Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica SISTEMA DE CONTROL DE BAJO COSTO CON ARDUINO PARA DIODOS LÁSER

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico SISTEMA DE CONTROL DE BAJO COSTO CON ARDUINO PARA DIODOS LÁSER Por: Cristian Acuña López Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre del 2010

2 SISTEMA DE CONTROL DE BAJO COSTO CON ARDUINO PARA DIODOS LÁSER Por: Cristian Acuña López Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Dr. Jaime Cascante Profesor Guía Ing. Rodrigo García Profesor lector Ing. Miguel Ruphuy Profesor lector ii

3 DEDICATORIA Todo el trabajo que he realizado en este proyecto, y a lo largo de mis estudios se lo dedico a Dios en primer lugar, nunca me dejó solo y siempre me dio las fuerzas necesarias para alcanzar lo que tenía para mi. La motivación de mis esfuerzos se la debo a mi familia, a mis padres que siempre estuvieron cerca de mi alentándome a continuar y no decaer, para ellos todo mi respeto y amor. A mis hermanos, Gabriel y Alejandro, ellos han sido bastión importante en mi vida, siempre haciéndome mantenerme en pie para poder continuar. A Silvia, que tuvo una paciencia y cariño increíble, le agradezco todo el tiempo compartido, de quien aprendí mucho, y jamás olvidaré. Finalmente, a la vida, que me ha puesto las pruebas necesarias para poder formarme como soy, para vivir como vivo; ahora sé que con el trabajo todo se puede alcanzar. iii

4 RECONOCIMIENTOS Especial agradecimiento al profesor Jaime Cascante, por su oportuna y siempre amable atención a mis inquietudes. Así también, agradezco a los profesores: Jorge Arturo Romero y Luis Diego Marín por toda la atención prestada cuando así fue necesario. iv

5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...vii ÍNDICE DE TABLAS...viii NOMENCLATURA...ix RESUMEN...1 CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...4 CAPÍTULO 2: Conceptos iniciales Estudio del diodo láser Uniones P-N Estructura y principio de funcionamiento Equilibrio térmico Diodo Láser Etapas de trabajo en el Diodo Láser Funcionamiento simplificado de un diodo láser Características generales Característica corriente-tensión del Diodo láser Influencia de la temperatura en el diodo láser Sistemas de control realimentados Sistemas de lazo cerrado Control realimentado de diodo láser. Diagrama de bloques Plataforma Arduino. Perspectiva General Descripción General Modelos Arduino Arduino Duemilanove Hardware Descripción General Resumen de características Características Arduino Alimentación Memoria Entradas y salidas Arduino Duemilanove v

6 2.5.2 Programación Arduino Librerias Comparación Arduino respecto a otros sistemas microcontrolados Pingüino Amicus Controladores de diodos láseres caseros y comerciales Sistemas de control caseros Sistemas de control en modo continuo (CW) Sistemas de control en modo pulsante(pw) Sistemas de control comerciales Laser Diode Controller. LDC500 de THORLABS LDTC2/2 Controlador de potencia y temperatura de diodos láser. Wavelength Electronics Precios de sistemas de control de diodos láser Mercado internacional Mercado nacional CAPÍTULO 3: Elección de circuito de control Caracterización de opciones...39 Opción #1: Opción #2: Elección del circuito controlador Programación del Arduino CAPÍTULO 4: Puesta en marcha del sistema Pruebas preliminares Modificaciones al sistema de control inicial Modificaciones al sistema de control para CW Modificaciones al sistema de control para PW Resultados Resultados modo CW Resultados modo PW Resultados programación Arduino CAPÍTULO 5: Conclusiones y recomendaciones...70 BIBLIOGRAFÍA...71 APÉNDICES...73 Apéndice #1. Control de corriente constante de diodo láser.[21]...73 Apéndice #2. Hoja de datos Thorlabs LD Apéndice #3. Medición de potencia y energía en un diodo láser vi

7 ANEXOS...77 Anexo #1. Tipos de diodo láser.[11]...77 Anexo #4. Cavidades del láser.[11]...80 Anexo #5. Diagrama impreso del circuito de control ÍNDICE DE FIGURAS Figura Nº 2.1-Unión P-N típica [11]...6 Figura Nº 2.2- Polarización de unión P-N[11]...7 Figura Nº Procesos de difusión y deriva[11]... 7 Figura Nº 2.4 Cavidad interna diodo láser[11]...9 Figura Nº Excitación de fotón [11] Figura Nº 2.6- Emisión Estimulada en diodo láser [2] Figura Nº Curva Potencia- corriente [13] Figura Nº Efectos de la temperatura [13] Figura Nº Sistema realimentado típico [1] Figura Nº Sistema realimentado simplificado [1] Figura Nº Aproximación inicial del sistema de control Figura Nº 2.13 Entorno Arduino Figura Nº Barra de herramientas, entorno programación de Arduino Figura Nº Tarjeta de control Amicus 18[15] Figura Nº Controlador casero tipo CW #1[10] Figura Nº Controlador casero tipo CW #2[10] Figura Nº 2.18-Controlador casero tipo CW #3[10] Figura Nº Controlador casero tipo PW#1[10] Figura Nº Controlador casero tipo PW #2. [10] Figura Nº 3.1- Etapa #1. Sistema de control Figura Nº 3.2-Etapa #3. Sistema de control Figura Nº 3.3-Etapa #3 simplificada. Sistema de control Figura Nº 3.4-Etapa #4. Sistema de control Figura Nº 3.5-Zonas de trabajo transistor BJT. [17] Figura Nº 3.6-Sistema de control, opción # Figura Nº 3.7-Comportamiento transistor MOSFET. [17] Figura Nº 3.8-Fuente de alimentación regulada Figura Nº 3.9-Señal de salida, fuente de alimentación regulada Figura Nº LCD 16x2 HD44780[14] Figura Nº Conexión general del Arduino Duemilanove con circuito de control y LCD Figura Nº 4.1-Sistema de control elegido Figura Nº 4.2-Simulación: Señal de seguidor de tensión, modo CW vii

