Transmissor de áudio por diodo laser

Nesse artigo temos o projeto, a simulação e a construção de um transmissor e receptor de áudio por diodo laser de baixa potência através de um modulador por largura de pulso PWM e demodulação feita por phase locked loop (PLL). O sistema pode ser usado para a transmissão de áudio por fibra óptica ou para apresentações de aulas de física ou em trabalhos de eletrônica. 

Figura 1 - Circuito final do transmissor de áudio por diodo laser

Introdução

Modulação e Demodulação  por Largura de Pulso

             A modulação PWM é feita através da duração de pulsos retangulares que podem representar uma amostra de um sinal analógico como ilustrado na figura 2. Essa modulação tem vantagem de ser imune a ruídos. A demodulação do sinal PWM  é feita por um filtro passa baixa que fornecera o valor médio de cada pulso no intervalo da amostragem, entretanto podemos ter a distorções do sinal devido as componentes harmônicas que não são retiradas por uma filtragem mais simples. 
             A modulação é gerada por uma comparação entre um sinal de baixa frequência (senoide na figura 2, ou um sinal de áudio) e uma portadora de alta frequência (onda triangular na figura 2).  

Figura 2 - Modulação  por Largura de pulso

Elos Travados em Fase (phase locked loop)

O PLL é um dispositivo usado como divisor  de frequência e pode atua como sintetizador de frequência para geração de portadores e sinais de sincronismo .Em suma o PLL é :

• DETETOR DE FASE: Fornece uma tensão de saída cuja componente continua é proporcional a diferença de fase entre os sinais.
• O FILTRO PASSA BAIXA: Função de eliminar a componente de alta frequência na saída do detector de fase ,e extrair a componente continua que serve de tensão de controle

O PLL gera uma réplica limpa e quase sem ruído de um sinal misturado com ruído, interferências, com tremor de fase e cortes de curta duração .O PLL permite reconstruir sinais  deteriorados pelo ruído ou, separar 1 determinado sinal em meio a outros.

O Circuito do Transmissor e Receptor de Áudio

O circuito é descrito por uma unidade de transmissão e unidade de recepção descrita na figura a baixo por diagrama de bloco, figura 3. 

Figura 3 - Diagrama de bloco do sistema.

Pré-amplificador

No transmissor temos o pré-amplificador do sinal de áudio antes de realizar a modulação por PWM. A saída do sinal modulado é enviada para um “drive” de corrente que controla o diodo laser. A modulação PWM é gerada pelo circuito integrado 555, na figura 4 temos o circuito  pré-amplificador.

Figura 4 - Pré-amplificador do transmissor

Pelo modelo  aproximado teremos os seguintes parâmetros:

Impedância de entrada  : Ze= re/[(1/B)+(Re+Rc)/Rf]       Eq.1

Impedância de saída     : Zo=Rc*Rf/(Rc+Rf)                   Eq.2

Ganho de Tensão         : Av=-Rc/Re                               Eq.3

Modulação por Largura de Pulso - PWM

A etapa de modulação é realizada pelo circuito ilustrado pela figura 5, A função triangular necessária para a comparação do sinal analógico e geração do PWM é aproximada pela função de carga e descarga do circuito RC. Essa aproximação pode ser feita pois temos a presença dos dois diodos que fazem a comutação dos resistores que altera as constantes de carga e descarga. Os comparadores internos do 555 deixam o set=1 do FF quando a tensão de  carga no capacitor é igual a 2Vcc/3, quando isso ocorre a saída Q  do FF é setada fazendo o transistor que inicialmente está em corte ir para saturação proporcionando a descarga  do capacitor até um valor de Vcc/3, que quando atingido, leva o Set=0, colocando o transistor em corte novamente. Assim o tempo de carga e descarga é dado por Tc=0.7*Rc*C e  Td=0.7*Rd*C esse processo ocorre de forma repetitiva fazendo a saída do pino 3 (Q' do FF) oscilar de estado alto com um tempo definido por Tc e estado baixo com tempo Td.
Note que Rd necessita ser muito maior que Rc para que o tempo de carga seja extremamente rápido em relação ao de descarga para uma boa aproximação da função triangular (portadora da modulação). Na figura 6 temos a função de carga e descarga da tensão no capacitor gerando a onda triangular para comparação. O período do PWM será dado por T=Tc + Td, na modulação o sinal de áudio proveniente do pré-amplificador é injetado no pino 5 do CI fazendo com que a referência do comparadores mudem com a variação do sinal de áudio, portanto teremos uma alteração no nos intervalos Tc e Td no intervalo de T gerando a modulação PWM.

A saída Q' (pino 3 do 555) é levada para um “drive” de acionamento do diodo laser constituído por um transistor trabalhando nas regiões de corte e saturação.

Figura 5 - Circuito interno do circuito integrado 555

Figura 6 - Onda triangular gerada no pino 6 do CI555

             Na figura 7 temos o diagrama completo do circuito de transmissão do sinal de audio por raio lazer. O download do projeto juntamente com o layout de placa poderá ser feito ao final desse artigo.  

Figura 7 - Diagrama completo do circuito transmissor.

