Zbuduj własne Laserowe łącze komunikacyjne

Laserowe łącze komunikacyjne służy do zabawy. Nie jest to urządzenie szczególnie praktyczne, choć być może znajdziesz dla niego zastosowania wykraczające poza rozrywkę i naukę. Jeśli tak, to gratulacje! Jak wiadomo, każdy projekt staje się ciekawszy, gdy doda się do niego laser.

Czym więc jest laserowe łącze komunikacyjne? Jest to urządzenie umożliwiające przesyłanie głosu lub muzyki za pomocą wiązki laserowej. Transmisja może odbywać się na drugą stronę pokoju, wzdłuż korytarza, a nawet na większe odległości. Jakość dźwięku jest daleka od standardu Hi-Fi, a prawidłowe działanie wymaga wykonania kilku regulacji. Nie są one jednak szczególnie trudne.

Podczas testów i prób mój 10-letni wnuk, Zak, był w stanie rozmawiać przez to urządzenie na odległość około 15 metrów, wykorzystując do tego nasz korytarz. Trzeba jednak przyznać, że utrzymanie właściwego ustawienia na takiej odległości było wyzwaniem. Uginające się podczas chodzenia deski podłogowe powodowały bowiem niewielkie przemieszczenia urządzeń, przez co wiązka laserowa przestawała trafiać dokładnie w odbiornik.

Zachowaliśmy niewielką gęstość upakowania elementów oraz duże pola lutownicze, ułatwiające montaż początkującym elektronikom. Najtrudniejszą czynnością podczas budowy tego projektu jest wykonanie otworów i wycięć w obudowie. Płytkę nadajnika zaprojektowaliśmy tak, aby można było korzystać z niej również bez obudowy, jednak naszym zdaniem wersja umieszczona w obudowie jest znacznie praktyczniejsza i wygodniejsza w użytkowaniu.

Zak z przyjemnością wywiercił otwory montażowe, ale wykonanie większego otworu pod głośnik pozostawił moim, bardziej doświadczonym rękom.

Podczas budowy urządzenia podzieliliśmy montaż płytki drukowanej na dwa etapy, z których każdy zajął około godziny. Dodatkowo jedno spotkanie poświęciliśmy na wiercenie i przygotowanie obudów, a kolejne na końcowy montaż oraz uruchomienie układu.

Postanowiłem złożyć jeden egzemplarz razem z Zakiem. W ten sposób mogłem pokazać mu, co należy robić, a zdobyte doświadczenie pozwoliło mu samodzielnie wykonać większość prac. Starsi konstruktorzy prawdopodobnie poradzą sobie szybciej i bez większej pomocy.

Zacznijmy od ostrzeżenia. W urządzeniu zastosowano laser (mogliśmy użyć diody LED emitującej podczerwień, ale nie byłoby to nawet w połowie tak efektowne). Wykorzystaliśmy diodę laserową o mocy 1 mW i zaprojektowaliśmy jej sterownik w taki sposób, aby nie mógł dostarczyć większej mocy. Dzięki temu laser pracuje z mocą mieszczącą się w zakresie urządzeń klasy 2. Jest to ten sam poziom mocy, z jakim mamy do czynienia w przypadku typowego wskaźnika laserowego.

Laser klasy 2, którego używamy, wywołuje naturalny odruch mrugania, dlatego większość osób automatycznie odwraca wzrok od wiązki. Nie powoduje on uszkodzenia wzroku, chyba że ktoś celowo wpatruje się w wiązkę przez dłuższy czas. Stosowanie okularów ochronnych podczas pracy z takim laserem zazwyczaj nie jest konieczne. Laser tej klasy nie stwarza również ryzyka oparzenia skóry ani uszkodzenia materiałów.

Dodatkowo, dla bezpieczeństwa, zaprojektowaliśmy układ tak, aby dioda laserowa pracowała przy 60% swojego standardowego prądu roboczego. Dzięki temu średnia moc wyjściowa lasera jest znacznie niższa niż 1 mW, co zapewnia zapas niezbędny do zastosowania modulacji amplitudy wiązki laserowej w celu transmisji sygnału audio.

Wiązki laserowe charakteryzują się bardzo małą rozbieżnością, a nawet laser o mocy 1 mW może powodować zakłócenia widzenia z odległości znacznie przekraczającej 100 m. Dlatego nigdy nie należy kierować go w stronę ludzi ani pojazdów. Jeśli budujesz to urządzenie z dzieckiem, upewnij się, że w pełni rozumie ono, iż nigdy nie wolno kierować wiązki laserowej w stronę ludzi, i nadzoruj je podczas użytkowania.

Zasada działania

Wiele urządzeń w naszym codziennym życiu wykorzystuje sygnały przesyłane bezprzewodowo. Telewizory, radia i telefony komórkowe korzystają z transmisji sygnałów elektrycznych za pomocą fal radiowych. Są w nich zainstalowane anteny dostosowane do odpowiedniego pasma częstotliwości (zarówno w nadajniku, jak i w odbiorniku).