8 Figura Nº 4.3-Simulación: Señal de seguidor de tensión, modo CW Figura Nº Simulación: Fuente de alimentación de diodo láser Figura Nº 4.5-Simulación: Corriente eléctrica y tensión en diodo láser, modo CW Figura Nº 4.6-Simulación: Corriente eléctrica en diodo láser, modo PW Figura Nº 4.7-Simulación: Corriente eléctrica en diodo láser, modo CW Figura Nº 4.8-Amplificador de tensión de referencia de potencia, Vshunt Figura Nº 4.9-Convertidor de potencia promedio, MAV Figura Nº 4.10-Gráfica tensión contra ciclo de trabajo, MAV Figura Nº 4.11-Circuito sumador no inversor Figura Nº 4.12-Señal real, fuente de alimentación de diodo LED Figura Nº 4.13-Entrada sistema de control proveniente de MAV, modo CW Figura Nº 4.14-Excitación de base de transistor de conmutación(tip142), modo CW Figura Nº 4.15-Tensión Vshunt, modo CW Figura Nº 4.16-Tensión Vshunt amplificada, modo CW Figura Nº 4.17-Entrada sistema de control proveniente de Arduino, modo PW Figura Nº 4.18-Excitación base del transistor de conmutación(tip142), modo PW Figura Nº 4.19-Señal Vshunt amplificada, modo PW Figura Nº 4.20-Señal Vshunt amplificada filtrada, modo PW ÍNDICE DE TABLAS Tabla Nº 2.1- Caracteristicas Arduino Duemilanove[14] Tabla Nº2.2. Comparación Pingüino-Arduino Duemilanove.[14] Tabla Nº2.3. Comparación Pingüino-Arduino Duemilanove #2.[14] Tabla Nº2.4. Comparación Arduino Duemilanove-Amicus 18.[15] Tabla Nº2.5. Caracteristicas LDC500[16] Tabla Nº2.6. Caracteristicas LDTC2/C.[16] Tabla Nº2.7. Costo controladores en mercado internacional. [20] Tabla Nº4.1. Características circuito MAV Tabla Nº4.2. Tensión de salida amplificador de Vshunt Tabla Nº4.3 Tensión de salida circuito MAV. Modo PW viii

9 NOMENCLATURA LED Light Emisor Diode. LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. BJT Bipolar Juntion Transistor. IR Infrarred. K Kelvin. W Watts. VDC Volt/Direct Current. GNU General Public License. USB Universal Serial Bus. Hz Hertz. IDE Integrated Device Electronics. PWM Pulse Width Modulation. SRAM Static Ramdom Access Memory. EEPROM Electrically Erasable Programmable Rean Only Memory. FTDI Future Technology Devices International. TTL Transistor Transistor Logic. AREF Referencia interna variable del Arduino. AVR Empresa productora de ATmega. No es acrónimo. MCU Microcontroller Unit. PIC Peripheral Interface Controller. MIPS Million Instructions per second. CW Continuous Wave. PW Pulsed Wave. LD Laser Diode. PD Photo Diode. SCR Silicon Controlled Rectifier. LCD Lyquid Crystal Display. RTD Resistense Temperature Detector. ix

10 RESUMEN El presente proyecto tiene como objetivo general desarrollar el control de corriente para un diodo láser, utilizando tecnología Arduino. Básicamente, un diodo láser es un elemento muy similar a un diodo LED, pero que es capaz de emitir radiación láser. Por otro lado, la plataforma Arduino se basa en una estructura dotada de entradas y salidas para el manejo de sistemas electrónicos; el manejo de sus funciones son realizadas mediante un microcontrolador. Inicialmente se estudiaron los fundamentos teóricos sobre la constitución física de los diodos láser. La teoría de los materiales semiconductores fue fundamental en este apartado. El control y manejo del diodo láser se fundamenta en la supervisión de las variables físicas que lo determinan su funcionamiento En este caso, dichas variables son la corriente que fluye a través del elemento y la potencia generada. Las mediciones realizadas toman en cuenta si el dispositivo tratado es de dos o tres terminales, tal y como se verá en el desarrollo del tema. Finalmente se logró realizar un control de la potencia del diodo láser; con esto es posible (realizando los ajustes apropiados para cada tipo de diodo láser), realizar una supervisión de potencia continua y pulsante del dispositivo láser. La definición de los parámetros de trabajo fue posible mediante un teclado y pantalla LCD. Para posteriores mejoras del proyecto, se recomienda un mejor ajuste de las mediciones de potencia. 1

11 CAPÍTULO 1: Introducción Muchas de las aplicaciones tecnológicas de hoy día requieren de rapidez y precisión en el momento de ejecutarse. El control de un diodo láser, dadas las características que serán descritas, debe ser llevado a cabo de una forma precisa, siempre buscando cuidar la integridad del mismo. En la creación de aplicaciones, una variable siempre importante es el aspecto económico. En el caso de los controladores comerciales para diodos láser, el precio suele ser bastante alto, por lo que el diseño de un sistema alternativo de bajo costo representa un gran beneficio. Con tal escenario es claro que la ubicación de instrumentos de trabajo adecuados representa una labor sumamente preponderante. Los diodos láser son un ejemplo claro de tales instrumentos. En todos y cada uno de estos casos es siempre importante ejercer control directo sobre las variables de trabajo del dispositivo emisor láser, regulando la potencia que este emite mientras se mantiene en un rango adecuado. Desde esta perspectiva, un sistema microcontrolado traerá amplias ventajas frente a sistemas de control puramente analógicos. La siguiente investigación tiene como objetivo la búsqueda de un diseño propicio y la posterior construcción de dicha etapa de control que permita ejecutar el manejo correcto del diodo láser. 2

