Reproductor de disco compacto: Reproducción de audio digital precisa y sin desgaste

Antecedentes

Un disco compacto, también conocido popularmente simplemente como CD, es un medio de almacenamiento óptico con datos digitales grabados en su superficie. Un reproductor de disco compacto es un dispositivo que lee los datos grabados por medio de un haz óptico y reproduce con precisión la información original (música, imágenes o datos). Como el reproductor lee la información por medios ópticos, no hay desgaste físico en el disco. La tecnología básica usada en todos los reproductores de disco compacto es esencialmente la misma, ya sea que el reproductor esté diseñado para audio, video o aplicaciones informáticas. Este artículo se centrará en reproductores diseñados para audio (específicamente, audio doméstico).

La historia del sistema de disco compacto se remonta a principios de los años 70, cuando el rápido avance en electrónica digital, óptica láser e integración a gran escala (LSI) tuvo lugar. Muchas empresas comenzaron a explorar la posibilidad de almacenar señales de audio en forma óptica usando medios digitales en lugar de analógicos. Un método práctico de modular las señales de audio se encontró usando teorías publicadas en 1948 por un científico llamado Claude E. Shannon. Este método, conocido como Modulación por Código de Pulsos (PCM), muestrea señales de audio durante un intervalo de tiempo corto y luego convierte las muestras en valores numéricos para almacenamiento en formato digital.

El almacenamiento de audio en formato digital (conocido como codificación de audio) requiere grandes cantidades de datos. Por ejemplo, almacenar un segundo de información de audio requiere un millón de bits de datos. Discos ópticos capaces de almacenar miles de millones de bits de datos en un área muy pequeña se encontraron ideales para tales aplicaciones. Un disco óptico puede almacenar hasta un millón de bits de datos en un área tan pequeña como la cabeza de un alfiler. Una vez encontradas las tecnologías para grabar y almacenar audio digital, los fabricantes comenzaron a buscar formas de leer y procesar los datos almacenados en un área tan pequeña. Experimentos con dispositivos láser (un láser emite un haz de luz muy estrecho capaz de enfocarse en un área muy pequeña) resultaron bastante exitosos. El desarrollo de técnicas LSI significó que la enorme cantidad de datos almacenados en el disco podía procesarse lo suficientemente rápido para proporcionar música continua. El escenario estaba ahora listo para el desarrollo de un sistema completo de disco compacto.

Aunque muchas empresas participaron en la investigación temprana y experimentación con las diversas tecnologías involucradas en un sistema de disco compacto, dos compañías —Sony de Japón y Philips de los Países Bajos— son acreditadas por fusionar exitosamente estas tecnologías en un sistema completo. Las dos compañías colaboraron para desarrollar estándares específicos para el sistema de disco compacto, y un consorcio de 35 fabricantes acordó adoptar estos estándares en 1981. Los primeros reproductores de disco compacto se introdujeron en los mercados europeo y japonés a finales de 1982 y en Estados Unidos a principios de 1983.

Materias primas

Un reproductor de disco compacto es un equipo electrónico muy sofisticado. El exterior simple contiene mecanismos internos complejos para leer y procesar señales de audio en música muy clara y nítida. Los diversos componentes incluyen una carcasa, un conjunto de captación óptica, y placas de circuito impreso (PCBs), que contienen microchips que dirigen los procesos electrónicos del sistema.

La carcasa que alberga el laberinto de componentes suele ser de aluminio ligero reforzado. El láser es un pequeño tubo de vidrio lleno de gas y una pequeña fuente de alimentación para generar un haz láser, mientras que el fotodiodo —una parte semiconductora que convierte la luz reflejada del disco compacto en una señal eléctrica— generalmente es de silicio o germanio. Las lentes y espejos en la captación óptica son de vidrio o plástico altamente pulido. Este conjunto se aloja en su propio recinto de plástico. La mayoría de los componentes electrónicos —resistencias, transistores y condensadores— están contenidos en microchips unidos a PCBs. El material base de estos componentes es usualmente silicio. El hardware que conecta los diversos subensamblajes consiste en una variedad de tuercas, tornillos, arandelas, poleas, motores, engranajes, correas y cables de metal y plástico.

Diseño

Un disco compacto es un disco de plástico policarbonato de 12.065 cm (4.75 pulgadas) de diámetro que contiene aproximadamente 74 minutos de información de audio. No toda la información en el disco es música; algo se usa para detección de errores, sincronización y propósitos de visualización. La información en un CD se codifica en una pista espiral en forma de indentaciones llamadas lands y pits que representan altos y bajos binarios. Son estas indentaciones las que el láser del reproductor de CD "lee".