W tym projekcie przesyłamy informacje audio drogą optyczną, wykorzystując światło (wiązkę laserową) jako nośnik. Sam sygnał audio jest nakładany na światło za pomocą modulacji amplitudy. Oznacza to, że zmieniamy intensywność wiązki laserowej, aby przenosiła informacje audio, które chcemy przesłać.

Można to sobie wyobrazić jako system radiowy pracujący z częstotliwością 430 THz (teraherców), choć promieniowanie elektromagnetyczne o takiej częstotliwości z pewnością zachowuje się nieco inaczej niż przy częstotliwościach 430 MHz czy 5 GHz!

Amplitudę wiązki laserowej możemy modulować, zmieniając prąd przepływający przez laser, co jest prostym sposobem realizacji modulacji amplitudowej (w zasadzie podobnie robi się to w przypadku częstotliwości radiowych). Po stronie odbiornika musimy wykryć światło lasera i w jakiś sposób przekształcić tę modulację amplitudową w sygnał elektryczny, który można przesłać do głośnika (czyli zdemodulować sygnał).

Nasze podejście polega na użyciu fototranzystora i odfiltrowaniu składowej stałej odbieranego prądu poprzez przepuszczenie go przez kondensator połączony szeregowo. Pozostała składowa zmienna prądu, odpowiadająca zmianom intensywności odbieranego światła laserowego, jest podawana na wejście wzmacniacza.

Zarówno nadajnik, jak i odbiornik są tak proste, jak to tylko możliwe, ponieważ jest to projekt edukacyjny. W rzeczywistych systemach komunikacji laserowej stosuje się znacznie bardziej złożone rozwiązania, ale celem tego projektu jest nauka i zabawa.

Laserowe łącze komunikacyjne składa się z dwóch części: nadajnika i odbiornika. Każda z nich mieści się w standardowej obudowie Jiffy: UB3 (130 mm × 67 mm) dla nadajnika i UB2 (197 mm × 112 mm) dla odbiornika.

Nadajnik pokazano na zdjęciu tytułowym. Obudowa zawiera układ współpracujący z mikrofonem elektretowym, układ polaryzacji, przetwornik napięciowo-prądowy oraz sam laser.

Zastosowaliśmy stałe napięcie polaryzujące diodę laserową, ustawiające prąd na poziomie około 20 mA. Okazało się, że wartość ta jest wystarczająca dla wszystkich testowanych przez nas diod laserowych i umożliwia bezproblemowe korzystanie z nadajnika.

Połączone napięcie polaryzacji i sygnał audio zasilają przetwornik napięciowo-prądowy, zbudowany z pięciu tranzystorów tworzących buforowany wzmacniacz operacyjny. Jako źródło światła wybraliśmy moduł laserowy Keyes (Altronics Z6370). Są to bardzo powszechnie dostępne moduły rozszerzeń do Arduino.

W podstawie obudowy zamontowaliśmy podnośnik śrubowy, wykorzystując nakrętkę i śrubę o średnicy 3/16 cala, które znaleźliśmy w domowych zapasach. Jest on przyklejony do kawałka płytki drukowanej (równie dobrze sprawdzi się nakrętka i śruba M5 lub M6). Umożliwia to precyzyjną regulację nachylenia nadajnika, co przy większych odległościach jest niezbędne do ustawienia go w jednej linii z odbiornikiem.

Odbiornik mieści się w znacznie większej obudowie, co widać na zdjęciu tytułowym. W obudowie znajduje się płytka drukowana z fototranzystorem i wzmacniaczem, a także głośnik o średnicy 100 mm. Odbiornik wyposażono w regulator czułości, który pełni również funkcję regulatora głośności.

Poziom natężenia światła docierającego do odbiornika będzie się znacznie zmieniał w zależności od odległości oraz od tego, jak precyzyjnie skierowany jest laser. Oznacza to, że fototranzystor musi pracować w szerokim zakresie natężenia światła. Osiągamy to poprzez regulację rezystancji obciążenia fototranzystora.

Wpływa ona również na głośność, dlatego nie ma potrzeby stosowania oddzielnej regulacji głośności.

Mimo że laser pracuje z małą mocą, wytwarza wiązkę o dość dużej intensywności. Możemy to wykorzystać, aby ułatwić celowanie, przyklejając kawałek białego papieru nad otworem odbiornika, przed fototranzystorem. Umieściliśmy na nim znacznik celu, aby mieć wyraźny punkt celowania.

Korzyści z tego rozwiązania są dwojakie: widzimy dokładnie, gdzie należy wycelować, a papier rozprasza światło lasera wewnątrz obudowy odbiornika, dzięki czemu pada ono na fototranzystor nawet wtedy, gdy celowanie nie jest idealnie precyzyjne. Okazało się, że jest to najlepszy sposób na zapewnienie poprawnego działania urządzenia nawet na dość dużych odległościach.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz