Circuito de fibra óptica - transmissor e receptor

Sinais eletrônicos têm sido enviados com bastante sucesso por décadas por meio de conexões 'hard-wire' padrão ou usando links de rádio de diferentes tipos, que apresentam muitas desvantagens.

Por outro lado, os links de fibra óptica, sejam eles usados ​​para links de áudio ou vídeo em longo alcance, ou para lidar com pequenas distâncias, têm oferecido algumas vantagens distintas em comparação com os cabos normais com fio.

Como funciona a fibra óptica

Na tecnologia de circuito de fibra óptica, um link de fibra óptica é usado para transferir dados digitais ou analógicos na forma de frequência de luz por meio de um cabo que possui um núcleo central altamente reflexivo.

Internamente, a fibra óptica consiste em um núcleo central altamente reflexivo, que atua como um guia de luz para a transferência de luz através dela por meio de reflexos contínuos para frente e para trás em suas paredes reflexivas.

O link óptico normalmente inclui um circuito conversor de frequência elétrica para frequência de luz, que converte sinais digitais ou de áudio em frequência de luz. Esta frequência de luz é 'injetada' em uma das extremidades da fibra óptica através de um LED poderoso . A luz é então permitida a viajar através do cabo óptico para o destino pretendido, onde é recebida por uma fotocélula e um circuito amplificador que converte a freqüência da luz de volta à forma digital original ou forma de freqüência de áudio.

Vantagens da fibra óptica

Uma grande vantagem dos links de circuito de fibra ótica é sua imunidade perfeita a interferências elétricas e capturas erradas.

Os links de 'cabo' padrão podem ser projetados para reduzir esse problema; no entanto, pode ser um grande desafio erradicar completamente esse problema.

Pelo contrário, as características não elétricas de um cabo de fibra ótica ajudam a tornar a interferência elétrica imaterial, além de alguma perturbação que poderia ser detectada na extremidade do receptor, mas isso também pode ser eliminado por meio de uma blindagem eficaz do circuito do receptor.

De forma bastante semelhante, os sinais de banda larga roteados por um cabo elétrico comum geralmente dissipam os distúrbios elétricos, causando obstrução dos sinais de rádio e televisão próximos.

Mas, novamente, no caso de um cabo de fibra ótica, ele pode provar ser totalmente isento de emissões elétricas e, embora a unidade transmissora possa produzir alguma radiação de radiofrequência, é bastante simples encerrá-la utilizando estratégias básicas de triagem.

Devido a esse ponto positivo, os sistemas que incorporam muitos cabos ópticos trabalhando juntos um ao lado do outro não apresentam complicações ou problemas com conversas cruzadas.

É claro que a luz pode vazar de um cabo para o outro, mas os cabos de fibra óptica são geralmente encapsulados em uma capa externa à prova de luz que, idealmente, evita qualquer forma de vazamento de luz.

Esta forte blindagem em links de fibra ótica garante uma transferência de dados razoavelmente segura e confiável.

Outra vantagem é que as fibras ópticas estão livres de problemas de risco de incêndio, uma vez que não há eletricidade ou alto fluxo de corrente envolvidos.

Também temos um bom isolamento elétrico em todo o link para garantir que complicações com loops de aterramento não ocorram. Por meio de circuitos de transmissão e recepção apropriados, ele se torna adequado para links de fibra óptica para lidar com faixas de largura de banda substanciais.

Links de largura de banda larga também podem ser criados por meio de cabos de alimentação coaxial, embora os cabos ópticos modernos normalmente apresentem perdas reduzidas em comparação com os tipos coaxiais em aplicações de largura de banda larga.

Os cabos ópticos são normalmente finos e leves, e também imunes às condições climáticas e a várias substâncias químicas. Isso frequentemente permite que eles sejam aplicados rapidamente em ambientes inóspitos ou cenários desfavoráveis ​​onde cabos elétricos, especificamente os tipos coaxiais, simplesmente se tornam muito ineficazes.

Desvantagens

Embora os circuitos de fibra ótica tenham tantas vantagens, eles também têm algumas desvantagens.

A aparente desvantagem é que os sinais elétricos não podem ser transferidos diretamente para um cabo óptico e, em várias situações, o custo e os problemas encontrados com o codificador vital e os circuitos do decodificador tendem a se tornar totalmente incompatíveis.

Uma coisa crucial a lembrar ao trabalhar com fibras ópticas é que normalmente elas têm um diâmetro mínimo especificado e, quando são torcidas com uma curva mais nítida, causam danos físicos ao cabo naquela curva, tornando-o inútil.

O raio de 'curvatura mínima', como é normalmente chamado nas planilhas de dados, é normalmente entre aproximadamente 50 e 80 milímetros.

