Fibras Ópticas Modulação de um díodo emissor de luz (LED)

FEUP/DEEC:2002/03
4º LEEC/TEC: Comunicações Ópticas- EEC4273
Fibras Ópticas
Modulação de um díodo emissor de luz (LED)
Equipamento:
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Fonte de alimentação
Gerador de sinal
Osciloscópio
Multímetro digital de bancada
LED SFH750V
2N3904 NPN Transístor
2N2222A NPN Transístor
Multímetro óptico
Resistências: 5 Ω; 15 Ω; 100 Ω; 330 Ω; 470 Ω; 560 Ω; 1 k Ω; 3.3 k Ω; 6.8 k Ω
Potenciómetro: 1 k Ω
Condensadores: 0. 1 µF; 47 µF
Objectivos:
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Descrever vários métodos de modulação de LEDs
Sugerir aplicações para os princípios envolvidos nos circuitos
Testar e analisar circuitos de modulação de LEDs
Ler e compreender folhas de características de LEDs
IMPORTANTE
Tenha cuidado no manuscamento do LED ("Light Emitting Diode"): nunca
aplique as pontas de prova do osciloscópio aos seus terminais.
Modulação de um LED
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4º LEEC/TEC: Comunicações Ópticas- EEC4273
Introdução:
Nesta experiência as características de LEDs são estudadas, e circuitos de modulação são
analisados no laboratório.
Os LEDs ("Light Emitting Diodes") são dispositivos bem conhecidos de toda a gente. As suas
aplicações vão desde calculadoras, jogos, relógios, passando por painéis luminosos e
mostradores. Em muitas aplicações os LEDs substituíram as lampâdas de tungsténio com
significativas vantagens: são brilhantes, de várias cores, compactos, de baixo consumo e
económicos.
Alguns LEDs são projectados para utilização em sistemas de comunicações de dados, sejam
analógicos sejam digitais. Estes díodos electroluminiscentes apresentam características
importantes: potência emitida; comprimento de onda de operação; velocidade; padrão de
radiação emitida; corrente directa IF; tensão de funcionamento.
Modulação ac
A corrente dc directa (IF) que flui através de um LED serve como portadora da informação,
Tal como na modulação em amplitude de sinais hertzianos.
Figura 1 – Acoplamento ac de um LED, no qual flui corrente directa dc.
A figura 1 esquematiza um circuito básico para acoplamento de um sinal ac ao circuito de
modulação do díodo emissor de luz. A resistência e a fonte de alimentação estabelecem a
corrente directa do LED; tipicamente esta corrente varia de 10 a 60 mA. A queda de tensão de
um LED é aproximadamente de 1.2 a 1.6 V. Assim, assumindo-se que IF= 30 mA, a resistência
estática do díodo é
RDC =
Vo
1.6
= 53Ω
=
IF
0.03
Assuma-se uma variação de corrente de 2 mA, devido ao sinal de modulação; tal
corresponderá a uma variação na corrente de 6.6%.
O valor do condensador depende da frequência do sinal ac e da corrente do díodo:
Modulação de um LED
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τ = RC ⇒ f =
1
1
1
=
⇒C=
τ
RC
fR
Para uma frequência de 40 Hz, o valor mínimo de C é 470 µF. A tensão de pico ac
requerido para provocar a variação de corrente de 2mA é determinada empiricamente por:
1.
2.
3.
4.
Ver, no osciloscópio, a tensão aos terminais do LED;
Aumentar a modulação ac até que se verifique distorção; operar então abaixo deste ponto;
Tomar metade da tensão pico-a-pico e somá-la à tensão dc do díodo;
Determinar a corrente do LED usando a queda de tensão na resistência - o valor do
aumento da corrente é uma percentagem da corrente inicial.
A figura 2 mostra como a introdução de um transístor no circuito de modulação melhora o
desempenho deste. O LED é a carga do andar de saída do transístor; as resistências P e R1
determinam a polarização da base do transístor e da sua corrente de colector Ic (dado que IC=IF,
P pode ser usada para estabelecer a corrente do LED); R2 limita a corrente do díodo; R3 é a
resistência de carga da base do transístor.
Figura 2 – Circuito de modulação do LED com transístor amplificador.
O circuito esquematizado na figura 3 apresenta a possibilidade de modulação ac bem como de
variação da corrente do díodo. Tem, por isso, numerosas aplicações em modulação de
portadora e transmissão de impulsos.
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Q1 – 2N3904
Q2 – 2N2222A
Figura 3 - Circuito de modulação do LED com capacidade de modulação ac e variação da corrente directa.
O transístor
Q2 estabelece o nível da corrente no LED. O transístor Ql actua como amplificador,
e por variação da polarização da sua base consegue-se variar o seu colector, que por sua vez
controla a base de Q2: quanto mais o centro do potenciómetro se aproxima da terra, maior será
a corrente do LED. Para uma tensão de +0.9 V na base de Ql, a corrente do LED é de ≈ 40 mA;
a 1.30 V, a corrente é ≈ nula. Assim, para uma fonte de alimentação de 10 V, a gama de
variação da base é de 0.89 a 1.32 V.
O sinal ac de modulação pode ser injectado quer na base de Q1 ou de Q2, através de um
condensador de acoplamento. O circuito aceita ondas sinusoidais, quadradas ou impulsos.
O circuito de modulação esquematizado pode ser precedido por um bloco de amplificação
áudio ou um circuito de impulsos de RF.
Procedimento experimental:
i.
Monte o circuito da figura 1. Utilize uma tensão de 10 V para a fonte de alimentação. A
partir do valor da queda de tensão na resistência determine a corrente IF.
ii. Qual é a queda de tensão do díodo?
iii. Ligue no terminal de entrada (condensador de 47 µF) um sinal de 1 kHz. Veja no
osciloscópio a tensão aos terminais do LED. Ajuste o nível do sinal de entrada de modo
que o sinal de saída não esteja distorcido. Encontre a tensão pico-a-pico à saída VOpp.
Some metade deste valor à tensão do díodo. Qual é tensão de pico no LED?
iv. Subtraia a tensão de pico assim encontrada aos 10 V da fonte de alimentação, de modo a
obter a queda de tensão na resistência VR.
v. Determine a resistência estática do LED (sem modulação).
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Modulação ac
i.
Monte o circuito da figura 3. Coloque o multímetro digital de bancada nos terminais da
resistência de 15 Ω (PT4); ajuste o controlo dc (potenciómetro de 1 kΩ) de modo que o
multímetro leia 0.2 V. Qual é a corrente através do LED? Meça a tensão aos terminais do
LED, VREF.
ii. Ajuste o gerador de sinal para um sinal de frequência de 500 Hz. Injecte o sinal no
condensador de entrada. Veja no osciloscópio a forma de onda no ponto de teste PT3.
Aumente o nível do sinal de entrada até que comece a haver distorção da forma de onda.
Registe a tensão de pico no díodo, VLED, e também na resistência de 15 Ω.
iii. O incremento da corrente devido ao sinal de modulação é Imod - IF. Quais os valores para
Imod e IF?
iv. Determinar se é necessário um maior sinal na entrada quando a corrente IF é aumentada.
Ajuste IF para 20 mA, e determine novamente qual a queda de tensão aos terminais do
LED. É necessário um aumento do sinal na entrada?
v. Pelo facto do LED ser modulado por um sinal ac será que a sua potência óptica também
aumenta?
Referências:
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Tischler,M.,"Optoelectronics-a text-lab manual",McGraw-Hill(1987);
Senior, J., "Optical Fiber Communications", 2nd edition, Prentice-Hall (1992).
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