В настоящее время для передачи информации широко используются не только радиочастотные линии связи. Оптический диапазон частот хорошо себя зарекомендовал. В некоторых случаях переход на оптическую связь позволяет значительно упростить конструкцию и конфигурацию коммуникационных устройств, а также расширить их возможности. Для оптической связи могут использоваться различные типы излучателей: лампы накаливания, газоразрядные приборы, полупроводниковые светодиоды, лазерные излучатели различных конструкций. Линиями связи обычно служат либо окружающая среда (атмосфера), либо специальные оптические волокна (оптические волноводы).
Основные свойства оптической связи в оптическом диапазоне частот определяются свойствами, присущими электромагнитным волнам этого диапазона. А это, прежде всего: прямолинейное распространение с почти незаметной способностью обходить препятствия, быстрое затухание в атмосфере и сильная зависимость степени этого затухания от частоты и атмосферных условий. Другие свойства определяются физическими принципами, на которых основаны оптические излучающие и приемные устройства (трудоемкость получения когерентных колебаний узкой частоты, ограниченность скорости излучающих источников, ограниченность чувствительности и относительной полосы пропускания приемных систем и т.д.). Все это не позволяет считать оптические средства связи универсальной технологией для решения всех проблем передачи информации, но в некоторых областях они оказываются лучшим решением.
На сегодняшний день наиболее распространены простые оптические передающие устройства на основе обычных светоизлучающих диодов. Это объясняется их относительной дешевизной, высокими скоростными характеристиками, низким энергопотреблением и т.д. Такие устройства используются в системах дистанционного управления бытовыми радиоустройствами, компьютерных интерфейсах с периферийными устройствами, системах безопасности и т.д. Почти всегда предпочтение отдается инфракрасному диапазону длин волн. На это есть несколько причин. Во-первых, именно в ИК (инфракрасных) диодах (светоизлучающих диодах) современные ИК-диоды обеспечивают самую высокую излучаемую мощность и максимальную эффективность. Во-вторых, в этом диапазоне существуют окна прозрачности, т.е. частотные диапазоны, в которых прозрачность атмосферы намного больше, чем в видимом спектре. Дополнительный выигрыш в дальности связи может быть достигнут за счет использования импульсного ИК-диода. При необходимости излучатели и приемники могут быть дополнены различной фокусирующей оптикой, которая сужает диаграмму направленности их излучения, а также увеличивает дальность связи.
Схемы включения ИК-диодов в основном аналогичны описанным выше для сигнальных диодов. Разница обычно заключается только в рабочем токе этих устройств. Например, типичные широко распространенные ИК-диоды типа AL107 требуют тока около 100 мА в нормальном режиме, тогда как при переключении в импульсный режим допустимы значения более 1 А. Это приводит к тому, что в качестве управляющего транзистора следует использовать не классические для малосигнальных схем КТ315, КТ361, а приборы, относящиеся к классу средней мощности, например, КТ815, КТ603, КТ972 и так далее. (Следует обратить внимание на частотные параметры транзисторов, которые должны быть выбраны в соответствии с частотой модулирующего сигнала и допустимой длительностью переходных процессов в схеме). Относительно большой базовый ток таких транзисторов обычно не позволяет включать их непосредственно с выхода малосигнальных схем управления (например, основанных на типичных цифровых интегральных схемах). Поэтому в схему обычно включают дополнительный переключающий элемент на маломощном транзисторе ("вездесущие" КТ315 или КТ361 успешно справляются с этой задачей). Примеры простых схем управления ИК-диодами показаны на рисунках 3.7-21, 3.7-22.
