Cхемы оптических передатчиков информации
В качестве среды передачи информации может использоваться свет. Это может быть обычный (видимый) свет или инфракрасное излучение (инфракрасные лучи).
На рис. 7.8 представлены схемы простых оптических передатчиков для светотелсфонов (фототелефонов).
На рис.7.8 - оптические передатчики с модуляцией луча света: а, б -примеры схем передатчиков, использующих видимый (а) и инфракрасный (б) свет.
Устройство на рис.7.8.а обеспечивает передачу информации АМ-мо-дуляцией (изменением интенсивности) светового луча (электромагнитное излучение видимой части спектра). При использовании простейшей оптической системы дальность связи может составить в дневное время несколько сотен метров, а в ночное - более 1 км, В качестве простейшей оптической системы можно использовать следующие средства: у источника излучения (электрическая лампочка) - рефлектор, например. электрический фонарик, у приемника (фотодиод) - фокусирующая линза или рефлектор.
Элементы для схемы передатчика светотелефона с модуляцией луча видимого света, рис.7.8.а :
Р.1=50к-100к (определяет входное сопротивление устройства), Р2=300к, Р3=300к (регулировка начального тока через излучающий элемент - лампочку накаливания), Р4=300к, К5=1к-5к, К6=100к-300к (коэффициент усиления каскада на ОУ - 1+R5/R5), R7=5-10 (уменьшает влияние разброса параметров лампочки и изменение ее сопротивления от протекающего тока, повышает температурную стабильность);
С1=0.1-0.3, С2=0.1мкФ-5мкФ, СЗ=5мкФ-50мкФ, С4=0.1, С5=100мкФ-1000мкФ:
А 1 - ОУ К 140УД8 или аналогичные ОУ, напряжение питания может быть увеличено или уменьшено до уровня, которое допускают технические условия на ОУ.
Tl -KT3102 или другие аналогичные транзисторы,
Т2 - КТ815 или другие аналогичные транзисторы, возможно использование вместо Tl и Т2 одного транзистора КТ827,
L1 - лампочка накаливания на 6.3В, возможно использование лампочек на другие напряжения, например, 3.6В, 12В и т.д., Настройка.
Переменным резистором R3 устанавливается рабочая точка выходного транзистора (ОУ, Т 1, Т2). Ток покоя, протекающий через этот транзистор, задает начальную интенсивность свечения лампы. Значительный начальный ток необходим для компенсации инерционных свойств лампы накаливания. Именно из-за инерционных свойств лампы, вызывающих искажения сигнала, глубина модуляции не может быть значительной: ток покоя не достигает нуля. Глубина модуляции (громкость) устанавливается с помощью резистора R1 (громкость). С целью ограничения искажений сигнала этот уровень обычно составляет всего несколько процентов. Величина начального тока и величина R7 зависят от типа используемой лампочки. Величина начального тока выбирает-
Рис.7.8. Схемы передатчиков с модуляцией (AM) луча света:
а - видимого (лампа накаливания), б - инфракрасного (ИФ-светодиод).
ся с учетом изменения тока модуляции. Для нормальной эксплуатации и достижения максимальной дальности связи необходимо выполнить взаимную ориентацию излучающего элемента передатчика и датчика приемника. Это означает, что линия, вдоль которой осуществляется излучение, должна быть направлена на датчик приемника. Датчик же должен быть направлен на источник и ориентирован так, чтобы сигнал был максимален.
В данном устройстве возможно использование современных свето-излучающих диодов, обеспечивающих сравнительно высокую яркость излучения. Частотные свойства, надежность и экономичность у элементов этого класса значительно лучше, чем у ламп накаливания. Для достижения большей мощности излучения и дальности передачи возможно одновременное использование нескольких светодиодов.
Для повышения мощности излучения (и дальности), достижения экономичности (КПД) данных устройств связи целесообразно вместо чисто аналогового модулирующего сигнала использовать импульсную модуляцию, например, широтно-импульсную. Одним из вариантов такого решения может быть, например, использование усилителей класса D, к выходу которых можно подсоединить светодиоды. Учитывая повышенный коэффициент искажений, что характерно для усилителей класса D. в приемниках необходимо предусмотреть соответствующее фильтрование сигналов.
К сожалению, электромагнитное излучение видимой части спектра обладает рядом свойств, снижающих привлекательность его использования в подобных устройствах. Это и низкая прозрачность многих передающих сред. иногда недостаточная скрытность луча. слабая способность к отражению от препятствий и т.д.
