Wie überträgt man Daten mit einem Laserstrahl? [geschlossen]

Meine Antwort bezieht sich auf die Verwendung von Laserdioden.

Die Verwendung eines Lasers zur Übertragung optischer Informationen erfordert ein wenig Wissen. Das erste Wissensbit ist der Schwellenstrom , der benötigt wird, damit das Gerät mit dem Lasern beginnen kann. Unterhalb dieses Stroms ist das Lasern schlecht oder null und es gibt eine Zeitverzögerung bei der Rückkehr zum Lasern, wenn der Strom wieder ansteigt. Dies bedeutet, dass Ihre Daten unterbrochen werden können. Wenn Sie also ein gutes System wollen, bleiben Sie über der Laserschwelle. Dieser Schwellenwert ist jedoch temperaturabhängig: -

Bildquelle

Wo stellen Sie also den Durchlassstrom ein, um die wahrscheinlichen (oder möglichen) Temperaturschwankungen abzudecken (unter Berücksichtigung der Eigenerwärmung des Geräts). Was ist damit: -

Wenn ich einen Mindeststrom von 55 mA wähle, kann ich immer Laserlicht erzeugen. Siehe die blaue Linie, die ich dem Bild oben hinzugefügt habe. Aber wenn die maximale Ausgangsleistung 10 mW beträgt, kann ich das Licht nicht mit einem Strom von mehr als etwa 65 mA bei 0 °C modulieren. Dies gibt mir eine Lichtleistung, die zwischen etwa 6 mW und 10 mW bei 0 °C und zwischen etwa 1 mW und 3 mW bei 50 °C variiert.

Aber Sie könnten einen anspruchsvolleren Ansatz wählen. Sie könnten den durchschnittlichen Laserstrom mit einem Thermistor mit der Temperatur ansteigen lassen. Bei 0 °C beträgt der durchschnittliche Strom also etwa 52 mA und bei 60 °C etwa 78 mA. Dadurch wird die unmodulierte Lichtleistung nun über den gesamten Temperaturbereich auf 5 mW positioniert.

Dies ist wichtig, da Sie jetzt die Lichtleistung zwischen 1 mW und 10 mW modulieren können - dies wird (übrigens) als Extinktionsverhältnis bezeichnet, dh das Verhältnis zwischen hellster und dunkelster Laserlichtleistung.

Es ist jedoch immer noch ein wenig schwierig, denn um 1 mW auf 10 mW bei 0 ° C zu bringen, ist eine Stromänderung von etwa 25 mA erforderlich, während Sie bei 50 ° C selbst mit 100 mA nie ganz 10 mW erreichen, aber möglicherweise 1 mW bis 9 mW bei einer Stromänderung von 45 mA.

Daher verringert sich die Laserausgangsverstärkung mit der Temperatur.

Ich arbeite an diesen beiden Punkten (Schwellenwert und Verstärkung der Temperaturempfindlichkeit), denn machen Sie sich keine Illusionen, um ein zuverlässiges Freiraum-Übertragungssystem über eine Lücke von 20 Metern zum Laufen zu bringen, sind alle möglichen Optimierungen erforderlich, damit es erfolgreich funktioniert.

Sie benötigen einen kleinen (aber nicht parallelen) "Ablenkungswinkel", um Ihr System nutzbar zu machen, aber aus diesem Grund empfangen Sie (bestenfalls) Mikrowatt auf 20 Metern und Sie befinden sich möglicherweise "im Rauschen" Ihres Systems Empfänger.

Denken Sie nur an dieses winzige kleine Fenster in Ihrer Fotodiode (ja, verwenden Sie eine Fotodiode für die Geschwindigkeit) - Sie haben möglicherweise eine aktive Fläche von 1 Quadratmillimeter. Wenn Ihr Laser ein 20 m entferntes Ziel mit einer Fläche von 100 mm x 100 mm beleuchtet, haben Sie Ihre durchschnittliche Leistung von 5 mW dünn über 10.000 mm² verteilt, und so erfasst Ihr Empfängerfenster nur 500 nW, und das ist nur an einem guten Tag!

