可见光通信电路[使用红外线]

您可以使用这个简单的可见光通信电路，通过红外线以极高的精度发送音频和数字信息，距离超过一英里。

光通信器电路的主要特征可以与以下几点来理解：

• 输出功率= 5米瓦瓦
• 50 kHz载波信号的调频操作
• 带宽=300至3000 Hz
• 没有镜头，射程约为40英尺。
• 具有3直径光学或放大镜，范围可以在一英里增加。

拟议的光通信电路的主要功能是实现语音或音乐信号的直线点对点传输，最长可达一英里。

另一个伟大的应用是远程“断梁”安全警报系统，在这个系统中，横梁可以放置在一个很长的限制区，当有人断线时，就会发出警报。

了解参数

在进行光束通信器的实际建筑之前，让我们首先讨论一些光学术语和参数。

PIN二极管：它是一种光敏二极管，具有几纳秒的反应时间。它可以采用在光电导模式中，其中通过它的电流量取决于入射的光，或者当在光伏功能中使用时，其上的电压取决于光（参见图1）。

光电晶体管：它实际上是一个晶体管，其基极电流取决于光。集电极电流为=基本电流x设备增益。反应时间只有几微秒左右。

阿灵顿：当同一封装中的两个晶体管连接在特定的高增益配置中时，它就构成了达林顿。在阿灵顿光电晶体管中，第一个晶体管是光电晶体管，第二个是任何标准BJT。响应时间可能在百分之一微秒左右。

探测器区域：它可以定义为二极管探测器聚集光的面积（平方英寸或毫米）。大多数PIN二极管使用塑料外壳，其工作原理类似于直射透镜，其累积区域为0.01至0.025平方英寸。在计算透镜增益时，该区域非常重要。

平方反比定律：这实际上是几乎所有光通信设备中的“关键元素”。简单地说，它表示，如果您在发射器和接收器上增加范围，则通过距离的平方，信号的容量变小。例如，如果您在发射器和接收器之间使用10英尺的距离获得9微型电源，您可以预期只能获得一个微大的能量，以便您将距离达到30英尺。

跨阻抗放大器：它是具有极低输入阻抗的放大器。通常称为电流 - 电压转换器，这些特殊放大器在许多情况下可以在光学器件中找到。由于它们的低阻抗负载，这些可通过光电二极管保证最佳电流。他们能够提供高达几百兆赫兹的带宽。

镜头增益:它是镜头面积与探测器面积的比率。如果透镜的面积大于探测器的面积，那么从透镜中收集的光就会更多。在计算透镜增益时，应考虑透镜损耗和聚焦误差(合起来约为15%)。

红外线的：光谱靠近红颜色（约800纳米）的区域。许多红外LED在880纳米或940纳米处发出。大多数硅传感器在约900纳米左右显示出最高响应性。红外线采用主要是因为几乎所有的红色（可见光）LED难以发现它易于产生1/2毫瓦的电力，但无数的IR LED具有10毫瓦或更高的输出。

准直：这个术语指的是：瞄准在一条直线上。每当光通过平行从源移动来光束，而不是与一个扩散锥体，如准直它被识别。即使它不能够创造出真正的准直光束，所述发射器的透镜，使试图实现这一点（参见图2）。

分歧它被理解为光线的“消散”。简单地说，发散的光束与准直的光束是相反的。几乎所有的光都以发散的方式扩散，有些可能比其他的稍微多一点。如果你能够创造出一束发散度为零的光线(这是不可能的)，它就永远不会遵循平方反比定律。

这意味着，它可能会引导一束光到无限的距离，因为能量不会向外扩散或分散。

与其他普通光源相比，您将在激光束灯中发现非常少的分歧。大多数斑点灯都设计成具有较低的分歧，而洪水灯具有大量的分歧（FIG2）。

响应性：它由探测器的光信号和电信号之间的关系确定。通常，PIN二极管的该值为每瓦0.4安培到0.6安培。因此，如果一个1 mW的光入射到PIN二极管上，我们可以预期从它流出的电流为0.4 mA到0.6 mA。关于该属性，提议的可见光光束通信可使用100 pA的电流水平或200 pW的光功率工作。