В большинстве случаев ИК-диоды используются в импульсном режиме для передачи цифровых данных. Однако их можно использовать и в аналоговых линиях связи. В этом случае через диод устанавливается определенный постоянный ток, значение которого выбирается близким (но немного ниже) к максимально допустимому постоянному току диода для наибольшей дальности связи. Затем на диод подается дополнительный аналоговый сигнал, который модулирует поток, излучаемый диодом. Необходимо следить за тем, чтобы мгновенное значение тока в диоде при любых условиях не превышало максимально допустимого значения для диода. Пример устройства, работающего в этом режиме, показан на рис. Это простой "удлинитель звука", который может быть адаптирован к телевизору, магнитофону, радиоприемнику и т.д. Она позволяет, например, дистанционно прослушивать телевизионные передачи через наушники.
Как синие светодиоды ИЗМЕНИЛИ МИР
Как видно на рисунке 3.7-23,б схема приемного узла, ИК диоды также могут использоваться в качестве приемников светового излучения. Причина этого довольно проста: в электрическом переходе диода, помимо процесса генерации световых квантов с рекомбинацией носителей заряда, возможен и обратный процесс — поглощение излучения соответствующей частоты с образованием электронно-дырочных пар в переходной области. Конечно, использование так называемых фотодиодов (эти полупроводниковые приборы не описаны в данной книге) может улучшить чувствительность приемной цепи, но в некоторых случаях (например, для диодов AL107) хорошие результаты дает использование ИК-диодов одного типа на обоих концах линии связи.
Используя эти решения, можно создавать не только простейшие устройства комнатного диапазона, но и достаточно сложные системы "дальнего действия". Для этого светоизлучающие и светоприемные диоды дополняются простой фокусирующей схемой. Такой массив (рис. 3.7-24) представляет собой стеклянную линзу диаметром 50. 100 мм. Диод помещается в один из фокусов этой линзы. Важно, чтобы стекло, из которого изготовлена линза, обладало высокой прозрачностью в инфракрасном диапазоне длин волн. Для того чтобы полностью использовать весь свет, излучаемый диодом (ширина диаграммы направленности для диода AL107 составляет около 40°), отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию должно быть больше единицы. Удобнее всего установить оптику в кусок пластиковой или металлической трубки, поместив на одном конце линзу, а на другом — крышку с отверстием в центре для размещения ИК-диода. Точное положение ИК-диода должно быть отрегулировано при настройке оптики. Вместо линз можно использовать вогнутые зеркала с внешним напылением, в этом случае светодиод помещается в фокус зеркала излучающей стороной к зеркалу. Использование более сложной оптики в простых ИК-светодиодных устройствах нецелесообразно.
Как правильно подключить любой светодиод? Питание, формула расчёта для светодиодов.
Главной особенностью оптического звена с фокусирующими линзами является очень узкая диаграмма направленности. Поэтому очень важен тщательный монтаж и точное позиционирование оптических узлов. Поверхности линз должны оставаться чистыми во время работы, так как загрязнение может вызвать проблемы со связью.
Решение может быть использовано для построения линий связи, обеспечивающих дальность действия до 1,5-2 км днем и в два-три раза больше ночью, когда атмосфера чистая и нет мешающих источников света. Единственным условием остается прямая видимость между принимающей и передающей системами. Если посторонний предмет блокирует линию связи в любой ее части, связь прерывается. Это можно использовать для создания систем безопасности, которые обнаруживают движение любого объекта внутри или вне охраняемой зоны (например, человека, проходящего через забор). В таких системах немедленная потеря связи означает срабатывание системы сигнализации.
Для повышения чувствительности приемного узла можно сделать входной усилитель, используя полевой транзистор (рис. 3.7-25).
Наконец, следует отметить, что инфракрасные диоды также широко используются в оптических волноводных схемах связи. Специально для использования в таких схемах предлагаются излучающие диоды, которые выровнены по сегментам оптического волновода и легко совмещаются с этими линиями. Однако в современных наиболее эффективных системах предпочтение отдается когерентным излучающим диодам, поскольку они способны обеспечить гораздо большую плотность каналов в одном канале и могут передавать данные с более высокой скоростью.
