Transductor Optico

Universidad Privada de Tacna VERITAS ET VITA

Tema

:

Alumnos

:

José Luís Huamaní Román Guillermo Espejo Galindo

Asignatura

:

Comunicaciones Opticas

Docente

:

Ing. Luis Valer

Fecha

:

24-10-07

Facultad

:

Ingeniería

Escuela profesional

:

Electrónica

TRANSDUCTOR OPTICO GUIA PLANAR

Tacna - Perú

Transductor Óptico Fototransmisor El circuito fototransmisor esta construido a partir de un diodo láser (DL) y un transistor polarizado en la región lineal. El DL se coloca en el colector del transistor, por tanto, al circular una corriente constante por el DL emite una potencia luminosa constante. Si se inyecta al transistor la señal multicanalizada, entonces, hace variar la corriente de colector. La potencia luminosa emitida por el DL será proporcional a la señal multicanalizada. Se caracteriza el DL para determinar el valor adecuado de la corriente de colector y del punto de operación del DL. Caracterización del diodo láser El diodo utilizado es el modelo FLD3C5LK de la compañía FUJITSU. Los parámetros proporcionados por el fabricante se muestran en la tabla 1.

Transductor Óptico ZOT-2000 Este transductor incremental ha sido diseñado específicamente para cumplir los estrictos requerimientos de la industria eléctrica. De una construcción robusta, el modelo ZOT-2000 tiene tal nivel de protección (IP64 según IEC60529) que puede operar eficientemente en varias clases de entornos ruidosos, húmedos o grasosos.

Principales Ventajas - Gracias a su reducido tamaño, el transductor cabe en lugares muy angostos donde es importante el espacio.

- Eléctricamente, este transductor ofrece un elevado grado de precisión con una resolución de 2000 impulsos por revolución. - Su confiabilidad, su calidad de construcción y de protección, su precisión y sus velocidades, hacen de este transductor un componente ideal para todos sus sistemas de medición y de posicionamiento. Características Técnicas - Voltaje de entrada: de 5 hasta 24 VDC. - Resolución : 2000 pulsos/revolución - Salida : 3 vías A, B y Z (reversible). Desfasado por 90°. - Frecuencia máxima : 25 kHz. - Temperatura de operación : -10°C hasta 70°C. - Tamaño : L = 60 mm, diámetro = 50 mm. - Diámetro del eje : 6 mm. Transductores de intensidad basados en el efecto Hall Tradicionalmente, la medición de intensidades en el sector de la extracción electrolítica se ha basado en el efecto Hall. Un transductor de corriente continua de efecto Hall y alto rendimiento con anulación del flujo magnético posee un núcleo magnético que rodea una barra colectora de transporte de corriente. Para detectar el campo magnético se utilizan varios elementos semiconductores Hall, situados en espacios previstos a lo largo del núcleo. Las señales de los elementos Hall alimentan amplificadores de intensidad de alta ganancia, cuyas salidas atraviesan bobinas que rodean el núcleo magnético. Estas bobinas generan un campo magnético que compensa el campo de la intensidad primaria. La suma de las intensidades secundarias es proporcional a la intensidad primaria. Este tipo de transductor, aunque muy preciso, es sumamente complejo y puede pesar hasta 2.000 kg. Además requiere refinados procedimientos de ajuste para evitar los errores causados por los campos asimétricos y por las interferencias de las barras colectoras próximas. Para solucionar estos y otros problemas, ABB desarrolló su nuevo sensor de intensidad de fibra óptica (FOCS).

