XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оптическая линия связи
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Цель данного проекта – создание авторской модели оптической линии связи, предназначенной для наглядной демонстрации принципов оптической передачи информации на примере передачи звука.
Задача работы: изучив соответствующий теоретический материал, а также существующие технические решения и возможности отдельных узлов и деталей, которые могут быть применены в процессе изготовления изделия, разработать и изготовить модель оптической линии связи с использованием лазерного диода.
Объект исследования – лазерные диоды с различной длиной волны как ключевой элемент оптической линии связи. Предмет исследования – поиск наиболее оптимального сочетания достоинств лазерных диодов, необходимых для создания авторской модели, и их стоимости. Гипотеза – возможность создания авторской модели оптической линии связи для наглядной демонстрации принципов оптической передачи информации на примере передачи звука. Модель может быть и беспроводной, и со световодом.
Методы исследования – изучение теории с целью подготовки к созданию конструкторских решений по выбранной тематике, практические работы по изготовлению модели, её тестирование и устранение замеченных недостатков. В процессе изготовления отдельные узлы модели после их тестирования были подвергнуты необходимым корректировкам. В итоге модель прошла успешные испытания. При работе над темой были использованы: учебная литература по физике, прикладной физике, отдельным вопросам инженерии, а также интернет. Данная тема актуальна и востребована, так как современные виды связи нужны буквально на каждом шагу, как в обычной жизни, так и для рабочих моментов в различных сферах деятельности, включая спецслужбы и военных.
Практическая значимость работы и область применения: данная авторская модель предназначена в первую очередь для изучения устройства и принципов действия оптических линий связи, как с волоконной оптикой, так и без неё. Для большей наглядности электронная часть выполнена на дискретных элементах. Так же для целей наглядности электронная часть установлена снаружи корпуса и закрыта прозрачными крышками, которые защищая ее от повреждений, не препятствуют визуальному изучению устройства. Модель позволяет работать с обучающими, изучающими электронику, повышая качество учебного процесса за счёт наглядности рассматриваемого материала.
Новизной работы стала авторская техническая реализация проекта, что является отличительной особенностью представленной разработанной и изготовленной модели. В данном случае применены моноблочные (с закрытой проводкой, полностью автономные, обладающие повышенной прочностью корпуса) элементы установки (передатчик и приёмник сигнала). При этом данная конструкция позволяет не только просто использовать устройство по прямому назначению, но и применять его в учебных целях, для чего были поставлены специальные прозрачные крышки, через которые видно внутреннее устройство изделия. Металлические корпуса передатчика и приёмника выполнены в виде моноблоков для того, чтобы их можно было в учебных целях крепить в лапках универсальных штативов для точной юстировки. Кроме того, используя световод, можно также демонстрировать принципы связи с использованием волоконной оптики.
2. Используемые полупроводниковые приборы.
Физические принципы их действия
Контакт двух полупроводников (p − n - переход) обладает односторонней проводимостью. При его образовании основные носители заряда диффундируют в соседнюю область с другим типом проводимости, где концентрация таких носителей ниже. Получившиеся в результате ионы своим полем препятствуют дальнейшей диффузии. В полупроводниковом диоде один р – n - переход, в транзисторе − два [1].
Полупроводниковый диод – прибор, который хорошо пропускает ток одного направления. Условное обозначение диода, внешний вид и устройство (пластинка с 2 областями разной проводимости и р–n - переходом между ними; область n-типа – отрицательный электрод, а р- типа – положительный) – рис. 1 а – в. На рис. 2 – вольтамперная характеристика диода и состояние р –n - перехода. Прямой переход – правая часть графика. Диод хорошо пропускает ток, так как область n-типа подключена к отрицательному полюсу батареи, а область р - типа – к положительному. Вблизи р–n - перехода много основных носителей заряда и электрическое сопротивление перехода падает. При обратном подключении к батарее обратный ток очень слабый (левая часть графика), так как ток осуществляется неосновными носителями заряда. Сопротивление перехода возрастает. Образуется так называемый запирающий слой. Этот переход называют обратным [2, 3].