Во многих случаях хорошей альтернативой может служить инфракрасное излучение.
Используя светоизлучающие диоды инфракрасной части диапазона, удается создать значительное число устройств, облегчающих и украшающих жизнь. Достаточно вспомнить хотя бы пульты дистанционного управления бытовыми устройствами, например, телевизорами, видеомагнитофонами и т.д. На основе аналогичных свето- и фотодиодов можно сконструировать устройства оптической связи.
Один из вариантов схемы передатчика светотелефона (фототелефона) с модуляцией инфракрасного излучения приведен на рис.7.8.6. Схема и ее настройка во многом аналогичны предыдущей схеме оптического передатчика (рис.7.8.а) с модуляцией луча видимого света.
Необходимо отметить, что при относительно близких расстояниях (10 м - 20 м), обычно в пределах помещений, нет необходимости устанавливать источник излучения и его приемник на одной линии, т.к. инфракрасные лучи отражаются от препятствий, например, от стен.
Пример схемы такого устройства представлен на рис 7.8.6 :
Элементы для схемы передатчика для светотелефона (фототелефона) с модуляцией инфракрасного излучения (рис.7.8.б) :
К1=50к-100к (определяет входное сопротивление устройства), Р2=300к, К3=300к (регулировка начального тока через излучающий элемент - светодиод) , К4=300к, Р5=1к-5к, К6=100к-300к (коэффициент усиления каскада на ОУ - 1+R5/R5), R8=8-10 (ограничивает ток через ИФ-светодиод, уменьшает влияние разброса параметров светодиода и повышает температурную стабильность, средний ток через излучающий диод - 250мА-ЗООмА);
С1=0.1-0.3, С2=0.1мкФ-5мкФ, СЗ=5мкФ-50мкФ, С4=0.1, С5=100мкФ-1000мкФ:
А1 - ОУ К140УД8 или аналогичные ОУ, напряжение питания может быть уменьшено до уровня, которое допускают технические условия.
Т1 - КТЗ 102 или другие аналогичные транзисторы;
Т2 - КТ815 или другие аналогичные транзисторы, возможно использование вместо Т1 и Т2 одного транзистора КТ827;
D1 -АЛ119А. Настройка.
Переменным резистором R3 устанавливается рабочая точка выходного транзистора. Ток покоя транзистора задает начальный ток и интенсивность потока (свечения) излучающего диода в отсутствии сигнала. Величина начального тока выбирается с учетом изменения тока модуляции. Глубина модуляции (громкость) устанавливается с помощью резистора R1 (громкость) и значительно выше, чем в предыдущем случае: ток через диод от максимального уровня уменьшается практически до нуля. Для нормальной эксплуатации и достижения максимальной дальности связи, как и в предьщущем случае, необходимо выполнить взаимную ориентацию излучающего элемента передатчика и датчика приемника.
На рис. 7.9 приведены примеры схем оптических приемников (приемников светотелефонов - фотоприемников фототелефонов), которые могут быть использованы совместно с описанными оптическими передатчиками - устройствами, обеспечивающими модуляцию световых лучей видимого и инфракрасного диапазонов.
Рис.7.9. Схемы оптических приемников:
а - приемник на ИС К548УН1А, б - приемник с полевым транзистором и ОУ.
На рис.7.9.а представлен вариант схемы оптического приемника на ИС 548УН1А. Эта интегральная схема содержит в своем составе два малошумящих ОУ, требующих для своей работы однополярное питание напряжением 9В-ЗОВ. Приведенный оптический приемник может быть использован в составе фотоприемопередатчика как для света видимого диапазона, так и для инфракрасного излучения.
На рис.7.9.б представлен вариант схемы оптического приемника на ОУ широкого применения. Особенностью данной схемы является использование в первом каскаде полевого транзистора. Это позволило достичь высокого уровня соотношения сигнал/шум и необходимого высокого входного сопротивления усилителя даже при использовании ОУ невысокого качества, обладающих низким входным сопротивлением. Приведенное устройство также может быть использовано в составе фотоприемопередатчика как для света видимого диапазона, так и для инфракрасного излучения.
