Sirkuit Serat Optik - Pemancar dan Penerima

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Sinyal elektronik telah cukup berhasil dikirim selama beberapa dekade melalui koneksi 'kabel-keras' standar, atau dengan menggunakan tautan radio dari berbagai jenis yang memiliki banyak kekurangan.

Di sisi lain, tautan serat optik, baik digunakan untuk tautan audio atau video dalam jarak jauh, atau untuk menangani jarak kecil, telah menawarkan beberapa keunggulan berbeda dibandingkan dengan kabel berkabel biasa.



Bagaimana Fiber Optic Bekerja

Dalam teknologi rangkaian serat optik, sambungan serat optik digunakan untuk mentransfer data digital atau analog dalam bentuk frekuensi cahaya melalui kabel yang memiliki inti pusat yang sangat reflektif.

Secara internal, serat optik terdiri dari inti pusat yang sangat reflektif, yang bertindak seperti pemandu cahaya untuk mentransfer cahaya melaluinya melalui pantulan terus menerus ke sana kemari melintasi dinding reflektifnya.



Tautan optik biasanya mencakup rangkaian konverter frekuensi ke frekuensi cahaya, yang mengubah sinyal digital atau audio menjadi frekuensi cahaya. Frekuensi cahaya ini 'disuntikkan' ke salah satu ujung serat optik melalui a LED yang kuat . Cahaya kemudian dibiarkan berjalan melalui kabel optik ke tujuan yang dituju, di mana ia diterima oleh fotosel dan sebuah sirkuit penguat yang mengubah frekuensi cahaya kembali ke bentuk digital asli atau bentuk frekuensi audio.

Keunggulan Fiber Optik

Salah satu keuntungan utama dari sambungan sirkuit serat optik adalah kekebalannya yang sempurna terhadap gangguan listrik dan gangguan listrik.

Tautan 'kabel' standar dapat dirancang untuk mengurangi masalah ini, namun mungkin akan sangat sulit untuk sepenuhnya memberantas masalah ini.

Sebaliknya, karakteristik nonelektrik dari kabel serat optik membantu membuat gangguan listrik menjadi tidak material, selain dari beberapa gangguan yang dapat diambil di ujung penerima, tetapi ini juga dapat dihilangkan melalui pelindung yang efektif dari rangkaian penerima.

Demikian pula, sinyal broadband yang disalurkan melalui kabel listrik biasa sering kali menghilangkan gangguan listrik yang menyebabkan gangguan sinyal radio dan televisi di dekatnya.

Tetapi sekali lagi, dalam kasus kabel serat optik itu benar-benar dapat terbukti sepenuhnya tanpa emisi listrik, dan meskipun unit pemancar mungkin menghasilkan beberapa radiasi frekuensi radio, itu agak sederhana untuk menutupinya menggunakan strategi penyaringan dasar.

Karena poin plus ini, sistem yang menggabungkan banyak kabel optik yang bekerja bersama satu sama lain tidak memiliki komplikasi atau masalah dengan cross-talk.

Tentu saja cahaya mungkin bisa bocor dari satu kabel ke kabel berikutnya, tetapi kabel serat optik biasanya dikemas dalam sleeving eksternal tahan cahaya yang idealnya mencegah segala bentuk kebocoran cahaya.

Pelindung yang kuat dalam tautan serat optik ini memastikan transfer data yang cukup aman dan andal.

Keuntungan lainnya adalah serat optik bebas dari masalah bahaya kebakaran karena tidak ada listrik atau aliran arus tinggi yang terlibat.

Kami juga memiliki isolasi listrik yang baik di seluruh sambungan untuk memastikan bahwa komplikasi dengan loop arde tidak dapat berkembang. Melalui sirkuit pemancar dan penerima yang sesuai, ini menjadi sangat cocok untuk tautan serat optik untuk menangani rentang bandwidth yang substansial.

Tautan bandwidth lebar dapat dibuat melalui kabel daya koaksial juga, meskipun kabel optik modern biasanya mengalami pengurangan kerugian dibandingkan dengan jenis koaksial dalam aplikasi bandwidth lebar.

Kabel optik biasanya tipis dan ringan, serta kebal terhadap kondisi iklim dan beberapa zat kimia. Hal ini sering memungkinkannya untuk diterapkan dengan cepat di lingkungan yang tidak ramah atau skenario yang tidak menguntungkan di mana kabel listrik, khususnya jenis koaksial ternyata sangat tidak efektif.

