Dispositivos de opto electrónica se puede utilizar de maneras muy interesantes, como la fijación automática del enfoque de cámaras de televisión y cámaras fotográficas. En este artículo, nos centramos en un dispositivo que mide la distancia a un objeto enfocado. Los componentes utilizados son específicos, por lo que se recomienda al lector comprobar su disponibilidad antes de intentar el montaje. Por lo tanto, este artículo tiene más fines educativos que prácticos.
J. Martin
Nota: Artículo publicado en la revista Eléctron en la década de 1970. J. Martin fue un seudónimo utilizado por Newton C. Braga cuando escribió algunos artículos para esa publicación.
El dispositivo descrito en este artículo fue desarrollado originalmente por Texas Instruments para cámaras de filmación. Combinado con un sistema de control, permite configurar la distancia focal precisa para la filmación. Por supuesto, basándose en el mismo principio, el circuito puede utilizarse en innumerables otras aplicaciones prácticas, como un interruptor de proximidad ultrasensible en un sistema de alarma. Otra aplicación interesante es en la detección de nivel en tanques y silos, cuando el sensoramiento se puede realizar sin contacto del material con los elementos.
Medición de Fase
El principio de funcionamiento de este sistema consiste en medir la fase de la luz capturada. El aparato de corto alcance descrito presenta un esquema de bloques mostrado en la figura 1, a partir del cual podemos analizar su funcionamiento. El sistema en cuestión permite medir distancias entre objetos fijos y móviles en una banda de 1 a 15 metros. Analicemos su funcionamiento:
El transmisor transmite radiación infrarroja modulada, enfocada ópticamente sobre el objeto cuya distancia se mide. La radiación se modula mediante un oscilador preciso controlado por cristal a una frecuencia de 4,433 MHz (esta frecuencia se eligió debido a la disponibilidad de cristales económicos a dicha frecuencia).
Teniendo en cuenta que el cambio de fase se traslada a la conversión de frecuencia, esto corresponde a una diferencia en el tiempo de propagación de la señal de alta frecuencia de:
Según la ecuación (1), este tiempo corresponde a una distancia de:
Podemos ver que esto representa una excelente precisión en la medición de distancias.
En la figura 2 tenemos el esquema de bloques del aparato sugerido.
Se utilizan dos receptores infrarrojos con características idénticas. Cada receptor cuenta con un fotodetector de entrada. La radiación infrarroja del transmisor se dirige mediante un sistema de lentes ópticas al objeto cuya distancia se desea medir. En su línea de visión, se encuentra el sensor que recibe la radiación reflejada. Un sistema de lentes estrecha el campo de recepción de esta radiación reflejada.
Al mismo tiempo, una pequeña porción de la radiación emitida se transmite al fotosensor del segundo receptor. Para ello, se utiliza un pequeño espejo. Este método, con dos receptores para radiación infrarroja, elimina los efectos de los desfases en las etapas del transmisor, ya que las rutas de señal hacia los receptores 1 y 2 pasan por etapas idénticas y, por lo tanto, presentan el mismo desfase.
La fotocorriente de la señal obtenida del fotodiodo y la corriente original del oscilador de latido llegan juntas al filtro paso de bandas pasando juntas a las etapas de amplificación y mezcla, donde se produce la diferencia de frecuencia. Dado que las dos frecuencias son apenas ligeramente diferentes entre sí, los efectos del cambio de fase en las dos señales son casi iguales, por lo que la señal de baja frecuencia resultante no tiene ningún error notable en su fase.
Dado que los amplificadores de baja frecuencia también tienen una construcción similar, los cambios de fase residuales que pueden ocurrir en los filtros RC de paso de bandas y en el amplificador de baja frecuencia se cancelan entre sí. El último elemento del aparato es el circuito discriminador. Este funciona como un puerto OU-exclusiva (Exclusive or) con la siguiente tabla de verdad:
Como podemos ver en la tabla, una señal de nivel H aparece cuando hay una diferencia entre las señales 1 y 2.
En la figura 3, mostramos que si las señales 1 y 2, convertidas en rectángulos por el limitador, tienen fases diferentes, existen puntos donde los niveles difieren, lo que resulta en una salida. También observamos que la anchura de la señal de salida tiene una duración igual al desfase entre las señales 1 y 2. Tanto los flancos positivos como los negativos de las señales se utilizan para formar la señal de salida.
Por este motivo, el desplazamiento de fase máximo que se puede detectar está limitado a 180 grados.
Un instrumento de bobina móvil correctamente calibrado puede indicar la distancia directamente en metros. Al integrar un circuito RC, se puede obtener una tensión analógica correspondiente a la distancia. Para fines de control, esta tensión puede accionar directamente el circuito actuador de un servomotor.
Circuito Práctico
Obviamente, este es un circuito didáctico, ya que los elementos ópticos y la utilización de componentes no disponibles en nuestro mercado dificultan su creación por parte de aficionados. La figura 4 muestra el circuito del transmisor con todos los valores del proyecto.
El oscilador estabilizado por cristal acciona una etapa de modulación T16 a través del seguidor de emisor T15. El circuito sintonizado en paralelo en el terminal de colector de T16 está sintonizado a la frecuencia del oscilador de 4,433 MHz. El punto de operación de la etapa de modulación se configura mediante el potenciómetro R5. El emisor de GaAs está conectado en serie con la bobina L1. Por lo tanto, la corriente de modulación es mayor que la corriente de colector del transistor debido al factor O del circuito sintonizado.
Dado que los emisores tienen una tensión de ruptura bajo, el TIXL12 está protegido contra potenciales negativos mediante un diodo de utilización general 1N914 en oposición. El diodo emisor puede funcionar con o sin corriente de polarización, según las preferencias del lector.