Светодиод – диод, создающий излучение (при рекомбинации электронов и дырок – рис. 3), если ток в прямом направлении. Диапазон излучения в основном зависит от химического состава полупроводников. Рис. 4 –внешний вид и условное обозначение.
В светодиоде имеется p – n - переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой, более низкий). То есть наряду с образованием пар электрон – дырка в полупроводниках происходит противоположный процесс – рекомбинация. Часть актов рекомбинации заканчивается выделением тепловой энергии. Она передаётся кристаллической решётке, но возможен выход энергии и в виде световых квантов.
Световод или оптический волновод – специальное устройство в виде волокна (канала) из прозрачного материала, имеющего показатель преломления, позволяющий использовать при распространении светового луча в канале явление полного внутреннего отражения. Применение световодов позволяет уменьшить потери энергии, передавать сигнал по криволинейной траектории и на большие расстояния. Без световода распространение сигнала было бы в пределах прямой видимости. (Применение зеркал, призм и линз в данном случае не рассматриваем.)
Фотодиод – приёмник преобразующий излучение в электрический заряд.Кванты излучения дают энергию для разрыва ковалентных связей. Свободные носители заряда (электроны и дырки) устремляются к р– n- переходу. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей заряда [4].
Лазерный диод– это полупроводниковый лазер на базе диода. Если дырка и электрон будут достаточно близко, то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона. Это основной источник излучения в светодиодах. Но при определённых условиях перед рекомбинацией электрона и дырки остаются рядом до микросекунд! Если в это время пройдёт фотон резонансной частоты, то он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона с такими же характеристиками (направление, фаза, вектор поляризации) [5].
В лазерном диоде полупроводниковый кристалл делают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Это как волновод. Верхний слой кристалла n-область, а нижний – р. Получается плоский p – n - переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей. Это – оптический резонатор.
Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, фотон вызовет вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами. То есть вынужденное излучение усиливается. Когда усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.
На рис. 5 – принцип излучения света полупроводниковым лазером.
Выходящий луч собирают линзой. На рис. 6 – три вывода лазерного диода (ЛД). ЛДК – катод лазерного диода, ЛДА – анод лазерного диода и общий провод. В лазерной головке находятся ЛД и ФД (фотодиод, регулирующий ток от внешнего света). Рис. 7 – указка и ЛД в разборе.
3. Беспроводные оптические линии связи
Беспроводная связь – радиосвязь – известна давно, но эфир уже перенасыщен. Поэтому у оптических линий связи очень большие перспективы.
В настоящее время существуют оптические линии связи (ОЛС): а) волоконно-оптические; б) с лазерной «пушкой»; в) с инфракрасным излучателем и приёмником; г) с кремнийорганическим оптическим волокном.
Принцип действия современной ОЛС. Лазерная связь двух объектов выполняется через атмосферу путём соединения типа «точка-точка». Информацию передают с помощью модулированного инфракрасного излучения. Передатчиком является мощный полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в специальный модуль, где происходит кодировка для помехоустойчивости и модуляция. То есть передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в ИК- диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. Полученный луч фокусируется оптической системой передатчика и передается в атмосферу. В приёмнике оптическая система фокусирует оптический сигнал на фотодиод, который выдаёт уже электрический сигнал. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса [6].
4.Лазерный диод как основа для создания оптической линии связи.
Выбор лазерной указки для изготавливаемой линии связи
Лазерная указка – это портативный прибор, в котором присутствует излучатель, генерирующий когерентные и монохроматические электромагнитные волны видимого диапазона в виде луча. Существуют указки разного цвета и типа излучателя: зелёные, синие, фиолетовые и др. [7 ].
В красных указках используется достаточно дешёвый лазерный диод (с длиной волны 650–670 нм), линза и небольшая плата для управления питанием. Мощность 1-100 мВт, реже 200 мВт. Минус этих указок – они достаточно быстро теряют свою яркость.
