Fiber Optik Devre - Verici ve Alıcı

Elektronik sinyaller, onlarca yıldır standart 'kablolu' bağlantılar yoluyla veya birçok dezavantajı olan farklı türden radyo bağlantıları kullanılarak oldukça başarılı bir şekilde gönderilmiştir.

Öte yandan, uzun mesafelerde ses veya video bağlantıları için veya küçük mesafeleri idare etmek için kullanılsın, fiber optik bağlantılar, normal kablolu kablolara kıyasla bazı belirgin avantajlar sunmaktadır.

Fiber Optik Nasıl Çalışır?

Fiber optik devre teknolojisinde, yüksek derecede yansıtıcı bir merkezi çekirdeğe sahip bir kablo aracılığıyla ışık frekansı formundaki dijital veya analog verilerin aktarılması için bir fiber optik bağlantı kullanılır.

Dahili olarak, optik fiber, yansıtıcı duvarları boyunca sürekli ileri ve geri yansımalar vasıtasıyla ışığı içinden geçirmek için bir ışık kılavuzu görevi gören, oldukça yansıtıcı bir merkezi çekirdekten oluşur.

Optik bağlantı normal olarak, dijital veya ses sinyallerini ışık frekansına dönüştüren bir elektrik frekansından ışık frekansına dönüştürücü devresini içerir. Bu ışık frekansı, optik fiberin uçlarından birine bir güçlü LED . Işığın daha sonra optik kablodan bir fotosel ve bir fotosel tarafından alındığı amaçlanan hedefe gitmesine izin verilir. amplifikatör devresi ışık frekansını orijinal dijital forma veya ses frekansı formuna geri dönüştürür.

Fiber Optiğin Avantajları

Fiber optik devre bağlantılarının en büyük avantajlarından biri, elektriksel parazitlere ve kaçak açmalara karşı mükemmel bağışıklıklarıdır.

Standart 'kablo' bağlantıları bu sorunu azaltmak için tasarlanabilir, ancak bu sorunu tamamen ortadan kaldırmak çok zor olabilir.

Aksine, bir fiber optik kablonun elektriksel olmayan özellikleri, alıcı ucunda toplanabilecek bazı parazitlerden ayrı olarak elektrik parazitini önemsiz hale getirmeye yardımcı olur, ancak bu, alıcı devresinin etkili bir şekilde korunmasıyla da ortadan kaldırılabilir.

Oldukça benzer şekilde, normal bir elektrik kablosu üzerinden yönlendirilen geniş bant sinyalleri genellikle elektriksel paraziti dağıtır ve yakındaki radyo ve televizyon sinyallerinin karışmasına neden olur.

Ancak yine, bir fiber optik kablo söz konusu olduğunda, elektrik emisyonlarından tamamen yoksun olduğu gerçekten kanıtlanabilir ve verici ünite muhtemelen bazı radyo frekansı radyasyonunu dışarı atabilirse de, temel tarama stratejilerini kullanarak onu kapatmak oldukça basittir.

Bu artı noktadan dolayı, yan yana çalışan birçok optik kabloyu birleştiren sistemlerde, çapraz konuşma ile ilgili herhangi bir sorun veya sorun yoktur.

Elbette ışık bir kablodan diğerine sızabilir, ancak fiber optik kablolar genellikle her türlü ışık sızıntısını ideal olarak önleyen, ışığa dayanıklı bir dış kılıf içinde kapsüllenir.

Fiber optik bağlantılardaki bu güçlü koruma, oldukça güvenli ve güvenilir bir veri aktarımı sağlar.

Diğer bir avantaj, fiber optiğin, elektrik veya yüksek akım akışı olmadığı için yangın tehlikesi problemlerinden muaf olmasıdır.

Ayrıca toprak döngüleri ile ilgili komplikasyonların gelişmemesini sağlamak için bağlantı boyunca iyi bir elektriksel izolasyona sahibiz. Uygun gönderme ve alma devreleri sayesinde, fiber optik bağlantıların önemli bant genişliği aralıklarını idare etmesi için çok uygun hale gelir.

Geniş bant genişliği bağlantıları, koaksiyel güç kabloları aracılığıyla da oluşturulabilir, ancak modern optik kablolar, geniş bant genişliği uygulamalarında koaksiyel tiplere kıyasla tipik olarak daha az kayıp yaşarlar.

Optik kablolar tipik olarak ince ve hafiftir ve ayrıca iklim koşullarına ve çeşitli kimyasal maddelere karşı bağışıktır. Bu, sık sık, elektrik kablolarının, özellikle koaksiyel tiplerin çok etkisiz hale geldiği elverişsiz ortamlarda veya elverişsiz senaryolarda hızlı bir şekilde uygulanmalarına izin verir.