El acoplamiento directo e indirecto entre el transmisor y el receptor se evita mediante diversas medidas. Una de ellas es el apantallamiento electromagnético. El receptor principal, el receptor de referencia y el oscilador auxiliar deben estar apantallados individualmente.
Las líneas eléctricas están equipadas con filtros inductivos para evitar que las señales de radiofrecuencia pasen de una etapa a otra. Por lo general, todos los hilos son cortos y algunos están blindados. La figura 5 muestra los circuitos completos de los receptores principales y de referencia. La diferencia entre ambos receptores radica en que el principal contiene un fotodiodo de avalancha de silicio más sensible, mientras que el de referencia tiene un fotodiodo con baja corriente de oscuridad y una alta frecuencia de limitación. La tensión inversa de aproximadamente 165 a 170 V aplicada al diodo de avalancha como sensor debe configurarse para obtener la relación señal/ruido más favorable.
La tensión inversa se establece con una precisión del 0,1 %. La impedancia de carga del fotodiodo, en cada caso, es un circuito sintonizado en paralelo, sintonizado a la frecuencia de modulación. La etapa de entrada y el amplificador de alta frecuencia posterior constan en FETs en la configuración del seguidor del emisor.
Esto resulta en una atenuación mínima en el circuito sintonizado. El punto de operación del FET está determinado por la tensión de control, en función de la señal recibida. Para lograrlo, los semiciclos positivos de la señal de baja frecuencia se amplifican mediante T8. La tensión de control se obtiene de la señal de salida de T8 mediante un rectificador. La constante de tiempo del filtro de control de tensión está proyectada para que las grandes variaciones en el nivel de recepción, que se producen en rápida sucesión, sean bien compensadas por la tensión de control.
Se utiliza un LED de arseniuro de galio (GaAs) como fuente de radiación infrarroja modulada.
En el receptor de radiación infrarroja, que forma parte de un sistema fijo que también contiene la fuente de radiación, se encuentra el sensor. Desde este sensor, la radiación se demodula primero para capturar su componente de baja frecuencia. El detector utilizado, dada la alta frecuencia de operación, es un diodo de silicio rápido.
El sistema cuenta con un segundo sensor que recibe la misma radiación emitida. Por lo tanto, tenemos dos receptores que operan con la misma señal, pero recorren distancias diferentes. Como la señal infrarroja que incide en el objeto distante tiene que recorrer una distancia mayor, se produce un desplazamiento de su fase con relación a la señal que permanece en una incidencia fija en el receptor local.
Observamos que la diferencia de fase se produce en relación a la modulación, ya que la longitud de onda de la radiación en sf es demasiado pequeña para ser detectada. Considerando la velocidad de la luz, a partir del tiempo que medimos entre dos picos de señal de modulación desfasados capturados por sensores diferentes, podemos determinar fácilmente la distancia del objeto. La fórmula será:
Dónde: t es tiempo en segundos entre los dos picos de la señal desfasada.
r es la distancia en metros
c es la velocidad de la luz en metros por segundo (300.000.000 m/s)
Obsérvese la presencia del factor 2, que se debe al hecho de que la señal infrarroja tiene que ir y volver hacia el objeto objetivo, con un recorrido igual al doble de la distancia.
Para el cambio de fase tenemos:
De las fórmulas (1) y (2) tenemos:
Para una frecuencia de 4,433 MHz y una distancia de 10 metros, el desfase obtenido es:
En el circuito analizado, es posible realizar mediciones de fase en ángulos de hasta aproximadamente 180 grados. A una frecuencia de 4,433 MHz, esto supone una distancia máxima de aproximadamente 16,9 metros.
Es importante destacar que, dado que se mide el desfase, los resultados son completamente independientes de la amplitud de las señales recibidas por el fotodetector. Asimismo, se requiere una buena estabilidad operativa para que la medición sea posible.
Con este método, también empleado en otros medidores de fase, se superpone una frecuencia auxiliar de un segundo oscilador para transponer la señal recibida a una frecuencia más baja sin perder el desfase original. Por razones de estabilidad, este oscilador de pulso también está controlado por cristal. Su frecuencia es 80 Hz superior a la del transmisor. En la etapa de mezcla, se obtiene una señal de pulso de 80 Hz. Tras la etapa de mezcla se encuentra un amplificador de baja frecuencia con componentes comunes. Para evitar la presencia de señales interferentes, la amplitud de la señal se limita en etapas de limitación posteriores. Esto es posible porque la información deseada, el desfase, no reside en la amplitud de las señales, sino en los instantes en que las tensiones que representan cruzan el cero. Se pueden utilizar circuitos transistorizados simples.
Además, la conversión de frecuencia de 4,433 MHz a 80 Hz proporciona un aumento significativo de la precisión. Se puede detectar una diferencia de fase de tan solo 1/4 de grado a 80 Hz, lo que se traduce en una distancia de:
El transistor T4 de la etapa de mezcla es del tipo de bajo ruido BC384. El amplificador de baja frecuencia contiene un filtro de paso de banda sintonizado a 80 Hz. En la figura 6 tenemos el oscilador auxiliar.
El ángulo de fase se puede controlar mediante potenciómetros de 100 ohms. Finalmente, en la figura 7, se muestra la etapa de evaluación.
Las señales de bajas frecuencias del receptor principal y del receptor de referencia se convierten en dos pulsos rectangulares simétricos en los limitadores. La tensión de funcionamiento se estabiliza a 3 V. Los amplificadores limitadores son compatibles con TTL, lo que permite su conexión a puertos OR exclusive para comparación de fase. La distancia medida se indica mediante un instrumento de bobina móvil.
Referencia:
Optoelectronics Theory and Practice —Texas Instruments Ltd. — 1976 – prog. 08/07/2025
