitjançant reflexos continus d’anada i tornada a través de les seves parets reflectants.

L’enllaç òptic normalment inclou un circuit convertidor de freqüència de llum a freqüència de llum, que converteix els senyals digitals o d’àudio en freqüència de llum. Aquesta freqüència de llum s'injecta a un dels extrems de la fibra òptica a través d'un potent LED . A continuació, es permet que la llum viatgi a través del cable òptic fins a la destinació prevista, on la rep una fotocèl·lula i un circuit amplificador que converteix la freqüència de llum a la forma digital original o a la forma de freqüència d’àudio.

Avantatges de la fibra òptica

Un dels principals avantatges dels enllaços de circuits de fibra òptica és la seva perfecta immunitat davant les interferències elèctriques i les captacions perdudes.

Es podrien dissenyar enllaços estàndard per cable per reduir aquest problema, tot i que pot ser molt difícil eradicar completament aquest problema.

Per contra, les característiques no elèctriques d’un cable de fibra òptica ajuden a fer que les interferències elèctriques siguin immaterials, a part d’algunes pertorbacions que es podrien detectar a l’extrem del receptor, però també es poden eliminar mitjançant un blindatge eficaç del circuit del receptor.

De la mateixa manera, els senyals de banda ampla encaminats a través d’un cable elèctric habitual sovint dissipen les pertorbacions elèctriques que provoquen un bloqueig de senyals de ràdio i televisió a prop.

Però, de nou, en el cas d’un cable de fibra òptica, pot demostrar que està totalment desproveït d’emissions elèctriques i, tot i que la unitat transmissora pot arrencar una mica de radiació de radiofreqüència, és bastant senzill incloure’l mitjançant estratègies bàsiques de detecció.

A causa d’aquest punt positiu, els sistemes que incorporen molts cables òptics que treballen junts un al costat de l’altre no tenen complicacions ni problemes amb les converses creuades.

Per descomptat, la llum podria filtrar-se d’un cable a l’altre, però els cables de fibra òptica solen estar encapsulats en un mànec extern a prova de llum que idealment evita qualsevol forma de fuita de llum.

Aquest fort blindatge en enllaços de fibra òptica garanteix una transferència de dades raonablement segura i fiable.

Un altre avantatge és que la fibra òptica està lliure de problemes de risc d'incendi, ja que no hi ha electricitat ni corrent elevat.

També tenim un bon aïllament elèctric a tot l’enllaç per garantir que no es puguin desenvolupar complicacions amb els bucles de terra. Mitjançant circuits de transmissió i recepció adequats es fa molt adequat per als enllaços de fibra òptica per manejar amplis rangs de banda substancials.

També es podrien crear enllaços d'amplada de banda ampla mitjançant cables d'alimentació coaxial, tot i que els cables òptics moderns solen experimentar pèrdues reduïdes en comparació amb els tipus coaxials en aplicacions d'amplada de banda ampla.

Els cables òptics solen ser prims i lleugers, i també immunes a les condicions climàtiques i a diverses substàncies químiques. Això sovint permet aplicar-los ràpidament en entorns inhòspits o escenaris desfavorables on els cables elèctrics, específicament els tipus coaxials, resulten ser molt poc efectius.

Desavantatges

Tot i que els circuits de fibra òptica tenen tants avantatges, també tenen alguns aspectes negatius.

El desavantatge aparent és que els senyals elèctrics no es poden transferir directament a un cable òptic i, en diverses situacions, el cost i els problemes amb els codificadors vitals i els circuits de descodificació tendeixen a ser força incompatibles.

Una cosa crucial que cal recordar quan es treballa amb fibres òptiques és que normalment tenen un diàmetre mínim especificat i, quan es trenquen amb una corba més nítida, es produeixen danys físics al cable en aquest revolt, cosa que el fa inútil.

El radi de 'doblegada mínima', tal com se sol anomenar a les fitxes tècniques, sol estar entre aproximadament 50 i 80 mil·límetres.

La conseqüència d’aquestes corbes en un cable de xarxa cablejat normal no pot ser res, tot i que per als cables de fibra òptica fins i tot petites corbes estretes poden dificultar la propagació dels senyals lluminosos que provoquen pèrdues dràstiques.

Bàsica de fibra òptica

Tot i que ens pot semblar que un cable de fibra òptica només està format per filament de vidre cobert amb un mànec extern a prova de llum, la situació és de fet molt més avançada que aquesta.

Avui en dia, el filament de vidre es presenta principalment en forma de polímer i no de vidre real, i la configuració estàndard pot ser la que es mostra a la figura següent. Aquí podem veure un nucli central amb un alt índex de refracció i un blindatge exterior amb un índex de refracció reduït.

La refracció en què interactuen el filament interior i el revestiment exterior fa possible que la llum travessi el cable saltant de manera eficient a través de la paret a la paret.