Conceptualmente, el diseño de un reproductor de CD se asemeja al de un fonógrafo (tocadiscos). Como un disco, el disco compacto gira en un plato, y el audio es leído por un dispositivo de captación. Sin embargo, a diferencia de un tocadiscos, el motor no gira el plato a velocidad constante sino que lo ajusta de acuerdo con la distancia de la captación desde el centro del plato. Además, el dispositivo de captación en un reproductor de CD no es un estilus mecánico (una aguja) sino un haz láser óptico que no entra en contacto físico con el disco compacto. Este láser enfoca su haz en la pista del disco que contiene los lands y pits, y el detector del reproductor (el fotodiodo) detecta la diferencia entre la luz reflejada de los lands y la reflejada por los pits. El fotodiodo convierte esta luz reflejada en una señal eléctrica. Trasmitida a la placa de circuito electrónico, esta señal se convierte de nuevo a sonido.

Hay básicamente tres subensamblajes en un reproductor de disco compacto: el conjunto de mecanismo de unidad de disco; el conjunto de captación óptica; y el conjunto de placa de circuito electrónico, que coordina los otros sistemas dentro del reproductor e incluye el mecanismo servo y circuitos de decodificación de datos. Al enviar señales al mecanismo servo, la placa de circuito ajusta la velocidad del motor, enfoque y seguimiento de la captación óptica; gestiona el flujo de datos al circuito de decodificación; y proporciona información de visualización en respuesta a los diversos botones en el panel de control.

El mecanismo de unidad de disco consiste en un husillo que sostiene el CD y un motor que lo gira. El motor, llamado motor de husillo, se monta debajo de la bandeja de carga de plástico o plato. Un motor separado montado en el chasis (la base o marco del reproductor de CD) mueve la bandeja de carga dentro y fuera del reproductor; esto se hace por medio de un engranaje unido al motor que también opera un engranaje mayor para subir y bajar un sujetador para mantener el disco en su lugar.

La captación óptica consiste en un láser, un fotodiodo, y varias lentes y espejos. El subensamblaje entero se desliza hacia adelante y atrás sobre rieles y es controlado por el mecanismo servo que recibe señales de dirección de la placa de circuito. La captación óptica suele ubicarse debajo del sujetador que posiciona el disco, mientras que el motor que mueve el conjunto se monta en el chasis cerca de los rieles. El mecanismo funciona dirigiendo un haz láser a través de lentes y espejos hacia la cara inferior del disco compacto. Las lentes y espejos mantienen el haz correctamente enfocado. Si el haz golpea un pit en el disco, no se refleja luz y el fotodiodo permanece desconectado. Si el haz golpea un land, la luz se refleja de vuelta a través de lentes y espejos sobre el fotodiodo, que entonces genera una señal eléctrica. Esta señal se transfiere al conjunto de placa de circuito electrónico, donde es convertida por el sistema de decodificación de datos en señales de audio para reproducción.

El conjunto de placa de circuito electrónico consiste en placas de circuito impreso que contienen la circuitería para el mecanismo servo, que opera el sistema de captación óptica, decodificación de datos y sistema de control. Hay muchos chips de circuitos integrados, microprocesadores y componentes integrados a gran escala en el conjunto de placa.

Un ensamblaje clave en un reproductor de disco compacto es el conjunto de captación óptica. Está situado sobre rieles para que pueda moverse hacia adelante y atrás debajo del disco compacto. Funciona dirigiendo un haz láser al CD; si el láser golpea un land, la luz reflejada viaja al fotodiodo, que genera una señal eléctrica. A su vez, la señal se mueve a la placa de circuito del reproductor, que convierte la señal en música.

El proceso de
fabricación

En el entorno de fabricación actual no hay un solo método de fabricación y montaje. Los productos se fabrican cada vez más como subensamblajes y se unen como subensamblajes mayores o como el producto final. La robótica y líneas controladas por computadora permiten virtualmente instalar cualquier parte en cualquier estado del subensamblaje en cualquier punto del proceso. La secuencia puede cambiarse en minutos para permitir modificaciones o puntos de control de calidad. El proceso de fabricación detallado aquí, por tanto, sigue un enfoque similar al proceso de fabricación real usado en la industria. El proceso se describe primero en términos de los diversos subensamblajes y luego la descripción detalla cómo los diversos subensamblajes se unen para hacer el producto final.

Subensamblaje de captación óptica

• 1 Comprados a contratistas externos, el láser y el fotodiodo se instalan debajo del sujetador del disco. Las diversas lentes y espejos en el conjunto deben estar correctamente espaciados y alineados para que puedan enfocar y dirigir la luz según sea necesario. El conjunto completo se aloja entonces en una carcasa de plástico. La carcasa se hace por uno de los procesos habituales de conformado de plástico como extrusión o moldeo por inyección, mientras que las lentes y espejos (usualmente silicio) se cortan en la forma adecuada y luego se pulen finamente con abrasivos. El fotodiodo semiconductora se hace preparando y puliendo una sustancia como silicio o germanio y luego añadiendo impurezas para crear capas. Contactos eléctricos se añaden luego. Tras posicionar los componentes ópticos, los engranajes y la correa que ayudarán a posicionar la captación óptica se ponen en su lugar.

