logo

Главная Примеры схем и проектов Светодиодные линии связи

Светоизлучающие диоды в линиях связи

Печать
Схемотехника - Схемотехника и конструирование схем

 

Для передачи информации в настоящее время широко используются не только радиочастотные линии связи. Очень хорошо себя зарекомендовали средства связи в оптическом диапазоне частот. В некоторых случаях переход на оптическую связь позволяет значительно упростить конструкцию и настройку устройств связи, а также повысить их пропускную способность. Для связи в оптическом диапазоне частот могут использоваться излучатели различных видов: лампы накаливания, газоразрядные приборы, полупроводниковые светоизлучающие диоды, лазерные излучатели различных конструкций. В качестве линий связи чаще всего выступают либо окружающая среда (атмосфера), либо специальные световоды (оптические волноводные линии).

Основные свойства связи в оптическом диапазоне частот определяются теми свойствами, которые присущи электромагнитным волнам данного диапазона. А это в первую очередь: прямолинейное распространение практически без какой-либо заметной способности огибать препятствия, быстрое затухание в атмосфере, а также сильная зависимость степени этого затухания от частоты и погодных условий. Другие свойства определяются физическими принципами, на которых основаны оптические излучательные и приемные устройства (трудоемкость получения когерентных узкочастотных колебаний, ограниченное быстродействие источников излучения, ограниченная чувствительность и относительная широкополосность приемных систем и т.п.). Все это не позволяет относиться к оптическим средствам связи как к универсальной технологии решения всех проблем передачи информации, однако в некоторых областях они оказываются лучшим вариантом.

На сегодняшний день самое большое распространение получили простые устройства оптической передачи информации на основе обычных светоизлучающих диодов. Это объясняется их относительной дешевизной, высокими характеристиками быстродействия, низким энергопотреблением и т.п. Такие устройства применяются в системах дистанционного управления бытовой радиоаппаратуры, в интерфейсах связи компьютеров с периферией, в системах охраны и т.п. Практически всегда предпочтение отдается инфракрасному диапазону длин волн. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, именно в ИК-диодах (светоизлучающие диоды инфракрасного диапазона) на сегодняшний день удается получить максимальную мощность излучения и добиться максимальной эффективности. Во-вторых, в данном диапазоне существуют т.н. “окна прозрачности” — диапазоны частот, в которых прозрачность атмосферы значительно выше ее прозрачности в видимом диапазоне. Дополнительный выигрыш в дальности связи достигается при применении импульсного режима работы ИК-диодов. При необходимости излучатели и приемники могут дополняться различными оптическими фокусирующими системами, которые сужают их диаграмму направленности и также увеличивают дальность связи.

Схемы включения ИК-диодов в принципе аналогичны цепям, описанным выше для индикаторных светодиодов. Отличие обычно состоит лишь в рабочем токе этих приборов. Например, типовые широко распространенные ИК-диоды типа АЛ107 в нормальном режиме требуют ток порядка 100 мА, а при переходе к импульсному режиму допустимы значения более 1 А. Это приводит к тому, что в качестве управляющего транзистора должны применяться не классические для малосигнальных цепей КТ315, КТ361, а приборы относящиеся к среднему классу мощности, например, КТ815, КТ603, КТ972 и т.п. (следует обращать внимание и на частотные параметры транзисторов, которые должны выбираться в зависимости от частоты модулирующего сигнала и допустимой длительности переходных процессов в схеме). Относительно большой базовый ток таких транзисторов, как правило, не позволяет коммутировать их непосредственно с выхода малосигнальных управляющих цепей (например, построенных на базе типовых цифровых ИМС). Поэтому в цепь обычно вводится дополнительный ключевой элемент на маломощном транзисторе (“вездесущие” КТ315 или КТ361 с этой задачей с успехом справляются). Примеры простых схем управления ИК-диодами представлены на рис. 3.7‑21, 3.7‑22.

 

Рис. 3.7-21. Схема управления ИК-диодами (вариант 1)

 

Рис. 3.7-22. Схема управления ИК-диодами (вариант 2)

 

В большинстве случаев ИК-диоды используются в импульсном режиме для передачи цифровых данных. Однако их можно применять и в аналоговых линиях связи. В этом случае задается некоторый постоянный ток через диод, значение которого для наибольшей дальности связи выбирается близким (но несколько ниже) к максимально допустимому постоянному току диода. Далее на диод подается дополнительный аналоговый сигнал, который модулирует излучаемый диодом световой поток. Необходимо следить за тем, чтобы мгновенное значение тока в диоде при всех условиях не превышало максимально допустимую для данного диода величину. Пример устройства, работающего в таком режиме приведен на рис. 3.7‑23. Это простой “звуковой удлинитель”, который может быть приспособлен к телевизору, магнитофону, радиоприемнику и т.п. Он позволяет, например, дистанционно прослушивать телепередачи через головные телефоны.