12 1.1 Objetivos Objetivo general Desarrollar un sistema de control de bajo costo con Arduinos que permitan controlar adecuadamente un diodo láser Objetivos específicos Comparar los sistemas de control comerciales y caseros que permitan controlar de manera adecuada 1 un diodo láser. Comparar los precios en el mercado local e internacional de los sistemas de control más comunes. Comparar los precios en el mercado local e internacional de los materiales más habituales utilizados para fabricar sistemas de control caseros. Describir las características de los sistemas Arduino y contrastarlas con otros sistemas microcontrolados. Diseñar 2 e implementar 3 un sistema de control realimentado que permita controlar diodos láser de 2 y 3 patillas 4. 1 Se le deberá de dar prioridad a los sistemas realimentados de bajo costo. 2 Incluso el circuito impreso. 3 El prototipo deberá de incluir el circuito impreso soldado y acabados profesionales. 4 La corriente y la temperatura son variables críticas. 3

13 1.2 Metodología Para el desarrollo de la investigación se lleva a cabo una indagación bibliográfica y posterior caracterización técnica de cada uno de los elementos y etapas que componen el sistema diseñado. En primera instancia, se dirigen las labores a la identificación de los aspectos que caracterizan al elemento emisor de radiación (diodo láser), para fundamentar a partir de estos el diseño del sistema control, y las exigencias de programación pertinentes, así como del establecimiento de las condiciones apropiadas para la conexión de este dispositivo. Seguidamente, se define la estructura de control a utilizar así como su diseño detallado y el trabajo relacionado con software. Se programa el microcontrolador dispuesto en la tarjeta de trabajo Arduino para cumplir eficientemente con las labores requeridas. Finalmente, y tomando en cuenta lo expuesto, se realizan pruebas de laboratorio para lograr un ajuste preciso de las magnitudes de trabajo. 4

14 CAPÍTULO 2: Conceptos iniciales 2.1 Estudio del diodo láser Los dispositivos semiconductores tales como diodos, transistores y circuitos integrados, se encuentran en multitud de aplicaciones de uso diario, como televisores, computadoras, automóviles. Esto se debe a su alto desempeño y a su costo relativamente bajo. Actualmente, una de las aplicaciones básicas de los diodos láser está en su utilización como fuente de alimentación lumínica en sistemas de telecomunicaciones que hagan uso de fibra óptica. El punto de trabajo del diodo láser en dicho aplicación debe ser establecido de forma precisa. De igual forma se da la presencia de estos dispositivos en áreas como la medicina, investigación científica y producción de energía. Por tanto, se establece como punto de partida la descripción de la constitución física de un diodo láser, para desarrollar los objetivos propuestos inicialmente Uniones P-N. Como punto de inicio se establece que una unión P-N consiste en la unión de dos regiones de semiconductores, de tipos opuestos. Estas uniones presentan un comportamiento que tiende claramente a la rectificación. Cuando se hace referencia a este tipo de uniones suelen ser llamadas también diodos P-N en analogía directa con los diodos de vacío. El objetivo de este apartado es sentar las bases de los principios que rigen el funcionamiento de un diodo láser. La unión P-N es un elemento sumamente versátil, el cual puede ser usado como rectificador, como estructura aislante o como un capacitor dependiente de tensión. Además de esto, pueden ser utilizados como celdas solares, fotodiodos, diodos emisores de luz (LED) e inclusive diodos láser, el cual es objetivo directo de esta sección. Ellos a su vez son parte esencial de los transistores MOSFET y los BJT. 5

15 2.1.2 Estructura y principio de funcionamiento Como se ha mencionado, una unión P-N está formada por dos regiones de semiconductores distintamente dopadas, en oposición, tal y como es posible observar en la figura 2.1. Figura Nº 2.1-Unión P-N típica [11] La región observada a la izquierda es un material tipo P(receptor) con una densidad de N a, mientras que la región a la derecha es una de tipo N(donador) con densidad N b. Así es como los dopantes se supone que son poco profundos, y por lo tanto, debido a esto es que la densidad de electrones en la zona de tipo P es aproximadamente igual a la densidad de donadores. Se asumirá como punto de partida que las regiones dopadas están uniformemente dopadas y que la pequeña región de transición es una abrupta unión P-N. Frecuentemente serán encontrados dispositivos en los cuales uno de los lados están dopados de manera distinta, en dado caso, hay que considerar ampliamente la región menos dopada, puesto que esta determina las características del elemento en cuestión. En la figura 2.2 se observa como la unión está polarizada con una tensión Va; se conocerá como unión polarizada directamente si la tensión positiva es aplicada a la región con dopantes P, y polarizada inversamente si la tensión negativa es aplicada a la región dopada P. Esto también se observa claramente en la figura siguiente: 6

16 Figura Nº 2.2- Polarización de unión P-N[11] Comúnmente, a la región P se le suele llamar ánodo, mientras que a la región N se le suele llamar cátodo, esto haciendo referencia a que los aniones (portadores positivos) y los cationes (portadores negativos) están en estas regiones Equilibrio térmico Con el objetivo de alcanzar el equilibrio térmico, los electrones y los elementos positivos ( huecos ) cercanos al limite entre las regiones se difunden (proceso de difusión) a través de la unión a la región P o N donde los electrones y huecos están más fuertemente presentes. Este proceso deja detrás de si donadores ionizados, también conocidos como aceptores, creando esto una región alrededor de la unión el cual carece de portadores movibles, es decir, de electrones. Esta región está definida desde X=-x p hasta X=x n, en la figura 2.3. Figura Nº Procesos de difusión y deriva[11] 7

17 La carga debida a los donadores ionizados y a los aceptores causa un campo eléctrico que genera un flujo de portadores en dirección contraria. La difusión de portadores continúa hasta que este flujo de corriente se ubique en un nivel de balance respecto a la corriente de difusión, alcanzando así el equilibrio térmico. Mientras se está en equilibrio térmico y no hay tensiones externas aplicadas a la unión P-N hay un potencial interno i, el cual es generador por la diferencia entre los semiconductores N y P. El proceso anteriormente explicado es de suma importancia si se quiere delinear la forma en que trabaja un diodo láser. 2.2 Diodo Láser Láser es la abreviación, en ingles, de Light Amplification by the Stimulated Emisión of Radiation. Este es un dispositivo semiconductor que produce radiación coherente, es decir, todas las formas de onda, que la componen tienen la misma frecuencia y fase, cuando se le hace circular una corriente a través de ellos. La excitación necesaria para hacerles funcionar es, en este caso, la circulación continua de una corriente eléctrica, mientras que en otros tipos de diodos láser podrían ser radiación óptica externa. Los diodos láser consiste en una unión P-N, con una región activa donde los electrones y los huecos se recombinan, dando lugar a la emisión de luz. Así también, el diodo láser contiene una cavidad óptica donde la emisión estimulada tiene lugar. Esta cavidad consiste en una especie de canal, el cual está delimitado a ambos lados por un espejo. En esta sección es donde tiene lugar la amplificación de la señal láser. A modo de ejemplo, la estructura simplificada de un diodo láser se puede observar en la figura 2.4. Los fotones que son emitidos hacia el canal pueden viajar hacia atrás y hacia delante por la reflexión que ocurre por la presencia de los espejos, en una distancia cualquiera denominada en este caso L. 8

18 Figura Nº 2.4 Cavidad interna diodo láser[11] Dicha cavidad conocida como resonador es la sección en donde se trabaja con la estimulación del dispositivo para generar la emisión láser. Dentro de esta se encuentra lo que se conoce como material láser o ganancia del medio, que es lo que produce amplificación por emisión estimulada. En el caso del diodo láser estudiado en este documento, la ganancia del medio la produce la presencia del material semiconductor, la unión P-N. La existencia del resonador está fundamentada en la necesidad de compensar las pérdidas previsibles generadas sobre la radiación láser durante el funcionamiento del dispositivo semiconductor Etapas de trabajo en el Diodo Láser Para el correcto funcionamiento del diodo láser, es necesario la inclusión de 3 fases fundamentales, bombeo (pumping), amplificación, y emisión de radiación. La primera de ellas, se conoce como bombeo. Este se produce por medio de la excitación del dispositivo. Esta podría ser de origen eléctrico (corriente eléctrica) u óptico. En el caso del dispositivo a usar, el bombeo tiene lugar cuando esta corriente eléctrica se hace pasar por el material semiconductor dispuesto en la estructura del mismo. Seguidamente, la etapa de amplificación se da dentro del ya conocido resonador. Esta estructura permite la amplificación de la radiación láser; existen los resonadores estables y los inestables. 9

19 Por último la emisión de radiación tiene lugar; se tienen dos tipos de emisión. La primera de ellas, la espontánea, tiene lugar cuando los electrones retornan a su estado fundamental, por medio de la emisión de fotones. Se caracteriza por ser un fenómeno meramente aleatorio, en donde los fotones producidos se mueven en direcciones sin patrón alguno creando así una radiación monocromática incoherente. Esto se ilustra en la figura siguiente: Figura Nº Excitación de fotón [11] De igual forma, se tiene a la emisión estimulada, que se da cuando un átomo, estando excitado, es blanco de una excitación externa que le obliga a la emisión de fotones, haciendo que vuelva a un estado de menor energía. Por medio de este método los fotones que son creados tienen en común (casi totalmente) su fase, su dirección, y su energía por lo que la luz que es fruto de este proceso es claramente coherente y monocroma. Es necesario tomar en cuenta que en el área de los diodos láser existen multitud de métodos de bombeo, diseños de resonadores, y distintos tipos de medios de ganancia Funcionamiento simplificado de un diodo láser. Tomando como base lo hablado en el apartado anterior, se establece que en un semiconductor ideal, a una temperatura de 0 K, entre la última banda de energía que se encuentra totalmente llena, y la siguiente que está vacía por completo (y que además es la de mayor energía) existe una brecha de energía prohibida. Cuando la estructura está dopada en cada extremo de la brecha existen donadores y aceptores. En un semiconductor de tipo n existe un número considerable de electrones excitados en la banda de conducción, mientras que en el material de tipo p, existen también electrones excitados en la banda de valencia, generando esto la presencia notoria de huecos. 10

20 Si se lograra excitar algunos pares electrones-hueco, se produciría una migración inversa entre las poblaciones, dando esto lugar a lo que se conoce como radiación de recombinación, puesto que los electrones pasarían a cubrir los espacios dejados por los huecos. Esto correspondería a la emisión estimulada de la que se ha venido hablando anteriormente y es la que generaría el efecto láser cuando este semiconductor se coloque en un resonador adecuado. La situación descrita anteriormente es observable en la figura 2.6. Figura Nº 2.6- Emisión Estimulada en diodo láser [2] Características generales Los láser se usan en variedad de aplicaciones, y han demostrado que incorporan gran variedad de elementos de ganancia entre otros. Sus principales características que determinan el alcance de dichas aplicaciones se dilucidan a continuación: Coherencia: Dos puntos de una onda cualquiera que tengan una diferencia igual a cero en fase y frecuencia, se dice son coherentes. Si la onda completa cumple con estos puntos puede ser considerada como coherente. Direccionalidad: la medida en que se puede elegir la dirección en la cual los rayos luminosos de una fuente cualquiera son dirigidos. 11

21 Monocromaticidad: Se da cuando una fuente luminosa establece su potencia de salida sobre una única longitud de onda, tal es el caso del láser; caso contrario se presenta por ejemplo con la luz del sol. Intensidad (brillo): Está definida como la cantidad de flujo luminoso que produce una fuente cualquiera. Baja corriente, tensión y energía en general: en su mayoría los diodos láser exigen únicamente sólo algunos miliwatts de potencia, de 3 a 12 VDC, con una corriente relativamente pequeña. Rayo de ángulo ancho: El diodo láser produce un cono luminoso, pero este puede ser enfocado por medio de lentes convexos Característica corriente-tensión del Diodo láser Supóngase inicialmente que las condiciones para que se de una inversión en las poblaciones no está presente; en tal caso los fotones que son generados dentro del dispositivo son creados por el principio de emisión espontánea, es decir, son aleatoriamente irradiados. La anterior circunstancia es el principio de funcionamiento de los diodos LED. La inversión de población se consigue únicamente con un bombeo externo, aumentando la corriente aplicada a la unión P-N. A manera de ejemplo, se muestra a continuación la relación potencia generada por un diodo láser en dependencia de la corriente aplicada. 12