Dezavantajları

Fiber optik devrenin pek çok avantajı olmasına rağmen, bunların da birkaç olumsuz tarafı vardır.

Görünen dezavantaj, elektrik sinyallerinin doğrudan bir optik kabloya aktarılamaması ve bazı durumlarda hayati kodlayıcı ve kod çözücü devrelerinde karşılaşılan maliyet ve problemlerin oldukça uyumsuz olma eğiliminde olmasıdır.

Optik fiberlerle çalışırken hatırlanması gereken önemli bir şey, normal olarak belirli bir en küçük çapa sahip olmalarıdır ve bunlar daha keskin bir eğri ile büküldüğünde, o kıvrımda kabloya fiziksel hasar vererek onu işe yaramaz hale getirir.

Normalde veri sayfalarında çağrıldığı şekliyle 'minimum bükülme' yarıçapı, tipik olarak yaklaşık 50 ila 80 milimetre arasındadır.

Normal bir kablolu şebeke kablosundaki bu tür kıvrımların sonucu hiçbir şey olmayabilir, ancak bir fiber optik kablo için küçük sıkı kıvrımlar bile büyük kayıplara yol açan ışık sinyallerinin yayılmasını engelleyebilir.

Fiber Optik Temelleri

Bize bir fiber optik kablonun sadece ışık geçirmez bir dış kılıfla kaplı cam filamentinden oluştuğu görülse de, durum aslında bundan çok daha ileri düzeydedir.

Günümüzde, cam filamenti çoğunlukla bir polimer formundadır ve gerçek cam değildir ve standart kurulum aşağıdaki Şekilde gösterildiği gibi olabilir. Burada yüksek kırılma indisine sahip bir merkezi çekirdek ve azaltılmış kırılma indisine sahip bir dış koruma görebiliriz.

İç filament ve dış kaplamanın etkileştiği yerde kırılma, kablonun içinden duvardan duvara verimli bir şekilde atlayarak ışığın kablodan geçmesini mümkün kılar.

Kablonun bir ışık kılavuzu gibi hareket etmesini mümkün kılan, ışığın kablo duvarları boyunca bu şekilde sıçraması, aydınlatmayı köşeler ve kıvrımlar etrafında düzgün bir şekilde taşımasıdır.

Yüksek Düzen Modu Işık Yayılımı

Işığın yansıtıldığı açı, kablonun özelliklerine ve ışığın giriş açısına göre belirlenir. Yukarıdaki Şekilde, ışık ışınının bir 'yüksek sipariş modu' yayılma.

Düşük Düzen Modu Işık Yayılımı

Bununla birlikte, daha sığ bir açıyla beslenen, oldukça geniş bir açıyla kablo duvarları arasında sıçramasına neden olan ışıklı kablolar bulacaksınız. Bu düşük açı, ışığın her sıçramada kablodan göreceli olarak daha büyük bir mesafede hareket etmesini sağlar.

Bu ışık transferi şekli olarak adlandırılır 'düşük sipariş modu' yayılma. Bu modların her ikisinin de pratik önemi, yüksek sıralı modda kablo yoluyla ışık girişiminin, düşük sıra modunda yayılan ışığa kıyasla önemli ölçüde daha ileriye gitmesi gerektiğidir. Bu, kablonun aşağısına iletilen sinyalleri lekeler ve uygulamanın frekans aralığını azaltır.

Ancak, bu yalnızca çok geniş bant genişliği bağlantılarıyla ilgilidir.

Tek Modlu Kablo

Bizde de var 'Tek mod' Yalnızca tek bir yayılma modunu etkinleştirmek için tasarlanmış kablolar türü kablolar, ancak bu makalede ayrıntılı olarak açıklanan nispeten dar bant genişliği teknikleriyle bu tür bir kablo kullanmak gerçekten gerekli değildir. Ayrıca, adında alternatif bir kabloyla da karşılaşabilirsiniz. 'derecelendirilmiş dizin' kablo.

Aslında bu, daha önce tartışılan kademeli indeksli kabloya oldukça benzer, ancak kablonun merkezine yakın yüksek bir kırılma indisinden dış manşona yakın daha düşük bir değere aşamalı bir dönüşüm var.

Bu, daha önce açıklandığı gibi, ışığın kablonun derinliklerinden geçmesine neden olur, ancak ışığın düz çizgilerden geçmesi yerine (aşağıdaki Şekilde olduğu gibi) kavisli bir rotadan geçmesi gerekir.

Optik Fiber Boyutları

Optik fiber kablolar için tipik boyut 2,2 milimetredir ve iç fiberin ortalama boyutu 1 milimetre civarındadır. Eşit ölçüde eşleşen kablolara bağlanan bir dizi sisteme ek olarak, bu boyuttaki kablo boyunca bağlantılar için erişilebilir birkaç konektör bulabilirsiniz.

Normal bir konektör sistemi, kablonun ucuna takılan ve onu, fotoselin yerleştirilmesi için bir yuvaya sahip olan devre kartının üzerinde parantez oluşturan 'soket' terminaline koruyan bir 'fiş' içerir (bu, vericiyi veya detektörü oluşturur. optik sistem).

Fiber Optik Devre Tasarımını Etkileyen Faktörler

Fiber optikte hatırlanması gereken çok önemli bir husus, emitörün en yüksek çıkış özellikleridir. fotosel ışık dalga boyu için. Bu, iletim frekansını uygun hassasiyetle eşleştirmek için ideal olarak seçilmelidir.

Hatırlanması gereken ikinci faktör, kablonun yalnızca sınırlı bir bant genişliği aralığı ile belirleneceğidir, bu da kayıpların mümkün olduğunca minimum olması gerektiği anlamına gelir.

Normalde optik fiberlerde kullanılan optik sensörler ve vericiler, çoğunlukla kızılötesi menzil en yüksek verimlilikle, bazılarının en iyi görünür ışık spektrumu ile çalışması amaçlanabilir.

Fiber optik kablolama genellikle, uçlar uygun şekilde kesilip işlenmedikçe çok verimsiz olabilecek bitmemiş sonlandırma uçları ile teslim edilir.

Tipik olarak, kablo, keskin bir modelleme bıçağıyla dik açılarda dilimlendiğinde, kablo ucunu tek bir hareketle temiz bir şekilde kestiğinde iyi efektler sağlayacaktır.

Dilimlenmiş uçları cilalamak için ince bir eğe kullanılabilir, ancak sadece uçları kestiyseniz, bu ışık verimliliğini önemli ölçüde artırmaya yardımcı olmayabilir. Keskin, keskin ve kablo çapına dik olması çok önemlidir.

Kesimin bazı açıları varsa, ışık beslemesinin açısındaki sapma nedeniyle verimliliği ciddi şekilde bozabilir.

Basit Bir Fiber Optik Sistem Tasarlama

Fiber optik iletişim ile bir şeyler denemek isteyen herkes için başlamanın temel bir yolu, bir ses bağlantısı oluşturmak olacaktır.

En temel biçiminde, bu, değişen basit bir genlik modülasyon devresi içerebilir. LED verici ses giriş sinyalinin genliğine göre parlaklık.

Bu, fotosel ile seri olarak hesaplanmış bir yük direnci boyunca karşılık gelen değişken bir voltaj oluşturmak için işlenecek olan fotosel alıcısı boyunca eşdeğer şekilde modüle edilen bir akım tepkisine neden olacaktır.

Bu sinyal, ses çıkış sinyalini iletmek için yükseltilecektir. Gerçekte, bu temel yaklaşım kendi dezavantajları ile gelebilir, en büyük olanı, fotosellerden gelen yetersiz bir doğrusallık olabilir.

Doğrusallığın yokluğu, daha sonra kötü kalitede olabilecek optik bağlantı boyunca orantılı bir bozulma seviyesi şeklinde etkiler.

Normalde önemli ölçüde daha iyi sonuçlar sunan bir yöntem, temelde standartta kullanılan sistemle aynı olan bir frekans modülasyon sistemidir. VHF radyo yayınları .

Bununla birlikte, bu gibi durumlarda, bant 2 radyo iletiminde kullanılan geleneksel 100 MHz yerine yaklaşık 100 kHz'lik bir taşıyıcı frekansı söz konusudur.

Bu yaklaşım, aşağıdaki blok şemada gösterildiği gibi oldukça basit olabilir. Bu formun tek yönlü bir bağlantısı için kurulan ilkeyi gösterir. Verici aslında voltaj kontrollü bir osilatördür (VCO) ve başlığın da önerdiği gibi, bu tasarımın çıkış frekansı bir kontrol voltajı ile ayarlanabilir.

Bu voltaj, ses giriş iletimi olabilir ve sinyal voltajı yukarı ve aşağı salınırken, VCO'nun çıkış frekansı da artacaktır. Bir alçak geçiş filtresi VCO'ya uygulanmadan önce ses giriş sinyalini iyileştirmek için dahil edilmiştir.

Bu, voltaj kontrollü osilatör ile herhangi bir yüksek frekanslı giriş sinyali arasındaki vuruş notaları nedeniyle heterodin 'ıslıkların' üretilmesinden uzak tutulmasına yardımcı olur.

Tipik olarak, giriş sinyali yalnızca ses frekansı aralığını kapsayacaktır, ancak daha yüksek frekanslarda bozulma içeriği ve kablolamadan alınan radyo sinyallerinin VCO sinyali veya VCO'nun çıkış sinyali etrafındaki harmoniklerle etkileşime girdiğini görebilirsiniz.

Basitçe bir LED olabilen yayıcı cihaz, VCO çıkışı tarafından çalıştırılır. En iyi sonuç için bu LED normalde bir yüksek watt tipi LED . Bu gerekli sürücü tampon aşamasının kullanımı LED gücünü çalıştırmak için.

Bu sonraki aşama bir tek kararlı multivibratör yeniden tetiklenemeyen bir tip olarak tasarlanmalıdır.

Bu, katmanın, girdi darbesi süresinden bağımsız olan C / R zamanlama ağı tarafından belirlenen aralıklarla çıkış darbeleri üretmesini sağlar.

Operasyonel Dalga Formu

Bu, kolay ama etkili bir frekanstan gerilime dönüştürme sağlar ve aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi dalga biçimine sahip olması, çalışma modelini açıkça açıklar.

Şekil (a) 'da giriş frekansı, 1 ila 3 işaret alanı oranına sahip tek kararlılıktan bir çıktı üretir ve çıktı, sürenin% 25'i için yüksek durumdadır.

Ortalama çıkış voltajı (noktalı çizgi içinde gösterildiği gibi), çıkış HIGH durumunun 1 / 4'ünün bir sonucudur.

Yukarıdaki Şekil (b) 'de, giriş frekansının iki kat arttığını görebiliriz, bu da 1: 1 işaret alanı oranına sahip belirli bir zaman aralığı için iki kat daha fazla çıkış darbesi elde ettiğimiz anlamına gelir. Bu, YÜKSEK çıkış durumunun% 50'si ve önceki örnekten 2 kat daha büyük bir ortalama çıkış voltajı elde etmemizi sağlar.

Basit bir ifadeyle, monostable yalnızca frekansı voltaja dönüştürmeye yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda dönüşümün doğrusal bir özellik kazanmasını da sağlar. Çıkışın düzgün bir ses sinyaline stabilize edilmesini sağlayan bir alçak geçiren filtre dahil edilmedikçe, tek kararlıdan gelen çıktı tek başına bir ses frekansı sinyali oluşturamaz.

Bu basit frekanstan gerilime dönüştürme yöntemiyle ilgili temel sorun, stabilize bir çıktı oluşturabilmek için VCO'nun minimum çıkış frekansında daha yüksek düzeyde bir zayıflamanın (esasen 80 dB veya daha yüksek) gerekmesidir.

Ancak, bu yöntem diğer hususlarda gerçekten basit ve güvenilirdir ve modern devrelerle birlikte, uygun şekilde hassas olan bir çıkış filtresi aşaması tasarlamak zor olmayabilir. kesme özelliği .

Çıkışta küçük bir fazla taşıyıcı sinyal seviyesi çok kritik olmayabilir ve göz ardı edilebilir, çünkü taşıyıcı genellikle ses aralığı içinde olmayan frekanslardadır ve sonuç olarak çıkıştaki herhangi bir sızıntı duyulamayacaktır.

Fiber Optik Verici Devresi

Fiber optik verici devre şemasının tamamı aşağıda görülebilir. Ayrık parçalar kullanılarak oluşturulan diğer birçok konfigürasyonla birlikte VCO gibi çalışmaya uygun birçok entegre devre bulacaksınız.

Ancak düşük maliyetli bir teknik için yaygın olarak kullanılan NE555 tercih edilen seçenek haline gelir ve kesinlikle ucuz olmasına rağmen oldukça iyi bir performans verimliliği ile birlikte gelir. Giriş sinyali, IC 555 için 1/3 V + ve 2/3 V + anahtarlama limitlerini oluşturmak üzere yapılandırılan voltaj bölücüye bağlanan IC'nin pin 5'ine entegre edilerek frekans modüle edilebilir.

Esasen, üst limit artırılır ve azaltılır, böylece C2 zamanlama kapasitörünün iki aralık arasında geçiş yapması için harcanan zaman uygun şekilde artırılabilir veya azaltılabilir.