Unterschätzen Sie nicht die Schwierigkeiten und das Kopfzerbrechen. Unterschätzen Sie nicht die Zeit, die Sie möglicherweise damit verbringen, das äquivalente Eingangsrauschen dieser oder jener Fotodiode zu verstehen. Das ist machbar, aber auch sehr knifflig. Wählen Sie eine Fotodiode, die so groß wie möglich ist, aber nicht so groß, dass sie für die Datenrate zu langsam ist. Wenn Sie 4 mm² erreichen können, haben Sie die Empfangsleistung im Vergleich zu 1 mm² vervierfacht.

Wenn Sie ein Objektiv verwenden (oder ein Objektiv benötigen), montieren Sie es am Laserende und nicht am Fotodiodenende. Die Montage am Fotodiodenende ist viel weniger effektiv, da das Objektiv nur die Leistung empfangen und fokussieren kann, die auf das Objektiv trifft. Daher ist eine kleine Empfängerlinse von mäßigem Nutzen im Vergleich zu einer Linse am Laser, die zum Fokussieren eines leicht divergenten Strahls verwendet wird.

Der am einfachsten zu verwendende Lasertyp ist ein Diodenlaser . Die Verwendung so ziemlich jeder anderen Art von Laser ist ein enormer Aufwand, also bleiben Sie dabei. Diodenlaser können extrem schnell schalten, bis zu dem Punkt, an dem der begrenzende Faktor normalerweise die Treiberschaltung ist. Es ist relativ unwahrscheinlich, dass Sie bei einer so hohen Geschwindigkeit umschalten müssen.

Für den Empfänger wird die Geschwindigkeit der Komponente eher zu einem Flaschenhals. Ein Fototransistor schaltet typischerweise im Hunderter-KHz-Bereich, was möglicherweise nicht ausreicht. Wenn Sie eine schnellere Beruhigung benötigen, können Sie eine Fotodiode verwenden. Dieser schaltet mit 5 ns, was für Ihre Anwendung sicherlich ausreicht.

Bearbeiten: Da Sie 5 kBps angeben, sollte ein Fototransistor in Ordnung sein. Außerdem verwenden Sie bereits einen Laser, sodass Sie wahrscheinlich keine Linse benötigen ...

Ich rate davon ab, IR-Komponenten zu verwenden, aus keinem anderen Grund, als dass Sie sie nicht sehen können. Für diese Art von Versuchsaufbau ist ein sichtbarer Strahl viel einfacher auszurichten und zu diagnostizieren. Außerdem sorgt es für eine viel effektivere Demonstration.

Der Mut eines kleinen Laserpointers könnte für den Sender funktionieren. Pro = mehr als genug Strahlkraft für wenige Meter. Con = erfordert eine punktgenaue Ausrichtung mit dem Empfänger. Alternativ erhalten einige rote LEDs mit sehr hoher Helligkeit ihre Helligkeitsspezifikation durch eine sehr schmale Strahlbreite. Nicht annähernd so schmal wie ein Laserpointer, daher sollte er über einige Meter genug Strahlstreuung haben, um die Ausrichtung weniger kritisch zu machen.

Beginnen Sie mit etwas Einfachem wie einer 100-Hz-Rechteckwelle. Leiten Sie am Empfänger die wiederhergestellte Wellenform direkt an den Audioverstärker und Lautsprecher weiter. Wenn das funktioniert, erhöhen Sie die Frequenz, bis Sie einige kHz erreichen. Wenn die wiederhergestellte Wellenform schön und quadratisch ist, deutet dies darauf hin, dass höhere Frequenzen einen Versuch wert sind.

5 kBps sind 40 kHz, die Sie nicht direkt hören können. Jedoch ist, wie oben angegeben, lesbare Sprache mit viel niedrigeren Datenraten möglich.

Hinweis - Seien Sie sehr vorsichtig mit dem Augenschutz.