 

Рис. 3.7-23. Устройство для передачи звука по ИК-каналу

 

Как видно из представленной на рис. 3.7-23,б схемы приемного узла, ИК-диоды могут использоваться и в качестве приемников световых излучений. Это объясняется довольно просто: в электрическом переходе диода кроме процесса генерации квантов света при рекомбинации носителей зарядов возможен и обратный процесс — поглощение излучения с соответствующей частотой с образованием электронно-дырочных пар в области перехода. Конечно, применение т.н. фотодиодов (эти полупроводниковые приборы в настоящей книге не описываются) позволяет улучшить чувствительность приемной системы, но в некоторых случаях (например, для диодов АЛ107) неплохие результаты достигаются и при использовании однотипных ИК-диодов на обоих концах линии связи.

Используя описанные решения можно строить не только простейшие устройства комнатного радиуса действия, но и достаточно сложные “дальнобойные” системы. Для этого светоизлучающий и приемный диоды дополняются простой фокусирующей системой. Такая система (рис. 3.7-24) представляет собой стеклянную линзу диаметром 50...100 мм. Диод помещается в один из фокусов этой линзы. Важно, чтобы стекло, из которого сделана линза, обладало высокой прозрачностью в инфракрасном диапазоне длин волн. Кроме этого, для полного использования всего излучаемого диодом светового потока (ширина диаграммы направленности для диода АЛ107 составляет порядка 40°) необходимо, чтобы отношение диаметра линзы к ее фокусному расстоянию было больше единицы. Оптическую систему удобнее всего монтировать в отрезке пластиковой или металлической трубы, поместив в одном ее торце линзу, а в другом заглушку с отверстием по середине для размещения в нем ИК-диода. В процессе настройки оптической системы точное положение ИК-диода должно подбираться. Вместо линз могут использоваться вогнутые зеркала с внешним напылением, в этом случае светодиод размещается в фокусе зеркала излучающей стороной в сторону зеркала. Применение более сложных оптических систем в простых устройствах на ИК-диодах нерационально.

 

Рис. 3.7-24. Фокусирующая система, увеличивающая дальность и направленность оптической связи

 

Основной особенностью оптической линии связи с фокусирующими линзами является очень узкая диаграмма направленности. Поэтому весьма важны тщательное крепление и точное позиционирование оптических узлов. Во время эксплуатации необходимо постоянно следить за чистотой поверхностей линз, загрязнение которых может привести к нарушению связи.

На базе описанного решения можно строить линии связи, которые в дневное время обеспечивают дальность до 1,5...2 км, а в ночное при чистой атмосфере и в отсутствие мешающих источников света — в два-три раза дальше. Единственным условием остается прямая видимость между приемной и передающей системами. Если посторонний объект загораживает линию связи на любом ее участке, связь нарушается. Это можно использовать для построения систем охраны, фиксирующих перемещение любого объекта внутрь или извне охраняемой зоны (например, перемещение человека через забор). В таких системах мгновенное нарушение связи означает срабатывание охранной сигнализации.

Для повышения чувствительности приемного узла входной усилитель можно выполнить на полевом транзисторе (рис. 3.7-25).

 

Рис. 3.7-25. Входной усилитель приемного устройства с ИК-диодом

 

В заключение следует отметить, что инфракрасные светодиоды также широко применяются и в оптических волноводных линиях связи. Специально для использования в таких цепях выпускаются излучающие диоды совмещенные с отрезками световодов и легко согласующиеся с линиями. Однако в наиболее эффективных современных системах предпочтение отдается когерентным излучателям, способным обеспечить гораздо более высокую плотность каналов передачи в одной линии связи и более высокую скорость передачи информации.

 

 

 



Все права защищены © 1997-2011 Перепечатка возможна только по согласованию с владельцем авторских прав. admin@club155.ru

Яндекс.Метрика               Сервер радиолюбителей России - схемы, документация,

 соревнования, дипломы, программы, форумы и многое другое!   схемы новости электроники