A consequência de tais curvas em um cabo de rede com fio normal pode ser simplesmente nada, no entanto, para cabos de fibra óptica, mesmo pequenas curvas apertadas podem impedir a propagação dos sinais de luz, levando a perdas drásticas.

Básico de Fibra Óptica

Embora possa nos parecer que um cabo de fibra óptica é simplesmente feito de filamento de vidro coberto por uma capa externa à prova de luz, a situação é na verdade muito mais avançada do que isso.

Hoje em dia, o filamento de vidro está principalmente na forma de um polímero e não de vidro real, e a configuração padrão pode ser conforme apresentado na Figura a seguir. Aqui podemos ver um núcleo central com um alto índice de refração e uma blindagem externa com índice de refração reduzido.

A refração, onde o filamento interno e o revestimento externo interagem, possibilita que a luz atravesse o cabo, saltando de forma eficiente de parede a parede por todo o cabo.

É esse reflexo da luz pelas paredes do cabo que torna possível que o cabo corra como um guia de luz, conduzindo a iluminação suavemente sobre os cantos e as curvas.

Propagação de luz do modo de alta ordem

O ângulo em que a luz é refletida é determinado pelas propriedades do cabo e pelo ângulo de entrada da luz. Na figura acima, o raio de luz pode ser visto através de um 'modo de alta ordem' propagação.

Propagação de luz do modo de ordem baixa

No entanto, você encontrará cabos com luz alimentada com um ângulo mais raso, fazendo com que salte entre as paredes dos cabos com um ângulo consideravelmente grande. Este ângulo inferior permite que a luz viaje a uma distância relativamente maior através do cabo em cada salto.

Esta forma de transferência de luz é denominada 'modo de baixa ordem' propagação. O significado prático de ambos os modos é que a luz que se avança através do cabo no modo de ordem superior precisa viajar consideravelmente mais longe em comparação com a luz que é propagada no modo de ordem inferior. Isso mancha os sinais enviados pelo cabo, reduzindo a faixa de frequência do aplicativo.

No entanto, isso só é relevante em links de largura de banda extremamente ampla.

Cabo de modo único

Nós também temos o 'Modo único' cabos do tipo que se destinam simplesmente a permitir um único modo de propagação, mas não é realmente necessário utilizar este tipo de cabo com as técnicas de largura de banda comparativamente estreita detalhadas neste artigo. Você pode ainda encontrar um tipo alternativo de cabo chamado 'índice graduado' cabo.

Na verdade, isso é muito semelhante ao cabo de índice escalonado discutido anteriormente, embora exista uma transformação progressiva de um alto índice de refração próximo ao centro do cabo para um valor reduzido próximo à capa externa.

Isso faz com que a luz passe profundamente pelo cabo de maneira bastante semelhante à explicada anteriormente, mas com a luz tendo que passar por uma rota curva (como na figura a seguir) em vez de ser propagada por linhas retas.

Dimensões da fibra óptica

A dimensão típica para cabos de fibra óptica é de 2,2 milímetros, com uma dimensão média da fibra interna de cerca de 1 milímetro. Você pode encontrar vários conectores acessíveis para conexões neste tamanho de cabo, além de vários sistemas que se conectam a cabos igualmente correspondentes.

Um sistema de conector normal inclui um 'plugue' que é instalado na ponta do cabo e o protege ao terminal de 'soquete' que geralmente se encaixa sobre a placa de circuito com um slot para acomodar a fotocélula (que forma o emissor ou o detector de o sistema óptico).

Fatores que afetam o projeto do circuito de fibra ótica

Um aspecto crucial que precisa ser lembrado em fibra óptica são as especificações de saída de pico do emissor fotocélula para o comprimento de onda da luz. Deve ser selecionado de forma ideal para corresponder à frequência de transmissão com a sensibilidade apropriada.

O segundo fator a lembrar é que o cabo será especificado com apenas uma faixa de largura de banda limitada, o que significa que as perdas devem ser as mínimas possíveis.

Os sensores e transmissores ópticos normalmente usados ​​em fibras ópticas são principalmente classificados para trabalhar no alcance infravermelho com a máxima eficiência, enquanto alguns podem funcionar melhor com o espectro de luz visível.

O cabeamento de fibra óptica é freqüentemente entregue com extremidades de terminação inacabadas, o que pode ser muito improdutivo, a menos que as extremidades sejam adequadamente aparadas e trabalhadas.

Normalmente, o cabo fornecerá efeitos decentes quando for cortado em ângulos retos com uma faca de modelagem afiada, cortando a extremidade do cabo de forma limpa em uma ação.

Uma lima fina pode ser usada para polir as pontas cortadas, mas se você acabou de cortar as pontas, isso pode não ajudar a aumentar significativamente a eficiência da luz. É crucial que o corte seja preciso, nítido e perpendicular ao diâmetro do cabo.