És aquest rebot de la llum a través de les parets del cable el que fa possible que el cable funcioni com una guia lleugera, portant la il·luminació sense problemes a les cantonades i les corbes.

Propagació lleugera en mode d’ordre alt

L'angle en què es reflecteix la llum està determinat per les propietats del cable i l'angle d'entrada de la llum. A la figura anterior es pot veure el raig de llum a través d’un 'mode d'ordre alt' propagació.

Propagació lleugera del mode d’ordre baix

No obstant això, trobareu cables amb llum alimentada amb un angle més baix que fa rebotar entre les parets dels cables amb un angle considerablement ampli. Aquest angle inferior permet que la llum viatgi a una distància relativament major a través del cable de cada rebot.

Aquesta forma de transferència de llum es denomina 'mode de comanda baixa' propagació. La importància pràctica d’aquests dos modes és que la llum que s’aventura a través del cable en el mode d’ordre alt ha de viatjar sensiblement més enllà de la llum que es propaga en el mode d’ordre baix. Això fa taques de senyals lliurades pel cable reduint el rang de freqüències de l'aplicació.

Tot i això, això només és rellevant en enllaços d'ample de banda extremadament amplis.

Cable de mode únic

També tenim 'Mode únic' tipus de cables que estan pensats simplement per habilitar un mode de propagació únic, però no és realment necessari utilitzar aquesta forma de cable amb les tècniques d'amplada de banda comparativament reduïdes detallades en aquest article. A més, podeu trobar un altre tipus de cable anomenat 'índex classificat' cable.

De fet, això és bastant similar al cable d’índex escalonat que hem comentat anteriorment, tot i que hi ha una transformació progressiva d’un índex de refracció elevat a prop del centre del cable a un valor reduït a prop de la màniga exterior.

Això fa que la llum passi profundament a través del cable de manera força similar a la explicada anteriorment, però amb la llum que ha de passar per una ruta corba (com a la següent figura) en lloc de propagar-se a través de línies rectes.

Dimensions de la fibra òptica

La dimensió típica dels cables de fibra òptica és de 2,2 mil·límetres, amb una dimensió mitjana de la fibra interna d’uns 1 mil·límetre. Podeu trobar diversos connectors accessibles per a connexions en aquesta mida de cable, a més de diversos sistemes que connecten cables iguals.

Un sistema de connectors normal inclou un 'endoll' que s'instal·la a la punta del cable i el protegeix al terminal 'endoll' que sol fixar-se sobre la placa de circuit amb una ranura per allotjar la fotocèl·lula (que forma l'emissor o el detector de el sistema òptic).

Factors que afecten el disseny de circuits de fibra òptica

Un aspecte crucial que cal recordar a la fibra òptica són les especificacions de sortida màximes de l’emissor fotocèl·lula per a la longitud d'ona de la llum. Cal seleccionar-lo idealment per fer coincidir la freqüència de transmissió amb la sensibilitat adequada.

El segon factor que cal recordar és que el cable només s’especificarà amb un rang d’amplada de banda limitat, la qual cosa significa que les pèrdues han de ser el mínim possible.

Els sensors i transmissors òptics que s'utilitzen normalment en les fibres òptiques tenen una capacitat de funcionament majoritàriament a la xarxa abast infraroig amb la màxima eficiència, mentre que alguns poden estar pensats per funcionar millor amb l’espectre de llum visible.

Els cables de fibra òptica es subministren amb freqüència amb extrems terminals inacabats, que poden ser molt improductius, tret que els extrems estiguin tallats i treballats adequadament.

Normalment, el cable proporcionarà efectes decents quan es talli en angle recte amb un ganivet de modelar afilat, tallant l'extrem del cable netament en una acció.

Es pot utilitzar un fitxer fi per polir els extrems tallats, però si només heu tallat els extrems, pot ser que això no ajudi a millorar significativament l’eficiència de la llum. És crucial que el tall sigui nítid, net i perpendicular al diàmetre del cable.

Si el tall té algun angle pot deteriorar greument l'eficiència a causa de la desviació de l'angle de l'alimentació de la llum.

Disseny d'un sistema de fibra òptica simple

Una manera bàsica de començar per a qualsevol persona que vulgui provar coses amb comunicacions de fibra òptica seria crear un enllaç d’àudio.

En la seva forma més elemental, pot incloure un circuit senzill de modulació d'amplitud que varia Transmissor LED brillantor d'acord amb l'amplitud del senyal d'entrada d'àudio.

Això provocaria una resposta de corrent de modulació equivalent a través del receptor de fotocèl·lules, que es processaria per generar un voltatge que correspon a una resistència de càrrega calculada en sèrie amb la fotocèl·lula.