В распоряжении автора была также зелёная указка. Такие указки светят ярче, что заметно днём. Но фотодиод был рассчитан на красную указку.
5. Проведение первоначальных исследований со светодиодами
Выбор указки был произведён после экспериментов с красными и зелёными светодиодами и изучения их параметров, учитывая имеющийся в распоряжении автора фотодиод – приёмник сигнала изготавливаемой ОЛС. При проведении экспериментов использовали набор «Электричество-2», светодиоды, резисторы 360 Ом и 470 Ом; миллиамперметры и вольтметры.
Рис. 8 а, б – схема и фотография цепи для снятия вольтамперных характеристик (ВАХ) светодиодов. Резистор R1 включён последовательно со светодиодом для защиты от перегрузки по току. Сила тока не должна превышать 20-25 мА. Переменный резистор включён по схеме делителя напряжения. Он нужен для плавного изменения напряжения, приложенного к светодиоду. Данные для светодиодов в таблицах 1-7. По результатам построены графики. Полученные ВАХ проанализированы.
6. Изготовление модели беспроводной линии связи.
6.1. Технологические операции механической обработки деталей корпусов приёмника и передатчика
Заготовка корпуса приёмника и передатчика – брусок из алюминия, размерами 23х21х37 мм. После всех этапов механической обработки и установки электронных узлов данная деталь будет являться одновременно корпусом, защитой электронных узлов от механических повреждений, декоративным элементом – рис. 9. Благодаря механической прочности, возможна фиксация приёмника и передатчика в лапках универсальных штативов для обеспечения соосности приёмника и передатчика при работе с ними. Так же в приёмнике и передатчике используются одинаковые резьбовые втулки, выточенные на токарном станке из латунного шестигранника 14 мм. Внутренние отверстия во втулках диаметром 5 мм, длина шестигранной части 5 мм, длина резьбовой части 5 мм, длина проточки под пластиковую крышку 2 мм. Резьба М11Х1. Резьбовая втулка служит одновременно декоративным элементом, механической защитой лазерного модуля в передатчике или фотодиода в приёмнике и фиксатором прозрачной крышки электроники. Рис. 10 – изготовление резьбовой втулки на токарном станке. Рис. 11 – втулка.
В алюминиевых брусках сверлятся на токарном станке осевые сквозные отверстия диаметром 10 мм – рис. 12. Далее, с одной стороны в них нарезается резьба М11Х1 на длину 5 мм – рис. 13 а. В эту резьбу будут вкручиваться латунные резьбовые втулки. Вид на резьбовую часть осевого канала – рис. 13 б.
Общими технологическими операциями при изготовлении приёмника и передатчика является так же фрезерование на боковой поверхности паза, глубиной 4 мм, шириной 15 мм на всю длину алюминиевого бруска. В получившемся пазу устанавливается печатная плата с электронными компонентами. Боковые стенки паза хорошо защищают электронику от повреждений.
Следующий этап: изготовление пластиковых крышек электронных узлов.
Крышки изготавливаются из прозрачного поликарбоната методом сгибания с локальным нагревом при температуре 200 °С феном термовоздушной паяльной станции. В заготовке предварительно сверлится отверстие диаметром 11 мм. Далее заготовка фиксируется резьбовой втулкой на корпусе будущего приёмника или передатчика – рис. 14. В окончательном варианте крышка принимает следующий вид – рис. 15. Крышка защищает электронную часть от повреждений. Одновременно, благодаря ее прозрачности электроника доступна для визуального изучения.
6.2. Изготовление передатчика
В качестве излучателя света используется лазерный модуль, извлеченный из корпуса лазерной указки – рис. 16 а. Модуль укорачивается путем отрезания части печатной платы с выключателем – рис. 16 б.
После укорочения к токоограничительному резистору припаивается провод. Один контакт питания лазерного модуля (плюс) – это металлизированный корпус, а второй контакт (минус) подключается через токоограничительный резистор.
