Anleitung zur optischen Audioübertragung

Transkript

1 Anleitung zur optischen Audioübertragung

2 Inhaltsverzeichnis 1. Vorwort Vorbereiten der optischen Übertragungsstrecke Anschließen eines Sendebauteils Anschließen einer Signalquelle Anschließen der Photodiode Wiedergabe des empfangenen Audiosignals Einschalten der optischen Audioübertragung Justieren und Einstellen der optischen Audioübertagung Anschließen von Messgeräten Versuchsdurchführung Verwenden von verschiedenen Sendebauteilen Unterbrechung/Störung der Übertragung Aufweiten und Fokussieren des Lichtstrahls Umleiten über Spiegel Zuführen von Störquellen Sender Empfänger Fehlerbehebung

3 1. Vorwort Diese Anleitung beschreibt Aufbau und Funktion einer optischen Audioübertragung durch Amplituden-modulation der Intensität einer Laser-/ Leuchtdiode. 2.Vorbereiten der optischen Übertragungsstrecke 2.1 Anschließen eines Sendebauteils Über die Anschlüsse (9) und (10) muss zunächst ein Sender angeschlossen werden. Das Gerät funktioniert wie eine Stromquelle, so dass nur Sender angeschlossen werden können die einen Strom von 30 ma zulassen. Falls der Versuch mit einem anderen Sender durchgeführt werden soll, muss ein entsprechender Widerstand dazugeschaltet werden. Dies sollte aber nur in Absprache mit einem Fachkundigen geschehen. Es gibt einige beiliegende Sender.( eine Laserdiode, eine ultrahelle LED, eine normale LED (und eine Glühlampe)) bei den Leuchtdioden ist auf die richtige polung zu achten. Die Anode (roter Stecker) an Buchse (9) und die Kathode (weißer Stecker) an Anschluss (10). Verkehrtes Anschließen kann zu der Zerstörung des angeschlossenen Bauteils führen. Die Schaltung ist allerdings Kurzschlussfest. Optimale Übertragung wird natürlich mit der Laserdiode erzielt. Die andren Sender sind nur zu Demonstrationszwecken vorhanden. 2.2 Anschließen einer Signalquelle Über den BNC- oder 3,5mm Klinkenanschluss kann eine Signalquelle angeschlossen werden. An den BNC-Anschluss (5) kann ein Frequenzgenerator angeschlossen werden. An die Klinkenbuchse (6) kann jedes beliebige Audio Wiedergabegerät angeschlossen werden. Bei beiden Möglichkeiten gilt vor dem 3

4 Anschließen Amplitude/Lautstärke ganz runter drehen, und dann erst langsam erhöhen, wenn die Übertragungsstrecke komplett aufgebaut und eingeschaltet ist. 2.3 Anschließen der Photodiode Über die zwei Bananenbuchsen (12) und (13) muss die Photodiode (16) an den Empfänger angeschlossen werden. Die Kathode (roter Stecker) der Photodiode wird an die Buchse (12) und die Anode (gelber Stecker) der Photodiode wird an die Buchse (13) angeschlossen. Auch bei dieser Schaltung muss auf die Polungsrichtigkeit geachtet werden, da es sonst zur Zerstörung der Photodiode kommen kann. 2.4 Wiedergabe des empfangenen Audiosignals Der Empfänger hat einen integrierten Lautsprecher, über den man das empfangene Audio-signal hören kann. Des weiteren kann man über die 3,5 mm Klinkenbuchse (14) Kopfhörer oder Aktivboxen anschließen. In diesem Fall schaltet der integrierte Lautsprecher automatisch ab. Es ist darauf zu achten das ein der Audioausgang (14) nie mit weniger als 8 Ohm belastet wird, da das zu der Zerstörung des integrierten Verstärkers führt. 3. Einschalten der optischen Audioübertragung Über einen Kippschalter(2), der in zwei Positionen einrastet, können zwei Betriebszustände gewählt werden. Der erste Zustand I ist die Versorgung über die integrierte 9V Block-batterie (1). Der zweite Zustand II ist die Versorgung über ein DC Netzteil 9-12 Volt (-C +)1 (4). Bei eingeschaltetem Gerät leuchtet die rote LED (3). Wenn es möglich ist sollte immer die Versorgung über ein 1 Es ist auf richtige Polung des Netzteiles zu achten (Außen ; Innen 6V). 4