Subensamblaje de unidad de disco

• 2 Luego, el motor que moverá la captación óptica se conecta a los engranajes y correa y se coloca en el chasis. La bandeja de carga se centra ahora, y el motor de husillo que girará el disco se instala. Tras posicionar el sujetador al que se ha unido la captación óptica adyacente a la bandeja de carga, la bandeja, sujetador y motor de captación se instalan en el cajón de carga, que se coloca en la carcasa del reproductor de CD.

Subensamblaje de placa de circuito electrónico

• 3 Últimos en ensamblarse son los componentes electrónicos. Diseñados por ingenieros usando paquetes de diseño asistido por computadora (CAD), las placas de circuito consisten en una base revestida de cobre que tiene un patrón transferido sobre ella (enmascarado) a través de serigrafía o método similar. Tras recubrirse con material fotosensible, las áreas con patrón se graban químicamente para crear una placa de múltiples capas —las capas comprenden los diversos transistores y condensadores que forman los circuitos. Los diminutos microchips (usualmente de silicio) que se montan en la placa se hacen de la misma manera, excepto en una escala mucho menor. Dependiendo del fabricante, el reproductor de CD puede tener una placa de circuito grande o varias placas menores. Tras ser unidas al panel o paneles, los circuitos se conectan al panel de control frontal del reproductor, al conjunto de interruptores y finalmente a la fuente de alimentación.

Montaje final

• 4 Una vez que los diversos subensamblajes están listos, se conectan e interconectan para completar el montaje final. La mayor parte del trabajo en esta etapa lo realizan trabajadores humanos. El reproductor de CD se prueba ahora y se envía para empaquetado.

Control de calidad

Como se señaló anteriormente, un reproductor de disco compacto es un dispositivo muy sofisticado, y se adoptan estrictas medidas de control de calidad desde la etapa inicial a la final de la fabricación para asegurar el funcionamiento correcto del reproductor de acuerdo con estándares industriales.

Debido a que tantos componentes en un reproductor de disco compacto son hechos por proveedores especializados, el fabricante del reproductor debe depender de estos proveedores para producir partes de calidad. Algunos de los elementos más cruciales son los del conjunto de captación óptica. Las lentes y espejos usados en la captación láser, por ejemplo, son de vidrio de alta calidad, y el contacto humano debe evitarse durante el proceso de fabricación para mantener sus superficies limpias y libres de manchas. Similarmente, los componentes de circuito electrónico deben hacerse en un ambiente de "sala limpia" (conteniendo filtros de aire especiales y requisitos de vestimenta), porque incluso una sola partícula de polvo puede causar mal funcionamiento en la circuitería. Las placas de circuito y chips se prueban en muchos niveles por máquinas de diagnóstico para identificar fallos en los circuitos.

En cuanto al control de calidad por el fabricante del reproductor, el conjunto de unidad de disco se inspecciona para alineación correcta del motor, husillo, bandeja de carga y los diversos engranajes. Además, la captación óptica se verifica para alineación correcta de lentes y haz láser. Una vez que los subensamblajes se unen en la carcasa, todas las conexiones de cableado se inspeccionan para contacto eléctrico correcto e interfaz correcta con otros componentes. Las inspecciones visuales para comprobar correas, poleas y engranajes son parte integral del proceso de control de calidad. La inspección final consiste en reproducir un disco de prueba que genera señales y patrones especiales, permitiendo a los trabajadores rastrear fallos en el sistema. Además, los diversos interruptores y botones del panel frontal se comprueban para asegurar que realizan las funciones indicadas y muestran la información apropiada en el panel.

El futuro

La tecnología del sistema CD ha avanzado mucho en los últimos años, y nuevas aplicaciones para sistemas de disco compacto se descubren cada día. El mercado ya ha visto la introducción de CD-ROMs, CD-Videos y CD-Interactivos. El producto más reciente en atraer la atención del consumidor es el Photo-CD de Kodak, que puede mostrar fotografías en pantallas de televisión y ordenador. Estas imágenes pueden editarse o recortarse por el usuario, igual que imágenes de clip art.

Los sistemas de CD de audio verán la introducción de muchas nuevas características en los próximos años. Reproductores con funciones avanzadas de control remoto están ahora en etapa de desarrollo. La carcasa para un reproductor de CD incluye una cubierta superior o "capó" y un panel de control frontal. El disco compacto reposa en una bandeja de carga que se desliza dentro y fuera del reproductor. Estas funciones permitirán al usuario mostrar información en la propia unidad de control remoto, como títulos de canciones, nombres de artistas y la letra real de las canciones. Discos compactos capaces de tanto grabación como reproducción, como una cinta de cassette, también están en desarrollo. Las vastas capacidades de almacenamiento del CD también se prestan a muchas aplicaciones multimedia de base amplia, y es bastante posible que los discos compactos se conviertan en el medio común de intercambio de datos para todas las aplicaciones de audio, video e informáticas.