22 Figura Nº Curva Potencia- corriente [13] Esta sección es de especial importancia, y permite finalizar la explicación de materiales semiconductores aplicados a la tecnología láser, dado que se sabe ahora como el controlar la potencia suministrada a un diodo láser depende directamente de la corriente que se le aplique al dispositivo Influencia de la temperatura en el diodo láser El umbral de corriente observado en la Figura Nº 2.7 aumenta notablemente con la temperatura. Con temperaturas más bajas, las corrientes exigidas serán menores; se debe tomar en cuenta que a medida de que la corriente circula por la unión P-N la generación de calor está siempre presente, por tal razón se debe contar con una disipación adecuada. Por otro lado, el factor temperatura tiene también especial influencia en la longitud de onda emitida por el diodo láser, teniendo esto dos efectos principales: -Si la temperatura se incrementa la longitud de onda crece gradualmente lo que tiene como producto segundo efecto. -Traslado a otro modo longitudinal de emisión. 13

23 Figura Nº Efectos de la temperatura [13] Como conclusión de este apartado, se establece que es necesario tomar en cuenta la temperatura del diodo láser para el diseño del sistema de control. 2.3 Sistemas de control realimentados La existencia de los sistemas de control realimentados (o conocidos como sistemas de lazo cerrado) viene a cubrir muchas de las falencias presentes en sistemas de control de lazo abierto. Los sistemas de control que no poseen una realimentación no pueden cumplir exigencias críticas determinadas, por ejemplo, no se pueden tomar medidas correctivas antes ciertas condiciones de salida del sistema. Por todo eso, los sistemas realimentados son utilizados en general cuando la estabilidad del sistema es una variable de suma importancia Sistemas de lazo cerrado Un sistema de control, cualquier que este sea, se cataloga como de lazo cerrado si la señal de salida del sistema tiene algún efecto sobre el control que se ejerce por el mismo, dicho de otro manera, cuando se observa una realimentación de la señal generada por el sistema completo. Esto se da, en ocasiones, cuando la señal controlada y la señal de referencia (o valor deseado) no tienen el mismo origen, por lo que una podría ser velocidad mientras otra podría ser una tensión. 14

24 Así es como la señal controlada se compara con una señal de referencia de entrada, y de esta manera la señal de control es proporcional a la diferencia entre las dos primeras, con el objetivo de corregir el error presente. Un sistema de control de lazo cerrado típico se observa a continuación: Figura Nº Sistema realimentado típico [1] El bloque C( s) representa la función de transferencia del control ejercido sobre la planta propiamente. El bloque P u ( s) representa la sección de la planta que se ve afectada directamente por el control realizado; a su vez, el bloque P d ( s) tiene como función incorporar sobre la planta la influencia de la perturbación. El sistema mostrado, puede ser simplificado aún más, observándose esto seguidamente: Figura Nº Sistema realimentado simplificado [1] Control realimentado de diodo láser. Diagrama de bloques Para el diseño del circuito que permita controlar un diodo láser se conoce que la mejor opción para dicha aplicación es el uso de un sistema de control activo, con esto se eliminan los problemas existentes con otros tipos de control donde la tensión de la carga 15

25 (debido a su impedancia) tiene influencia sobre la corriente, a mayor tensión la corriente tiende a disminuir su valor, lo cual es un efecto que no es deseable. Este sistema se realizará haciendo uso de elementos activos como podrían ser amplificadores operaciones. El uso de estos dispositivos también le añadirá capacidad al circuito de control para poder manejar de manera adecuada las impedancias del sistema, y además, es capaz de suplir la corriente necesaria para el trabajo adecuado de láser. Ahora bien, sería necesario establecer una estructura básica a partir de la cuál arrancar el diseño del sistema de control. Hay que recordar que el manejo desde una perspectiva global del diodo láser, está bajo la acción del controlador Arduino, por lo tanto, es necesario diseñar una aplicación que se adapte a este concepto. Una primera aproximación sobre el sistema de control podría estar constituido por una etapa de amplificadores operacionales, y una de control directo sobre el diodo láser. Véase por ejemplo la siguiente figura: + Fuente Entrada + Fuente R1 N1 - + OAMP beta Carga Vz R2 Figura Nº Aproximación inicial del sistema de control Obsérvese la inclusión de un amplificador operacional y un transistor NPN, como fue dicho anteriormente. El transistor, en este caso, se encarga de suplir la corriente necesaria para la carga, y se activa mediante el amplificador operacional. La configuración que para este ejemplo tiene el amplificador es de seguidor de tensión. Ahora bien, el diodo Zener en la terminal no inversora del amplificador operacional tiene como función limitar la tensión en esa patilla, esto con el objetivo de proteger a la carga si en determinado instante la tensión de entrada que se conecta en el nodo N1 supera la cota especificada por la tensión Zener. 16

26 Finalmente, con lo explicado hasta el momento sobre la estructura del proyecto es posible ya establecer un diagrama de bloques de cómo estará compuesto el sistema. Este se muestra en la figura siguiente: Controlador Arduino Circuito externo de control Fuente de potencia Visualización Control Realimentación Figura Nº Diagrama de bloques Diodo láser Como se puede observar, el Arduino suministra la referencia de potencia que quiere ser generada por el diodo láser. Esta referencia es enviada al circuito de control externo para regular la potencia. La señal que representa la potencia que realmente se generada en el diodo láser es enviada al Arduino (para su visualización en el LCD) y al circuito de control externo. La máxima corriente que es capaz de suministrar la fuente de potencia se establece de forma manual, por medio de un potenciómetro. 2.4 Plataforma Arduino. Perspectiva General Descripción General En principio, una plataforma se define como aquella estructura, de software y/o hardware, sobre la cual algunas aplicaciones son capaces de ser ejecutadas. Así entonces, se establece inicialmente que la estructura Arduino es una plataforma de uso libre que permite la creación de nuevos sistemas electrónicos haciendo sus múltiples utilidades. Uno de los aspectos que han caracterizado a los nuevos diseños y que hacen sobresalir a la plataforma Arduino es siempre la creación de estructuras sumamente manejables y adaptables a una amplia gama de aplicaciones. 17

