Eenvoudige en goedkope laser digitale audiotransmissie: 4 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Sinds ik het laserpistool heb gemaakt, heb ik erover nagedacht om de laser te moduleren om audio over te sturen, hetzij voor de lol (een intercom voor kinderen), of misschien om gegevens te verzenden voor een meer geavanceerd laserpistool, zodat een ontvanger erachter kan komen door wie hij werd geraakt. In deze instructable zal ik me concentreren op de audio-overdracht.

Veel mensen hebben analoge gemoduleerde transmissiesystemen gecreëerd door het analoge audiosignaal toe te voegen aan de voeding van de laserdiode. Dit werkt, maar het heeft een paar ernstige nadelen, vooral het onvermogen om het signaal aan de ontvangende kant te versterken zonder veel ruis te veroorzaken. Ook de lineariteit is erg slecht.

Ik wilde de laser digitaal moduleren met behulp van een Pulse Width Modulation (PWM) systeem. De goedkope laserdiodes die in het laserkanonproject worden gebruikt, kunnen zelfs sneller worden gemoduleerd dan een normale LED, tot in de miljoenen pulsen per seconde, dus dit zou heel goed te doen moeten zijn.

Stap 1: Principebewijs (de zender)

Het is heel goed mogelijk om een enigszins fatsoenlijke zender te bouwen met behulp van een driehoek- of zaagtandgenerator en de uitvoer ervan te vergelijken met de signaalinvoer met een op-amp. Het is echter vrij moeilijk om een goede lineariteit te krijgen en het aantal componenten groeit vrij snel uit de lucht, en het bruikbare dynamische bereik is vaak beperkt. Bovendien besloot ik dat het lui mocht zijn.

Een beetje lateraal denken wees me op een ultragoedkope D-klasse audioversterker, een PAM8403 genaamd. Ik gebruikte het eerder als een echte audioversterker in het lasergun-project. Het doet precies wat we willen, pulsbreedte moduleren van de audio-ingang. Kleine borden met de benodigde externe componenten kunnen voor minder dan 1 euro bij eBay worden gekocht.

De PAM8404-chip is een stereoversterker met een volledige H-bruguitgang, wat betekent dat hij beide draden naar de luidspreker naar de Vcc (plus) rail of naar aarde kan sturen, waardoor het uitgangsvermogen effectief wordt verviervoudigd in vergelijking met slechts één draad. Voor dit project kunnen we eenvoudig een van de twee uitgangsdraden van slechts één kanaal gebruiken. In volledige stilte wordt de output gestuurd naar een blokgolf van ongeveer 230 kHz. Modulatie door het audiosignaal verandert de pulsbreedte van de uitgang.

Laserdiodes zijn extreem gevoelig voor overstroom. Zelfs een puls van 1 microseconde kan het volledig vernietigen. De getoonde schakeling voorkomt precies dat. Het zal de laser aansturen met 30 milliampère, onafhankelijk van VCC. Als er echter zelfs maar de geringste ontkoppeling van de diodes is, waarbij normaal de basisspanning van de transistor tot 1,2 volt wordt geknipt, wordt de laserdiode onmiddellijk vernietigd. Ik heb twee lasermodules op deze manier geblazen. Ik raad aan om de laserdriver niet op een breadboard te bouwen, maar op een klein stukje PCB te solderen of freeform in een stukje krimpkous aan de achterkant van de lasermodule.

Terug naar de zender. Sluit de uitgang van de PAM8403 aan op de ingang van het laserstuurcircuit en de zender is klaar! Bij het opstarten is de laser visueel aan en kan er geen modulatie optisch worden gedetecteerd. Dit is eigenlijk logisch, aangezien het signaal rond een 50/50 procent aan/uit-status zweeft op een draaggolffrequentie van 230 kHz. Elke zichtbare modulatie zou niet het volume van het signaal zijn, maar de werkelijke waarde van het signaal. Alleen bij zeer, zeer lage frequenties zal de modulatie merkbaar zijn.

Stap 2: Principebewijs (de ontvanger, zonnecelversie)

Ik heb veel principes voor de ontvanger onderzocht, zoals negatief bevooroordeelde PIN-fotodiodes, niet-bevooroordeelde versies, enzovoort. Verschillende schema's hadden verschillende voor- en nadelen, zoals snelheid versus gevoeligheid, maar bovenal waren de zaken complex.