Tr1 bir yayıcı takipçisi LED'i (D1) en iyi şekilde aydınlatmak için gereken yüksek tahrik akımını sağlayan tampon aşaması. NE555'in kendisi LED için iyi bir 200 mA akıma sahip olmasına rağmen, LED için ayrı bir akım kontrollü sürücü, istenen LED akımını hassas bir şekilde ve daha güvenilir bir yöntemle kurmaya izin verir.

R1, LED akımını yaklaşık 40 miliamperde sabitleyecek şekilde konumlandırılmıştır, ancak LED% 50 görev döngüsü oranında AÇIK / KAPALI konuma getirildiği için, LED'in, yaklaşık 20 miliamper olan gerçek değerin yalnızca% 50'si ile çalışmasına izin verir.

Çıkış akımı, gerekli hissedildiğinde R1 değeri ayarlanarak artırılabilir veya azaltılabilir.

Fiber Optik Verici Dirençleri için Bileşenler (tümü 1/4 watt,% 5)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kapasitörler
C1 = 220µ 10V elektron
C2 = 390pF seramik tabak
C3 = 1u 63V seçili
C4 = 330p seramik tabak
C5 = 4n7 polyester katman
C6 = 3n3 polyester katman
C7 = 470n polyester katman
Yarı iletkenler
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = metne bakın
Çeşitli
SK1 3,5 mm jak soketi
Devre kartı, kasa, pil vb.

Fiber Optik Alıcı Devresi

Birincil fiber optik alıcı devre şeması, aşağıdaki diyagramın üst kısmında görülebilir, çıkış filtresi devresi alıcı devresinin hemen altına çizilir. Alıcının çıktısı, gri bir çizgi ile filtre girişi ile birleştirilebilir.

D1, dedektör diyot ve kaçak direncinin bir tür ışığa bağımlı direnç veya LDR etkisi oluşturmaya yardımcı olduğu ters önyargı ayarında çalışır.

R1, bir yük direnci gibi çalışır ve C2, dedektör aşaması ile giriş amplifikatörü girişi arasında bir bağlantı oluşturur. Bu, iki aşamanın birlikte çalıştığı iki aşamalı, kapasitif olarak bağlı bir ağ oluşturur. ortak yayıcı modu.

Bu, 80 dB'nin üzerinde üstün bir genel voltaj kazancı sağlar. Oldukça güçlü bir giriş sinyali verildiği için, bu, Tr2 toplayıcı piminde yeterince yüksek bir çıkış voltajı salınımı sunar. tek kararlı multivibratör .

İkincisi, C4 ve R7 zamanlama öğeleri gibi işleyen bir çift 2 girişli NOR geçidi (IC1a ve IC1b) kullanılarak oluşturulan standart bir CMOS türüdür. Diğer birkaç IC1 kapısı kullanılmamaktadır, ancak girişleri, başıboş açma nedeniyle bu kapıların yanlış anahtarlanmasını durdurmak için toprağa bağlanmış olarak görülebilmektedir.

IC2a / b etrafında oluşturulmuş filtre aşamasına atıfta bulunulursa, temelde 2/3 dereceden (oktav başına 18 dB) filtre sistemleridir. verici devreleri . Bunlar, toplam 6 kutup ve oktav başına 36 dB'lik genel bir zayıflatma oranı oluşturmak için seri halinde birleştirilir.

Bu, minimum frekans aralığında taşıyıcı sinyalin yaklaşık olarak 100 dB zayıflaması ve nispeten düşük taşıyıcı sinyal seviyelerine sahip bir çıkış sinyali sunar. Fiber Optik Devre, kritik bozulma olmaksızın yaklaşık 1 volt RMS'ye kadar yüksek giriş voltajlarıyla başa çıkabilir ve sistem için birim voltaj kazancından marjinal olarak daha az çalışmaya yardımcı olur.

Fiber Optik Alıcı ve Filtre Bileşenleri

Dirençler (tümü 1/4 watt% 5)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 - R15 10k (6 kapalı)
Kapasitörler
C1 = 100µ10V elektrolitik
C2 = 2n2 polyester
C3 = 2n2 polyester
C4 = 390p seramik
C5 = 1µ 63V elektrolitik
C6 = 3n3 polyester
C7 = 4n7 polyester
C8 = 330pF seramik
C9 = 3n3 polyester
C10 = 4n7 polyester

Yarı iletkenler
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 kapalı)
D1 = Metni gör
Çeşitli
SK1 = 25 yollu D konektörü
Kasa, devre kartı, tel vb.