27 Los distintos modelos Arduino hasta hoy creados, están dispuestos para realizar una comunicación con el exterior o entorno de forma satisfactoria y efectiva. Poseen una variedad de elementos de sensado bastante completa, por lo que es posible el manejo de distintos dispositivos. El lenguaje de programación utilizado para la programación y el control de las placas están fundamentados en un lenguaje anterior conocido como Wiring 1, el cual también es un entorno de programación abierta, con aplicación directa a la creación y exploración de prototipos electrónicos y el control de hardware en general. Propiamente, el lenguaje mencionado para las aplicaciones Arduino se conoce simplemente como Lenguaje de Programación Arduino, nombre asignado por sus creadores, Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino y David Mallis. En lo que respecta al entorno para el desarrollo de los programas en este lenguaje, este fue creado tomando como modelo al entorno de programación Processing 2, presentando este muchas similitudes al utilizado por Wiring. Es posible comunicar a los proyectos creados bajo Arduino con distintos tipos de software(por ejemplo MaxMSP, Processing, y Flash), lo cual potencia ampliamente sus posibilidades. Después de lo anteriormente expuesto, a continuación se adjuntan las ventajas presentadas al hacer uso del lenguaje de programación Arduino: Costo: Realizando una comparación adecuada se concluye que una tarjeta de control Arduino posee un valor relativamente menor a dispositivos similares. Multiplataforma: Esto representa un punto alto y una ventaja notable ante otros sistemas de microcontroladores, puesto que la plataforma Arduino permite ser ejecutado bajo los sistemas operativos distintos, como lo son: Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux, a diferencia de muchas otras

28 Sencillo entorno de programación: Este ha sido creado de modo que se convierta en un medio sencillo de programación para usuarios de distinto nivel, desde principiantes hasta personas con conocimiento avanzados. Código libre y software ampliable: El software utilizado por la estructura Arduino es de carácter libre, por lo que los usuarios pueden disponer de él sin problemas, inclusive, el paso a realizarse mejoras está totalmente abierto, condicionado al conocimiento al lenguaje de programación C++. Hardware Extensible: Las utilidades del controlador Arduino crecen al hacer uso del hardware externo y dado que los planos del sistema están disponibles al usuario, este puede realizar modificaciones a la estructura general Modelos Arduino Desde el inicio del proyecto Arduino hasta el día de hoy han sido creadas ya variedad de placas de control. Cada una de ellas presentando avances y mejoras en cuanto a cantidad de memoria disponible, número de puertos, entre otras. Se hace entonces una delineación muy general de los modelos disponibles en el mercado: Duemilanove: Constituye la ultima placa creada a partir de la placa de Arduino USB básica. Se realiza la conexión la computador por cable USB. Es posible realizar la adaptación de Shields externos, es decir, tarjetas ajenas a la estructura elemental con funciones específicas. Diecimila: La placa Arduino llamada Diecimila fue el lanzamiento que antecedió a la estructura básica USB. Hace uso del microcontrolador ATmega168, con una velocidad de 16 MHz. En su momento presentó la novedad de poder ser reiniciada directamente desde la computadora. Nano: La tarjeta de control Nano Arduino se comunica con la computadora mediante un cable Mini-B USB. Hace uso de un microcontrolador ATmega328 o el ATmega168(para la versión 2.x) pero no presenta capacidad para conexión de alimentación externa. 19

29 Mega: Esta es calificada como la placa Arduino de mayor tamaño. Además es la más potente de todas las tarjetas disponibles. Se asemeja a la Duemilanove puesto que permite la conexión a Shields. Utiliza un microcontrolador ATmega1280, 4 puertos UARTS, entre otras características. Bluetooth: Se denomina Arduino BT, propiamente. Posee la capacidad de comunicación sin cables o inalambrica, mediante el aporte que genera la utilización de un módulo Bluetooth, mismo que es configurable mediante el puerto serie del ATmega168. Permite la conexión a distintos Shields. LilyPad: LilyPad representa una aplicación distinta, creada para ser colocada en ropa y textiles en general. Hace uso del microcontrolador ATmega168V. Este se diferencia de los demás por sus creadores, que en este caso fueron Leah Buechley y SparkFun Electronics. Fio: Tiene su campo de aplicación fundamentalmente en aplicaciones inalámbricas. Mini: Es de las tarjetas de control Arduino la más pequeña de ellas; destaca por su aplicación en sistemas donde el espacio es una variable importante. Conectividad a la computadora por medio de USB. Adaptador Mini USB: Básicamente, este dispositivo no se constituye como una tarjeta de control Arduino propiamente, dado que no contiene un microcontrolador, es entonces, un adaptador para ser aplicado al Arduino Mini proveyendo alimentación USB. Pro: Esta tarjeta Arduino fue diseñada con el objetivo de ser utilizada en aquellos proyectos donde sea necesario dejar al dispositivo dentro de la aplicación permanente. Pro mini: Posee muchas de las características presentadas por la tarjeta Pro Arduino, utilizándose en proyectos donde el bajo costo, tamaño mínimo sean exigidos. Serial: Presenta una interfaz con protocolo RS232 para comunicarse con la computadora al momento de programar o transferir información. 20

30 Single Sided Serial: Es una tarjeta diseñada para ser construida manualmente, con un tamaño ligeramente superior a la del Diecimila Arduino, pero distanciandose de esta dado que es compatible con Shields Arduino Duemilanove Los sistemas de diseño y control Arduino son preferidos en muchas aplicaciones dado su bajo costo, su alta flexibilidad y su amplia gama de elementos de control y sensado. Este sistema constituye un gran grupo de placas diseñadas bajo la filosofía del open-source, asegurando su acceso público. La filosofía open source -código abierto- que lo sustenta. Tanto el modo en que se ensambla la placa -hardware- como el código fuente del programa Arduino -software- son de acceso público. Esto quiere decir que cualquiera persona que quiera usarlo y/o mejorarlo pueda hacerlo Hardware Descripción General Como ha sido mencionado, Arduino Duemilanove, forma parte de la una plataforma abierta de diseño, con entradas y salidas mismas que son controladas con un lenguaje fundamentado en Processing y Wiring. Como características importante de esta placa se hace alusión a su capacidad trabajar sin estar, necesariamente, acoplada a una computadora, además de que le es posible manejar elementos Flash, MaxMSP. El modelo Arduino Duemilanove (2009) está equipado con un microcontrolador(mcu) de Atmel, el ATmega168 o ATmega328. El IDE disponible para esta placa es aplicable en computadoras con distintos sistemas operativos, entre ellos: Windows, Mac OS X y Linux. En cuanto a su alimentación se le debe suministrar una tensión de 9-12 VDC, esto se especificará más profundamente adelante. 21