Se o corte tiver algum ângulo pode deteriorar severamente a eficiência devido ao desvio no ângulo de alimentação da luz.

Projetando um Sistema Simples de Fibra Ótica

Uma maneira básica de começar para quem deseja experimentar coisas com comunicações de fibra óptica seria criar um link de áudio.

Em sua forma mais elementar, isso pode incluir um circuito de modulação de amplitude simples que varia o Transmissor LED brilho de acordo com a amplitude do sinal de entrada de áudio.

Isso causaria uma resposta de corrente de modulação equivalente através do receptor de fotocélula, que seria processado para gerar uma voltagem de variação correspondente em um resistor de carga calculado em série com a fotocélula.

Este sinal seria amplificado para fornecer o sinal de saída de áudio. Na realidade, essa abordagem fundamental pode vir com suas próprias desvantagens, a principal pode ser simplesmente uma linearidade insuficiente das fotocélulas.

A ausência de linearidade afeta na forma de um nível proporcional de distorção no link óptico que pode ser subsequentemente de má qualidade.

Um método que normalmente oferece resultados significativamente melhores é um sistema de modulação de frequência, que é basicamente idêntico ao sistema usado no padrão Transmissões de rádio VHF .

No entanto, em tais casos, uma frequência portadora de cerca de 100 kHz está envolvida, em vez dos 100 MHz convencionais usados ​​na transmissão de rádio da banda 2.

Essa abordagem pode ser muito simples, conforme mostrado no diagrama de blocos abaixo. Ele demonstra o princípio estabelecido para um link unilateral deste formulário. O transmissor é na verdade um oscilador controlado por tensão (VCO) e, como o título sugere, a frequência de saída desse projeto pode ser ajustada por meio de uma tensão de controle.

Essa tensão pode ser a transmissão da entrada de som e, à medida que a tensão do sinal oscila para cima e para baixo, o mesmo ocorre com a frequência de saída do VCO. UMA filtro passa-baixo é incorporado para refinar o sinal de entrada de áudio antes de ser aplicado ao VCO.

Isso ajuda a manter os 'assobios' heteródinos longe de serem produzidos por causa das notas de batida entre o oscilador controlado por tensão e quaisquer sinais de entrada de alta frequência.

Normalmente, o sinal de entrada só cobre a faixa de frequência de áudio, mas você pode encontrar conteúdo de distorção em frequências mais altas e sinais de rádio sendo captados da fiação e interagindo com o sinal VCO ou harmônicos em torno do sinal de saída do VCO.

O dispositivo de emissão, que pode ser simplesmente um LED, é acionado pela saída do VCO. Para um resultado ideal, este LED é normalmente um tipo de LED de alta potência . Isso requer o uso de um estágio de buffer de driver para operar a alimentação do LED.

Este próximo estágio é um multivibrador monoestável que deve ser projetado como um tipo não reativável.

Isso permite que o estágio gere pulsos de saída por meio de intervalos conforme determinado pela rede de temporização C / R, que é independente da duração do pulso de entrada.

Forma de onda operacional

Isso fornece uma conversão de frequência em tensão fácil, mas eficaz, com a forma de onda representada na figura a seguir que explica claramente seu padrão operacional.

Na Figura (a), a frequência de entrada gera uma saída do monoestável com uma razão de espaço de marcação de 1 para 3, e a saída está no estado alto 25% do tempo.

A tensão de saída média (conforme ilustrado dentro da linha pontilhada) é como resultado 1/4 do estado de saída HIGH.

Na Figura (b) acima, podemos ver que a frequência de entrada foi aumentada em duas vezes, o que significa que obtemos duas vezes mais pulsos de saída para um intervalo de tempo especificado com uma proporção de espaço de marcação de 1: 1. Isso nos permite obter uma tensão de saída média que é 50% do estado de saída ALTO e 2 vezes mais magnitude do exemplo anterior.

Em termos simples, o monoestável não apenas ajuda a converter frequência em tensão, mas também permite a conversão para obter uma característica linear. A saída do monoestável sozinha não pode construir um sinal de frequência de áudio, a menos que um filtro passa-baixo seja incorporado, o que garante que a saída seja estabilizada em um sinal de áudio adequado.

O principal problema com este método simples de conversão de frequência em voltagem é que uma atenuação de nível mais alto (essencialmente 80 dB ou mais) é necessária na frequência de saída mínima do VCO para ser capaz de criar uma saída estabilizada.

Mas, este método é realmente simples e confiável em outras considerações e, junto com os circuitos modernos, pode não ser difícil projetar um estágio de filtro de saída com uma precisão apropriada característica de corte .

Um nível minúsculo de sinal de portadora excedente na saída pode não ser muito crítico e pode ser ignorado, porque a portadora está geralmente em frequências que não estão dentro da faixa de áudio e qualquer vazamento na saída será como resultado inaudível.