Receptor de Áudio

No receptor temos um foto transistor com um pré-amplificador na configuração realimentação do coletor, figura 9, para recepção do sinal e demodulação feita por um detector de tom / PLL  com capacitor no pino 1 funcionado como filtro passa baixa para extrair o sinal modulado. Na figura 5 temos o diagrama de bloco do LM567 usado no receptor.

Figura 8 - Circuito integrado LM567

          Abaixo temos as formulas dada pelo fabricante para o calculo da frequência de tom e a faixa de banda da detecção do tom.

         O sinal modulado é retirado no pino 1 entre o capacitor e o terra funcionado como um filtro passa baixa necessária para demodular o sinal.

O LM567 possui as seguintes aplicações:

• Decodificador de tons
• Controle remoto
• Controle e monitoramento de frequência 
• Transmissor de sinais de áudio sem fio
• Precisador de oscilações.

Figura 9 - Diagrama completo do circuito de receptor

Resultados Experimentais e Simulados

Temos um ganho de 10db no pré-amplificador do transmissor. As Eq.1, 2 e 3 são usadas para uma analise aproximada. Impedância de entrada 2.8KΩ  e impedância de saída 2.19KΩ. A saída tem uma defasagem de 180° em relação a entrada devido a característica da configuração realimentação coletor.

          Na figura 10 temos a simulação do circuito transmissor, os resistores R4 e R5 em serie com P2 (ajuste fino) e P3(ajuste grosso) determinam a frequência máxima e mínima do sinal modulado. A frequência de oscilação será dado por T=Tc + Td , onde Tc=1,05us e Tdmax=16.48us Tdmin=4.94us. Portanto temos a frequência máxima e mínima  da portadora é Fmax=167KHz e Fmin=57KHz.
             

figura 10 - Simulação da Modulação por PWM.

        No Receptor temos o foto-transistor, que recebe o sinal proveniente do laser, ligado à etapa do pré-amplificador com ganho de 13.4Db. A frequência de sintonia do receptor é dada por F=1/(1.1*R*C), onde R pode variar entre 4,7K a 14,7K,  valor de C é fixo em 1,5nF  assim temos uma faixa de frequência que o LM567 pode detectada entre 41KHz a 129KHz.
            Na pratica o sinal demodulado adquirido foi sintonizado em uma frequência de 62.5KHz. O sinal de áudio é retirado no pino 1 (entre o capacitor e o terra, o capacitor funciona como um filtro passa baixa que é necessário para demodular o sinal). Circuitos mais aprimorados de filtragem para diferentes faixas de frequência ( equalizadores) podem melhorar a reprodução do sinal.
             Observem que no circuito receptor não possuem uma etapa de amplificação de áudio de potência, sendo necessário a utilização de uma caixinha de som (recomendo caixas áudio de computador).

Alimentação e Fontes

A alimentação dos circuitos (transmissor e receptor) devem ser independentes. Cada circuito possui um regulador de tensão permitindo utilizar fontes de alimentação entre 9V a 35V, recomendo a utilização de baterias de 9V ou fontes de 12V, pois são facilmente encontrados nos mercados normais. A polaridade da ligação deve ser observada para evitar a queima dos componentes. As formas de ligação para o transmissor e receptor podem ser observada nas Figuras 11 e 12.

Layout das placas

        Em seguida temos para downloads os esquemas elétricos bem como os layout das placas dos circuitos transmissor e receptor.

Figura 11 - Transmissor

Layout do transmissor: Baixar

Figura 12 - receptor

Layout do receptor: Baixar

Componentes para o transmissor:

Resistores

R1-                2.2K

R2-                470R

R3-                680R

R4 e R7-        1K

R5-                4.7K

R6-                 68R

P1 e P2-         10K

Capacitores

C1-                 1,5nF

C2 e C3-         1uF

Diodos

D1 e D2-        1n4148

Transistor

Q1-                 BC548

Circuito integrado

            CI2-                7805

CI1-                555

Componentes para o receptor:

Resistores

R1-                 2.2M

R2-                 1M

R3-                 2.2K

R4 e R5 -       470R

R6-                 4.7K

Capacitores

C1-                 470uF

C2-                 100uF

C3 e C4-         100pF

C5-                 1nF

C6-                 22nF

C7-                 47nF

C8-                 100nF

Diodo

Diodo laser de baixo custo

Transistor

Q1-                 Fototransistor qualquer

Q2-                 BC548

Circuito integrado

CI1-                7805

CI2-                LM567

Diversos: Placa de fenolite cobreada, furador , fio e bateria

Conclusão

  
        A modulação por largura de pulso usando o CI555 e a demodulação com LM567 apresentaram resultados satisfatórios na pratica por serem componentes de baixo custo e comuns no mercado, a técnica de modulação permitiu a implementação de um circuito sem maiores complicações devido a característica do processo de modulação e demodulação do sinal.

          O sinal de áudio extraído pelo receptor possui um pequeno nível de ruído que não foram tratados nesse projeto. Os ruídos poderem ser reduzidos com a troca do Diodo Laser por um de alta qualidade  e/ou adicionando mais etapas de filtragem na saída de áudio. A troca do diodo laser aumentando significativamente o custo final do projeto.

Agradecimento aos Colaboradores

Agradecendo ao meu amigo Daniel Wilson pelo trabalho em grupo na disciplina eletrônica I da universidade federal de viçosa.