Оптические передатчики и приемники для средств связи

В качестве среды передачи информации может использоваться свет. Это может быть обычный (видимый) свет или инфракрасное излучение - инфракрасные лучи.

Рассмотерны схемы простых оптических передатчиков для светотелефонов (фототелефонов) с использованием простых ламп накаливания, а также ИК-диодов.

Простые оптические передатчики

Устройство на рисунке 1 (а) обеспечивает передачу информации АМ-модуляцией (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) - форсирующая линза или рефлектор.

Рис.1. Схемы передатчиков с модуляцией (АМ) луча света: а - видимого (лампа накаливания), б - инфракрасного (ИФ-светодиод).

Элементы для схемы передатчика светотелефона с модуляцией луча видимого света, рисунке 1 (а) :

• R1=50к-100к (определяет входное сопротивление устройства),
• R2-300к, R3=300к (регулировка начального тока через излучающий элемент - лампочку накаливания),
• R4=300к, R5=1к-5к, R6=100к-300к (коэффициент усиления каскада на ОУ - 1+R5/R6),
• 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;
• A1 - ОУ К140УД8 или аналогичные ОУ, напряжение питания может быть увеличено или уменьшено до уровня, которое допускают технические условия на ОУ.
• Т1 - КТ3102 или другие аналогичные транзисторы;
• Т2 - КТ815 или другие аналогичные транзисторы, возможно использование вместо Т1 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 выполняется так: переменным резистором RЗ устанавливается рабочая точка выходною транзистора (ОУ, Т1, 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 нескольких процентов.

Величина начального тока и величина R7 зависят от типа используемой лампочки. Величина начального тока выбирается 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 светоизлучающих 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 дистанционною 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 рисунке 1 (б). Схема и ее настройка во многом аналогичны предыдущей схеме оптического передатчика (рисунок 1, 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.

Элементы для схемы передатчика для светотелефона (фототелефона) с модуляцией инфракрасного излучения (рисунок 1, б) :

• R8=8-10 (ограничивает ток через ИФ-светодиод, уменьшает влияние разброса параметров светодиода и повышает температурную стабильность, средний ток через излучающий диод - 250мА-300мА);
• D1 - АЛ119А.

Переменным резистором RЗ 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 предыдущем случае, необходимо выполнить взаимную ориентацию излучающего элемента передатчика и датчика приемника.

Схемы оптических приемников

На рисунке 2 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.2. Схемы оптических приемников: а - приемник на ИС К548УН1А, б - приемник с полевым транзистором и ОУ.

Элементы для схемы приемника на рисунке 2, а:

• R1=1к-5к (регулировка чувствительности ОУ1: K= 1+R3/R1),
• R2=200к-300к, R3=100к-500к, R4=30к-100к (регулировка громкости),
• R5=1к-5к (регулировка чувствительности ОУ2: К=1+R7/R5),
• R6=200к-ЗООк, R7=10к-50к, R8=10, R9=300к-500к, R10=300к-500м ;
• С1=0.1-0.2, С2=5мкФ-20мкФ, С3=0.1-0.3, С4=0.3-5мкФ, С5=1мкф-10мкФ,
• С6=5мкФ-20мкФ, С7=50мкФ-500мкФ, С8=0.1, С9=100мкФ-500мкФ, С10=0.1-0.3;
• D1 - 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;
• Т1, Т2 - КТ3102, КТЗ107 или КТ315, КТ361, или аналогичные комплементарные (парные) транзисторы;
• Т - ТМ-2А или аналогичные.

На рисунке 2 (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-30В. Приведенный оптический приемник может быть использован в составе фотоприемопередатчика как для света видимого диапазона, так и для инфракрасного излучения.

На рисунке 2 (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 рисунке 2 (6):

• R1=1 к-5к (регулировка чувствительности ОУ 1: К= 1+R3/R1),
• R3= 100к-500к, R4=10к-50к (регулировка громкости),
• R5= 1 к-5к (регулировка чувствительности ОУ2: К=1+R7/R5), R7=10к-50к,
• R8=10, ЯR9=1м-2м, R10=820-1.2к, R11=2к-3к, R12=R13=50к-200к, R14=R15=200к-300к;
• 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;
• D1 - 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 и др. ОУ ;
• Т1, Т2 - КТЗ102, КТ3107 или КТ315, КТ361, или аналогичные комплементарные (парные) транзисторы;
• Т - ТМ-2А или аналогичные.

Оптический переадтчик с ШИМ-модуляцией

Как уже отмечалось, использованием широтно-импульсной модуляции можно повысить среднюю мощность излучения, КПД и, как следствие, дальность связи.

На рисунке 3 приведена схема передатчика, использующего широтно-импульсную модуляцию излучения инфракрасного светодиода.

Рис.3. Схема передатчика с широтно-импульсной модуляцией инфракрасного излучения ИФ-светодиода.

Элементы для схемы передатчика на рисунке 3 :

• R1=4.7к, R2=4.7к, R3=1 к (задает начальное смещение на Т1, настраивают по минимуму искажений),
• R4=1 к, R5=560, R6=1 к,
• R7=20 (ограничивает ток через ИФ-светодиод, уменьшает влияние разброса параметров светодиода и повышает температурную стабильность, средний ток через излучающий диод - 250мА-300мА);
• С1=2200, С2=2200, С3=0.01, С4=10мкФ;
• DD1 - К153ЛАЗ;
• Т1 - КТ3102 или другие аналогичные транзисторы;
• Т2 - КТ815 или другие аналогичные транзисторы, возможно использование вместо Т1 и Т2 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.

Заключение

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 передатчиком. 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.

Из всего сказанного ясно, что АМ-модуляция, схемная реализация которой достаточно проста, не обеспечивает высокого уровня помехозащищенности и качества.

В значительной степени решить эти проблемы, как и в случае радиосвязи, удается использованием частотной модуляции - ЧМ-модуляции. Для этого вида модуляции информация передается уже не изменением интенсивности (амплитуды) луча, а изменением частоты модулирующих колебаний.

ЧМ-модуляция позволяет придать связной аппаратуре новые потребительские свойства. Так; например, для случая инфракрасного излучения теряется разниц между прямым и отраженным лучом. Однако для корректной работы таких устройств связи необходимо, чтобы интенсивность принимаемого луча была выше граничной.

Качество передачи от замены прямого луча на отраженный не изменяется, т.к., следует напомнить, информация передается изменением частоты. Это позволяет в помещениях не очень заботиться о взаимной ориентации передатчика и приемника.

При эксплуатации устройств, использующих оптические и индукционные методы передачи информации, не требуется каких-либо разрешений.

Литература: Рудомедов Е.А., Рудометов В.Е - Электроника и шпионские страсти-3.