Revisi´ on y mejora de sistema de comunicaci´ on de se˜

Revisi´ on y mejora de sistema de comunicaci´ on de se˜
Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingenierı́a
Escuela de Ingenierı́a Eléctrica
Revisión y mejora de sistema de
comunicación de señal analógica por fibra
óptica marca IFO
Por:
Osvaldo Molina Coto
Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica
Julio de 2014
Revisión y mejora de sistema de
comunicación de señal analógica por fibra
óptica marca IFO
Por:
Osvaldo Molina Coto
IE-0499 Proyecto eléctrico
Aprobado por el Tribunal:
M.Sc Luis Diego Marı́n Naranjo
Profesor guı́a
M.Sc Max Obando Pradella
Profesor lector
M.Sc Teodoro Willink Castro
Profesor lector
Resumen
En este proyecto se describe el proceso mediante el cual se rehabilitó y
mejoró un sistema de comunicaciones por fibra óptica marca IFO.
Se estudian los principios por los cuales funcionan los sistemas de fibra
óptica y las ventajas que esta ofrece sobre otros sistemas basados en cable de
cobre. Además se analizan los diferentes tipos de fibras ópticas y sus aplicaciones.
Se realizó un diagnóstico de los problemas del sistema Voice Link de IFO,
se repararon los daños, restableciendo el funcionamiento de este.
Una serie de mejoras mecánicas y eléctricas fueron implementadas, mejorando las prestaciones del sistema y aumentando su robustez.
v
Índice general
Índice de figuras
viii
Índice de cuadros
ix
Nomenclatura
xi
1 Introducción
1.1 Alcance del proyecto .
1.2 Objetivos . . . . . . .
1.3 Metodologı́a . . . . . .
1.4 Desarrollo o contenido
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2 Antecedentes
2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Bloques constituyentes del sistema . . .
2.3 Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Optoelectrónica . . . . . . . . . . . . . .
2.5 Métodos de transmisión de información
2.6 IFO Optical Voice Link . . . . . . . . .
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1
2
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5
5
6
7
12
13
14
3 Desarrollo
17
4 Conclusiones y recomendaciones
31
Bibliografı́a
33
A Hoja de datos LM386
35
B Optical Voice Link
47
vii
Índice de figuras
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
Bloques del sistema de fibra óptica1 . . .
Estructura de la fibra óptica2 . . . . . . .
Ley de Snell3 . . . . . . . . . . . . . . . .
Radiación guiada4 . . . . . . . . . . . . .
Abertura numérica5 . . . . . . . . . . . .
Atenuación en fibra óptica de: a)plástico
Diagrama esquemático del transmisor7 .
Diagrama esquemático del LM3868 . . .
Diagrama esquemático del receptor9 . . .
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
Estado previo del sistema10 . . . . . . . . . . . .
Reparaciones en las pistas de cobre. . . . . . .
Medidor Mastech MY64. . . . . . . . . . . . . .
Circuito de prueba transmisor11 . . . . . . . . .
Circuito de prueba receptor12 . . . . . . . . . . .
Circuito de prueba para emisores. . . . . . . . .
Identificación de emisores13 . . . . . . . . . . . .
Circuito de prueba para detectores. . . . . . . .
Identificación de detectores14 . . . . . . . . . . .
Emisores y detectores. . . . . . . . . . . . . . .
Base para circuito integrado15 . . . . . . . . . .
Señales de entrada y salida. . . . . . . . . . . .
Caja para proyectos Radio Shack16 . . . . . . .
Jack DC17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Jack de audio estereo18 . . . . . . . . . . . . . .
Puerto bnc coaxial19 . . . . . . . . . . . . . . . .
Interior del módulo. . . . . . . . . . . . . . . .
Vista lateral del módulo. . . . . . . . . . . . . .
Vista lateral del módulo. . . . . . . . . . . . . .
Módulo de comunicación. . . . . . . . . . . . .
Sistema de comunicación Voice Link mejorado.
Salida total del sistema. . . . . . . . . . . . . .
viii
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b)vidrio6 .
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7
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9
9
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20
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23
24
25
25
26
26
27
27
28
28
29
29
Índice de cuadros
2.1
2.2
Comparación entre tecnologı́as. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Atenuación del canal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
6
3.1
Ganacia de los circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
ix
Nomenclatura
c0
rapidez de la luz en el vacı́o.
CW DM
coarse wavelength division multiplexing (multiplexación
por división de longitud de onda densa).
IF O
industrial fiber optics.
IRED
infrared emitting diode.
LD
laser diode (diodo láser).
LED
light emitting diode (diodo emisor de luz).
n
ı́ndice de refracción del medio.
P OF
plastic optical fiber (fibra óptica de plástico).
λ
longitud de onda.
xi
1
Introducción
Las necesidades de comunicación de la sociedad moderna son cada vez mayores y sin duda alguna esta tendencia se mantendrá. Por esto los sistemas de
comunicación deben tener cada vez una mayor capacidad, ser más eficientes y
confiables.
Ante estas circunstancias una variedad de tecnologı́as se encuentran disponibles, cada una con fortalezas y debilidades a ser tomadas en cuenta. Los
sistemas que deben transportar un alto tráfico de datos tienen una especial
importancia, en este punto es donde las comunicaciones por fibra óptica tienen su mayor aplicación debido a ciertas ventajas que serán analizadas en este
documento.
El LAFTLA (Laboratorio de Fotónica y Tecnologı́a Láser Aplicada) cuenta
con un sistema de comunicación por fibra óptica marca IFO (Industrial Fiber
Optics) originalmente diseñado para la comunicación de voz en forma analógica. Este sistema ha sido utilizado exitosamente, pero al momento de iniciar
este proyecto se encontraba fuera de funcionamiento. Por esto, en primera instancia se diagnosticaron las causas de esta falla, para su posterior corrección.
Una vez que se realizaron las acciones correctivas se procedió a realizar una
serie de mejoras que permitieron ampliar las aplicaciones y el desempeño del
sistema de comunicación.
1.1
Alcance del proyecto
El módulo Voice Link de la marca IFO fue concebido para demostrar los
principios de la comunicación por fibra óptica de forma simple y a bajo costo,
mediante comunicación analógica en la banda base. Por lo anterior, no se
pretende que el sistema tenga un desempeño comparable al de los productos
comerciales, más bien se busca conseguir una comunicación efectiva con una
calidad aceptable.
Además, este proyecto buscó mejorar las prestaciones del sistema mediante
una serie de mejoras que permiten demostrar otros aspectos del proceso de
comunicación.
1
2
1 Introducción
1.2
Objetivos
Objetivo general
Analizar y mejorar un sistema de comunicación analógica por fibra óptica
marca IFO.
Objetivos especı́ficos
• Estudiar material técnico respecto al equipo existente y analizar sus
problemas.
• Analizar y mejorar el sistema por etapas eléctricas, electrónicas y ópticas.
• Verificar el correcto funcionamiento del equipo.
1.3
Metodologı́a
El desarrollo del trabajo incluyó los siguientes pasos y procedimientos, listados
en secuencia:
1. Una investigación bibliográfica sobre los sistemas de comunicaciones por
fibra óptica. Estudio del material referente al sistema de comunicación
marca IFO.
2. Análisis del funcionamiento de los componentes eléctricos, electrónicos
y ópticos que conforman el sistema de comunicaciones, evaluación de su
funcionamiento y determinación las razones de fallo.
3. Corrección o sustitución de los elementos que previamente de determinó
provocaban la falla del sistema. Verificación del correcto funcionamiento
del sistema de comunicación.
4. Análisis de posibles mejoras al sistema. Implementación de las mejoras
consideradas con mayor viabilidad. Evaluación del funcionamiento del
sistema mejorado.
1.4
Desarrollo o contenido
El capitulo 2 desarrolla la teorı́a detrás de la comunicación por fibra óptica.
Se analizan las ventajas y desventajas de la fibra óptica, ası́ como los diversos
tipos de materiales en los que se fabrica. Además se analiza el principio de
funcionamiento de los circuitos que constituyen el sistema Voice Link.
1.4. Desarrollo o contenido
3
En el capı́tulo 3 se detalla el proceso de diagnóstico de los problemas,
ası́ como de las reparaciones realizadas. Finalmente se describen las mejoras
realizadas y las pruebas realizadas.
2
Antecedentes
2.1
Introducción
Los sistemas de comunicaciones por fibra óptica han experimentado un largo
proceso de mejora, que ha permitido alcanzar altas prestaciones y gran robustez. Desde los años sesenta con la invención del láser y los setenta con la
primera fibra óptica de bajas pérdidas, unido a otros avances han permitido
que el sistema sea cada vez más eficiente y viable para aplicaciones comerciales.
Surgen en este punto varias incógnitas, ¿ cuáles son las ventajas de la fibra
óptica? ¿ por qué ha logrado tal importancia en las comunicaciones modernas?
Son varias las razones por las que los sistemas de comunicaciones por fibra
óptica han tomado tal importancia principalmente en los enlaces de larga
distancia. Quizá el aspecto que más destaca es la tasa de transmisión de datos,
que en comparación a otras tecnologı́as resulta superior, según la tecnologı́a
esta puede variar desde 51,84 Mbit/s hasta 40 Gbit/s. La comparación contra
sistemas de cobre se puede observar en el cuadro 2.1, donde es claro que la
fibra óptica es muy superior tanto en tasa de datos como en ancho de banda.
Cuadro 2.1: Comparación entre tecnologı́as.
Tipo de canal
Razón de datos
Ancho de banda
Par trenzado
Cable coaxial
Fibra óptica
4 Mbit/s
500 Mbit/s
40 Gbit/s
3 MHz
350 MHz
2 GHz
Otro aspecto de gran importancia es la máxima distancia del enlace. Este aspecto está limitado por la atenuación del medio, los datos del cuadro 2.2
permiten comparar estas caracterı́sticas, en las que la fibra óptica vuelve a destacar, logrando enlaces de gran longitud sin requerir sistemas de amplificación
de la señal.
Una caracterı́stica destacable de la fibra óptica es la poca interacción de la
señal con el medio, ya sea por interferencia electromagnética o la radiación de
otras fibras. Debido al recubrimiento de las fibras poco o nada de la radiación
pasa al exterior, y esta no se puede acoplar a otra fibra por los mecanismos
propios de la transmisión como lo es la reflexión interna total. Además las
5
6
2 Antecedentes
Cuadro 2.2: Atenuación del canal.
Tipo de canal
Atenuación/
Distancia máxima
Par trenzado
Cable coaxial
Fibra óptica
21,7 dB/km @100 MHz
22,6 dB/km @100 MHz
0,2 dB/km @1550 nm
10 km
10 km
100 km
señales electromagnética en el medio no interacción con la radiación óptica
por lo que se tiene un factor muy importante a favor de esta tecnologı́a.
Otras caracterı́sticas de similar importancia son el bajo peso, la resistencia
a la temperatura y la relativa facilidad para conectar un sistema de fibra óptica
a uno basado en cobre con modificaciones pequeñas.
Por otra parte es necesario anotar que el sistema dista de ser perfecto y que
es indispensable considerar una cantidad importante de detalles para alcanzar
un funcionamiento óptimo. Las mayores limitantes son económicas, pese a
que la expansión de esta tecnologı́a ha abaratado los costos aún resulta más
económico utilizar sistemas de cobre para ciertas aplicaciones, principalmente
si la distancia del enlace es corta.
Al considerar un enlace de fibra óptica se debe tener presente otros aspectos
como la posibilidad de crecimiento, si bien un sistema de cobre puede ser
más barato, en el largo plazo puede requerir ampliaciones que resulten más
costosas.
2.2
Bloques constituyentes del sistema
Un sistema de comunicaciones por fibra óptica puede componerse de una gran
cantidad de elementos, pero en general, y sin importar el nivel de sofisticación,
cumple con el esquema básico de comunicación, transmisor, canal y receptor.
En cada uno de estos bloques hay elementos que pueden o no estar presentes dependiendo de las caracterı́sticas propias del sistema, como por ejemplo el
modulador, demodulador, convertidores analógico-digital y digital-analógico,
amplificadores entre otros.
En un sistema de fibra óptica hay tres elementos esenciales en cada bloque.
Emisor, fibra óptica y detector, para el transmisor, canal y receptor respectivamente, estos elementos se detallan a continuación.
2.3. Fibra Óptica
7
Figura 2.1: Bloques del sistema de fibra óptica1 .
2.3
Fibra Óptica
Una fibra óptica se compone de dos capas de algún material capaz de transmitir la radiación óptica, normalmente vidrio o un polı́mero. Como muestra
la figura 2.2, la capa interior de la fibra se llama núcleo y es por donde se
transmite la radiación.
La otra capa que interviene directamente en el funcionamiento de la fibra
es el revestimiento o cladding, que como se explica adelante, permite junto al
núcleo mantener confinada la radiación. Además la fibra óptica puede contar con otros revestimientos que tiene como principal fin otorgar resistencia
mecánica y protección de los elementos.
Figura 2.2: Estructura de la fibra óptica2 .
1
Fuente: Marı́n Narajo, L.D (2014). Material del curso comunicaciones por fibra óptica,
capı́tulo 1.
2
Fuente: Industrial Fiber Optics (1998). Optical Voice Link.
8
2 Antecedentes
Principio de funcionamiento
Uno de los principios básicos de la óptica permite guiar la radiación a través
de la fibra de forma controlada, se conoce como Ley de Snell. Esta relaciona
el ángulo incidente θi y el transmitido θt cuando un haz pasa de un medio a
otro con diferente ı́ndice de refracción.
n1 (λ)sen(θi ) = n2 (λ)sen(θt )
(2.1)
Figura 2.3: Ley de Snell3 .
A partir de cierto ángulo θc , se da el fenómeno de reflexión interna total,
calculado con la ecuación 2.2, que depende solamente de la relación entre los
ı́ndices de refracción del núcleo y del revestimiento. Esta es la razón por la
cual es posible guiar los haces a través de la fibra e impone las restricciones
para este fin. Como muestra la figura 2.4 los haces con ángulo mayor al ángulo
crı́tico se mantienen dentro de la fibra, aquellos con un ángulo menor pasan
hacia el revestimiento.
n2 (λ)
θc = sen−1
(2.2)
n1 (λ)
3
Fuente: Marı́n Narajo, L.D (2014). Material del curso comunicaciones por fibra óptica,
capı́tulo 2.
2.3. Fibra Óptica
9
Figura 2.4: Radiación guiada4 .
El principio anterior se relaciona con el de abertura numérica. Este brinda
una medida del ángulo máximo que puede tener un haz de radiación para
ingresar a la fibra óptica. La ecuación 2.3 muestra la relación de la abertura
numérica con el ángulo de incidencia.
AN = n0 (λ)sen(θ)
(2.3)
Figura 2.5: Abertura numérica5 .
Caracterı́sticas de la fibra óptica
Pérdidas y atenuación
Un concepto importante en comunicaciones por fibra óptica es el de pérdidas.
La potencia de entrada y salida de un enlace se puede relacionar con las
pérdidas según la ecuación 2.4, que permite evaluar el desempeño de un enlace.
De forma similar se puede relacionar la ganancia con la potencia en mW
mediante los dBm según la ecuación 2.5.
4
Fuente: Marı́n Narajo, L.D (2014). Material del curso comunicaciones por fibra óptica,
capı́tulo 1.
5
Fuente: Industrial Fiber Optics (1998). Optical Voice Link.
10
2 Antecedentes
Pout
L(dB) = 10log
Pin
Pout
G(dBm) = 10log
1mW
(2.4)
(2.5)
Otra forma de cuantificar las pérdidas es mediante la atenuación α. Esta
puede ser causada por una serie de factores como la absorción del material o
imperfecciones en la fibra y depende del material y la longitud de onda, como
se observa en la figura 2.6. Además se puede relacionar con la distancia del
enlace mediante la ecuación 2.6 conocida como Ley de Beer.
αd
φout
= 10 10
φin
(2.6)
Figura 2.6: Atenuación en fibra óptica de: a)plástico b)vidrio6 .
Dispersión
La rapidez de un haz óptico es función del ı́ndice de refracción del medio por
el que viaja, y se puede determinar mediante la ecuación 2.7. Dado que no
existen las fuentes que emitan una sola longitud de onda, si no más bien un
rango de estas, se tendrán por lo tanto diferentes velocidades.
Este fenómeno es conocido como dispersión y tiene una influencia en las
comunicaciones por fibra óptica. Al enviar un pulso a través de una fibra óptica
la radiación de ciertas longitudes de onda viajara más lento que otras, lo que
6
Fuente: Industrial Fiber Optics (1998). Optical Voice Link.
2.3. Fibra Óptica
11
produce un ensanchamiento del pulso. Esto tiene una influencia directa sobre
la tasa de datos que puede enviar un sistema digital, o bien la distorsión de
una señal analógica.
c=
c0
n(λ)
(2.7)
Modos y distorsión modal
Como se vio antes, la radiación en una fibra óptica se refleja en la interfaz
entre el núcleo y el revestimiento. Dependiendo del ángulo de cada haz este
recorrerá un camino óptico distinto, y por lo tanto una distancia diferente.
Esta diferencia en la distancia recorrida provoca un ensanchamiento en la
señal debido a que ciertos haces tardan más en recorrer la fibra óptica, lo que
se conoce como distorsión modal.
A la cantidad de formas en las que los haces pueden viajar se le conoce
como modos. De lo anterior surgen los conceptos de fibra monomodo y multimodo, que transmiten uno o varios modos respectivamente. Como se puede
deducir la fibra monomodo no presenta distorsión modal por lo que tiene mejor
desempeño respecto a la multimodo.
El aspecto que determina si una fibra es monomodo o multimodo es el
diámetro del núcleo, cuanto menor sea este, menos modos se pueden producir
en la fibra. Pero además influye la longitud de onda, por lo que lo correcto es
decir que una fibra es monomodo a una longitud de onda especı́fica. La ecuación 2.8 permite determinar el lı́mite a partir del cual una fibra es multimodo,
este corresponde a V = 2, 405, donde a es el radio del núcleo.
q
2πa
V =
n21 − n22
(2.8)
λ
Tipos de Fibras Ópticas
Una clasificación usual de las fibras ópticas se basa en el material del que
se componen, con lo que diferencian tres tipos fundamentales detallados a
continuación.
Fibra Óptica de Vidrio
Es una fibra óptica en la que tanto el núcleo como el revestimiento son de
vidrio, generalmente sı́lice fundido. Este material es sometido a un proceso
de purificación para lograr una fibra óptica de bajas pérdidas. Para variar el
ı́ndice de refracción entre el núcleo y el revestimiento se dopa el material con
elementos que se combinan con la estructura del sı́lice, como el Germanio o el
Boro.
12
2 Antecedentes
Es la fibra óptica más utilizada en comunicaciones, debido a sus caracterı́sticas como baja atenuación y la posibilidad de fabricar fibra muy delgadas,
en el orden de pocos micrómetros, permitiendo ası́ el funcionamiento como
monomodo. Como desventaja, esta fibra es la más costosa, pero por lo general
las bondades de esta fibra superan este obstáculo.
POF
POF es el acrónimo de Polymer Optical Fiber, que es una fibra en la que el
núcleo y el revestimiento son de algún tipo de plástico transparente. Por esta
razón resulta una fibra de menor costo, lo que la hace atractiva para ciertas
aplicaciones.
La alta atenuación de esta fibra limita su uso a enlaces de corta distancia,
pero por otra parte una abertura numérica grande permite que las pérdidas
de acople sean bajas. Este tipo de fibra tiene diámetros mayores que las fibra
todo vidrio, por lo general se encuentran entre 200 µm y 800 µm.
PCS
La fibra óptica tipo PCS es una combinación de los tipos mencionados anteriormente. Está compuesta de un núcleo de vidrio y recubrimiento de polı́mero,
de ahı́ su nombre Polymer-Clad Silica o bien Plastic-Clad Silica. Esta es una
opción intermedia entre la POF y la todo vidrio. Funciona bien en enlaces de
algunas cientos de metros, además tiene una atenuación que ronda los 8db/km,
menor que la POf, pero mayor a la de sı́lice fundido.
2.4
Optoelectrónica
Dos elementos claves que hacen posible la comunicación de un sistema de
comunicaciones por fibra óptica son el emisor y el detector, ambos, elementos
optoelectrónicos.
Emisor
“ Cualquier diodo emisor de luz o de radiación óptica moderno es una unión
de materiales semiconductores p - n, que emite radiación cuando se conecta
en forma directa”(Marı́n Naranjo, 2014).
Para los sistema de fibra óptica se utilizan principalmente dos tipos de
emisores, LED/IRED y diodos láser(LD). La utilización de uno u otro obedece
a razones económicas y a caracterı́sticas de la fibra óptica de forma que se
optimice el enlace.
2.5. Métodos de transmisión de información
13
El ancho espectral se refiere a las longitudes de onda que componen el
patrón de emisión de una fuente. Esta es una caracterı́stica muy importante,
ya que como se vio antes cuanto mayor sea la cantidad de longitudes de onda
que componen de una fuente, mayor es la dispersión. En este apartado el LD
tiene ventaja al tener un ancho espectral mucho menor al IRED.
Además es importante considerar la longitud de onda, de la figura 2.6 se
puede observar que a ciertas longitudes de onda la atenuación es mı́nima, para
la fibra de vidrio estas longitudes son infrarrojas, para la POF están dentro
del espectro visible.
Detector
El detector permite convertir la radiación óptica en señales eléctricas, por lo
que su funcionamiento es de gran importancia para recuperar la información.
“ Los fotodiodos son básicamente estructuras de uniones p-n o pin, conectados en reversa, diseñados para optimizar la interacción entre el flujo radiante
incidente y la región de vaciado, dentro de la cual, se genera la fotocorriente
eléctrica”(Marı́n Naranjo, 2014).
De lo anterior se deduce que la fotocorriente (Ip ) es una función del flujo incidente en el detector (φ0 ). Estas se relacionan mediante una constante
llamada responsividad, según la ecuación 2.9.
Ip = Rφo
2.5
(2.9)
Métodos de transmisión de información
En comunicaciones se consideran tres formas básicas de transmisión de información entre el emisor y el receptor, por medio de uno o más canales, estas
se detallan a continuación.
Simplex
Esta forma de transmisión de información es unidireccional, por lo que se
tiene un transmisor y un receptor. Broadcasting, como se llama a la difusión
de señales de radio y televisión es un ejemplo de este tipo de transmisión.
Half Duplex
Los sistemas half duplex permiten transmitir información en ambas direcciones, con la salvedad de que solo se puede realizar en un sentido a la vez, por lo
que el uso del canal es alternado en el tiempo. Un ejemplo es el walkie talkie,
en el que solo una persona puede hablar en un instante determinado.
14
2 Antecedentes
Full duplex
La transmisión full duplex permite transmitir en ambos sentidos de forma
simultánea. Para esto se debe realizar una multiplexación de la señal como el
CWDM, o bien utilizar dos canales separados.
2.6
IFO Optical Voice Link
El sistema Voice Link de Industrial Fiber Optics consiste de dos circuitos independientes, un transmisor y un receptor, ambos basados en el circuito integrado LM386. Este es un amplificador de audio que requiere pocos componentes
y es fácil implementación. En la hoja del fabricante se pueden encontrar diversas configuraciones que permiten obtener ganancias desde 20 hasta 200. La
configuración utilizada por IFO es un inversor, tanto para el transmisor como
para el receptor.
Transmisor
La configuración utilizada para el transmisor se muestra en la figura 2.7, esta
brinda una ganancia cercana a 20. La señal generada por el micrófono llega a
la terminal 2 del LM386 a través de un capacitor de 0, 047µF .
Figura 2.7: Diagrama esquemático del transmisor7 .
La figura 2.8 muestra el circuito esquemático del LM386, en esta se observa
que la terminal de entrada (2) tiene una resistencia a tierra de 50kΩ, lo que
produce un filtro pasa alto, cuya frecuencia de corte está dada por la ecuación
2.10, y corresponde a 67, 73 Hz.
fc =
7
1
2πRC
Fuente: Industrial Fiber Optics (1998). Optical Voice Link.
(2.10)
2.6. IFO Optical Voice Link
15
Figura 2.8: Diagrama esquemático del LM3868 .
El circuito integrado LM386 es un amplificador dedicado para audio, que
cuenta con una caracterı́stica particular para ajustar el nivel de salida de la
señal. Este referencia las entradas a tierra y suma a la señal de salida una
tensión DC correspondiente a la mitad de la tensión de alimentación. Esto
permite que se conecte el emisor directamente a la salida agregando solamente
una resistencia de protección.
Lo anterior es de gran importancia ya que se evita que el emisor se polarice
de forma inversa, lo que podrı́a dañarlo y además recortarı́a la señal perdiendo
parte de la información. Además al estar la señal centrada en la mitad de la
tensión de alimentación permite obtener la máxima amplificación de la señal
en alterna.
Conociendo lo anterior se puede calcular la corriente en el emisor con la
ecuación 2.11. Utilizando una fuente de 9 V y un LED con una tensión tı́pica
Vled = 1, 8 V se obtiene que ILED = 18 mA.
