Modificación y adaptación de circuitos electrónicos

Ninth LACCEI Latin American and Caribbean Conference (LACCEI’2011), Engineering for a Smart Planet, Innovation, Information
Technology and Computational Tools for Sustainable Development, August 3-5, 2011, Medellín, Colombia.
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
Fotónica- ALOP’
Inti Ariel Poveda Nuñez
Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Departamento de Física, Bogotá, Colombia,
[email protected]
Diana Carolina González Suspes
Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá. Departamento de Física, Bogotá, Colombia,
[email protected]
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
fotónica- ALOP. Estos nuevos diseños fueron utilizados con éxito en ALOP-SPN, Bogotá 2010.
Palabras claves: Transmisión óptica, LED, ALOP, láser, circuito.
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.
Keywords: Optical transmission, LED, ALOP, Laser, circuit.
1. 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 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 la 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 con un sistema óptico capaz de diferenciarlas. Estos circuitos fueron diseñados por Mazzolini et al. (2006).
Presentamos aquí las modificaciones realizadas para construir estos circuitos con las partes electrónicas
disponibles en el comercio local o de fácil acceso a través de internet, y algunas mejoras para su funcionamiento.
2. 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.
2.1. TELÉGRAFO ÓPTICO
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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
translúcido x 1
encapsulado
plástico
•
Transistor NPN x 1
•
Resistencia ¼ W x 1
•
Buzzer Piezoeléctrico de 6V a 12V x 1
•
Entrada a batería de 9 V x 1
•
Interruptor 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.
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El diseño de los circuitos impresos del emisor y el receptor del telégrafo se presentan a continuación:
LADO DE COBRE
LADO DE COMPONENTES
Figura 3. Circuito impreso para el emisor del telégrafo óptico.
LADO DE COBRE
LADO DE COMPONENTES
Figura 4. Circuito impreso para el receptor del telégrafo óptico.
2.2. TRANSMISOR DE UNA SEÑAL DE AUDIO MEDIANTE UN LÁSER
Dispositivo que transmite, mediante un láser modulado, una señal de audio de un emisor a un receptor. El emisor,
cuyo diagrama se muestra en la figura 5 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 5. 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 (trimmer) x 2
•
Conector para audio estéreo macho x 1
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•
Módulo diodo láser 2.5mW a 3.0V 650nm x 1
•
Entrada a batería de 9 V x 1
•
Interruptor 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. Con el fin
de 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 6 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 6. 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 x 1
•
Resistencia ¼ W x 1
•
Conector para audio estéreo hembra x 1
•
Condensador cerámico 1uF x 1
•
Parlantes estéreo de 0.5W x 1
•
Entrada a batería de 9 V x 1
•
Interruptor x 1
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•
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 cualúaact
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.
El diseño para el circuito impreso se presenta a continuación:
LADO DE COBRE
LADO DE COMPONENTES
Figura 7. Circuito impreso para el emisor del circuito de transmisión de una señal de audio por medio de
un Láser.
LADO DE COBRE
LADO DE COMPONENTES
Figura 8. Circuito impreso para el receptor del circuito de transmisión de una señal de audio por medio de
un Láser.
2.3. 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:
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•
Módulo de desarrollo para CPLD (Complex Programmable Logic Device) x 1
•
Led RGB x 1
•
Oscilador variable basado en LM555 desde aproximadamente 500Hz a 1MHz x 1
•
Resistencia ¼ W x 4
•
Pulsador x 1
•
Entrada a batería de 9 V x 1
•
Interruptor x 1
•
Batería de 9 V x 1
•
Circuito impreso x 1
•
Montaje en acrílico x 1
Figura 9. 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.
El diseño del circuito impreso se muestra a continuación:
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LADO DE COBRE
LADO DE COMPONENTES
Figura 10. Circuito impreso para el emisor del dispositivo de multiplexado por longitud de onda.
3. MEJORAS ADICIONALES PROPUESTAS
Para garantizar un mejor funcionamiento de los circuitos receptores proponemos una modificación en el circuito,
que consistente en adicionar un sistema de amplificación, que evitará pérdidas por frecuencia, con un
amplificador operacional.
En la figura 11 presenta el diagrama del circuito modificado:
Etapa de Amplificación
Figura 11. Circuito receptor modificado
En este circuito, la amplificación se logra mediante el manejo de las resistencias R2 y R3, de la siguiente forma:
𝑅3
𝑅2
Con esta relación, y con los valores impuestos en la figura 11, obtenemos una amplificación de 3 : 1 (3).
𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑉𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
A continuación se presenta el diseño del circuito impreso:
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LADO DE COBRE
LADO DE COMPONENTES
Figura 12. Circuito impreso para el receptor modificado
4. ELEMENTOS ELECTRÓNICOS USADOS
Para la construcción de los circuitos se intentó usar elementos que puedan ser de fácil adquisición por medio de
internet, y a un costo bajo, sin sacrificar los requisitos de corriente y tensión que deben cumplir estos.
En la tabla 1 se pueden encontrar los elementos que requieren una referencia, por lo tanto no se incluyen
elementos tales como baterías o conectores.
Tabla 1: Elementos electrónicos
Componente
Referencia
Distribuidor
Telégrafo óptico
LED blanco x 1
Resistencia x 1
¼W
Fototransistor de encapsulado plástico translúcido x 1
BPV11
Transistor NPN x 1
2n2222
Resistencia x 1
¼W
Buzzer Piezoeléctrico
6V a 12V
Transmisión de una señal de audio mediante un Láser
Regulador de voltaje x 1
LM317
Resistencia x 2
¼W
Resistencia variable (trimer) x 2
5kΩ
Módulo diodo láser 2.5mW a 3.0V 650nm
VLM-650-03-LPA
Fototransistor de encapsulado plástico translúcido x 1
BPV11
Amplificador operacional JFET
LF353
Resistencia x 1
¼W
Parlantes
0.5W 8Ω
Multiplexado por longitud de onda
Módulo de desarrollo para CPLD
XC9572
Oscilador variable basado en LM555
500kHz - 1MHz
Resistencia ¼ W x 4
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
Digikey
EM - Electronics
EM - Electronics
Digikey
Digikey: http://www.digikey.com/
EM – Electronics: http://www.em-electronics.com/
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5. 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 circuito.
6. AGRADECIMIENTOS
Agradecemos el apoyo de los grupos estudiantiles OPTTA y APOP 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
A.P. Mazzolini y P.J. Cadusch, (2006) “A simple low-cost demonstration of wavelength division multiplexing,”
Am. J. Phys. 74, 2006.
Vishay Semiconductors. (2008) “BPV11, Silicon NPN Phototransistor Datasheet”,
http://www.vishay.com/docs/81504/bpv11.pdf, 12/08/2010
National Semiconductor. (2003) “LF353, Wide BandwithDual JFET Input Operational Amplifier, Datasheet”,
http://www.national.com/ds/LF/LF353.pdf, 02/20/2011
Autorización y Renuncia
Los autores autorizan a LACCEI para publicar el escrito en las memorias de la conferencia. LACCEI o los
editores no son responsables ni por el contenido ni por las implicaciones de lo que esta expresado en el escrito.
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