交流和直流灯：当你通过开关LED灯时，你基本上是在从LED灯中产生一个交流光源。如果你用恒定的直流电照亮它，那么它就会变成直流光源。这种现象很重要，因为大多数光源中可能有一些交流痕迹和一些直流痕迹。

使用白炽灯泡的手电筒，通过它们展示大量的直流灯和少量的AC光。我们的阳光是巨大的AC和DC光线。荧光灯发出一些DC，但很多AC。

在所提出的可见光通信电路中，上述现象至关重要，因为操作基于直流的光接收器可能会遇到大量交流光源，包括太阳光，这会使接收器检测能力迅速饱和，并且交流通信信号的实际检测会受到阻碍。为了克服这个问题，需要安装一些我们相机中常用的遮光罩等

F编号或镜头速度：在玻璃镜片中，其直径比的焦距被称为“F”编号（F = FL / D）。

f值越小，镜头速度越快，价格越高。你可以很容易地把这个数字想象成光学“接受”角度（图3）。当选择发射器透镜的准直功能时，该功能变得很有用。

在设计用于固定焦距的相机中，使用一个直径较大的镜头和另一个“f”值较小的镜头以获得更快的响应。这确保了较大的镜头能够积累更多的光量，并且快门设置为比较小的镜头更快的速度。

可以参考表1获取“f”数和接受角度信息。

热噪声:尽管热噪声实际上与光学产品实际上并不相关而言，但是光学系统的电子功能可以通过热噪声限制。通过分子的任意运动在电气系统中引起热噪声。热电流噪声（I_N）电阻可以通过等式表示：

（一世_N）²= 4 ktb / R

• 其中k = boltzmann的常数（1.38 x 10^-23年）
• T =开氏温度(300)
• B =带宽，单位为赫兹
• R =电阻，单位为欧姆

一个300K的电阻器在大约室温的情况下，在带宽为20khz的接收器内供电，应抑制热噪声电流为33皮安。尽管33皮安培可能看起来不是很大的电流，但噪声可能会在跨阻放大器的输出上提高到大约10微伏(RMS)。

将其转换为峰间噪声可提供约60微伏的峰间噪声。在光通信电路中，跨阻放大器和比较器之间的唯一放大器实际上是使用约50增益的差分放大器。该放大器放大60微伏的噪声，并在光放大器输出端产生约3毫伏的噪声。

精确读数证实了5毫伏的噪声。这是可以接受的，因为本机中存在额外的噪声产生元件，如来自第一晶体管的电流放大噪声。虽然只有关于每个晶体管产生很少的噪声，但是第一个引起的第一个产生过大的噪声，由于其更大的信号放大。

方程呈现像这样的意义是，他们为我们提供了系统升级和修正的意识。如果我们没有噪音的问题，几乎是无止境的距离可能被达到。然而，如果信号强度比噪声小，那么可以为实验者坏消息。

我们能够在一定程度上处理温度问题，方程表明，当温度较低时，噪声也较低。

然而，即使将跨阻电阻器温度降低100开尔文，也可能导致噪声功率仅降低约1.2倍。

当一个光学单元的规格只有少量的带宽，比如电视遥控器，我们可以将带宽从20 kHz降低到20 Hz，并将噪声降低大约30倍。即使平方反比规则对我们不利，这也可能导致范围扩大到5倍左右。

这种带宽的减少可能需要一个像样的可调谐滤波器，无论如何这是可以实现的。显然，音频信号通过使用20赫兹带宽的链路将无法识别为音频。然而，它可能会启用莫尔斯电码传输。

光电探测器这是一种半导体装置，用来把光转换成电信号。所有的器件如光敏晶体管，光敏可控硅，光敏可控硅光电池，太阳能电池和光电二极管都属于这一类的光电探测器。甚至像光敏电阻器和热电偶这样的部件，一般也可以看作是各种各样的光电探测器。

光电晶体管和光达林顿传感器通常习惯于检测光。这两款器件的工作做好的情况下，高速检测是不是必需品。

普通光电晶体管的开关周期为1至5微秒。对于达林顿类型，这个数字可能在数百微秒左右。

PIN二极管特性

• 引脚二极管被确定为在光电导模式下作为该项目中的检测器更好的选择。因为，它们不受增益和带宽的限制，如光电晶体管。
• PIN二极管为我们提供了上述两个参数的无限制选择，使我们有可能开发我们的个人放大器。
• PIN二极管也非常“安静”。它们的噪音几乎无法被设备读取。

领导:一种发光二极管是在电路中串联连接在正向偏置方向时，其产生的光的半导体器件。

选择发射器LED

您可能会觉得为此类项目选择LED可能是一件非常简单的事情，但事实并非如此。

功率输出、波长、速度和光束角度等特性在确定正确的LED类型时都变得至关重要。

要考虑的第一件事情是功率输出。话虽如此，如果你没有达到所需要的功率量进入镜头，它可以很容易地被浪费，如果波长选择不正确，探测器将无法抓住它。

波长很重要

到目前为止，红外设备的最受欢迎的波长是880纳米和940纳米。

第一种选择是获得一个适当匹配的探测器和发射器单元。

在我们的光通信项目中，选择了940纳米，它比880光谱深入红外。

许多为940纳米设计的探测器都预装了一个可见光滤光片。滤光片通常不用于880纳米的产品，主要是因为这个波长接近可见光谱，这种窄的滤光片可能很难大批量生产。

如果你想和光学一起制造数百个这样的光通信电路，你可能会想投资于宽而对称光束的发射器。

通过这种方式，你可能会得到开发和使用塑料类材料在一个适度的成本制造的定制镜头。这也许可能让你实现最一致的光束并允许制造大的数量。

例如，在基于红外的遥控器中，您可能希望合并一个或多个发射器以生成特定区域的红外“泛光”。为此，您希望得到一个具有宽光束的发射器。

然而，当你只是想测试信号传输的长度时，你需要一些完全不同的东西。窄光束角度对于与任何局部可用镜头的有效连接变得重要。

精确地说，确定镜片中最低光束角度会在镜片中的投资方面节省大量资金。LED的最小快速可访问的光束角度约为20度。每当制造商建议这个角度时，他真的意味着20度的“半角”，或40度的固体锥。

该角度还决定了半功率点。例如，当制造商在光束角度为20度的情况下识别出5毫瓦时，这表明如果您能够在40度的圆锥体内捕获全部功率，则可能获得2.5毫瓦的光功率。

无论情况如何，确保购买具有微小光束角度的LED，尽可能最大功率，并且相当速度。

功能镜头

光学通信器中的镜头会对RF电路进行该天线。可能是基本镜片的重要性不能过度强调。如果高频射频工程师能够构建具有60 dB的天线，我们可能有可能见证许多满意的射频技术人员！

考虑到光学世界的工作波长非常小，1000或60 dB的增益是不难实现的。你可能会觉得这很奇怪，但接收器上的镜头尺寸可能是非常关键的，但在发射器上就不是那么关键了。

这是因为接收器所做的关键工作是尽可能地截取最大数量的光，因此透镜越大，效果越好。

主要目标发射机透镜是准直的光束，因此，只是具有适当的任何透镜“F”号码将做的工作。的‘F’数确定透镜的速度，这应该是公知的任何个体摄影的休闲活动，这可以被理解为在透镜的接受角的所述量度。

在传输信号光束时，从圆锥体散开的所有LED光都会丢失。如果光线以90度“射出”，并且所有无法进入透镜的光线都消失了，那么50毫瓦的LED可能就没用了。

镜头的增益实际上是透镜区域与检测器区域的比率。例如，大多数PIN二极管的面积约为0.01平方英寸。2英寸直径的镜头将面积为3.14平方英寸。结果，2英寸镜头的增益将约为3.14 / 0.01或314。

必须注意的是，该透镜放大器不要求任何外部电源进行操作，并且还覆盖无限带宽，而不添加任何噪声的信号。像在电子世界的透镜的装置可因此被认为是绝对的奇迹。

表2显示出了几个不同的透镜尺寸的增益。

数据在这里设置有考虑没有光被吸收或由透镜反射，并且所述检测器在所述透镜的焦点精确地定位。这些因素可以明显不符，因为即使最优质的相机镜头，被分层带防反射涂层，决不允许100％的光通过。可能有足够的空间这里试验。有几个基本的测试显示，这种计算的或假想设定增益的85％左右是可以实现的。

