Laserový telefon

Do elektromagnetického spektra patří také pásmo viditelného světla, které můžeme modulovat a použít pro přenos informace. Výhodou je jednoduché zařízení a pásmo bez poplatků a nežádoucího odposlechu. Navržená konstrukce umožňuje využít výhod plného duplexního spojení. Například lze audiosignálem spojit dva vzdálené pokojíčky kamarádů, kteří mohou spolu mluvit bez omezení jako v jediné místnosti.

V popsané konstrukci je pro přenos audiosignálu použita amplitudová modulace (AM) svazku paprsků běžné červené laserové diody (LD) z nabídky firmy GM Elektronic „F-LASER 5MW“. Nejde pouze o LD, ale o jednoduchý modul sestavený z obvodu proudového omezovače, plastové kolimační čočky a LD. Navržené zapojení v modulačních špičkách dosahuje typické hodnoty proudu LD (25 mA), která odpovídá optickému výkonu 3 mW. Jde o výkon běžného laserového ukazovátka v bezpečnostní třídě 3A, kdy za určitých podmínek existuje možnost poškození zraku. V žádném případě se nedívejte přímo do paprsku zblízka, přes čočku nebo přes dalekohled. Vše děláte na vlastní riziko.

Na obrázku výše je rozebraný modul a zkreslené zapojení omezovače, který ve zpětné vazbě používá integrovanou fotodiodu (PD). Takové zapojení chrání LD před přetížením, stabilizuje intenzitu záření, ale může způsobit zkreslení AM. Pro zvolený špičkový proud a hloubku modulace jsem však žádné zkreslení nepozoroval. V popisované konstrukci lze LD zapojit přímo, takže je možné použít třeba staré laserové ukazovátko nebo zakoupit samotnou LD a postavit vlastní optiku vysílače. Je však potřeba zvýšené opatrnosti, protože bez ochran lze LD lehce zničit překročením maximálního proudu (Imax) nebo přepólováním.

Na obrázku výše je zapojení jedné stanice laserového telefonu. Zapojení používá dvojitý operační zesilovač (OZ) TLC272CP, stabilizátor napětí 78L05 (Ur=5 V) a osvědčené zapojení nízkofrekvenčního zesilovače s obvodem LM386. Na straně vysílače je střídavý signál z elektretového mikrofonu zesílen, kmitočtově upraven a amplitudově omezen pomocí OZ (DD2A). Na jeho výstupu je zapojen tranzistorový emitorový sledovač, který tvoří zdroj proudu LD. Použitím diodového omezovače výstupního napětí lze jednoznačně stanovit velikost emitorového odporu pro Imax (R5=Ur/Imax). Na straně přijímače je signál z fototranzistoru oddělen kondenzátorem C8, zesílen a kmitočtově upraven pomocí druhého OZ (DD2B). Výstup je přes potenciometr regulace hlasitosti veden do zesilovače. Napěťovou referenci OZ tvoří lineární stabilizátor 78L05, který zároveň zajišťuje potlačení zvlnění napájecího napětí pro mikrofon a fototranzistor.

Pokud se rozhodnete pro využití plného duplexního spojení, je nutné předem minimalizovat akustickou zpětnou vazbu, která může způsobit nepříjemné pískáním z reproduktorů na obou stranách optického spoje. Především je potřeba na obou stranách co nejvíce vzdálit reproduktor od mikrofonu, natočit od sebe maxima jejich směrových charakteristik a snížit nastavení hlasitosti pod úroveň nasazení oscilací. Pokud to nestačí, lze upravit zesílení mikrofonního zesilovače snížením hodnoty rezistoru R3.

Pro pokusy se spojením na dlouhé vzdálenosti je potřeba postavit stabilní mechanickou konstrukci s možností samostatného a jemného směrování vysílače i přijímače ve vertikální a horizontální ose. Jakékoliv otřesy konstrukce se projeví jako nežádoucí modulace signálu. Směrování je vhodné provádět večer, kdy je dobře vidět místo dopadu paprsků. Úzký svazek laserových paprsků vystupujících z modulu není ideální a s narůstající vzdáleností se rozbíhá. U použitého laserového modulu jsem ve vzdálenosti 50 m změřil průměr svazku 12,5 cm a přepočtem pro vzdálenost 1 km vypočítal průměr 2,5 m. Zásadní zvýšení dosahu lze dosáhnout použitím co největší spojné čočky přijímače a pečlivým nastavením ohniska na čip fototranzistoru. Fototranzistor a čočku je vhodné zabudovat do trubky, která odstíní vliv okolního světla. Denní světlo způsobuje nárůst šumu, lampy veřejného osvětlení zase bručení odvozené od síťového kmitočtu 50 Hz. Zajímavé interference nebo útlum signálu vzniká vlivem měnících se povětrnostních podmínek (termická konvekce vzduchu, déšť, sněžení, mlha). Například proudění sluncem ohřátého vzduchu vytvářelo na nízkých kmitočtech zvuk podobný větru či vaření brambor. V tomto případě částečně pomůže omezení nízkých kmitočtů, například snížení kapacity vazebního kondenzátoru C8. U popisované konstrukce s čočkou průměru 3 cm jsem ověřil přibližný dosah na vzdálenost 700 m večer a 350 m přes den. Bez čočky se dosah výrazně sníží na několik desítek metrů.

Jako námět pro další experimentování může posloužit použití frekvenční modulace (FM), která by měla být odolnější proti měnícím se podmínkám světelného spoje. Dále lze zvážit změnu spektrální citlivosti přijímače použitím optického filtru nebo změnu hloubky AM.