Aquest senyal s’amplificaria per proporcionar el senyal de sortida d’àudio. En realitat, aquest enfocament fonamental pot tenir els seus propis inconvenients, el principal pot ser simplement una linealitat insuficient de les fotocèl·lules.

L’absència de linealitat afecta en forma d’un nivell proporcional de distorsió a través de l’enllaç òptic que pot ser posteriorment de mala qualitat.

Un mètode que normalment ofereix resultats significativament millors és un sistema de modulació de freqüència, que és bàsicament idèntic al sistema utilitzat en estàndard Emissions de ràdio VHF .

No obstant això, en aquests casos hi ha una freqüència portadora d’uns 100 kHz en lloc dels 100 MHz convencionals que s’utilitzen en la transmissió de ràdio de banda 2.

Aquest enfocament pot ser força senzill, com es mostra al diagrama de blocs següent. Demostra el principi establert per a un enllaç unidireccional d’aquest formulari. El transmissor és en realitat un oscil·lador controlat per tensió (VCO) i, tal com indica el títol, la freqüència de sortida d’aquest disseny es podria ajustar mitjançant un voltatge de control.

Aquesta tensió pot ser la transmissió d'entrada de so, i a mesura que la tensió del senyal oscil·la amunt i avall, també ho serà la freqüència de sortida del VCO. A filtre de pas baix s'incorpora per refinar el senyal d'entrada d'àudio abans que s'apliqui al VCO.

Això ajuda a evitar que els 'xiulets' heterodins es produeixin a causa de notes de ritme entre l'oscil·lador controlat per tensió i qualsevol senyal d'entrada d'alta freqüència.

Normalment, el senyal d’entrada només cobreix el rang de freqüències d’àudio, però és possible que trobeu contingut de distorsió a freqüències més altes i que els senyals de ràdio s’agafin del cablejat i interaccionin amb el senyal VCO o els harmònics al voltant del senyal de sortida del VCO.

El dispositiu emissor que pot ser simplement un LED és impulsat per la sortida VCO. Per obtenir un resultat òptim, aquest LED normalment és un tipus de LED d'alta potència . Això fa necessària la ús d’una etapa de memòria intermèdia del controlador per accionar l'alimentació LED.

Aquesta següent etapa és un multivibrador monoestable que s’ha de dissenyar com un tipus que no es pot recuperar.

Això permet a l’etapa generar polsos de sortida a través d’intervals determinats per la xarxa de temporització C / R, que és independent de la durada del pols d’entrada.

Forma d'ona operativa

Això proporciona una conversió de freqüència a tensió fàcil però eficaç, ja que la forma d’ona tal com es mostra a la figura següent explica clarament el seu patró operatiu.

A la figura (a) la freqüència d'entrada genera una sortida del monoestable amb una proporció d'espai d'1 a 3 marcs, i la sortida es troba en estat alt durant el 25% del temps.

El voltatge mitjà de sortida (tal com es representa dins de la línia de punts) és com a resultat 1/4 de l'estat HIGH de sortida.

A la figura (b) anterior podem veure que la freqüència d’entrada s’ha augmentat dues vegades, cosa que significa que obtenim dues vegades més polsos de sortida per a un interval de temps especificat amb una relació d’espai de marca d’1: 1. Això ens permet obtenir una tensió de sortida mitjana que és del 50% de l’estat de sortida ALTA i una magnitud 2 vegades més gran de l’exemple anterior.

En termes senzills, el monoestable no només ajuda a convertir la freqüència en voltatge, sinó que també permet a la conversió obtenir una característica lineal. La sortida del monoestable per si sola no pot generar un senyal de freqüència d'àudio, tret que s'incorpori un filtre de pas baix que garanteixi que la sortida s'estabilitzi en un senyal d'àudio adequat.

El principal problema d’aquest senzill mètode de conversió de freqüència a tensió és que es requereix una atenuació de nivell superior (essencialment 80 dB o superior) a la freqüència de sortida mínima del VCO per poder crear una sortida estabilitzada.

Però aquest mètode és realment senzill i fiable en altres consideracions i, juntament amb els circuits moderns, pot no ser difícil dissenyar una etapa de filtre de sortida que tingui una precisió adequada. característica de tall .

És possible que un petit nivell de senyal de portador excedent a la sortida no sigui massa crític i es pugui ignorar, perquè la portadora generalment es troba a freqüències que no estan dins del rang d’àudio i, per tant, qualsevol fuita a la sortida serà inaudible.

Circuit de transmissor de fibra òptica

A continuació es pot veure tot el diagrama del circuit del transmissor de fibra òptica. Trobareu molts circuits integrats adequats per funcionar com el VCO, juntament amb moltes altres configuracions construïdes amb peces discretes.