Далее идёт сборка в соответствии с принципиальной схемой, где использованы электретный микрофон и лазерный диод – рис. 17.
Печатная плата изготовлена путём прорезывания фольги скальпелем. После сборки печатной платы она и остальные узлы установлены в корпус. Передатчик после сборки и регулировки – рис. 18 а - в.
6.3. Сборка приёмника
В соответствии с принципиальной схемой (рис. 19) была изготовлена печатная плата и на ней распаяны электронные компоненты – рис. 20 а. Далее произведена сборка приемника, аналогично сборке передатчика – рис. 20 б.
Внешний вид комплекта из передатчика и приёмника показан на рис. 21.
7. Работа изготовленной оптической линии связи.
7.1. Работа передатчика
Звуковые колебания улавливаются электретным микрофоном и подаются на базу транзистора структуры n-p-n, через разделительный конденсатор. Резисторы R1 и R2 обеспечивают положительный потенциал на микрофоне и начальный ток базы транзистора. Транзистор выбран с высокой линейностью усиления базового сигнала. Коэффициент усиления транзистора 450. В коллекторную цепь подключен красный ЛД. Модуляция лазерного луча амплитудная. В соответствии с входными звуковыми колебаниями изменяется яркость свечения лазера.
7.2. Работа приёмника
Входной оптический сигнал попадает на светочувствительную область фотодиода. Фотодиод включен в режиме фотоэлемента и вырабатывает электрическое напряжение пропорциональное яркости входного лазерного излучения. Через разделительный конденсатор сигнал подается на базу транзистора первого каскада усилителя. Транзистор структуры n-p-n с коэффициентом передачи 160. Резисторы R1 и R2 обеспечивают начальный ток базы и коллекторный ток. С коллектора транзистора через второй разделительный конденсатор усиленный сигнал подается на базу транзистора второго каскада усиления. Транзистор структуры n-p-n с коэффициентом передачи 450. Резисторы R3 и R4 обеспечивают начальное положительное смещение для базы: приоткрыть транзистор (коллекторный ток транзистора). Параллельно резистору R4 возможно подключение наушников, низкоомного громкоговорителя или внешнего усилителя. Подключение обеспечивается путем вставления в выходное гнездо штекеров формата гнездо minijack (миниджэк). Резистор R4 обеспечивает правильный коллекторный ток выходного транзистора при работе с внешним усилителем. Если не предполагать подключение внешнего усилителя, то резистор можно исключить. При подаче питания на приемник зажигается зелёный светодиод (на печатной плате). Включение и выключение приёмника и передатчика происходит путем установки/или изъятия элементов питания формата ААА (по 2 штуки). Питание от батарей обеспечивает автономность работы блоков и возможность их установки на значительных расстояниях друг от друга (порядка нескольких метров) при проведении экспериментов.
7.3. Проведение испытаний
После сборки установки были проведены эксперименты с целью проверки работоспособности изделия и его возможности [7].
1. В вечернее время пятно размером до 20 см можно получить на стене на расстоянии около 1 км. Это возможности используемой указки.
2. В таблица 8 с экспериментальными данными для излучателя.
3. Конструкции данного типа позволяют устанавливать связь на 100 м.
4. Связь возможна и с помощью отражённого сигнала. Например, отражение луча от стёкол, от полированных поверхностей (кафель, мебель). Качество связи хорошее.
5. Чтобы уменьшить рассеяние света и увеличить дальность приёма сигнала можно применить оптику (объектив, бинокль, телескоп).
6. Испытание работы со световодом. Результаты положительные.
8. Заключение
Изготовленный комплект предназначен для наглядной демонстрации принципов оптической передачи информации на примере передачи звука. Для большей наглядности электронная часть выполнена на дискретных элементах без применения интегральных схем. Она установлена на корпусе и закрыта прозрачными крышками, которые защищая от повреждений, не препятствуют визуальному изучению устройства.
