Autores:
David Chaves Diéguez
Esteban Vázquez Fernández

Trabajo práctico de Dispositivos Optoelectrónicos

Diseño e implementación de un Transmisor - Receptor analógico óptico para audio

1.- Introducción
2.- Transmisor realizado con IRED
3.- Transmisor realizado con Diodo LASER
4.- Receptor y etapa de salida
5.- Comentarios sobre el montaje práctico
6.- Lista de componentes necesarios para el montaje

1.- Introducción

Se pretende realizar una pareja de circuitos electrónicos (transmisor y receptor) análogicos sencillos, capaces de establecer una comunicación unidireccional de audio (rango de frecuencias 20Hz a 20kHz), mediante la modulación de la intensidad luminosa de un emisor (LED o LASER) según la amplitud de la señal de entrada.

La señal de entrada podrá proceder tanto de una salida de auriculares como de línea o de un micrófono.
Como dispositivo receptor se ha escogido un fotodiodo PIN BPW34 en modo fotovoltaico por motivos de implementación, pero se podría haber optado por una configuración en modo fotoconductivo.
La salida de audio se consigue gracias a una etapa basada en una de las configuraciones típicas del circuito integrado LM386, y está pensada para la conexión directa a un altavoz de impedancia 4 a 16 ohmios.

Para el emisor óptico, se puede utilizar tanto un LED como un LASER, ya sean de IR o de luz visible.
La utilización de un LED (preferiblemente de infrarojos para un mejor acoplamiento con el receptor) permite un menor alcance, pero una mayor sencillez en el alineamiento dada la divergencia de la luz emitida. Por otro lado, a una misma distancia de trabajo, el ruido recibido al utilizar un LED es mayor que si se emplea un LASER.
El empleo de un diodo LASER como emisor, aumenta el alcance del sistema considerablemente pero, además de dificultar el alineamiento, hace que el consumo sea mayor, debido a las elevadas corrientes necesarias para que éste se mantenga en su zona de trabajo (emisión estimulada).

Tanto el receptor como el transmisor se alimentarán mediante sendas fuentes de tensión de 9 voltios.
Para el transmisor la alimentación será simétrica entre -4.5V y 4.5V, mientras que para el receptor ésta será unipolar, entre 0 y 9V.

2.- Transmisor realizado con IRED

figura 1

El transmisor, como se puede observar en la figura 1, está formado por dos etapas:

• La primera etapa la constituye un amplificador operacional LM741 (en realidad se utilizó para el montaje un RC4558, que consta de dos LM741 en un mismo integrado) en configuración de amplificador inversor de ganancia aproximada
  Av = -18. La entrada al circuito se hace a través de una resistencia de 220 ohmios (R11), lo que permite que la señal de entrada sea similar tanto si se conecta una salida de linea como una salida de auriculares (esto se comprobó de forma empírica).
  
  
• La conexión entre las etapas se lleva a cabo mediante un condensador electrolítico de paso de 47uF (C5), lo que permite que el punto de trabajo de la segunda etapa sea independiente de la primera. El valor de este condensador podría variar dentro de un margen relativamente amplio de valores sin afectar de forma significativa al funcionamiento del circuito.
  
  
• En cuanto a la segunda etapa, la modulación de la intensidad luminosa emitida por el IRED se logra variando la corriente que atraviesa a éste, gracias a la acción del transistor.
  Las resistencias R10 y R12 establecen el punto de trabajo del transistor, mientras que la resistencia de emisor (R13), junto con la ganancia de la primera etapa, permiten establecer el rango de valores de corriente en los que se va a trabajar.
  
  
• Los condensadores C6 y C9, situados entre la alimentación y masa, permiten eliminar ruido procedente de la fuente, así como evitar la realimentación de señal a través de las líneas de alimentación.
  

A continuación se muestran los resultados de algunas de las simulaciones realizadas para la validación del esquema.

El punto de trabajo en el transistor es el siguiente:

• (Tensión en el colector) Vcq = 3V
• (Tensión en el emisor) Veq = -0.8V
• (Corriente de colector) Icq = 16.5mA
• (Corriente de base) Ibq = 88uA

La entrada de audio considerada es una senoide de frecuencia 500Hz y 150mV de pico (gráfica 1).

gráfica 1

En estas condiciones, la tensión a la salida del operacional es la mostrada en la
gráfica 2, mientras que la corriente que atraviesa el IRED es la mostrada en la gráfica 3.

gráfica 2

gráfica 3

 

 

3.- Transmisor realizado con Diodo LASER

figura 2

En la figura 2 se encuentra el circuito realizado para utilizar como emisor óptico un diodo LASER.
La topología del transmisor es básicamente la misma que al utilizar un IRED, salvo ligeras diferencias que se explican a continuación:

• La ganancia de la etapa de entrada se ve reducida a aproximadamente Av = -6.8, dado que el diodo LASER necesita de una menor excursión de corriente para una variación considerable de su potencia de emisión.
  
  
• La resistencia de emisor se ha sustituido por un potenciómetro lineal de 100 ohmios, que permite ajustar con precisión el punto de trabajo del LASER dentro de su zona de emisión estimulada (empíricamente se comprobó que el valor del potenciómetro que permite esto es de unos 60 ohmios).

Nota: en la figura 1 (figura 2) se ha sustituido el IRED (diodo LASER) por un par de diodos comunes, para simular la caída de tensión en directa de los emisores.

Las simulaciones para este circuito, tomando como entrada la misma indicada en la gráfica 1, se indican a continuación:

El punto de trabajo en el transistor es el siguiente:

• (Tensión en el colector) Vcq = 2.8V
• (Tensión en el emisor) Veq = -1.2V
• (Corriente de colector) Icq = 55mA
• (Corriente de base) Ibq = 407uA

En la gráfica 4 y la gráfica 5 se muestran respectivamente la tensión a la salida del operacional y la corriente que atraviesa el diodo LASER.

Gráfica 4

Como se observa, se ha reducido la ganancia del amplificador de entrada con respecto a la obtenida en el transmisor con IRED.

Gráfica 5

Aquí podemos apreciar la elevada corriente necesaria para hacer que el diodo LASER trabaje en zona de emisión estimulada.

4.- Receptor y etapa de salida

figura 3

En el receptor se emplea un fotodiodo PIN BPW34 en modo fotovoltaico. La fotocorriente generada por éste es convertida en una tensión suficiente para entregar a la entrada de la siguiente etapa mediante un amplificador operacional LM358. Esta tensión se puede variar alterando el valor de la resistencia R1, para la cual se ha tomado un valor de 47k ohmios.

La etapa de audio la constituye un circuito integrado LM386 configurado con ganancia de 20. El volumen de la salida se puede regular variando el nivel de señal a la entrada de esta etapa mediante el potenciómetro R2, para el cual se tomó un valor de 4.7k ohmios. Un valor mayor en este potenciómetro (47k ohmios, por ejemplo) permitiría un menor consumo de corriente a la salida del LM358, con una funcionalidad equivalente.

El condensador C2, de 1uF, evita que la tensión continua presente a la salida del convertidor corriente-tensión se propague hacia la etapa de audio (el valor de este condensador se puede variar, dentro de unos márgenes razonables, sin afectar al comportamiento del circuito). Esta tensión continua se debe tanto a la componente de continua de la corriente que atraviesa el emisor óptico (punto de