31 Resumen de características Tabla Nº 2.1- Caracteristicas Arduino Duemilanove[14] Característica Descripción Microcontrolador ATmega368/ATmega168 Tensión de trabajo 5 V Tensión de entrada recomendada 7-12V Tensión de entrada máxima 6-20 V Pines Digitales entrada/salida 14(6 de ellos para PWM) Pines de entrada analógicos 6 Corriente DC pin E/S 40 ma Corriente DC pin 3.3 V 50 ma Memoria Flash 32 KB(ATmega328), 16 KB(ATmega168) SRAM 2 KB(ATmega328), 1 KB(ATmega168) EEPROM 1 KB(ATmega328), 512 B (ATmega168) Frecuencia de Reloj 16 MHz Características Arduino Alimentación La placa de trabajo Arduino Duemilanove ha sido diseñada para ser alimentada por medio de conexión USB o en su defecto por medio de una fuente externa. La elección entre uno y otro tipo de alimentación la realiza el sistema por si sólo. Ahora bien, cuando se hace uso de una alimentación distinta a la suministrada por la conexión USB se tiene la opción de utilizar una transformador adecuado o simplemente una batería. Específicamente, al hacer uso del transformador, es necesario utilizar un conector macho de 2.1mm ( el conector hembra se encuentra en la tarjeta), mientras que para la batería, esta debe conectarse a las terminales GND y Vin de alimentación de la placa. La alimentación externa que este dispositivo es capaz de soportar va desde los 6 a 20 V; se debe tomar en cuenta que esta tensión no debe bajar de 7 V, puesto que la terminal 22

32 de 5 V podría, eventualmente, generar menos de la tensión nominal, haciendo esto que la respuesta de placa para algunas labores no sea la adecuada. Por otro lado, si se le alimenta con una tensión que supera los 12 V, se tiene que los reguladores de tensión podrían sufrir una elevación peligrosa de temperatura. Por las razones anteriores, se especifica que el rango recomendado de trabajo esté entre los 7 V y los 12 V. La placa de trabajo Arduino presenta varias terminales de alimentación, mencionadas seguidamente: VIN. La entrada de voltaje a la placa Arduino cuando se esta usando una fuente externa de alimentación (en opuesto a los 5 voltios de la conexión USB). Se puede proporcionar voltaje a través de este pin, o, si se esta alimentado a través de la conexión de 2.1mm, acceder a ella a través de este pin. 5V. La fuente de voltaje estabilizado usado para alimentar el microcontrolador y otros componentes de la placa. Esta puede provenir de VIN a través de un regulador integrado en la placa, o proporcionada directamente por el USB o otra fuente estabilizada de 5V. 3V3. Una fuente de voltaje a 3.3 voltios generada en el chip FTDI integrado en la placa. La corriente máxima soportada 50mA. GND. Pines de toma de tierra Memoria En cuanto a la memoria disponible, el ATmega provee de 32 KB de memoria flash para código. La memoria SRAM de la cual se puede hacer uso con este mismo microcontrolador es de 2KB, mientras que para memoria EEPROM se tiene a disposición un bloque de 1KB, a la que se tiene acceso de lectura-escritura. 23

33 Entradas y salidas Arduino Duemilanove Arduino Duemilanove pone a disposición del programador 14 pines digitales, mismos que pueden definirse como entrada o salida, en función de la asignación inicial que debe realizarse. Estas terminales de entrada-salida trabajan a una tensión prestablecida de 5 V, esto con una corriente máxima de salida de 40 ma, con una resistencia en terminal de 20 k a 50 k. Por otro lado, existen terminales creados con funciones especiales, entre ellos se tienen: Serie: 0(RX), 1(TX). Son usados para la realización de envío o recepción de datos por medio del puerto serie TTL. Interrupciones externas 2 y 3: estos pines pueden dar aviso de una interrupción en bajo (0 V), en flancos de alto a bajo o viceversa, o registrando cualquier transición. PWM: corresponde a los pines 3,5,6,9,10,11; usados para proveer de una salida PWM( Pulse Wave Modulation), con una resolución de 8 bits. SPI: integrados para trabajar con información serial sincronica. Se aclara que el lenguaje Arduino actual no provee de una instrucción directa para su uso, aunque sí está disponible. Led 13: Indica el funcionamiento de la placa, encendiendose cuando se le suministra un nivel lógico alto (5 V). Entradas analógicas: El Arduino Duemilanove proporciona 6 entradas analógicas, cada una de ella con una resolución de 1024 valores, es decir, a 10 bits. Estas señales están referenciadas de 5 Volts a tierra, aunque es posible cambiar el límite superior de medición por medio del pin AREF. Reset: al recibir un valor lógico bajo (0V) reinicia el microcontrolador Programación Arduino Como se ha dicho hasta el momento, el lenguaje de programación en el que se basa el usado para la plataforma Arduino es Wiring, mientras que el entorno del mismo en 24

34 Processing. En la imagen siguiente se observa el entorno que es utilizado por el programa mencionado: Figura Nº 2.13 Entorno Arduino. En la figura siguiente, se tiene con mayor detalle el como está constituida la barra de trabajo de la ventana: Figura Nº Barra de herramientas, entorno programación de Arduino. Con el botón #1 es posible realizar la compilación del programa para verificar si existen errores en el programa realizado. El botón #2 permite detener la ejecución de cualquier proceso. Ahora bien, es posible la creación de una hoja nueva de trabajo con el botón #3. Para abrir y cerrar hojas de trabajo existentes se disponen de los botones numerados #4 y #5. Finalmente, para subir el programa a la tarjeta Arduino se ubica el botón #6. 25