Iemisor =
Vcc /2 − Vemisor
R3
(2.11)
Receptor
El circuito receptor funciona de forma similar al transmisor, basado también
en el integrado LM386. La corriente producida por el emisor pasa a través
del potenciómetro R2 , que al variar su resistencia controla la amplitud de la
tensión en el capacitor C2 . Este capacitor forma un filtro pasa alto, con la
misma respuesta que para el caso del transmisor con una frecuencia de corte
fc = 67, 73 Hz.
8
Fuente: National Instruments (2000). LM386 Low Voltage Power Amplifier.
16
2 Antecedentes
La señal amplificada está además aislada del resto del circuito y se utiliza para hacer funcionar el parlante. De nuevo la señal se filtra mediante el
capacitor C3 de 220 µF para permitir el paso solo de la señal en alterna.
Figura 2.9: Diagrama esquemático del receptor9 .
Además ambos circuitos, transmisor y receptor, cuentan con otros elementos que complementan su funcionamiento. Un capacitor de 220 µF en la
entrada filtra la alimentación para disminuir un posible rizado de la tensión
DC. Junto a este, un led se conecta con su respectiva resistencia de protección,
para indicar que el circuito está en funcionamiento, situación que se habilita
mediante el interruptor de encendido SW1.
9
Fuente: Industrial Fiber Optics (1998). Optical Voice Link.
3
Desarrollo
En el presente capı́tulo se detalla el desarrollo del proyecto, para esto se realizaron una serie de etapas que tienen como fin rehabilitar, mejorar y evaluar
el sistema de comunicaciones Voice Link de Industrial Fiber Optics, la figura
3.1 muestra el sistema antes iniciar este proceso.
Figura 3.1: Estado previo del sistema1 .
El primer paso fue restablecer el funcionamiento básico del sistema. Para
determinar las causas que producı́an el fallo, se estableció un procedimiento a
seguir con el cual se probarı́an cada uno de los elementos y la relación entre
estos. Los pasos del procedimiento se resumen a continuación.
• Inspección visual de los elementos que forman el circuito electrónico.
• Evaluación del estado de la tarjeta del circuito. Prueba de continuidad
de las pistas de cobre.
1
Fuente: Rodrı́guez Castillo, F (2004). Desarrollo de un sistema CWDM comunicador
de voz por fibra óptica multimodo.
17
18
3 Desarrollo
• Diagnóstico de los elementos eléctricos pasivos.
• Evaluación de elementos electrónicos.
• Diagnóstico de elementos optoelectrónicos.
• Reparación y/o sustitución de elementos dañados.
La inspección visual permitió evaluar el estado general de los circuitos, lo
que permitió determinar que estos habı́an sido reparados en ocasiones anteriores. Algunas pistas de cobre sufrieron daños que fueron reparados exitosamente
con tramos de alambre de cobre. Dado que estas reparaciones funcionaban correctamente se decidió no intervenirlas. En la figura 3.2 se pueden observar los
detalles descritos anteriormente.
Figura 3.2: Reparaciones en las pistas de cobre.
Teniendo en cuenta lo anterior, se comprobó la continuidad de las pistas
de cobre, siguiendo el diagrama esquemático de las figuras 2.7 y 2.9, para los
circuitos transmisores y receptores respectivamente. Esto permitió comprobar
que para las cuatro tarjetas de circuitos existı́a una conexión exitosa entre sus
componentes.
El siguiente paso consistı́a en comprobar los elementos pasivos, y determinar si estos se producı́an un corto circuito, un circuito abierto o el valor
nominal no era el correcto. Para esto se utilizó el medidor Mastech MY64 que
se muestra en la figura 3.3.
Se inició comprobando los resistores R1 , R2 y R3 tanto para los transmisores como para los receptores. Esta prueba permitió concluir que todos los
resistores estaban en buen estado y de la medición de resistencia se obtuvieron
valores cercanos al nominal y dentro del rango de tolerancia del resistor.
3 Desarrollo
19
Figura 3.3: Medidor Mastech MY64.
A continuación se procedió a evaluar los capacitores C1 y C2 de los transmisores y C1 , C2 y C3 de los receptores. Al igual que con las resistencias se
comprobó que no producı́an un corto circuito, además al medir su capacitancia
se obtuvieron valores cercanos a los nominales, por lo que los capacitores al
igual que los resistores se descartaron como fuentes de fallo.
Continuando con la evaluación, se puso a prueba los elementos electrónicos,
en este caso el LM386. Debido a la dificultad para probar el estado del LM386
se optó por utilizar un método indirecto. Dado que se comprobó que los demás
elementos del circuito funcionaban de forma correcta, si al poner una señal de
prueba en el circuito no se obtiene la salida esperada, por descarte el problema
deberı́a ser a causa el circuito integrado.
Para probar los dos circuitos transmisores se conectó el generador de señales Tektronix CFG253 en sustitución del micrófono como muestra la figura
3.4 y mediante un osciloscopio Tektronix TDS210 se midió la tensión en las
terminales donde se conecta el emisor. Esta prueba permitió probar ambos
circuitos obteniendo que uno si funcionaba correctamente y que para el otro
circuito, el fallo era causado por un daño en el LM386.
De forma similar para probar los receptores se introdujo una señal de
prueba a través del capacitor C2 y se midió la tensión a la salida del LM386
como se observa en la figura 3.5. Esta prueba dio como resultado que ninguno
de los receptores amplificó la señal, por lo que se concluyó que los circuitos
integrados en ambas tarjetas tenı́an algún daño.
20
3 Desarrollo
Figura 3.4: Circuito de prueba transmisor2 .
Figura 3.5: Circuito de prueba receptor3 .
Finalmente se evaluó el estado de los componentes optoelectrónicos, emisores y detectores. Al iniciar el proyecto estos elementos no estaban colocados
en las tarjetas, por lo que se debı́a elegir y probar entre un número importante
de dispositivos con los que cuenta el LAFTLA.
Para este fin se armaron dos circuitos en una protoboard. La figura 3.6
muestra el circuito para probar los emisores. Este consta de una fuente de
tensión y una resistencia de protección, que al conectar el emisor fue posible
observar la radiación emitida. Para el caso de los emisores infrarrojos se utilizó
un convertidor de longitud de onda Newport F-IRC1 con el que fue posible
observar la radiación.
Para realizar una correcta conexión de los emisores y evitar dañarlos debido a una polaridad errónea se consultó la documentación de IFO de donde
2
3
Fuente: Industrial Fiber Optics (1998). Optical Voice Link.
Fuente: Industrial Fiber Optics (1998). Optical Voice Link.
3 Desarrollo
21
se extrae la figura 3.7, que permite identificar el ánodo y el cátodo de los
diferentes emisores.
Figura 3.6: Circuito de prueba para emisores.
Figura 3.7: Identificación de emisores4 .
De forma similar se procedió con los detectores, según la figura 3.9 se
identificaron el ánodo y el cátodo. Realizado esto se armó el circuito de la figura
3.8 en una protoboard. Cuando no llega radiación al detector, este se comporta
como un abierto y la tensión medida es igual a la de alimentación. En caso que
incida radiación sobre el detector comenzará a fluir una corriente y la tensión
medida será cercana a 0, 7 V , lo que permite corroborar el funcionamiento del
detector.
4
Fuente: Industrial Fiber Optics. IF E91A Plastic Plastic Fiber Optic IF LEDS.
22
3 Desarrollo
Figura 3.8: Circuito de prueba para detectores.
Figura 3.9: Identificación de detectores5 .
El procedimiento anterior permitió identificar los emisores y detectores que
funcionaban correctamente, pero para determinar el modelo exacto se recurrió
a la guı́a de estos elementos suministrada por IFO. Siguiendo un código de
colores se escogieron dos emisores, uno que emite en rojo modelo IFE96 y otro
infrarrojo modelo IFE91A. Además se eligió dos detectores iguales modelo
IFD92, debido a su alta sensitividad en las longitudes de onda de interés. La
figura 3.10 muestra los emisores y detectores elegidos.
Concluida la etapa de diagnóstico del sistema se procedió a realizar las
reparaciones pertinentes. Al cambiar el LM386, y para facilitar futuras reparaciones, se decidió instalar una base para integrado, similar a la de la figura
3.11. Una vez instalados los nuevos integrados se repitió el proceso descrito
anteriormente para evaluar los transmisores y receptores, obteniendo en esta
ocasión que los cuatro circuitos funcionaban de forma correcta.
Seguidamente se evaluó el desempeño de estos circuitos. Aprovechando el
montaje antes descrito, se puso una señal de 100 mV a la entrada y se midió
5
Fuente: Industrial Fiber Optics. IF D92 Plastic Fiber Optic Phototransistor.
3 Desarrollo
23
Figura 3.10: Emisores y detectores.
la tensión de salida. Estos datos permiten calcular la ganancia de cada uno
de los circuitos mediante la ecuación 3.1, lo que permitió comprobar estas son
cercanas a 20, como se observa en el cuadro 3.1.
Figura 3.11: Base para circuito integrado6 .
G=
6
Vout
Vin
Fuente: http://www.electroipartes.com/product_info.php?products_id=196
(3.1)
24
3 Desarrollo
Cuadro 3.1: Ganacia de los circuitos.
Tensión/V
Ganancia
TXA
TXB
RXA
RXB
2,16
21,6
2,12
21,2
2,2
22
2,2
22
La figura 3.12, muestra la tensión de entrada y salida en uno de los receptores. Es importante notar que la señal de salida está invertida debido a que
la señal entra a la terminal negativa del LM386.
Figura 3.12: Señales de entrada y salida.
Al restablecer el funcionamiento del sistema se procede implementar una
serie de mejoras y funcionalidades, que permiten aumentar la versatilidad del
sistema.
Se desea que el sistema sea usado en el laboratorio para realizar prácticas
que muestren los principios de las comunicaciones por fibra óptica. Por esto
es necesario que el sistema sea robusto, tanto en su funcionamiento óptico y
eléctrico, como en su construcción mecánica.
Se decidió utilizar una caja que brindara protección a los diversos elementos
y con esto evitar posibles daños durante el uso o almacenaje del sistema. La
solución fue una caja para proyectos de Radio Shack modelo 270-1806, que se
observa en la figura 3.13. Esta es una caja de plástico ABS con dimensiones
de 5, 08 cm × 10, 16 cm × 15, 24 cm. En esta caja se instalaron los circuitos
y otros componentes que se describen a continuación.
3 Desarrollo
25
Figura 3.13: Caja para proyectos Radio Shack7 .
Originalmente, el sistema era alimentado con una baterı́a de 9 V para
cada tarjeta. Debido al costo, la duración limitada y la contaminación que
estas producen, se decidió cambiar a un sistema con adaptador conectado a
la red. Para esto se fijó a la caja un jack coaxial DC Radio Shack número de
parte 274-1583. Se removió la base para la baterı́a y en su lugar se conectó
jack DC. El componente utilizado se observa en la figura 3.14.
Figura 3.14: Jack DC8 .
El sistema fue en principio concebido como un teléfono óptico, por lo que
se consideró importante mantener esta función. Para esto fue necesario ofrecer
un sistema de conexión simple, en este caso, un conector de audio 274-249 de
Radio Shack, que se muestra en la figura 3.15. Al ser un conector estéreo se
utilizó uno de los canales para llevar la señal del micrófono al transmisor, y el
otro canal del receptor al parlante.
7
Fuente:http://es.radioshack.com/Caja-para-proyectos-6-x-4-x-2-Cajas-paracomponentes-RadioShack-com/thtu/?productId=2062283
8
Fuente: http://es.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2102599
26
3 Desarrollo
Figura 3.15: Jack de audio estereo9 .
Para realizar diversas pruebas al sistema y que este sea compatible con
el equipo usual de laboratorio se agregó además un puerto tipo bnc coaxial
similar al de la figura 3.16. Esta función se implementó únicamente en forma
simplex del módulo A al B debido a que solo se contaba con dos puertos bnc
y para las pruebas deseadas se consideró suficiente.
Figura 3.16: Puerto bnc coaxial10 .
Otros elementos fueron agregados como se puede observar en la figura 3.17,
por ejemplo, junto al jack DC se conectó en serie un interruptor para controlar
el encendido del módulo, además de dos LED indicadores en la parte superior
de la caja, uno rojo para el circuito transmisor y uno verde para el receptor.
El circuito receptor cuenta con un potenciómetro para regular la amplitud
de la tensión de salida. Este estaba montado directamente sobre la tarjeta,
9
Fuente:http://es.radioshack.com/Conector-de-audio-est\%C3\
%A9reo-para-montaje-en-panel-1-8-paquete-de-2-Conectores-de-audio-RadioShack-com/
hy1v/?productId=2103452
10
Fuente:https://www.egr.msu.edu/eceshop/Parts_Inventory/display_part_
details.php?Part_Index=584
3 Desarrollo
27
por lo que se sustituyó por uno montado sobre la caja para ser ajustado desde
la parte exterior.
Figura 3.17: Interior del módulo.
Figura 3.18: Vista lateral del módulo.
Las figuras 3.18 y 3.19 muestran los detalles antes descritos. Además se
puede observar el sistema ideado para soportar los emisores y receptores. Para este fin se realizaron dos perforaciones en la caja a través de las cuales
se observa una base a la que se conectan las terminales de los dispositivos
optoelectrónicos, además se colocaron dos tornillos para dar soporte a estos.
El montaje de los emisores y detectores se realizó de esta manera para tener
la posibilidad de intercambiar estos dispositivos y realizar diversas pruebas.
28
3 Desarrollo
Figura 3.19: Vista lateral del módulo.
La figura 3.20 muestra uno de los módulos finalizado, donde se observan los
componentes mencionados anteriormente, emisor detector, leds indicadores,
jack de audio, entre otros.
Con ambos módulos finalizados se armó el montaje de la figura 3.21. Se
realizaron dos pruebas, la primera consistı́a en utilizar el jack de audio del primer módulo para transmitir música y conectar un parlante al jack del segundo
módulo, empleando tanto un emisor de rojo como uno infrarrojo.
La prueba fue exitosa y se logró transmitir audio con una calidad aceptable. El emisor rojo produjo una salida de mayor intensidad pero con alguna
distorsión de la señal. El emisor infrarrojo produjo menor intensidad pero se
logró obtener audio con mayor claridad.
Figura 3.20: Módulo de comunicación.
Se realizó otra prueba utilizando el generador de señales e introduciendo
una señal senoidal de 116 mV mediante el puerto bnc del módulo 1. De igual
3 Desarrollo
29
Figura 3.21: Sistema de comunicación Voice Link mejorado.
forma se conecta la salida bnc del módulo 2 al osciloscopio. La figura 3.22
muestra la señal de entrada en el canal 1 y la señal de salida en canal 2, al
pasar por un fibra POF de unos pocos metros.
De la figura 3.22 también se puede observar que la ganancia del sistema es
cercana a 45, lo que permite compensar las pérdidas y lograr enlaces de varios
cientos de metros manteniendo la forma de la señal.
Figura 3.22: Salida total del sistema.
4
Conclusiones y recomendaciones
Conclusiones
• Fue posible determinar las razones de fallo del sistema mediante un
proceso de análisis sistemático, verificando el correcto funcionamiento o
no de cada uno de los elementos que componen el sistema.
• Se implementaron una serie de modificaciones en el sistema que brindan
una mejora en el desempeño de este.
• Al enviar una señal analógica se desea que esta no se distorsione. Existen factores que nos se puede evitar, pero otros se pueden controlar.
Es importante controlar la amplitud de la señal de entrada para evitar
distorsión por saturación de la señal.
Recomendaciones
• Agregar otro puerto bnc a cada módulo puede mejorar la versatilidad
del sistema, permitiendo le conectarse a otros equipos y aumentando sus
funcionalidades.
• Es posible implementar de forma simple un emisor/detector CWDM con
los que cuenta el laboratorio marca Mitel. Esta modificación no requiere
modificaciones mayores y permite ampliar el rango de aplicaciones del
sistema.
• Se recomienda utilizar emisores LED y IRED de diferentes longitudes
de onda para realizar pruebas de evaluación del sistema.
• Gracias a las funcionalidades agregadas es posible conectar el sistema a
otros módulos, por ejemplo, covertidores analógico-digitales, moduladores, entre otros. Esto permitirı́a mostrar otras fases de los sistemas de
comunicaciones por fibra óptica.
31
Bibliografı́a
(1998). Optical Voice Link. Industrial Fiber Optics.
Marı́n Naranjo, L. D. (2014). Material del curso comunicaciones por fibra
Óptica.
Rodrı́guez Castillo, F. (2004). Desarrollo de un sistema cwdm comunicador
de voz por fibra óptica multimodo.
33
A
Hoja de datos LM386
35
LM386
LM386 Low Voltage Audio Power Amplifier
Literature Number: SNAS545A
LM386
Low Voltage Audio Power Amplifier
General Description
Features
The LM386 is a power amplifier designed for use in low voltage consumer applications. The gain is internally set to 20 to
keep external part count low, but the addition of an external
resistor and capacitor between pins 1 and 8 will increase the
gain to any value from 20 to 200.