Sensor de intensidad de fibra óptica (FOCS) El nuevo sensor de intensidad de fibra óptica (FOCS) desarrollado por ABB para altas corrientes continuas es un producto derivado de un sensor desarrollado en su momento para subestaciones de Alta Tensión. En la industria de la electroextracción metálica, las dimensiones laterales de las barras colectoras de transporte de intensidad son mucho mayores que las utilizadas en dichas subestaciones, lo que provoca algunas dificultades para el diseño de una cabeza sensora apropiada. El sensor utiliza el efecto Faraday. Entre los componentes del núcleo, según se muestra en , están un módulo optoelectrónico y una fibra óptica sensora de terminación sencilla que rodea al conductor de corriente [1]. El módulo optoelectrónico comprende una fuente luminosa semiconductora, un circuito de detección y un procesador de señal digital. Dos ondas luminosas, con polarización lineal ortogonal, viajan desde la fuente de luz, por una fibra de interconexión, hasta la fibra sensora. Un retardador de fase de fibra óptica convierte las ondas lineales en ondas luminosas polarizadas circularmente, a izquierda y derecha, en la entrada de la fibra sensora. En el campo magnético existente, estas ondas luminosas se desplazan a distintas velocidades por la fibra sensora, lo que a su vez crea una diferencia de recorrido óptico o, equivalentemente, una diferencia de fase óptica, Df. Las ondas se reflejan en el extremo de la fibra y luego retroceden en su recorrido óptico de vuelta hacia el módulo optoelectrónico. Las dos ondas luminosas de retorno se hacen interferir luego en el circuito de detección. El procesador de señales convierte su diferencia de fase óptica en una señal digital. La diferencia de fase total del recorrido de ida y vuelta es proporcional a la integral lineal del campo magnético a lo largo del camino cerrado descrito por la fibra sensora y es, por consiguiente, una medida directa de la intensidad. La señal es independiente de la distribución particular del campo magnético, siempre que el número de bucles de la fibra sensora sea un valor entero. (Con las altas intensidades de la industria de la electroextracción es suficiente un solo bucle de fibra). Tampoco existe sensibilidad cruzada con corrientes externas a la bobina de fibra. Ni el diámetro ni la forma de los bucles de fibra tienen influencia alguna. La diferencia de duración entre la ida y la vuelta de las dos ondas luminosas circulares varía entre 10–21 y 10–15 segundos, dependiendo de la intensidad. La medición

directa no es factible y, por consiguiente, se mide con gran precisión la diferencia de recorrido o de fase, que corresponde a una fracción de la longitud de onda óptica (820 nm). Para ello se hacen interferir las ondas, es decir, se superponen entre sí. Dependiendo de su retardo relativo, las ondas se interfieren constructiva o destructivamente. La mínima diferencia mensurable de recorrido es 100 veces menor que el diámetro de un átomo de hidrógeno y corresponde a una intensidad de 0,25 A (para un bucle de fibra y un tiempo de medición de un segundo). Actualmente, la máxima intensidad mensurable, correspondiente a una diferencia de recorrido de una longitud de onda completa, es ±600 kA (±500 kA + 20% de sobreintensidad). Una de las ventajas del funcionamiento de la bobina sensora en modo de reflexión es que la salida del sensor se hace inmune a los choques mecánicos y a las vibraciones. En modo de reflexión, los estados de polarización de las ondas luminosas se intercambian en el extremo de la bobina. En consecuencia, los desplazamientos recíprocos de fase inducidos por vibración se anulan entre sí y los desplazamientos de fase magnetoópticos no recíprocos se duplican durante el viaje de ida y vuelta.

FOCS versus efecto Hall En comparación con un transductor de intensidad continua de efecto Hall, el sensor FOCS de ABB no sólo es superior en términos de rendimiento y funcionalidad, sino también más pequeño y ligero. Además, la instalación y puesta en servicio es muy sencilla. En particular, las distribuciones complejas de campos magnéticos o fuertes corrientes cercanas no afectan al sensor, lo que significa más flexibilidad a la hora de elegir la posición del mismo. De hecho, este tipo de sensor es idóneo para satisfacer las necesidades del cliente para un producto: • • • • • •

Que es instalado y puesto en servicio en cuestión de horas, y no días. Con una drástica reducción en complejidad. Que no resulta afectado por distribuciones complejas de campos magnéticos ni por interferencias de las barras colectoras cercanas. Cuya precisión es hasta 10 veces mayor. Cuya precisión especificada se mantiene en un amplio rango de temperaturas. Que proporciona superior estabilidad a largo plazo.

• • • •

Con un gran ancho de banda para permitir una rápida respuesta a rizados de corriente y transitorios. Con capacidad para manejar intensidades unidireccionales y bidireccionales de hasta ±500 ka (±20 % de Sobreintensidad). Con un consumo de potencia insignificante.

Guia Planar Guía Planar Simétrica 1. Introducción La estructura de una Guía Planar Simétrica real es la que se muestra en la figura siguiente:

Pero para que el análisis matemático de la misma se pueda simplificar, la estructura de la Guía Planar Simétrica se reduce al modelo ideal que se muestra a continuación:

Se debe cumplir que n1 > n2. La propagación de la señal se realiza a lo largo del Eje Z. Debido a la simplificación realizada, existe invarianza en la dirección del Eje Y.