35 Librerias La función de las librerias dentro de la programación Arduino, es dar mucha más flexibilidad al programa(o sketch). Un ejemplo de ello es que gracias a las librerias es posible manejar hardware externo o trabajar con datos. La inserción de una librería dentro del entorno de programación se hace yendo a Sketch>Importar librería. Algunos ejemplos de librerías comunes se listan a continuación: 1. EEPROM : Utilizada para leer y escribir en memorias de caracter permanents. 2. Ethernet : Para conectar a internet usando el Ethernet Shield. 3. Firmata : Para comunicarse con aplicaciones en la computadora usando un protocolo estándar Serial. 4. LiquidCrystal: Para controlar Displays de cristal líquido (LCD) 5. Servo: Para controlar servomotores 6. SoftwareSerial: Para la comunicación serial de cualquier pin digital. 7. Stepper: Para controlar motores paso a paso (Stepper motors) 8. Wire: Interfaz de dos cables,two Wire Interface (TWI/I2C), para enviar y recibir datos a través de una red de dispositivos y sensores. De las anteriores destaca la librería para manejar pantallas LCD (LiquidCrystal), puesto que será la única que será utilizada en el proyecto a desarrollar. 2.6 Comparación Arduino respecto a otros sistemas microcontrolados Pingüino La plataforma Arduino utilizar microcontroladores de bajo costo, a diferencia de algunos otros que el precio puede alcanzar sumas elevadas. Existe un proyecto de sistema microcontrolado llamado Pingüino. Se basa en la plataforma Arduino, pero utiliza un microcontrolador de Microchip. Las principales diferencias o similitudes se adjuntan a continuación: 26

36 Tabla Nº2.2. Comparación Pingüino-Arduino Duemilanove.[14] Característica Pinguino Arduino Duemilanove Microcontrolador 18F2550 ATmega368/ATmega168 Pines Digitales entrada/salida 18(2 para PWM) 14(6 para PWM) Pines de entrada analógicos 5 6 En cuanto a los microcontroladores usados por ambas plataformas se sabe que el de AVR es más rápido ya que puede manejar 20 Mips (millones de instrucciones por segundo) mientras que el PIC es capaz de hacerlo a 5 Mips. Una comparación más extensiva se muestra a continuación, respecto al microcontrolador utilizado en la tarjeta clásica de Pinguino: Tabla Nº2.3. Comparación Pingüino-Arduino Duemilanove #2.[14] Comparación entre microcontroladores Característica ATMEL (en PIC(pinguino) duemilanove) Modelo microcontrolador Atmega368 PIC18F25K20 Registros de trabajo 20 1 Vectores de interrupción Uno por fuente, aprox. 2 Pila almacenada en RAM >8 posiciones 8 posiciones Memoria en bancos No Si USB Requiere conexión externa Si Precio Ligeramente mayor al PIC Ligeramente menor al Atmel Puertos Smith Trigger Si No Compilador Gratis De pago 27

37 En este caso, se elige como mejor opción, en cuanto a costo, al Arduino, dado que el compilador para este es gratuito. Por otro lado, el número de registro de trabajo en el Atmel328 es adecuado para la aplicación a desarrollar, así será difícil que el programa a desarrollar supere el que está disposición del programador Amicus 18 El Amicus 18 fue creado por Crownhill, haciendo uso de un PIC con una velocidad de reloj de 64 MHZ. Su lenguaje de programación se baja en BASIC y actualmente, es competencia directa del Arduino. Es de fácil uso, además posee amplias prestaciones. Esta placa microcontrolada combina las aplicaciones de un PIC 18F25K20 con un FT232, lo que permite una adecuada conectividad USB. Es importante recalcar que la el Amicus 18, en lo que a hardware respecta, es totalmente compatible al Arduino, lo cual permite conectar cualquier módulo del Arduino al Amicus 18. En el siguiente diagrama se observa la gran similitud entre el Amicus 18 y el Arduino, sus estructuras, como es evidente, son muy similares: Figura Nº Tarjeta de control Amicus 18[15] Como se observa en la figura, existe un puente o jumper llamado Arduino compatibility jumper. Este es utilizado para poder uso de los módulos pertenecientes al Arduino. Por otro lado, un aspecto importante es que el software utilizado por el Amicus 18 no es compatible con el Arduino, lo que establece una división clara entre ambas placas. 28

38 Esta placa resalta al igual que el Arduino por ser de uso gratuito, su software no está sujeto a pagos por obtención. A continuación, se muestra una comparación entre las placas microcontroladas Arduino y Amicus 18. Tabla Nº2.4. Comparación Arduino Duemilanove-Amicus 18.[15] Comparación entre microcontroladores Característica ATMEL (en PIC(Amicus 18) duemilanove) Modelo microcontrolador Atmega368 PIC18F25K20 Memoria flash bytes bytes Memoria RAM 2000 bytes 1536 bytes Frecuencia máxima 16 MHz 64 MHz In/out analógicas 6 9 In/out digitales 14(6 PWM) 4 PWM SPI Si Si Alimentación 5V, 3.3V 5V,3.3V Corriente máxima 40 ma 500 ma De esta forma, se observa que en varios aspectos de los mencionados en la tabla anterior, la placa de control Amicus 18 supera al Arduino. Actualmente, la primera está teniendo un auge importante en el mercado, las ventas se están incrementando, pero aún no alcanzan a las del Arduino. Sin embargo, la comparación sirve para conocer que existen muchas otras opciones que podrían tener un mejor desempeño que el Arduino utilizado en esta investigación. Asi es como, se observa que el Amicus 18 posee en general características superiores a las del Arduino. Entonces, el que representa la mejor opción sería el Amicus18 tomando en cuenta todas las ventajas que posee, no obstante, el Arduino tiene las caracteristicas necesarias para la realización del proyecto y sus dimensiones, por ellos se eligió como opción idónea para ser usada. 29