Элементы для схемы приемника на рис.7.9.а:
К1=1к-5к (регулировка чувствительности ОУ1: K=1+R3/R1), К2=200к-300к, К3=100к-500к, К4=30к-100к (регулировка громкости), К5=1к-5к (регулировка чувствительности ОУ2: K=1+R7/R5), К6=200к-ЗООк, R7=10K-50K, R8=10, К9=300к-500к, К10=300к-500м ;
С1=0.1-0.2. С2=5мкф-20мкф, С3=0.1-0.3, С4=0.3-5мкФ, С5=1мкф-ЮмкФ, С6=5мкф-20мкф. С7=50мкФ-500мкФ, С8=0.1, С9=100мкФ-500мкФ,С10=0.1-0.3;
D 1 - тип светодиода зависит от параметров излучающего элемента, например, для инфракрасного диапазона ФДК261, ФД-25к, ФД-8к или аналогичный ИФ-фотодиод;
А1, А2 - ОУ ИС КР548УН1;
Tl, T2 - КТЗ 102, КТЗ 107 или КТЗ 15, КТ361, или аналогичные комплементарные (парные) транзисторы;
Т - ТМ-2А или аналогичные.
Элементы для схемы приемника на рис. 7.9. б:
R1 = 1 к-5к (регулировка чувствительности ОУ 1: К= 1+R3/R1), R3= 100к-500к, К4=10к-50к (регулировка громкости), К5=1к-5к (регулировка чувствительности ОУ2: K=1+R7/R5), К7=10к-50к, R8=10, К9=1м-2м, R10=820-1.2K, КИ=2к-Зк, К12=К13=50к-200к, К14=К15=200к-ЗООк;
С1=0.1-0.2. С2=5мкФ-20мкФ, С3=0.1-0.3, С4=1мкФ-5мкФ, С5=1мкф-10мкФ, С6=5мкФ-20мкФ, С7=50мкФ-500мкФ, С8=0.1, С9=100мкФ-500мкФ;
D 1 - тип светодиода зависит от параметров излучающего элемента,
например, для инфракрасного диапазона ФДК261, ФД-25к, ФД-8к или аналогичный ИФ-фотодиод;
D2 - стабилитрон КС168А , КС162А, КС156А , при напряжении питания 9В - КС156А, КС147А, КС139А ;
А1.А2 - ОУ К140УД8, К140УД6 идр.ОУ;
Tl, T2 - КТЗ 102, КТЗ 107 или КТЗ 15, КТ361, или аналогичные комплементарные (парные) транзисторы;
Т - ТМ-2А или аналогичные.
Как уже отмечалось, использованием широтно-импульсной модуляции можно повысить среднюю мощность излучения, КПД и, как следствие. дальность связи.
На рис.7.10 приведена схема передатчика, использующего широт-но-импульсную модуляцию излучения инфракрасного светодиода.
Элементы для схемы передатчика на рис.7.10 :
К1=4.7к, К2=4.7к, Р3=1к (задает начальное смещение на Tl, настраивают по минимуму искажений), Р.4=1к, R5=560, R6=lK, R7=20 (ограничивает ток через ИФ-светодиод, уменьшает влияние разброса параметров светодиода и повышает температурную стабильность, средний ток через излучающий диод - 250мА-ЗООмА):
С 1=2200, С2=2200, С3=0.01, С4=10мкФ;
DD1 -К153ЛАЗ;
Tl - КТЗ 102 или другие аналогичные транзисторы;
T2 - КТ815 или другие аналогичные транзисторы, возможно использование вместо Tl и T2 одного транзистора КТ827;
D1 -АЛ119А.
В оптическом приемнике, рассчитанным на работу с передатчиком, использующим широтно-импульсную модуляцию, для повышения качества передачи необходимо предусмотреть фильтрацию высокочастотных (ВЧ) составляющих, которые всегда содержатся в импульсном сигнале (в его спектре). В крайнем случае, выделение из импульсного сигнала среднего значения напряжения и фильтрация ВЧ-составляющих может осуществляться непосредственно в телефоне или в динамической головке приемника.
В приведенных устройствах, основанных на оптических методах передачи информации, используется амплитудная модуляция -АМ-мо-дуляция, т.е. передача информации за счет изменения интенсивности (яркости) луча.
Однако яркость передаваемого луча видимого и инфракрасного света может изменяться не только за счет модуляции, осуществляемой пере-
Рис.7.10. Схема передатчика с широтно-импульсной модуляцией инфракрасного излучения ИФ-светодиода.
датчиком. На яркость луча оказывает влияние среда, в которой распространяется несущий информацию луч. Свойства среды могут изменяться (туман, пыль. мелкие и крупные препятствия, и т.д.). Кроме того, как уже отмечалось ранее, инфракрасный луч хорошо отражается от препятствий (это зависит от их свойств). При этом интенсивность отраженного луча, конечно, всегда ниже прямого.