Kekurangan

Meskipun rangkaian serat optik memiliki begitu banyak keunggulan, ini juga memiliki beberapa sisi bawah.

Kerugian yang terlihat adalah bahwa sinyal listrik tidak dapat ditransfer langsung ke kabel optik, dan dalam beberapa situasi biaya dan masalah yang dihadapi dengan rangkaian encoder dan decoder yang vital cenderung menjadi sangat tidak sesuai.

Satu hal penting untuk diingat saat bekerja dengan serat optik adalah bahwa mereka biasanya memiliki diameter terkecil yang ditentukan, dan ketika ini dipelintir dengan kurva yang lebih tajam menimbulkan kerusakan fisik pada kabel di tikungan itu, sehingga tidak berguna.

Jari-jari 'tikungan minimum' seperti yang biasa disebut dalam lembar data, biasanya antara sekitar 50 dan 80 milimeter.

Konsekuensi dari lengkungan seperti itu pada kabel utama berkabel biasa bisa jadi tidak berarti apa-apa, namun untuk kabel serat optik bahkan lengkungan kecil yang ketat dapat menghalangi perambatan sinyal cahaya yang menyebabkan kerugian drastis.

Dasar Serat Optik

Meskipun bagi kami mungkin tampak bahwa kabel serat optik hanya terdiri dari filamen kaca yang dilapisi dengan selubung eksternal tahan cahaya, situasinya sebenarnya jauh lebih maju daripada ini.

Saat ini, filamen kaca sebagian besar dalam bentuk polimer dan bukan kaca sebenarnya, dan penyiapan standarnya dapat seperti yang dijelaskan pada Gambar berikut. Di sini kita dapat melihat inti pusat yang memiliki indeks bias tinggi dan pelindung luar dengan indeks bias tereduksi.

Pembiasan di mana filamen dalam dan kelongsong luar berinteraksi memungkinkan cahaya melintasi kabel dengan melompati dinding ke dinding melalui kabel secara efisien.

Pantulan cahaya yang melintasi dinding kabel inilah yang memungkinkan kabel berjalan seperti pemandu cahaya, membawa penerangan dengan mulus di sekitar sudut dan kurva.

Propagasi Cahaya Mode Orde Tinggi

Sudut di mana cahaya dipantulkan ditentukan oleh properti kabel dan sudut masukan cahaya. Pada Gambar di atas, sinar cahaya dapat dilihat melalui a 'mode pesanan tinggi' perambatan.

Propagasi Cahaya Mode Pesanan Rendah

Namun, Anda akan menemukan kabel dengan cahaya yang diumpankan dengan sudut yang lebih dangkal menyebabkannya memantul di antara dinding kabel dengan sudut yang cukup lebar. Sudut yang lebih rendah ini memungkinkan cahaya bergerak pada jarak yang relatif lebih jauh melalui kabel pada setiap pantulan.

Bentuk transfer cahaya ini disebut 'mode pesanan rendah' perambatan. Signifikansi praktis dari kedua mode ini adalah bahwa cahaya yang mengalir melalui kabel dalam mode orde tinggi perlu bergerak jauh lebih jauh dibandingkan dengan cahaya yang disebarkan dalam mode orde rendah. Sinyal noda ini dikirim ke kabel yang mengurangi rentang frekuensi aplikasi.

Namun, ini hanya relevan pada tautan dengan lebar pita yang sangat lebar.

Kabel Mode Tunggal

Kami juga memiliki 'Mode tunggal' jenis kabel yang dimaksudkan hanya untuk mengaktifkan mode propagasi tunggal, tetapi tidak benar-benar diperlukan untuk menggunakan bentuk kabel ini dengan teknik bandwidth yang relatif sempit yang dijelaskan dalam artikel ini. Anda selanjutnya dapat menemukan jenis kabel alternatif bernama 'indeks bertingkat' kabel.

Ini sebenarnya sangat mirip dengan kabel indeks berundak yang dibahas sebelumnya, meskipun terdapat transformasi progresif dari indeks bias tinggi di dekat pusat kabel ke nilai yang berkurang di dekat sleeving luar.

Hal ini menyebabkan cahaya melewati jauh di kabel dengan cara yang sangat mirip seperti yang dijelaskan sebelumnya, tetapi dengan cahaya harus melalui rute melengkung (seperti pada Gambar berikut) bukannya disebarkan melalui garis lurus.

Dimensi Serat Optik

Dimensi tipikal untuk kabel serat optik adalah 2,2 milimeter dengan dimensi rata-rata serat bagian dalam sekitar 1 milimeter. Anda dapat menemukan beberapa konektor yang dapat diakses untuk sambungan di seluruh ukuran kabel ini, selain sejumlah sistem yang menghubungkan ke kabel yang sama-sama cocok.

Sistem konektor normal termasuk 'steker' yang dipasang ke ujung kabel dan menjaganya ke terminal 'soket' yang biasanya braket di atas papan sirkuit yang memiliki slot untuk menampung fotosel (yang membentuk emitor atau detektor sistem optik).

Faktor Yang Mempengaruhi Desain Sirkuit Serat Optik

Salah satu aspek penting yang perlu diingat dalam serat optik adalah spesifikasi keluaran puncak emitor fotosel untuk panjang gelombang cahaya. Ini harus dipilih secara ideal untuk menyesuaikan frekuensi transmisi dengan sensitivitas yang sesuai.

Faktor kedua yang perlu diingat adalah kabel akan ditentukan hanya dengan rentang bandwidth terbatas, yang berarti kerugian harus seminimal mungkin.

Sensor optik dan pemancar yang biasanya digunakan dalam serat optik sebagian besar dinilai berfungsi di jangkauan inframerah dengan efisiensi maksimal, sementara beberapa mungkin dimaksudkan untuk bekerja paling baik dengan spektrum cahaya tampak.

Pengkabelan serat optik sering kali dikirim dengan ujung penghentian yang belum selesai, yang bisa sangat tidak produktif, kecuali ujungnya dipangkas dan dikerjakan dengan benar.

Biasanya, kabel akan memberikan efek yang layak bila diiris pada sudut yang tepat dengan pisau model setajam silet, memotong ujung kabel dengan rapi dalam satu tindakan.

Kikir halus dapat digunakan untuk memoles ujung yang diiris, tetapi jika Anda baru saja memotong ujungnya, ini mungkin tidak membantu meningkatkan efisiensi cahaya secara signifikan. Pemotongan harus tajam, tajam, dan tegak lurus dengan diameter kabel.

Jika pemotongan memiliki beberapa sudut dapat sangat merusak efisiensi karena deviasi sudut umpan cahaya.

Merancang Sistem Serat Optik Sederhana

Cara dasar untuk memulai bagi siapa pun yang ingin mencoba berbagai hal dengan komunikasi serat optik adalah dengan membuat tautan audio.

Dalam bentuknya yang paling dasar, ini mungkin termasuk sirkuit modulasi amplitudo sederhana yang memvariasikan Pemancar LED kecerahan sesuai dengan amplitudo sinyal input audio.

Hal ini akan menyebabkan respons arus modulasi ekuivalen di seluruh penerima fotosel, yang akan diproses untuk menghasilkan tegangan yang bervariasi sesuai dengan resistor beban yang dihitung secara seri dengan fotosel.

Sinyal ini akan diperkuat untuk mengirimkan sinyal keluaran audio. Pada kenyataannya, pendekatan fundamental ini mungkin datang dengan kelemahannya sendiri, yang utama mungkin hanyalah linearitas yang tidak mencukupi dari fotosel.

Tidak adanya linieritas mempengaruhi dalam bentuk tingkat distorsi yang proporsional di seluruh tautan optik yang mungkin kemudian berkualitas buruk.

Metode yang biasanya menawarkan hasil yang jauh lebih baik adalah sistem modulasi frekuensi, yang pada dasarnya identik dengan sistem yang digunakan dalam standar Siaran radio VHF .

Namun, dalam kasus seperti itu frekuensi pembawa sekitar 100 kHz terlibat, bukan 100 MHz konvensional seperti yang digunakan dalam transmisi radio band 2.

Pendekatan ini bisa sangat sederhana, seperti yang ditunjukkan pada diagram blok di bawah ini. Ini menunjukkan prinsip yang ditetapkan untuk tautan satu arah dari formulir ini. Transmitter sebenarnya adalah sebuah voltage terkontrol osilator (VCO), dan seperti judulnya, frekuensi keluaran dari desain ini dapat diatur melalui tegangan kendali.

Diagram Blok Serat Optik

Tegangan ini mungkin merupakan transmisi input suara, dan karena tegangan sinyal berosilasi naik turun, frekuensi output VCO juga akan berubah. SEBUAH filter lowpass digabungkan untuk menyempurnakan sinyal input audio sebelum diterapkan ke VCO.

