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Fontes para LASER semicondutor (ART959)

Os Diodos LASER ou LASERs Semicondutores possuem características elétricas especiais que exigem o uso de fontes especiais para sua alimentação. Veja neste artigo quais são as características destes componentes e como devem ser as fontes que os alimenta. Também daremos algumas sugestões interessantes sobre o modo como feixes de LASER podem ser modulados, quer seja com a ajuda de circuitos eletrônicos quer seja com a ajuda de outros recursos.

Os diodos LASER ou LASERs semicondutores possuem características elétricas semelhantes aos LEDs, com uma curva conforme mostrado na figura 1.

 

Curva característica de um LASER semicondutor.
Curva característica de um LASER semicondutor.

 

 Isso significa que, uma vez que a tensão de polarização direta alcance o valor que o leve à condução a corrente flui praticamente sem limitação alguma.

Tanto no caso dos LEDs como dos LASERs uma corrente excessiva significa a destruição do componente devendo haver elementos no circuito que limitem seu valor a um ponto seguro.

Nos circuitos com LEDs é comum o uso de um simples resistor limitador, mas nas aplicações com LASERs além da corrente mais intensa exigir um resistor de maior dissipação, temos uma perda considerável de energia na forma de calor neste componente.

 

O resistor em série dissipa energia na forma de calor.
O resistor em série dissipa energia na forma de calor.

 

 Assim, nos circuitos de alimentação de LASERs semicondutores o que se faz é utilizar uma fonte de corrente constante que pode ter as mais diversas configurações.

Com uma fonte deste tipo dotada de um ajuste pode-se levar a corrente ao LASER exatamente ao valor indicado pelo fabricante obtendo-se assim o melhor desempenho sem perdas de energia desnecessária na forma de calor e sem o perigo de se colocar em risco a integridade do componente.

Na figura 3 mostramos o modo de se ligar uma fonte deste tipo do LASER semicondutor.

 

Fonte de corrente constante na alimentação de um LASER de estado sólido.
Fonte de corrente constante na alimentação de um LASER de estado sólido.

 

 Como exemplo de aplicação podemos pegar um diodo laser típico como o M/A-COM LCW-10 que opera com uma corrente típica de 115 mA.

O ponto de condução de um diodo LASER é o mesmo de um LED comum em torno de 2 volts e da mesma forma não se pode aplicar neste componente uma tensão inversa maior que este valor sob pena de dano permanente.

Na figura 4 temos uma fonte transistorizada para este tipo de LASER.

 

Fonte transistorizada para LASER semicondutor.
Fonte transistorizada para LASER semicondutor.

 

 A ideia neste circuito é ajustar em P1 a corrente no LASER de tal forma que ele fique no valor indicado. Para esta finalidade utiliza-se um miliamperímetro ligado em série com o circuito.

O conjunto de 4 diodos formam um zener de 2,8 Volts aproximadamente e que serve de referência para a fonte. Considerando a queda de tensão entre a base e o emissor do transistor de potência temos uma saída mínima em torno de 2,2 Volts o que é um pouco maior que o diodo LASER precisa para funcionar. Desta forma, pelo ajuste do potenciômetro levar a corrente no LASER ao valor desejado com boa precisão.

O transistor de potência deverá ser montado num radiador de calor e o transformador tem uma corrente de secundário de pelo menos 200 mA.

Uma característica deste circuito é que ele pode também ser usado para alimentar o LASER com pilhas. 8 pilhas de 1,2 V de Nicad ou alcalinas grandes ligadas em série podem ser usadas neste circuito.

Um outro circuito, que é mais interessante e mais compacto é o mostrado na figura 5.

 

 

Este circuito consiste numa fonte de corrente constante com base num circuito integrado regulador de tensão do tipo LM150T ou equivalente (Lm250T ou Lm350T) que deve ser montado num pequeno radiador de calor.

No trimpot pode-se ajustar exatamente a intensidade da corrente no LASER de modo que ela fique dentro dos padrões exigidos pelo fabricante.

A tensão de entrada deste circuito deve ficar em torno de 2 volts acima da tensão sobre o LASER que é de 2 Volts. Isso significa que este circuito poderá funcionar com 4 pilhas comuns (grandes alcalinas) na alimentação de um LASER semicondutor sem problemas.