Però per a una tècnica de baix cost s’utilitza àmpliament NE555 es converteix en l’opció preferida i, tot i que és certament econòmica, ve amb una eficiència de rendiment bastant bona. Pot ser modulada en freqüència integrant el senyal d’entrada al pin 5 de l’IC, que es connecta amb el divisor de voltatge configurat per crear els límits de commutació de 1/3 V + i 2/3 V + per l’IC 555.

Bàsicament, el límit superior s’incrementa i disminueix de manera que el temps consumit perquè el condensador de temporització C2 canviï entre els dos intervals es pugui augmentar o disminuir corresponentment.

Tr1 està connectat com un seguidor de l'emissor etapa de memòria intermèdia que subministra el corrent elevat necessari per il·luminar el LED (D1) de manera òptima. Tot i que el propi NE555 compta amb un bon corrent de 200 mA per al LED, un controlador de corrent separat per al LED permet establir el corrent de LED desitjat d’una manera precisa i mitjançant un mètode més fiable.

R1 està posicionat per fixar el corrent del LED a aproximadament 40 miliamperis, però atès que el LED s’encén / apaga a un ritme del 50% del cicle de treball permet que el LED funcioni només amb el 50% de la qualificació real, que és d’uns 20 miliamperis.

El corrent de sortida es pot augmentar o disminuir ajustant el valor R1 sempre que es consideri necessari.

Components per a resistències de transmissors de fibra òptica (tots 1/4 de watts, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47 k
R4 = 10k
R5 = 10 k
R6 = 10 k
R7 = 100k
R8 = 100k
Condensadors
C1 = 220µ 10V elegit
C2 = 390pF placa ceràmica
C3 = 1u 63V elegit
C4 = 330p placa de ceràmica
C5 = capa de polièster 4n7
C6 = capa de polièster 3n3
C7 = 470n capa de polièster
Semiconductors
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = veure text
Divers
Presa de presa SK1 de 3,5 mm
Tauler de circuits, caixa, bateria, etc.

Circuit de receptor de fibra òptica

El diagrama del circuit del receptor de fibra òptica primari es pot veure a la secció superior del diagrama següent, el circuit de filtre de sortida es dibuixa just a sota del circuit del receptor. La sortida del receptor es pot veure unida a l’entrada del filtre a través d’una línia grisa.

D1 forma el díode detector , i funciona en la configuració de biaix inversa en què la seva resistència a fuites ajuda a crear una mena de resistència dependent de la llum o efecte LDR.

R1 funciona com una resistència de càrrega i C2 crea un enllaç entre l’etapa del detector i l’entrada de l’amplificador d’entrada. Això forma una xarxa capacitivament unida en dues etapes on les dues etapes funcionen juntes a la emissor comú mode.

Això permet un guany de tensió global superior a 80 dB. tenint en compte que es proporciona un senyal d’entrada força potent, això ofereix una oscil·lació de la tensió de sortida adequadament alta al pin del col·lector Tr2 per empènyer el multivibrador monoestable .

Aquest darrer és un tipus CMOS estàndard construït amb un parell de portes NOR de 2 entrades (IC1a i IC1b) amb C4 i R7 que funcionen com a elements de sincronització. L’altra no s’utilitza un parell de portes d’IC1, tot i que les seves entrades es poden veure enganxades a la terra en un esforç per aturar la falsa commutació d’aquestes portes a causa de la captació perduda.

Referint-se a l’etapa de filtre construïda al voltant d’IC2a / b, és fonamentalment un sistema de filtre de 2/3 ordre (18 dB per octava) amb especificacions comunament emprades a la circuits transmissors . Aquests s’uneixen en sèrie per establir un total de 6 pols i una taxa d’atenuació general de 36 dB per octava.

Això ofereix aproximadament 100 dB d’atenuació del senyal portador en el seu rang de freqüència mínim i un senyal de sortida amb nivells de senyal portador relativament baixos. El circuit de fibra òptica pot fer front a tensions d’entrada de fins a 1 volt RMS aproximadament sense distorsió crítica i ajudar a treballar amb un guany de tensió marginalment inferior a la unitat del sistema.

Components per a receptor i filtre de fibra òptica

Resistències (tots 1/4 watts al 5%)
R1 = 22 k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22 k
R8 = 47 k
R9 = 47 k
R10 a R15 10k (6 de descompte)
Condensadors
C1 = 100µ10V electrolític
C2 = 2n2 polièster
C3 = 2n2 polièster
C4 = 390p ceràmica
C5 = 1µ 63V electrolític
C6 = 3n3 polièster
C7 = polièster 4n7
C8 = 330pF ceràmica
C9 = 3n3 polièster
C10 = polièster 4n7

Semiconductors
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 de descompte)
D1 = Veure text
Divers
SK1 = connector D. de 25 vies
Estoig, placa de circuit, cable, etc.