Ini membantu untuk menjaga agar 'peluit' heterodyne tidak diproduksi karena nota ketukan antara osilator yang dikendalikan tegangan dan sinyal input frekuensi tinggi.

Biasanya, sinyal input hanya akan mencakup rentang frekuensi audio, tetapi Anda mungkin menemukan konten distorsi pada frekuensi yang lebih tinggi, dan sinyal radio diambil dari kabel dan berinteraksi dengan sinyal VCO atau harmonisa di sekitar sinyal output VCO.

Perangkat pemancar yang mungkin hanya sebuah LED digerakkan oleh output VCO. Untuk hasil optimal, LED ini biasanya a jenis LED dengan watt tinggi . Ini membutuhkan penggunaan tahap penyangga driver untuk mengoperasikan daya LED.

Tahap selanjutnya adalah a multivibrator monostabil yang harus dirancang sebagai tipe yang tidak dapat ditarik kembali.

Hal ini memungkinkan panggung untuk menghasilkan pulsa keluaran melalui interval yang ditentukan oleh jaringan waktu C / R yang tidak bergantung pada durasi pulsa masukan.

Bentuk Gelombang Operasional

Ini memberikan konversi frekuensi ke tegangan yang mudah namun efektif, dengan bentuk gelombang seperti yang digambarkan pada gambar berikut dengan jelas menjelaskan pola operasionalnya.

Pada Gambar (a) frekuensi input menghasilkan output dari monostabil dengan rasio mark-space 1 hingga 3, dan output dalam status tinggi selama 25% dari waktu.

Tegangan keluaran rata-rata (seperti yang digambarkan di dalam garis putus-putus) adalah sebagai hasil 1/4 dari status keluaran TINGGI.

Pada Gambar (b) di atas kita dapat melihat bahwa frekuensi input telah meningkat dua kali lipat, yang berarti kita mendapatkan pulsa output dua kali lebih banyak untuk interval waktu tertentu dengan rasio mark space 1: 1. Ini memungkinkan kita untuk mendapatkan tegangan keluaran rata-rata yaitu 50% dari status keluaran TINGGI, dan 2 kali lebih besar dari contoh sebelumnya.

Secara sederhana, monostabil tidak hanya membantu mengubah frekuensi menjadi tegangan, tetapi juga memungkinkan konversi untuk mendapatkan karakteristik linier. Output dari monostabil saja tidak dapat membangun sinyal frekuensi audio, kecuali filter lowpass digabungkan yang memastikan bahwa output distabilkan menjadi sinyal audio yang tepat.

Masalah utama dengan metode sederhana konversi frekuensi ke tegangan ini adalah bahwa tingkat atenuasi yang lebih tinggi (pada dasarnya 80 dB atau lebih tinggi) diperlukan pada frekuensi keluaran minimum VCO untuk dapat membuat keluaran yang stabil.

Namun, metode ini sangat sederhana dan dapat diandalkan dalam pertimbangan lain, dan bersama dengan sirkuit modern, mungkin tidak sulit untuk merancang tahap filter keluaran yang memiliki presisi yang tepat. memotong karakteristik .

Tingkat kecil sinyal kelebihan pembawa pada keluaran mungkin tidak terlalu kritis dan dapat diabaikan, karena pembawa umumnya berada pada frekuensi yang tidak berada dalam jangkauan audio, dan setiap kebocoran pada keluaran akan menjadi tidak terdengar.

Sirkuit Pemancar Serat Optik

Seluruh diagram rangkaian pemancar fiber optik dapat dilihat di bawah ini. Anda akan menemukan banyak sirkuit terintegrasi yang cocok untuk bekerja seperti VCO, bersama dengan banyak konfigurasi lain yang dibuat menggunakan komponen terpisah.

Tetapi untuk teknik biaya rendah banyak digunakan NE555 menjadi pilihan yang disukai, dan meski pastinya murah, namun hadir dengan efisiensi kinerja yang cukup baik. Ini dapat dimodulasi frekuensi dengan mengintegrasikan sinyal input ke pin 5 dari IC, yang menghubungkan dengan pembagi tegangan yang dikonfigurasi untuk membuat batas switching 1/3 V + dan 2/3 V + untuk IC 555.

Pada dasarnya, batas atas dinaikkan dan diturunkan sehingga waktu yang digunakan untuk timing kapasitor C2 untuk beralih di antara dua rentang dapat ditingkatkan atau dikurangi.

Tr1 berkabel seperti pengikut emitor tahap penyangga yang memasok arus drive tinggi yang diperlukan untuk menerangi LED (D1) secara optimal. Meskipun NE555 sendiri memiliki arus 200 mA yang baik untuk LED, driver terkontrol arus terpisah untuk LED memungkinkan untuk menetapkan arus LED yang diinginkan dengan cara yang tepat dan melalui metode yang lebih andal.

R1 diposisikan untuk memperbaiki arus LED di sekitar 40 miliampere, tetapi karena LED dinyalakan / dimatikan pada tingkat siklus kerja 50% memungkinkan LED bekerja dengan hanya 50% dari nilai sebenarnya yaitu sekitar 20 miliamp.

Arus keluaran dapat dinaikkan atau diturunkan dengan menyesuaikan nilai R1 bilamana dirasa perlu.

Komponen untuk Resistor Pemancar Serat Optik (semua 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kapasitor
C1 = 220µ 10V pilih
C2 = 390pF pelat keramik
C3 = 1u 63V pilih
C4 = 330p pelat keramik
C5 = 4n7 lapisan poliester
C6 = 3n3 lapisan poliester
C7 = 470n lapisan poliester
Semikonduktor
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = lihat teks
Miscellaneous
Soket jack SK1 3,5 mm
Papan sirkuit, casing, baterai, dll

Sirkuit Penerima Serat Optik

Diagram rangkaian penerima serat optik primer dapat dilihat pada bagian atas diagram di bawah ini, rangkaian filter keluaran digambar tepat di bawah rangkaian penerima. Keluaran penerima dapat dilihat bergabung dengan masukan filter melalui garis abu-abu.

D1 membentuk dioda detektor , dan bekerja dalam pengaturan bias balik di mana resistansi kebocorannya membantu menciptakan sejenis resistor bergantung cahaya atau efek LDR.

R1 bekerja seperti resistor beban, dan C2 membuat hubungan antara tahap detektor dan masukan penguat masukan. Ini membentuk jaringan yang terhubung secara kapasitif dua tahap di mana dua tahap berfungsi bersama di emitor umum mode.

Hal ini memungkinkan penguatan tegangan keseluruhan yang superior lebih dari 80 dB. mengingat bahwa sinyal input yang cukup kuat disuplai, ini menawarkan osilasi tegangan output yang cukup tinggi pada pin kolektor Tr2 untuk mendorong multivibrator monostabil .

Yang terakhir adalah tipe CMOS standar yang dibangun menggunakan sepasang gerbang NOR 2-input (IC1a dan IC1b) dengan C4 dan R7 berfungsi seperti elemen waktu. Beberapa gerbang lainnya dari IC1 tidak digunakan, meskipun masukan mereka dapat terlihat terhubung ke bumi dalam upaya untuk menghentikan perpindahan palsu dari gerbang ini karena pengambilan yang menyimpang.

Mengacu pada tahap filter yang dibangun di sekitar IC2a ​​/ b, ini pada dasarnya adalah sistem filter urutan 2/3 (18 dB per oktaf) dengan spesifikasi yang biasa digunakan di sirkuit pemancar . Ini digabungkan secara seri untuk membentuk total 6 kutub dan laju atenuasi umum 36 dB per oktaf.

Ini menawarkan sekitar 100 dB pelemahan sinyal pembawa dalam rentang frekuensi minimumnya, dan sinyal keluaran dengan tingkat sinyal pembawa yang relatif rendah. Sirkuit Fiber Optic dapat menangani tegangan input setinggi kira-kira 1 volt RMS tanpa distorsi kritis, dan membantu bekerja dengan penguatan tegangan kurang dari satu untuk sistem.

Komponen untuk Penerima dan Filter Serat Optik

Resistor (semua 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 sampai R15 10k (6 mati)
Kapasitor
C1 = 100µ10V elektrolitik
C2 = 2n2 poliester
C3 = 2n2 poliester
C4 = 390p keramik
C5 = 1µ 63V elektrolitik
C6 = 3n3 poliester
C7 = 4n7 poliester
C8 = 330pF keramik
C9 = 3n3 poliester
C10 = 4n7 poliester

Semikonduktor
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 mati)
D1 = Lihat teks
Miscellaneous
SK1 = konektor D 25 arah
Kasus, papan sirkuit, kabel, dll.




Sepasang: Sirkuit Dioda Zener, Karakteristik, Perhitungan Berikutnya: Penjelasan Elektronika Dasar