2. Condición de Modos Guiados Partiendo de las Ecuaciones de Maxwell, y teniendo en cuenta la invarianza en el Eje Y, se llega a la Condición de Modos Guiados de una Guía Planar Simétrica, y es la siguiente:

Esta condición determina los valores de ß que permiten la existencia de Modos Guiados en la Guía Planar, tal y como se explica en la figura siguiente:

Siendo k el Módulo del Vector de Onda:

3. Soluciones del Campo Eléctrico Transversal Operando teniendo en cuenta lo anterior, se llega a las soluciones de los Modos. En primer lugar vemos las Soluciones TE, correspondientes al Campo Eléctrico Transversal a la dirección de propagación: Para los Modos TE Pares:

En este caso, la condición que se tiene que cumplir es que:

Para los Modos TE Impares queda lo siguiente:

La condición que se tiene que cumplir es que:

Por tanto, la Condición de Modos TE es:

4. Soluciones del Campo Magnético Transversal A continuación vamos a ver cómo quedan las Soluciones TM, correspondientes al Campo Magnético Transversal a la dirección de propagación: Para los Modos TM Pares:

La condición que tienen que cumplir es:

Para los Modos TM Impares queda lo siguiente:

En este caso, la condición a cumplir es:

Por tanto, la Condición de Modos TM resulta ser:

5. Condiciones de Propagación A continuación vamos a analizar el comportamiento de las condiciones de propagación de los Modos TE y TM en una Guía Planar Simétrica. Como ya hemos visto, para un Modo TE se debe verificar la ecuación:

Y para un Modo TM, la condición de propagación es:

Para cada valor de m y para una guía y una longitud de onda dadas, hay un único valor de q1, y en consecuencia un único valor de ß, para cada uno de los modos TE y TM. Este valor de q1 se puede obtener al resolver gráficamente las ecuaciones anteriores. La solución de q1 para cada modo se obtiene del corte de las gráficas correspondientes.

Guía Planar Asimétrica 1. Introducción La estructura de esta guía es la que se muestra en la figura siguiente:

Evidentemente se tiene que cumplir que el índice de refracción n2 sea distinto al índice n3, pues si son iguales la guía es en realidad simétrica. Además, se tiene que verificar que n2 > n3. Según la figura, la propagación se produce a lo largo del Eje Z. Al igual que en el caso de la Guía Simétrica, se ha simplificado la estructura de la guía para poder simplificar los cálculos matemáticos necesarios en la obtención de los campos propagativos. Por tanto, hay invarianza en la dirección del Eje Y. Para obtener las ecuaciones de los campos hay que partir de las Ecuaciones de Maxwell y, teniendo en cuenta las simplificaciones de los cálculos por la invarianza en el Eje Y, buscar soluciones que cumplan que el campo eléctrico o el magnético sean perpendiculares a la dirección de propagación. De este modo se llegan a los campos que se detallan a continuación. 2. Soluciones del Campo Eléctrico Transversal Cuando se buscan soluciones que cumplen que el campo eléctrico es transversal a la dirección de propagación, se obtienen las denominadas Soluciones TE (Soluciones de Campo Eléctrico Transversal). Para el interior de la guía, , se obtienen los resultados siguientes:

Hay que tener en cuenta que los coeficientes C1 y C2 está relacionados según la expresión siguiente:

Finalmente, se obtiene que la Condición de Modos TE es:

3. Soluciones del Campo Magnético Transversal De modo similar, cuando se buscan soluciones que cumplen que el campo magnético es transversal a la dirección de propagación, se obtienen las denominadas Soluciones TM (Soluciones de Campo Magnético Transversal). Para el interior de la guía, , se obtienen los resultados siguientes:

En este caso, la relación entre los coeficientes D1y D2 es:

Y la Condición de Modos TM es:

4. Condiciones de Propagación A continuación vamos a analizar el comportamiento de las condiciones de los modos propagativos TE y TM en una Guía Planar Asimétrica. Como ya hemos visto, para un Modo TE se debe verificar la ecuación:

Y para un Modo TM, la condición de propagación es:

El valor de q1, que determina la ß del modo que se propaga, se puede obtener al resolver gráficamente las ecuaciones anteriores. La solución de q1 para cada modo se obtiene del corte de las gráficas correspondientes.