Nu had ik een oude IKEA Solvinden lamp op zonne-energie in de tuin die was vernietigd door het binnendringen van regen, dus ik redde de twee kleine (4 x 5 cm) zonnecellen en probeerde hoeveel signaal zou worden geproduceerd door simpelweg op de gemoduleerde rode laserdiode te richten op een van hen. Dit bleek een verrassend goede ontvanger te zijn. Bescheiden gevoelig en goed dynamisch bereik, zoals in, het werkt zelfs met behoorlijk heldere verlichting van verdwaald zonlicht.

Natuurlijk kun je op o.a. eBay zoeken naar kleine zonnecellen zoals deze. Ze zouden voor minder dan 2 euro moeten verkopen.

Ik heb er een ander PAM8403 D-klasse ontvangerbord op aangesloten (waardoor ook de DC-component werd verwijderd) en er een eenvoudige luidspreker op aangesloten. Het resultaat was indrukwekkend. Het geluid was redelijk luid en vrij van vervorming.

Het nadeel van het gebruik van een zonnecel is dat ze extreem traag zijn. De digitale draaggolf wordt volledig weggevaagd en het is de daadwerkelijke gedemoduleerde audiofrequentie die als signaal doorkomt. Het voordeel is dat er helemaal geen demodulator nodig is: sluit gewoon de versterker en luidspreker aan en u kunt aan de slag. Het nadeel is dat, aangezien de digitale draaggolf niet aanwezig is en daarom niet kan worden hersteld, de prestaties van de ontvanger volledig afhankelijk zijn van de lichtintensiteit en audio zal worden vervormd door alle strooilichtbronnen die in het audiofrequentiebereik zijn gemoduleerd, zoals gloeilampen, televisies en computerschermen.

Stap 3: Testen

Ik heb 's nachts de zender en ontvanger eruit gehaald om de straal goed te kunnen zien en maximale gevoeligheid van de zonnecel te hebben, en het was meteen een succes. Het signaal werd gemakkelijk 200 meter verderop opgevangen, waar de breedte van de straal niet meer dan 20 cm was. Niet slecht voor een lasermodule van 60 cent met een niet-precieze collimatorlens, een weggevangen zonnecel en twee versterkermodules.

Kleine disclaimer: ik heb deze foto niet gemaakt, maar van een bekende zoeksite gehaald. Omdat er die nacht een beetje vocht in de lucht zat, zag de straal er inderdaad zo uit als je terugkijkt naar de laser. Heel tof, maar daar gaat het niet om.

Stap 4: Na gedachten: een digitale ontvanger bouwen

Een digitale ontvanger bouwen, versie met pindiode

Zoals gezegd, zonder het hoogfrequente PMW-signaal te regenereren, zijn strooisignalen goed hoorbaar. Ook zonder dat het PMW-signaal wordt geregenereerd tot een vaste amplitude, is het volume en daarmee de signaal-ruisverhouding van de ontvanger volledig afhankelijk van hoeveel laserlicht door de ontvanger wordt opgevangen. Als het PMW-signaal zelf voldoende beschikbaar zou zijn aan de uitgang van de lichtsensor, zou het heel eenvoudig moeten zijn om deze strooilichtsignalen eruit te filteren, aangezien in principe alles onder de modulatiefrequentie als strooilicht moet worden beschouwd. Daarna zou het eenvoudigweg versterken van het resterende signaal een geregenereerd PWM-signaal met vaste amplitude moeten produceren.

Als je nog geen digitale ontvanger hebt gebouwd, kan het heel goed mogelijk zijn om een BWP34 PIN-diode als detector te gebruiken. Men zou moeten kiezen voor een lenssysteem om het opnamegebied te vergroten, aangezien de BWP34 een zeer kleine opening heeft, ongeveer 4x4 mm. Maak vervolgens een gevoelige detector, voeg een hoogdoorlaatfilter toe, ingesteld op ongeveer 200 kHz. Na het filteren moet het signaal worden versterkt, geknipt om het oorspronkelijke signaal zo goed mogelijk te herstellen. Als dat allemaal zou werken, hebben we in principe het signaal hersteld zoals het werd geproduceerd door de PAM-chip en rechtstreeks in een kleine luidspreker kon worden ingevoerd.

Misschien voor later!

Andere aanpak, de pro's!

Er zijn mensen die lichttransmissies doen over veel grotere afstanden (enkele tientallen kilometers) dan hier wordt voorgesteld. Ze gebruiken geen lasers omdat monochromatisch licht in een niet-vacuüm eigenlijk sneller vervaagt over afstand dan multichromatisch licht. Ze gebruiken led-clusters, enorme fresnellenzen en leggen natuurlijk grote afstanden af om schone lucht en lange zichtlijnen, lees: bergen, te vinden. En hun ontvangers zijn van een heel bijzonder ontwerp. Leuke dingen die op internet te vinden zijn.