FM发射器电路

可见光通信使用三个电路阶段创建。第一级是调频发射机。其余两级（光放大器和FM解调器）构成接收器。

电路的框图如图4所示。

如图5所示，FM发射机电路级由一个麦克风放大器(Q1和Q2)和一个通过555定时器(IC1)创建的FM调制器组成。您可以找到几个设置选项，一个用于FM中心频率(R11)，另一个用于调整偏差水平(R4)。

电阻R1用于与外部电源一起工作的麦克风，例如驻极体类型。如果使用外部音频源，则输入应限制为几毫无毫伏。IC1输出引脚3可以通过R11调节，以便频率设定为50kHz（20微秒）。

使用外部调制信号

该IC 555输出可以是频率，通过使用上部断路点电压参考销5的尽管调制，这可能是不可能的在10％左右推频率太远，则频率的偏差大约可以很容易地发生。这些偏差实际上是施加在销5的信号振幅的函数。

当引脚5处感应的外部直流调制电压打开和关闭时，就会产生FSK(数字)数据。虽然555输出额定足以驱动一个功率LED，晶体管驱动器已被纳入，以使许多LED的组合操作。

可以正确地设置电阻器R17和R18，以限制特定LED的电流。高达200毫安的电流可能为LED呈现任何问题，但这些可能会迅速耗尽电池。如果正在使用单个LED，则串联47欧姆将仅允许大约45毫安，通常。

如果你的系统使用两个LED，串联电阻可以改变为22欧姆，涉及的电流几乎是相同的。在实际原型中，它使用四节AA碱性电池为发射机供电。

光放大器电路（接收人）

如图6所示，光放大电路级的功能是将光信号转换为电信号，限制其带宽(以减少干扰)，并向比较器提供差动驱动器。

可以看到PIN二极管检测器（D1）通过交流信号与包含Q1和Q2的基本互阻放大器相连。尽管信号通过交流信号耦合，但PIN二极管的偏置必须是直流耦合。这是通过电阻器R1和R2实现的。

如果所提出的光通信电路在过多的背景光条件下操作，则可能需要减小电阻器R1以停止引脚二极管的DC饱和度。在运行期间R1两端的直流电压高于约3伏特的情况下，降低R1的值可能是一个好主意。跨阻抗电阻（R4和R5）确定放大器的实际增益。采用了几种串联电阻而不是单一的电阻，因为每个电阻都有自己的电容。

通过使用对电阻器，允许减少具有两个倍数的电容。所需要的只是将两个电阻连接在PCB上。跨阻抗放大器输出只不过是其输入电流乘以跨阻抗电阻。出于此原因，它偶尔称为电流 - 电压转换器。

当电阻值增大时，信号也增大，但带宽减小。因为信号直接随着电阻值的增大而增大，同时噪声也随着电阻值的平方根而增大。

如果您继续拥有足够的带宽，则似乎很明智地使用它可能的抵抗力。因此，Q1必须是VHF晶体管。

由于信号的中心频率为在50kHz，这是可取的，以限制光学放大器的带宽，以尽量减少总噪声。

晶体管Q3连同环绕部分组成一个双向高通滤波器在大约40 kHz。这消除了低频噪音，比如我们家发出的50/60赫兹的光学噪音。

晶体管Q4以及连接电路产生60kHz的低通滤波器。这消除了高频电噪声，例如从许多广播电台发出的电噪声。当我们集成低通和高通滤波器时，它们会产生约50 kHz的带通滤波器，其具有大约20kHz的通带。

有可能通过创建一个窄的滤波器，光学放大器的输出和解调级输入端之间，以减少噪音。其缺点是可能是窄滤波器将需要是可调谐的，并且将需要一个用于范围设置它。

晶体管Q5和Q6用于设计差分放大器，除了Q1之外，差分放大器实际上是光放大器的增益级。

差分放大器的功能是确保差分信号可用于操作电压比较器。差分操作比较器非常好，因为您可以获得两倍的信号，而不会产生两倍的噪声。然而，差分放大器存在一个问题：如果需要合理的增益，晶体管必须很好地匹配。这将抑制一个晶体管“进入热失控”和饱和。

