Omar Gurrola 19 Noviembre 2003 www.proprojects.wordpress.com

Disco Compacto (Compac Disc)

Introducción El origen de los discos compactos fue debido a la necesidad en el mercado del sonido, de un sistema de reproducción que reprodujera el sonido original una y otra vez sin perder la calidad de sonido. Para entender esta evolución de los aparatos de sonido hay que retroceder al pasado y ver como evolucionaron estos aparatos.

Algo de historia Primero fueron los discos fonográficos, en los que se graba el sonido en un plástico dibujando surcos que harán vibrar a una aguja, y a su vez una membrana. Pero hacia falta que la gente pudiera grabar también el sonido, para eso se inventó las cintas magnetofónicas, en las que se plasmaban las señales de audio en una cinta magnética, mediante un cabezal. (Ambos sistemas se explicarán posteriormente). Pero estos sistemas tenían el problema de que el cabezal o la aguja tenían un contacto directo con el material gravado, con lo que por rozamiento se iban deteriorando. Además era muy fácil que algún factor externo los rayara o desmagnetizara. Es por eso que se inventó el CD, y el CD-regrabable, y los posteriores DVD’s, que acababan con el problema de la fricción (es un haz de luz y no un cabezal el que toca la superficie del disco, y además para solucionar los errores provocados por factores externos tienen algoritmos de corrección de errores). Otra ventaja que tienen los CD’s contra los discos de vinilo es el tamaño. Ocupando muchísimo menos y en una sola cara de grabación (en los CD’s, los dvd’s pueden usar las dos), tiene el mismo tiempo de grabación y si los comparamos con los DVD’s este tiempo de grabación es infinitamente superior. Todo esto es aplicado de igual manera a las computadoras, los cuales también hacían (y hacen) uso de cintas y discos magnéticos que sufrían los problemas de fricción del cabezal.

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¿Qué es un disco compacto?

Un CD es un disco hecho de un material plástico llamado policarbonato, en el que se ha hecho agujeros siguiendo una especie de circuito en espiral, y sobre el cual se han aplicado placas y plásticos protectores para reducir la posibilidad de que alguno de estos pozos se llene o se creen nuevos.

Medidas y esquemas de un disco compacto

Corte transversal de un disco compacto: La parte de arriba es en la que se puede escribir o imprimir la etiqueta, sobre una capa de acrílico. Después va lo que es la información que está codificada sobre una placa de aluminio reflectante, después va la capa protectora de policarbonato, que es la cara por la que lee el lector de CD.

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Desde arriba:

Tiene 12 cm. de diámetro, con un agujero central cuyo diámetro mide 15 mm. La información digital del disco se almacena en un área que comienza a 25 mm del centro y se extiende hasta los 58 mm. Bordeando esta área existen dos anillos o guías, uno interno y otro externo. La guía interna contiene la tabla de contenidos del disco (lead in), y permite al láser sincronizarse y saber el contenido de información de audio o los datos antes de proceder a su lectura. La longitud de la guía interna depende de las dimensiones de la tabla de contenidos (que puede almacenar hasta 99 pistas de audio 33mm). A continuación viene la información del CD, capaz de almacenar hasta unos 76 min. de audio y 99 pistas como máximo. Finalmente se encuentra la guía externa (lead out), que marca el fin de los datos (1 mm de ancho).Este esquema es válido tanto para discos compactos de audio como de datos.

Las pistas

Cada una de las líneas paralelas que aparecen si miramos de forma transversal la superficie de un CD. Al igual que los discos de vinilo, la información de un CD está grabada en forma de diminutos salientes practicados a lo largo de una espiral continua, iniciándose en el interior y continuando hacia el borde externo. En un disco de 74 min. La longitud total del surco sobrepasa los 5 kilómetros, y su reproducción implica más de 20,000 revoluciones del disco.

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Todos los discos compactos de audio deben girar con una rapidez lineal constante (1.3 m/s). Esto significa que, en cada segundo, el lector explora un tramo cuya longitud es de 1.3 metros. Como la espiral va aumentando su diámetro a medida que transcurre la reproducción, el giro del disco (rapidez angular) va disminuyendo para mantener constante la rapidez lineal. Esto puede observarse en un reproductor provisto de ventanilla.

En el siguiente dibujo, puedes ver el tamaño de un agujero de un CD, comparado con una huella dactilar, polvo, pelo humano y una bolita de algodón.

El de un agujero de CD, es igual a la longitud de onda del color verde.

El CD como se puede observar, se lee desde abajo, atravesando el policarbonato, por lo que realmente no se leen agujeros y no agujeros, sino que se leen salientes y no salientes. Mirando desde abajo.

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Grabar un disco compacto común

Éste es un proceso complejo necesario para crear el disco matriz o estampa (stamper), que se usa como molde para fabricar las copias.

Preparación del disco master de vidrio:

El proceso de mastering comienza con un disco de vidrio de 240 mm de diámetro y un grosor de 6 mm, debidamente pulido y limpio. El dibujo muestra un corte del disco (Parte amarilla).

Recubrimiento con un material fotosensible:

La superficie es recubierta con una capa de un material fotosensible de 0.12 micras (Parte Morada).

Este grosor es exactamente la cuarta parte de la longitud de onda del rayo láser que posteriormente leerá los datos cuando el disco esté acabado. Para evitar la contaminación del recubrimiento, todo el proceso de mastering se lleva a cabo en instalaciones especiales libres de partículas en suspensión. La uniformidad del recubrimiento es verificada con un láser infrarrojo. Posteriormente el disco es sometido a calor para endurecer el recubrimiento y proceder a su grabado.

Grabado Alimentado por los datos de la fuente, el rayo láser grabador describe una espiral sobre el disco con una separación de 1.6 micras. El recubrimiento se endurece en aquellos puntos que son expuestos a la luz del láser.

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Tratamiento del master de vidrio: Las porciones del recubrimiento que no fueron expuestas al láser grabador, se remueven químicamente. Las perforaciones del disco compacto terminado se formarán en aquellos lugares donde el recubrimiento se mantuvo.

Metalizado del mater de vidrio:

Una fina capa metálica de plata o níquel es depositada sobre el disco para escuchar su reproducción (y así verificar que no existan detalles defectuosos antes de continuar con el proceso), y deja al master eléctricamente conductor para el siguiente paso.

Electrodeposicion:

El master metalizado es sometido a un proceso de electrodeposición para añadir metal a la superficie hasta alcanzar unos pocos milímetros.

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Formación del master metálico:

La capa metálica, que es removida del master de vidrio, es la imagen negativa de éste (y del disco compacto final). Aunque este master metálico podría ser utilizado directamente como estampa, es preferible usarlo como "padre" para crear estampas adicionales.

Formación de la “madre” metálica: Un proceso de metalización similar se realiza para crear masters adicionales. Sin embargo, estos masters "madre" son imágenes positivas y no sirven como estampas. Típicamente un "padre" puede generar tres o seis "madres".

Creación de las estampas: Nuevamente se repite la electrodeposición para formar hasta 10 estampas de cada "madre". Esta manera de generar estampas se llama proceso master-madre-estampa, y permite la creación de unas 50 estampas a partir del mismo master.

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Replicación de un disco compacto El proceso de replicación es la última etapa en la fabricación de los discos compactos.

Preparación de la estampa: Cada estampa es preparada para su colocación en la máquina replicadora.

Moldeo del disco: El policarbonato fundido es inyectado a alta presión contra la estampa en una prensa. A continuación, es rápidamente enfriado antes de retirarlo de la prensa; esto toma unos doce segundos por cada copia. Hasta este punto, el disco compacto todavía es transparente, y no se puede leer hasta que se recubra metálicamente en el siguiente paso. El policarbonato es muy adecuado como material porque óptimamente tiene una baja distorsión, goza de buena resistencia mecánica, es resistente a la humedad y

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al calor moderado, y se puede trabajar en él con mucha precisión. Pero para ello, es imprescindible que esté libre de cualquier tipo de contaminación.

Metalizado de la superficie de lectura: A continuación se aplica un baño de aluminio para formar la superficie de lectura. Una capa de 0.10 a 0.15 micras proporciona la alta reflectividad requerida.

Sellado: El metalizado se protege aplicando una capa protectora de laca.

Impresión de la etiqueta: Finalmente, se imprime la etiqueta del disco.

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Lector de discos compactos

El lector de discos compactos está compuesto de:

Un cabezal:

En el que hay un emisor de rayos láser, que dispara un haz de luz hacia la superficie del disco, y que tiene también un fotorreceptor (foto-diodo) que recibe el haz de luz que rebota en la superficie del disco. El láser suele ser un diodo AlGaAs con una longitud de onda en el aire de 780 nm. (Cercano a los infrarrojos, nuestro rango de visión llega hasta aproximadamente 720 NM. Por lo que nos resulta una luz invisible, pero no por ello no dañina. No debemos mirar nunca un haz láser. La longitud de onda dentro del policarbonato es de un factor n=1.55 más pequeño que en aire, es decir 500 NM.

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Un motor:

Que hace girar el disco compacto, y otro mueve el cabezal a lo ancho del disco. Con estos dos mecanismos tenemos acceso a todo el disco. El motor se encarga del CLV (constant linear velocity), que es el sistema que ajusta la velocidad del motor de manera que su velocidad lineal sea siempre constante. Así, cuando el cabezal de lectura está cerca del borde el motor gira más despacio que cuando está cerca del centro. Este hecho dificulta mucho la construcción del lector pero asegura que la tasa de entrada de datos al sistema sea constante. La velocidad de rotación en este caso es controlada por un microcontrolador que actúa según la posición del cabezal de lectura para permitir un acceso aleatorio a los datos. Los CD-ROM, además permiten mantener la velocidad angular constante, el CAV (constant angular velocity).