Причины популярности таких линий связи – сложность обнаружения факта связи, невозможность перехвата сообщений и подавления связи средствами радиоэлектронной борьбы. Конкретные примеры применения беспроводной оптики в «Приложении».
9 . Список использованных источников и литература
1.Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика-10. – М.: Просвещение, 2019. – 399 с.
2. Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь. − М.: Советская энциклопедия, 1984.
3.Резников З. М. Прикладная физика. – М.: Просвещение, 1989. –239с.
4. ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод. Фотодиод
5. ru.wikipedia.orgFSO (технология). Лазерный диод
6. Связь по лазерному лучу через атмосферу | Новостиrostec.ru/news/4514901
7. www.freeseller.ru/2490-svetotele...noy-ukazki.html
10. ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 1. Диод: а) условное обозначение; б) внешний вид в) устройство
Рис. 2. Вольтамперная характеристика диода и состояние р–n-перехода
Рис. 3. Рекомбинация е- и дырки Рис.4. Светодиод и условное обозначение
Рис. 5 . Принцип излучения света полупроводниковым лазером
Рис.6. В лазерной головке: ЛД (лазерный диод)и ФД (фотодиод)
Три вывода лазерного диода: ЛДК (катод), А (анод) и общий провод.
Рис. 7. Указка и лазерный диод в разборе
Р ис.8. Схема для экспериментов и фотография цепи
Таблица 1. Красный светодиод, 25 лк.
Измерители аналоговые
-
U,В
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
I, мА
0,1
0,4
0,7
1,4
2,4
Таблица 2. Красный светодиод, 25 лк. Измерители цифровые
|
U,В |
0,5 |
1,1 |
1,15 |
1,2 |
1,3 |
|
I, мА |
0 |
0 |
0,1 |
0,15 |
0,8 |
Т аблица 3. Красный светодиод, 45 лк.
Измерители аналоговые. См. график.
|
U,В |
1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
|
I, мА |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Таблица 4. Красный светодиод, 45 лк.
|
U,В |
0 |
1,8 |
2 |
2,2 |
2,4 |
2,5 |
2,6 |
|
I, мA |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
16 |
18 |
Измерители цифровые. См. график
Таблица 5. Зелёный светодиод, 26 лк.
См. график
|
U,В |
0 |
2 |
2,2 |
2,3 |
2,4 |
|
I, мA |
0 |
0 |
3 |
10 |
13 |
Таблица 6. Зелёный светодиод, 17 лк
|
U,В |
0 |
2 |
2,1 |
2,3 |
|
I, мA |
0 |
2 |
4 |
6 |
Таблица 7. Белый светодиод, 67 лк.
|
U,В |
0 |
2,6 |
2,8 |
2,8 |
2,8 |
3 |
3,1 |
3,2 |
|
I, мA |
0 |
0 |
1,4 |
1,8 |
2,4 |
4,8 |
10 |
16 |
Рис. 9. Заготовка Рис. 10. Изготовление втулки Рис.11.Втулка
Рис. 12. Сверление отверстий Рис. 13 а, б . Нарезание резьбы
Рис. 14. Фиксирование на корпусе Рис. 15. Вид крышки после сгибания
приёмника или передатчика
Рис. 16 а, б. Лазерный модуль извлекают из корпуса указки и укорачивают
Рис. 17. Принципиальная схема передатчика
Рис. 18 а - в. Передатчик в сборе
Рис. 19. Принципиальная схема преёмника
. Рис. 20 а, б. Сборка приёмника
Рис. 21. Внешний вид готового комплекта из передатчика и приемника
Таблица 8. Эксперименты с излучателем установки
|
№ опыта |
Расстояние между приёмником и передатчиком, м |
Размер пятна, мм |
Освещённость от передатчика, лк |
|
1. |
0,05 |
3 |
400 |
|
2. |
1 |
4 |
350 |
|
3. |
5 |
8 |
270 |