Circuito Transmissor de Fibra Óptica

Todo o diagrama do circuito do transmissor de fibra óptica pode ser visto abaixo. Você encontrará muitos circuitos integrados adequados para trabalhar como VCO, junto com muitas outras configurações construídas com peças discretas.

Mas para uma técnica de baixo custo, o amplamente utilizado NE555 torna-se a opção preferida e, embora seja certamente barato, ainda vem com uma eficiência de desempenho bastante boa. Pode ser modulado por frequência integrando o sinal de entrada ao pino 5 do IC, que se conecta ao divisor de tensão configurado para criar os limites de chaveamento de 1/3 V + e 2/3 V + para o IC 555.

Essencialmente, o limite superior é aumentado e diminuído de modo que o tempo consumido para o capacitor de temporização C2 alternar entre as duas faixas possa ser correspondentemente aumentado ou diminuído.

Tr1 é conectado como um seguidor de emissor estágio de buffer que fornece a alta corrente de comando necessária para iluminar o LED (D1) de forma ideal. Embora o próprio NE555 apresente uma boa corrente de 200 mA para o LED, um driver controlado por corrente separado para o LED permite estabelecer a corrente desejada do LED de maneira precisa e por meio de um método mais confiável.

R1 está posicionado para fixar a corrente do LED em aproximadamente 40 miliamperes, mas como o LED é LIGADO / DESLIGADO a uma taxa de 50% do ciclo de trabalho, permite que o LED funcione com apenas 50% da classificação real, que é cerca de 20 miliamperes.

A corrente de saída pode ser aumentada ou diminuída ajustando o valor R1 sempre que necessário.

Componentes para resistores de transmissor de fibra ótica (todos 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Capacitores
C1 = 220µ 10V eleito
C2 = placa de cerâmica 390pF
C3 = 1u 63V eleito
C4 = placa de cerâmica 330p
C5 = camada de poliéster 4n7
C6 = camada de poliéster 3n3
C7 = camada de poliéster 470n
Semicondutores
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = ver texto
Diversos
Tomada jack SK1 3,5 mm
Placa de circuito, caixa, bateria, etc.

Circuito receptor de fibra óptica

O diagrama do circuito receptor de fibra óptica primário pode ser visto na seção superior do diagrama abaixo, o circuito do filtro de saída é desenhado logo abaixo do circuito receptor. A saída do receptor pode ser vista associada à entrada do filtro por meio de uma linha cinza.

D1 forma o detector de diodo , e funciona na configuração de polarização reversa, em que sua resistência de vazamento ajuda a criar um tipo de resistor dependente de luz ou efeito LDR.

R1 funciona como um resistor de carga e C2 cria um link entre o estágio do detector e a entrada do amplificador de entrada. Isso forma uma rede de dois estágios capacitivamente ligada, onde os dois estágios funcionam juntos no emissor comum modo.

Isso permite um ganho de tensão geral superior a 80 dB. dado que um sinal de entrada bastante poderoso é fornecido, isso oferece uma oscilação de tensão de saída adequadamente alta no pino coletor Tr2 para empurrar o multivibrador monoestável .

O último é um tipo de CMOS padrão construído usando um par de portas NOR de 2 entradas (IC1a e IC1b) com C4 e R7 funcionando como elementos de temporização. As outras duas portas do IC1 não são usadas, embora suas entradas possam ser vistas conectadas à terra em um esforço para impedir a comutação falsa dessas portas devido a captação perdida.

Referindo-se ao estágio de filtro construído em torno de IC2a ​​/ b, é fundamentalmente um sistema de filtro de ordem 2/3 (18 dB por oitava) com especificações comumente empregadas no circuitos transmissores . Eles são unidos em série para estabelecer um total de 6 pólos e uma taxa de atenuação geral de 36 dB por oitava.

Isso oferece aproximadamente 100 dB de atenuação do sinal da portadora em sua faixa de frequência mínima e um sinal de saída com níveis de sinal da portadora relativamente baixos. O circuito de fibra óptica pode lidar com tensões de entrada de até 1 volt RMS aproximadamente sem distorção crítica e ajudar a trabalhar com ganho de tensão marginalmente inferior a unidade para o sistema.

Componentes para receptor e filtro de fibra óptica

Resistores (todos 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 a R15 10k (6 desligado)
Capacitores
C1 = 100µ10V eletrolítico
C2 = 2n2 poliéster
C3 = poliéster 2n2
C4 = 390p cerâmica
C5 = 1µ 63V eletrolítico
C6 = 3n3 poliéster
C7 = poliéster 4n7
C8 = 330pF cerâmica
C9 = 3n3 poliéster
C10 = poliéster 4n7

Semicondutores
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 desligado)
D1 = Ver texto
Diversos
SK1 = conector D de 25 vias
Caixa, placa de circuito, fio, etc.