Un DAC:

En el caso de los CD-audio, y en casi todos los CD-roms. DAC es Digital to Analogical converter. Es decir un convertidor de señal digital a señal analógica, la cual es enviada a los altavoces. DAC’s también hay en las tarjetas de sonido, las cuales, en su gran mayoría, tienen también un ADC, que hace el proceso inverso, de analógico a digital.

Luego tiene muchísimos más servosistemas, como el que se encarga de guiar el láser a través de la espiral, el que asegura la distancia precisa entre el disco y el cabezal, para que el láser llegue perfectamente al disco, o el que corrige los errores.

Pasos que sigue el cabezal para la lectura de un CD

1. Un haz de luz coherente (láser) es emitido por un diodo de infrarrojos hacia un espejo que forma parte del cabezal de lectura, el cual se mueve linealmente a lo largo de la superficie del disco.

2. La luz reflejada en el espejo atraviesa una lente y es enfocada sobre un punto de la superficie del CD.

3. Esta luz incidente se refleja en la capa de aluminio, atravesando el recubrimiento de policarbonato. La altura de los salientes (que es como se ven los agujeros desde abajo, es igual en todos y está seleccionada con mucho cuidado, para que sea justo ¼ de la longitud de onda del láser en el policarbonato.

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La idea aquí es que la luz que llega al llano (parte dos de la gráfica) viaje 1/4 + 1/4 = 1/2 de la longitud de onda (en la figura se ve que la onda que va a la zona sin saliente hace medio período, rebota y hace otro medio período, lo que devuelve una onda desfasada medio período ½ cuando va a la altura del saliente), mientras que cuando la luz rebota en un saliente, como se puede ver en la primera parte de la figura la señal rebota con la misma fase y período pero en dirección contraria. Esto hace que se cumpla una propiedad de la óptico-física que dice una señal que tiene cierta frecuencia puede ser anulada por otra señal con la misma frecuencia, y misma fase pero en sentido contrario por eso la luz no llega al fotorreceptor, se destruye a sí misma. Se da el valor 0 a toda sucesión de salientes (cuando la luz no llega al fotorreceptor) o no salientes (cuando la luz llega desfasada ½ período, que ha atravesado casi sin problemas al haz de luz que va en la otra dirección, y ha llegando al fotorreceptor), y damos el valor 1 al cambio entre saliente y no saliente, teniendo así una representación binaria. (Cambio de luz a no luz en el fotorreceptor 1, y luz continua o no luz continua 0.)

4. La luz reflejada se encamina mediante una serie de lentes y espejos a un fotodetector que recoge la cantidad de luz reflejada

5. La energía luminosa del fotodetector se convierte en energía eléctrica y mediante un simple umbral nuestro detector decidirá si el punto señalado por el puntero se corresponde con un cero o un uno.

Conclusiones

A pesar de que no parece haber mucha química en los disco compactos, si la hay tanto en el material con el que se fabrica como en los metales que se usan para su duplicación, al igual que el láser que lee la información digital.

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Los discos compactos son muy usados en la actualidad para guardar música e información debido a su gran capacidad de almacenamiento, por sus precios bajos y por la facilidad de su manejo.

Referencias

Internet:

http://www.geocities.com/SunsetStrip/Amphitheatre/5064/cd.html

http://www.ee.washington.edu/conselec/CE/kuhn/otherformats/95x9.htm

http://entertainment.howstuffworks.com/cd1.htm

http://sirio.deusto.es/abaitua/_outside/ikasle/ih0_96/SILVIA/CD-ROM.HTM

Revistas:

Revista: “T H E Journal”; Nov93, Vol. 21 Issue 4, p14, 4p, 1 chart, 4bw Articulo: “MULTIMEDIA systems -- Technological innovations“ Revista: “Stereo Review”; Sep92, Vol. 57 Issue 9, p4, 1/7p Articulo: “SOUND recordings” Revista: “Radio-Electronics”; Nov89, Vol. 60 Issue 11, p52, 3p, 2 diagrams, 1c

Articulo: “COMPACT disc players -- Maintenance & repair”

Libros:

Titulo: “Conozca a CD-ROM”. Autor: Gerhard Klaes. Editor: Limusa/Noriega, Mexico, 1995. Titulo: “CD-ROM fácil”. Autor: John Pivovarnick. Editor: Englewood Cliffs: Prentice Hall Hispanoamericana, México, 1995 Titulo: “Technology edge” Autor: Dana Parker Editor: Carmel, IN: New Riders Pub, 1992