 

MODULAÇÃO

Os LASERs semicondutores podem ser modulados por sinais de frequências relativamente elevadas o mesmo não ocorrendo com os LASERs a gás que são muito mais lentos.

Assim, os circuitos de modulação de um LASER semicondutor podem ser elaborados de diversas formas, como por exemplo por derivação, conforme mostra a figura 6.

 

   Neste circuito a corrente no LASER é derivada pelo transistor modulador de modo que a intensidade total no circuito se mantém constante.
Neste circuito a corrente no LASER é derivada pelo transistor modulador de modo que a intensidade total no circuito se mantém constante.

 

Com o uso de transistores suficientemente rápidos que possam operar com a tensão de 2 volts sobre o LASER é possível modular um sinal com frequências relativamente elevadas.

No entanto, existem modos mecânicos e mesmo ópticos de se fazer a modulação do sinal sem a necessidade de se atuar diretamente sobre o circuito emissor.

Um sistema simples que permite a modulação de um feixe de LASER por um sinal de áudio é ilustrado na figura 7 e que pode ser usado com eficiência em demonstrações ou mesmo num link experimental.

 

Sistema experimental de modulação usando um alto-falante comum.
Sistema experimental de modulação usando um alto-falante comum.

 

 O que se faz é prender um pequeno espelho no cone de um alto-falante de modo que seu movimento altere a direção do feixe de LASER que então sairá do foco do sistema receptor acompanhando o sinal de áudio.

Evidentemente, a fidelidade deste sistema não é das melhores e recursos adicionais como por exemplo a possibilidade de se movimentar o espelho linearmente de modo a se obter uma modulação diferente, conforme mostra a figura 8 pode ser estudada.

 

Modulação usando efeito Doppler.
Modulação usando efeito Doppler.

 

 Neste sistema o feixe de laser é interrompido em alta frequência por um disco perfurado que gira rapidamente gerando a "portadora" do sinal. O espelho que é fixo a uma bobina ou cone de alto-falante move-se no mesmo sentido de propagação da luz.

Isso significa que os movimentos de vai e vem alteram (pelo efeito Doppler) a separação dos pulsos de luz que são emitidos de acordo com o sinal de áudio modulador.

Usando um PLL no receptor, conforme mostra a figura 9, pode-se detectar o sinal modulado em frequência extraindo-se o sinal modulador.

 

Demodulador PLL para sinais de LASER modulador em freqüência.
Demodulador PLL para sinais de LASER modulador em freqüência.

 

 Este sistema daria um excelente trabalho de demonstração em escolas técnicas ou mesmo cursos superiores que trabalham com LASERs.

Finalmente temos as chamadas Células de Kerr que consistem em blocos de determinados materiais (quartzo, por exemplo) que apresentam propriedades polarizadoras que mudam com a tensão que neles sejam aplicados, conforme mostra a figura 10.

 

Modulação usando uma célula de Kerr.
Modulação usando uma célula de Kerr.

 

 Depois de passar por um filtro polarizador que leve o feixe de LASER a uma polarização única ele é aplicado a uma célula de Kerr.

Nas extremidades desta célula é aplicado o sinal modulador na forma de alta tensão. Com suas variações o plano de polarização do feixe que entra no bloco varia o que significa que ele passa a ser modulado em um ângulo de polarização, conforme mostra a figura 11.

 

Planos de polarização dos sinais no sistema modulador.
Planos de polarização dos sinais no sistema modulador.

 

 Colocando um segundo filtro na saída do feixe, a intensidade do sinal que passa variará conforme o ângulo de polarização se afaste ou se aproxime do ângulo central, obtendo-se assim uma modulação em amplitude.

As vantagens deste sistema, apesar de sua aparente complexidade, está na possibilidade de se trabalhar com feixes de grande intensidade e de se poder modular sinais com frequências muito elevadas. Um sinal de vídeo pode ser transmitido com facilidade num link experimental, conforme mostra a figura 12.

 

Um link de vídeo usando um feixe de LASER.
Um link de vídeo usando um feixe de LASER.

 

 É claro que experiências interessantes podem ser programadas com base num feixe de LASER modulado como. por exemplo. estudos que levem à multiplexação de diversos canais de áudio, utilização de fibras ópticas, etc.

A possibilidade de se obter fontes de LASER extremamente baratas como as usadas nos LASER Pointers abre um campo de projetos bastante interessante para os leitores que desejam explorar esta área.

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