晶体管的匹配可以使用图7中的电路来完成。

某种类型的插入装置，例如只有三个引脚的IC插座，可以被合并来固定晶体管。这个过程可以通过测量集电极到发射极的电压来实现，然后选出一对集电极和发射极电压之间最接近的匹配值的晶体管。

另外，使用具有几乎相同值的偏置电阻器也是一个明智的决定。考虑尽可能紧密地匹配R16和R23和R17和R24的值。如果最终放大器在电压范围内不太匹配，您可以尝试微调R19/R22值。这些电阻器有意放置在那里，以使差分放大器实现一点“平衡”。10到33欧姆之间的任何值都可以正常工作。（由于电位计价格昂贵，因此避免使用电位计。）

FM解调器电路

FM解调器的电路图可以在图4中见证。8。

LM311比较器（IC1）将稍低的模拟信号切换为CD4046锁相环（IC2）的数字信号。必须注意，检索到的声学信号的振幅与接收信号的振幅无关。检索到的音频的振幅仅取决于发射机确定的频率偏差量以及操作员语音的振幅。

所述锁相环（IC2）的设置类似于第一阶FM解调器。不施加任何输入信号，所述网络包括IC2销3这也是TP3的中心频率是微调用R8到集对于50 kHz的频率。

由于CD4046品牌之间的差异可能非常显著，因此可能需要修改R7，也可能需要修改R9。通过IC2的解调输出使用基于Q1的3 kHz低通滤波器进行滤波。该信号随后被馈送至使用LM386放大器构建的音频功率放大器。

较大的带宽可以通过将过滤器TP通过更高的频率来实现。由于“载体”频率只有50千赫，确保不扩大的音频带宽，高于6或7千赫。

印刷电路板设计

请注意，在上面的PCB设计中，ic3不是一个基于lm386的放大器，而是一些其他的IC，现在已经过时了。请用lm386电路代替ic3来调整放大器部分，并适当地调整ic3周围的元件。

另一种光通信电路

光发射电路利用LED产生可被接收电路内的光电晶体管识别的AF控制的红外或可见光流。这种光电晶体管需要在LED的峰值发射波长处有峰值灵敏度，以防需要最佳效率。如果LED以红外发射器TIXL26的形式产生几乎所有的辐射，在0.9um，那么光电晶体管TIL66变得完全兼容。

另一方面，可见红色led也可用于这种特殊形式的光电晶体管，与推荐用于红外敏感系统的类型相比，每种类型的led都更便宜。观察，实现的红外二极管将不排除正常玻璃(硼硅酸盐)镜头的应用，是透明的发射0.9 um。

观察所示的每个电路都实现了一个标准运放(741)，就像一个灵敏的前置放大器，用于检测来自麦克风和光电晶体管的音频信号。在运算放大器的输入端，电路级通过自举来提高输入阻抗。在发射电路中，需要使用一个晶体麦克风。耳机规格不是关键，它可以有200欧姆到2k欧姆之间的阻抗。通过允许反馈电阻(RV1)可调，发射机和接收机电路的增益都很容易操纵。

如果发现操作期间在不稳定的方式表现，而检查输出信号的电路，这可以通过在销6和运算放大器的2钩住一个470pF的电容来校正。用户可能想通过一个单端电源提高了电路的工作。为了实现这一点可以采用分压器来增加同相输入端的电压大约百分之五十的电源电压超过其信号电压留下了深刻印象。

光通信电路的原理可以从电路图中看到。为了减少与信号调整和瞄准相关的问题，当你设置电路时，在不同的范围内，发射机模块必须调整以聚焦平行光束，接收器必须适当调整以接收这束光束。

这允许通过保证LED和光电晶体管聚焦在两个透镜的主焦点上实现准直程序。透镜直径必须能够充分利用LED辐射锥内的辐射。

在实际应用中，直径为50mm、焦距为150mm的镜头以最合适的方式工作。较重的焦距较短的镜头也可以尝试，这可能允许减少镜头直径。然而，在这种情况下，由于焦距的减少和透镜像差的增加，准直冷的调整变得更具挑战性。

发射电路

接收器电路