The inputs are ground referenced while the output automatically biases to one-half the supply voltage. The quiescent
power drain is only 24 milliwatts when operating from a 6 volt
supply, making the LM386 ideal for battery operation.
n
n
n
n
n
n
n
n
Battery operation
Minimum external parts
Wide supply voltage range: 4V–12V or 5V–18V
Low quiescent current drain: 4mA
Voltage gains from 20 to 200
Ground referenced input
Self-centering output quiescent voltage
Low distortion: 0.2% (AV = 20, VS = 6V, RL = 8Ω, PO =
125mW, f = 1kHz)
n Available in 8 pin MSOP package
Applications
n
n
n
n
n
n
n
n
AM-FM radio amplifiers
Portable tape player amplifiers
Intercoms
TV sound systems
Line drivers
Ultrasonic drivers
Small servo drivers
Power converters
Equivalent Schematic and Connection Diagrams
Small Outline,
Molded Mini Small Outline,
and Dual-In-Line Packages
DS006976-2
DS006976-1
© 2000 National Semiconductor Corporation
DS006976
Top View
Order Number LM386M-1,
LM386MM-1, LM386N-1,
LM386N-3 or LM386N-4
See NS Package Number
M08A, MUA08A or N08E
www.national.com
LM386 Low Voltage Audio Power Amplifier
August 2000
LM386
Absolute Maximum Ratings (Note 2)
Dual-In-Line Package
Soldering (10 sec)
+260˚C
Small Outline Package
(SOIC and MSOP)
Vapor Phase (60 sec)
+215˚C
Infrared (15 sec)
+220˚C
See AN-450 “Surface Mounting Methods and Their Effect
on Product Reliability” for other methods of soldering
surface mount devices.
Thermal Resistance
37˚C/W
θJC (DIP)
107˚C/W
θJA (DIP)
35˚C/W
θJC (SO Package)
172˚C/W
θJA (SO Package)
210˚C/W
θJA (MSOP)
56˚C/W
θJC (MSOP)
If Military/Aerospace specified devices are required,
please contact the National Semiconductor Sales Office/
Distributors for availability and specifications.
Supply Voltage
(LM386N-1, -3, LM386M-1)
Supply Voltage (LM386N-4)
Package Dissipation (Note 3)
(LM386N)
(LM386M)
(LM386MM-1)
Input Voltage
Storage Temperature
Operating Temperature
Junction Temperature
Soldering Information
15V
22V
1.25W
0.73W
0.595W
± 0.4V
−65˚C to +150˚C
0˚C to +70˚C
+150˚C
Electrical Characteristics (Notes 1, 2)
TA = 25˚C
Parameter
Conditions
Min
Typ
Max
Units
Operating Supply Voltage (VS)
LM386N-1, -3, LM386M-1, LM386MM-1
4
12
V
LM386N-4
5
18
V
8
mA
Quiescent Current (IQ)
VS = 6V, VIN = 0
4
Output Power (POUT)
LM386N-1, LM386M-1, LM386MM-1
VS = 6V, RL = 8Ω, THD = 10%
250
325
LM386N-3
VS = 9V, RL = 8Ω, THD = 10%
500
700
mW
LM386N-4
VS = 16V, RL = 32Ω, THD = 10%
700
1000
mW
Voltage Gain (AV)
VS = 6V, f = 1 kHz
26
dB
Bandwidth (BW)
Total Harmonic Distortion (THD)
mW
10 µF from Pin 1 to 8
46
dB
VS = 6V, Pins 1 and 8 Open
300
kHz
VS = 6V, RL = 8Ω, POUT = 125 mW
0.2
%
50
dB
50
kΩ
250
nA
f = 1 kHz, Pins 1 and 8 Open
Power Supply Rejection Ratio (PSRR)
VS = 6V, f = 1 kHz, CBYPASS = 10 µF
Pins 1 and 8 Open, Referred to Output
Input Resistance (RIN)
Input Bias Current (IBIAS)
VS = 6V, Pins 2 and 3 Open
Note 1: All voltages are measured with respect to the ground pin, unless otherwise specified.
Note 2: Absolute Maximum Ratings indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the device is functional, but do not guarantee specific performance limits. Electrical Characteristics state DC and AC electrical specifications under particular test conditions which guarantee specific performance limits. This assumes that the device is within the Operating Ratings. Specifications are not guaranteed for parameters where no limit is
given, however, the typical value is a good indication of device performance.
Note 3: For operation in ambient temperatures above 25˚C, the device must be derated based on a 150˚C maximum junction temperature and 1) a thermal resistance of 107˚C/W junction to ambient for the dual-in-line package and 2) a thermal resistance of 170˚C/W for the small outline package.
www.national.com
2
INPUT BIASING
The schematic shows that both inputs are biased to ground
with a 50 kΩ resistor. The base current of the input transistors is about 250 nA, so the inputs are at about 12.5 mV
when left open. If the dc source resistance driving the LM386
is higher than 250 kΩ it will contribute very little additional
offset (about 2.5 mV at the input, 50 mV at the output). If the
dc source resistance is less than 10 kΩ, then shorting the
unused input to ground will keep the offset low (about 2.5 mV
at the input, 50 mV at the output). For dc source resistances
between these values we can eliminate excess offset by putting a resistor from the unused input to ground, equal in
value to the dc source resistance. Of course all offset problems are eliminated if the input is capacitively coupled.
GAIN CONTROL
To make the LM386 a more versatile amplifier, two pins (1
and 8) are provided for gain control. With pins 1 and 8 open
the 1.35 kΩ resistor sets the gain at 20 (26 dB). If a capacitor
is put from pin 1 to 8, bypassing the 1.35 kΩ resistor, the
gain will go up to 200 (46 dB). If a resistor is placed in series
with the capacitor, the gain can be set to any value from 20
to 200. Gain control can also be done by capacitively coupling a resistor (or FET) from pin 1 to ground.
Additional external components can be placed in parallel
with the internal feedback resistors to tailor the gain and frequency response for individual applications. For example,
we can compensate poor speaker bass response by frequency shaping the feedback path. This is done with a series
RC from pin 1 to 5 (paralleling the internal 15 kΩ resistor).
For 6 dB effective bass boost: R . 15 kΩ, the lowest value
for good stable operation is R = 10 kΩ if pin 8 is open. If pins
1 and 8 are bypassed then R as low as 2 kΩ can be used.
This restriction is because the amplifier is only compensated
for closed-loop gains greater than 9.
When using the LM386 with higher gains (bypassing the
1.35 kΩ resistor between pins 1 and 8) it is necessary to bypass the unused input, preventing degradation of gain and
possible instabilities. This is done with a 0.1 µF capacitor or
a short to ground depending on the dc source resistance on
the driven input.
3
www.national.com
LM386
Application Hints
LM386
Typical Performance Characteristics
Quiescent Supply Current
vs Supply Voltage
Power Supply Rejection Ratio
(Referred to the Output)
vs Frequency
Peak-to-Peak Output Voltage
Swing vs Supply Voltage
DS006976-5
DS006976-13
DS006976-12
Voltage Gain vs Frequency
Distortion vs Frequency
DS006976-15
DS006976-14
Device Dissipation vs Output
Power — 4Ω Load
Device Dissipation vs Output
Power — 8Ω Load
DS006976-17
www.national.com
Distortion vs Output Power
DS006976-18
4
DS006976-16
Device Dissipation vs Output
Power — 16Ω Load
DS006976-19
LM386
Typical Applications
Amplifier with Gain = 20
Minimum Parts
Amplifier with Gain = 200
DS006976-4
DS006976-3
Amplifier with Gain = 50
Low Distortion Power Wienbridge Oscillator
DS006976-6
DS006976-7
Amplifier with Bass Boost
Square Wave Oscillator
DS006976-8
DS006976-9
5
www.national.com
LM386
Typical Applications
(Continued)
Frequency Response with Bass Boost
DS006976-10
AM Radio Power Amplifier
DS006976-11
Note 4: Twist Supply lead and supply ground very tightly.
Note 5: Twist speaker lead and ground very tightly.
Note 6: Ferrite bead in Ferroxcube K5-001-001/3B with 3 turns of wire.
Note 7: R1C1 band limits input signals.
Note 8: All components must be spaced very closely to IC.
www.national.com
6
LM386
Physical Dimensions
inches (millimeters) unless otherwise noted
SO Package (M)
Order Number LM386M-1
NS Package Number M08A
7
www.national.com
LM386
Physical Dimensions
inches (millimeters) unless otherwise noted (Continued)
8-Lead (0.118” Wide) Molded Mini Small Outline Package
Order Number LM386MM-1
NS Package Number MUA08A
www.national.com
8
LM386 Low Voltage Audio Power Amplifier
Physical Dimensions
inches (millimeters) unless otherwise noted (Continued)
Dual-In-Line Package (N)
Order Number LM386N-1, LM386N-3 or LM386N-4
NS Package Number N08E
LIFE SUPPORT POLICY
NATIONAL’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT
DEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT AND GENERAL
COUNSEL OF NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION. As used herein:
1. Life support devices or systems are devices or
systems which, (a) are intended for surgical implant
into the body, or (b) support or sustain life, and
whose failure to perform when properly used in
accordance with instructions for use provided in the
labeling, can be reasonably expected to result in a
significant injury to the user.
National Semiconductor
Corporation
Americas
Tel: 1-800-272-9959
Fax: 1-800-737-7018
Email: [email protected]
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Europe
Fax: +49 (0) 180-530 85 86
Email: [email protected]
Deutsch Tel: +49 (0) 69 9508 6208
English Tel: +44 (0) 870 24 0 2171
Français Tel: +33 (0) 1 41 91 8790
2. A critical component is any component of a life
support device or system whose failure to perform
can be reasonably expected to cause the failure of
the life support device or system, or to affect its
safety or effectiveness.
National Semiconductor
Asia Pacific Customer
Response Group
Tel: 65-2544466
Fax: 65-2504466
Email: [email protected]
National Semiconductor
Japan Ltd.
Tel: 81-3-5639-7560
Fax: 81-3-5639-7507
National does not assume any responsibility for use of any circuitry described, no circuit patent licenses are implied and National reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.
B
Optical Voice Link
47
TABLE OF CONTENTS
.................................................................................. .....
ii
..............................................................................
1
STARTING OUT ...........................................................................
1
TOOLS AND TEST EQUIPMENT ..............................................
1
KIT COMPONENTS .....................................................................
2
ASSEMBLY INSTRUCTIONS ....................................................
2
EXPERIMENTS AND ACTIVITIES ..............................................
8
"NUTS AND BOLTS" OF FIBER OPTICS ................................
12
EXTENDING THE LINK ...............................................................
25
GLOSSARY
..............................................................................
26
REFERENCES .............................................................................
28
RELATED PRODUCTS ...............................................................
30
Preface
OBJECTIVE
*
*
*
Warranty Information
This kit was carefully inspected before leaving the factory. If any components
were damaged in shipping, Industrial Fiber Optics will replace them at its
discretion. Since soldering and incorrect assembly can damage electrical
components, no warranty can be made after assembly has begun. If any parts
become damaged, replacements may be obtained from most radio/electronics
supply shops. Refer to the parts lists on pages 2 and 5 of this manual for
identification.
Industrial Fiber Optics recognizes that responsible service to our customers is
the basis of our continued operation. We welcome and solicit your feedback about
our products and how they might be modified to best suit your needs.
i
PREFACE
Fiber optics technology has taken the world by storm in just a few short decades. That’s due in
part to the fact that fiber optic systems are relatively simple. Fiber optic communication is
essentially a means of sending information from one point to another by transmitting pulses of
light through an optical fiber – as you will learn in this Optical Voice Link kit.
Fiber optics happened to be in the right place at the right time, for several reasons. To begin
with, it is vastly superior to older communications systems that rely on copper and coaxial
cable wiring to carry information. Unlike copper and coax, fiber optic cables are not affected by
electromagnetic radiation and don’t conduct electricity. They don’t heat up, the strength of
their signal does not weaken (attenuate) nearly as rapidly as with copper, they can be used
safely in environments with explosive fumes, it’s much more difficult to “wire tap” fiber than
copper, and – most significantly – optical fiber can carry much, much more information in a
small package than copper or coaxial cable could ever hope to.
Undoubtedly, the single biggest influence that has driven the growth of fiber optic
communications systems is the Internet. Nearly a billion people have Internet access, and they
use it frequently. The world-wide web contains billions of web pages, and its growth is
staggering. Additional millions of web pages are uploaded by individuals and organizations
every day.
The ability to transmit and receive that incredible quantity of information is not something we
can simply pull out of the air. This is where fiber optics has become a shining star.
Massive fiber optic communications networks now circle the earth, traveling overland and
beneath oceans to connect continents. Nearly a million kilometers of transoceanic fiber optic
cable now carry information, including video, whose quantities are measured not in megabytes
or gigabytes, but terabytes.
However, fiber optics plays a much more prominent role in our personal lives than merely
making sure we have a reliable Internet connection.
Fiber optics ensures that we receive broadband high-definition TV in our homes and on our
laptops. Medical fiber optic systems allow physicians to peer inside the human body without
surgery. Unbundled fibers typically less than 250 µm in diameter are ideal for real-time use
during diagnostic imaging procedures such as CAT (CT) scans and magnetic resonance imaging
(MRIs).
Aircraft can be built smaller and lighter because their internal control and communications
systems are mostly fiber-based. The United States F-35 Joint Strike Fighter and the Boeing 787
Dreamliner utilize fiber optic systems in depth for functions such as crew information systems,
on-board maintenance and dataloading. The same is true for the awesome Boeing Apache AH64D Attack Helicopter.
In unmanned aerial surveillance and attack vehicles and on the ground, advanced battlefield
communications systems are now reality, thanks to fiber optics. In the world of construction –
buildings, bridges, dams and more – fiber optic sensors (FOSs) have a new and vital role in
measuring signs of internal strain, cracks and potential damage in building materials like
concrete.
Much more obvious to us are the illumination systems that for decades have lit up holiday
decorations, store displays, traffic lights and musical performances on stage, thanks to the
modern-day workhorse known as fiber optics.
The Optical Voice Link is a project-oriented introduction to optical fiber Communications and
all the wonders associated with it. This booklet contains all the information needed to construct
this project including component lists, a section on theory of design and operation, assembly
instructions and simple exercises to increase your knowledge. A list of references, fiber optics
glossary and additional projects complement the instruction.
We welcome you to the fascinating and expanding world of fiber optics. We hope that you will
find the field an exciting and interesting one in which to learn, work and play.
ii
OBJECTIVE
Several objectives can be accomplished with the Optical Voice Link: An instructor
may use it as a short, hands-on fiber optic curriculum or as a module to demonstrate
before the class. A student may use the kit for a science project; hobbyists can use it as a
home or industrial project to amaze their friends. Experience and knowledge will be
gained during assembly and while working with the electronic microphone, analog fiber
optic transmitter and receiver, and the fiber cable interfaces. You will hear your own
voice, for example, after it has been converted into light and then coupled into, through
and out of an optical fiber.
STARTING OUT
The Optical Voice Link is an introduction to the mysteries and science of fiber optics.
No prior fiber optics experience is needed to build this kit and bring it to operational level.
After completion, it can be used to demonstrate the unique characteristics of fiber optics
or in several practical commercial and industrial applications.
This booklet is your guide to understanding the theory of fiber optic communication,
and it includes assembly instructions; please read them carefully to avoid mistakes. Several
exercises have also been included to help you understand this technology. If, after
completing this kit, you would like to acquire more knowledge about fiber optics, check
the List of References on pages 28 and 29, and the list of other products we offer, on
pages 30 and 31.
The kit you have purchased furnishes all the parts required to construct a fully
functional fiber optic voice link. Before beginning the actual assembly, check the contents
of each component packet against the lists in Tables 1 and 2 to ensure you have a
complete kit. Alkaline batteries are required, but not included (link may not work properly
if you do not use alkaline batteries). The link can be extended up to 10 meters with
additional fiber cable and splices purchased separately.
A portion of the instructions suggests the use of an oscilloscope to perform
demonstrations and to make some of the measurements. It is helpful but not necessary.
You can complete the kit and learn a significant amount about fiber optics without one.
TOOLS AND TEST EQUIPMENT YOU'LL NEED
Wire cutters
Small Phillips screwdriver
1 ml water or light oil
25-watt soldering iron
Two 9-volt alkaline batteries
Single-edge razor blade or sharp knife
Needle-nose pliers
Small adjustable wrench
Rosin-core solder
18-gauge wire-stripper
Dual-trace oscilloscope (optional)
-1-
KIT COMPONENTS
This kit when completed features a transmitter assembly, an inter-connecting fiber
optic cable and a receiver assembly. Table 1 contains the component list for the
transmitter portion, and Table 2 lists the required parts for the receiver portion, including
the fiber optic cable and polishing paper.
Tabl e 1. T rans mitt er p rinted wi ring b oa rd p arts li st.
D/N
C1
C2
D1
D2
H1
H2
H3
H4
H5
MIC1
PWB1
R1
R2
R3
SW1
U1
P/N
Description
Color-code
220 µf electrolytic capacitor
IF-E96
LM386N
.047 µf Mylar ® capacitor
Red LED
Fiber optic red LED
Battery holder
2-56 X 1/4 inch long screws (2)
2-56 X 3/8 inch long screw
2-56 nuts (3)
Rubber mounting bumpers (3)
Microphone
Trans. printed wiring board
2.2 k 1/4 watt resistor
2.2 k 1/4 watt resistor
150 1/4 watt resistor
Momentary switch
Audio amplifier
Pink Dot
Red Red Red
Red Red Red
Brown Green Brown
ASSEMBLY INSTRUCTIONS
Follow the guidelines below when assembling printed wiring boards:
•
Mount all components on the side of the printed wiring boards with the white
lettering. (Component Side.)
•
Use the white markings on the printed circuit boards to determine where each
part is to be placed.
•
All soldering is to be completed on the side opposite components. (Solder side.)
•
Use a water-soluble or rosin core solder such as Radio Shack P/N 64-001. Do
not use an acid or caustic flux solder such as used in industrial applications.
•
Avoid applying prolonged heat to any part of the board or component, to
prevent damage. 5 seconds maximum.
•
After soldering each component, trim its lead length flush with the surface of
the solder.
-2-
Mylar ® capacitor
Resistor
Integrated Circuit
Electrolytic capacitor
Figu re 1. Compo ne nt ide nt ifi cati on : resist ors , capa ci tors ,
ICs.
Transmitter Printed Wiring Board
1. If the transmitter and receiver printed wiring boards are connected, break them apart
along the groove running between them. Set the receiver board aside until you reach
the Receiver Assembly section.
2. Insert resistors R1 through R3, one at a time into the printed wiring board and
solder them in place.
3. C1 is sensitive to the direction in which it is installed. Identify the wire marked with
minuses (- - -), the shortest lead, then the round pad on the printed wiring board
within the area corresponding to that capacitor. Match up the two, insert the leads
properly into the board, and solder the capacitor into place.
4. There is no positive/negative orientation of capacitor C2. Identify, insert its leads
through the board and solder them in place. Do not allow solder to touch body of
component.
5. Locate the square pad within the area on the printed wiring board designated for
placement of D1 (the red LED). Insert the LED with the shortest leg of D1 (the
cathode) into the respective square pad on the printed wiring board, and solder it
into place.
6. Identify pin 1 of U1 (the lower left pin of the integrated circuit [IC] when viewed
from above). Insert the IC into the designated spot marked on the printed circuit
board, with pin 1 to your lower left into the hole with the square pad. Solder in
place.
7. Insert switch SW1 on the board and solder it in place.
-3-
8. Install the battery holder following the legend outline, fasten in place with two 2-56
× 1/4 inch screws and nuts, and solder the two electrical leads.
9. Clean the printed circuit board with soap and warm water to remove solder residue.
Soapy water will not harm the components as long as electrical power is not being
applied—in which case you don't want to get anywhere near water anyway, for
safety's sake. If you used a rosin core solder, clean the board with the flux remover
before washing in soap and water. Rinse thoroughly. Shake the board to remove
water from under the IC. Wipe everything dry with paper towels and let air-dry for
30 minutes minimum.
10. The microphone, MIC1, is polarity sensitive. Insert it so the part outline aligns with
the white legend on the printed wiring board. Solder in place.
11. Identify D2 as the blue fiber optic housing with a pink dot on one side. Insert D2 in
the designated area on the printed wiring board. Fasten in place with a 2/56 × 3/8
inch screw and nut. Solder the leads.
12. Separate the three rubber bumpers from each other, remove the paper backing that
protects the adhesive and install on the solder side of the printed wiring board. Place
two on the end by the battery holder and one near the fiber optic LED among all of
the protruding leads.
13. Insert a 9-volt alkaline battery (user must provide) into the battery holder.
(You may notice that some marked portions of the board do not have components
laced in them. Don't be alarmed; they are not needed in this kit.)
Receiver Assembly Steps
1. Insert resistors R1 and R3, one at a time into the receiver printed wiring board and
solder.
2. C1 and C3 are capacitors which are sensitive to the directions in which they are
installed. Identify the wire marked with minuses (- - -), the shortest lead, then the
round pad on the printed wiring board within the area corresponding to that
capacitor. Match up the two, insert the leads properly into the board, and solder the
capacitor into place.
3. There is no positive/negative orientation of capacitors C2 and C4. Identify each,
insert their leads through the board and solder in place.
4. Locate the square pad within the area on the printed wiring board designated for
placement of D1 (the green LED). Insert the shortest leg of D1 (the cathode) into the
respective square pad on the printed wiring board, and solder into place.
5. Identify pin 1 of U1 (the lower left pin of the integrated circuit [IC] when viewed
from above). Insert the IC into the designated spot marked on the printed circuit
board, with pin 1 to your lower left into the square hole. Solder in place.
-4-
Tabl e 2. R ec ei v er printed wi ring bo ard p arts list.
D/N
P/N
C1
C2
.047 µf Mylar ® capacitor
220 µf electrolytic capacitor
IF-D92
R2/SW1
R3
U1
SPKR1
F1
Color-code
220 µf electrolytic capacitor
C3
C4
D1
H1
H2
H3
H3
H4
H5
PWB2
Q1
R1
Description
LM386N
.047 µf Mylar ® capacitor
Green LED
Battery holder
2-56 X 1/4 inch long screws (2)
2-56 X 3/8 inch long screw
2-56 nuts (3)
Rubber mounting bumpers (3)
6 inches speaker wire
Rec. printed wiring board
Fiber optic phototransistor
2.2 k 1/4 watt resistor
5 k potentiometer with on/off
switch
10 1/4 watt resistor
Audio amplifier
3-inch speaker
3 meters 1000 µm plastic fiber
600 grit polishing paper
White Dot
Red Red Red
N/A
Brown Black Black
6. Install the battery holder following the legend outline, fasten in place with two 2-56
× 1/4 inch screws and nuts, and solder the two electrical leads.
7. Separate the two conductors of the speaker wire about 12 mm (.5 inch) on one end
and about 25 mm (1 inch) on the other end. Remove 6 mm (.25 inch) of insulation
from both ends of both conductors.
8. Locate an area marked "Speaker" on the receiver printed wiring board just ahead of
the battery holder. Insert the copper-colored conductor of the speaker wire into the
hole marked with a "+" and solder. Insert the other conductor into the other hole
and solder it in place.
9. Clean the printed circuit board with soap and warm water to remove solder residue.
Soapy water will not harm the components as long as electrical power is not being
applied — in which case you don't want to get anywhere near water anyway, for
safety's sake. If you used a rosin core solder, clean the board with the flux remover
before washing in soap and water. Rinse thoroughly. Shake the board to remove
water from under the IC. Wipe everything dry with paper towels and let air-dry for
30 minutes.
10. Identify Q1 as the black fiber optic housing with a white dot on one side. Insert Q1
in the designated area on the printed wiring board. Fasten it in place with a 2-56
inch × 3/8 screw and nut. Solder the leads.
11. Insert the potentiometer, R2/SW1, on the board and solder in place.
-5-
12. Separate the three rubber bumpers from each other, remove the paper backing that
protects the adhesive and install on the solder side of the printed wiring board. Place
two on the end by the battery holder and one near the fiber optic phototransistor
among all of the protruding leads.
13. Solder the unattached copper-colored wire to the terminal on the speaker marked
with a "+". Solder the remaining unattached wire to the other speaker terminal.
14. Insert a 9-volt battery (user must provide) into the battery holder.
Figu re 2. B oa rd deta ils of th e t rans mitt er and rec eiv er print ed
wi ring b oa rds .
-6-
Fiber Preparation Instructions
Each end of the optical fiber must be carefully prepared so it transmits light
effectively.
1. Cut off the ends of the cable with a single-edge razor blade or sharp knife. Try to
obtain a precise 90-degree angle (square).
2. Wet the 600 grit polishing paper with water or light oil and place it on a flat, firm
surface. Hold the optical fiber upright, at right angles to the paper, and polish the
fiber tip with a gentle "figure-8" motion as shown in Figure 3. You may get the best
results by supporting the upright fiber against some flat object such as a portion of a
printed wiring board.
(Don't insert the fiber ends into the fiber optic LED or photodetector until
we give you the word, in the next section.)
1095.eps
Figu re 3. Patt ern and o ri entati on of the o ptic al fi ber
during p ol ishing .
-7-
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

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