5 Netzteil gewählt werden, um die Batterien zu schonen, da sie teuer sind und die Umwelt unnötig belasten. 4. Justieren und Einstellen der optischen Audioübertagung Nach dem Einschalten ist zu kontrollieren, dass das Sendebauteil leuchtet, um sicherzustellen, das der Sender korrekt arbeitet. Bei korrektem Betrieb des Empfängers sollte ein leichtes Brummen zu hören sein. Nun muss das Sendebauteil so ausgerichtet werden, dass die Photodiode beleuchtet wird. Jetzt kann langsam die Amplitude/Lautstärke2 des Eingabesignals erhöht werden. Jetzt hört man das gesendete Signal auf dem integrierten Lautsprecher oder den externen Wiedergabegerät. Es kann nun mit dem Versuch begonnen werden. 5. Anschließen von Messgeräten Das einzige Messgerät, bei dem es interessant ist, es anzuschließen ist das Oszilloskop. Es sind bei Sender und Empfänger verschiedene Buchsen (11) zum Anschließen eines Oszilloskopes vorgesehen. Es ist Empfehlenswert die Schwarzen Messanschlüsse auch in die schwarzen Buchsen (7) zu stecken. Die roten Messanschlüssen können nun in die silbernen Messbuchsen (11) gesteckt werden. Um die Signale an den Messpunkten zu interpretieren ist es sinnvoll das Datenblatt zu den Schaltungen zu studieren. 2 Normalerweise muss die Amplitude des Frequenzgenerator nur minimal bis gar nicht hochgeregelt werden. Bei einem Audiowiedergabegerätes liegt die Lautstärke normalerweise bei etwa 75 %. 5

6 6. Versuchsdurchführung Es gib viele verschiedene Versuche die nun durchgeführt werden können. Einige sollen nun vorgestellt werden. 6.1 Verwenden von verschiedenen Sendebauteilen Es stehen verschiedene Sendebauteile zur Verfügung. Diese können nacheinander an den Sender angeschlossen werden. Empfehlenswert ist es mit der normalen Diode anzufangen. Hierzu muss der Sender wieder abgeschaltet werden, und die Laserdiode durch die normale Diode getauscht werden. Nach dem Einschalten des Senders wird man feststellen, das die Übertragungsweite der normalen Diode sehr gering ist. Nach Abschalten des Senders kann nun die normale Diode mit der superhellen Diode ausgetauscht werden. Wenn der Sender wieder eingeschaltet ist stellt man fest, dass die übertragungsweite einer superhellen LED schon sehr viel größer ist. Durch Fokussieren (4.3) kann die Übertragungsweite noch mal verbessert werden. Zu letzt schließt man nach gleicher Vorgehensweise die Laserdiode wieder an. Die übertragungsweite beträgt nun mehre Meter( das ist schön im Flur aufzubauen. Reichweite min.10m). Es könnte auch eine Infrarot Diode verwendet werden(achtung Ausgangstrom des Senders 30 ma!!). 6.2 Unterbrechung/Störung der Übertragung Es kann nun z.b. ein Stück Papier in den Lichtstrahl gehalten werden. Man wird dann nichts mehr hören können, weil das Licht mit dem Signal nicht mehr bei dem Empfänger ankommt. Genauso könnte man eine Milchglasscheibe, ein Gefäß mit Flüssigkeit... verwenden. 6

7 6.3 Aufweiten und Fokussieren des Lichtstrahls Mithilfe von Linsen kann der Lichtstrahl aufgeweitet oder fokussiert werden. Was wird passieren? Und warum? 6.4 Umleiten über Spiegel Es kann auch eine Hindernisstrecke aufgebaut werden, die den direkten Kontakt von Sender und Empfänger unterbindet. In diesem Fall muss der Lichtstrahl über Spiegel umgeleitet werden. Man könnte den Strahl auch in eine Glassfaser einkoppeln und dann die Faser durch das Labyrinth legen und vor dem Empfänger den Strahl wieder auskoppeln. 6.5 Zuführen von Störquellen Ein weiterer interessanter Versuch ist das Zufügen von Störquellen, wie Licht von einer Glühbirne(230V/50Hz). Warum liegt jetzt ein starkes Brummen auf dem Signal? Die Glühbirne leuchtet entsprechend ihrer Leistungskurve auf (P = U*I => 100Hz). 7

8 7. Sender Batteriefach Kippschalter Status LED Anschluss Netzteil Frequenzgeneratoranschluss Anschluss für eine Audioquelle Masse-Buchsen 6V-Buchsen + Anschluss für Sendebauteil - Anschluss für Sendebauteil Messanschlüsse V Block Batterie I Batteriebetrieb II Netzbetrieb Leuchtet im eingeschalteten Zustand 9-12 V DC BNC 3,5 mm Klinke Bananenbuchse (schwarz) Bananenbuchse (rot) Bananenbuchse (rot) Bananenbuchse (weiß) Bananenbuchse (silbern) 8

9 Modulierte Stromquelle Vorverstärker Ein Audiosignal (Usig) wird in den Sender eingekoppelt, und dann mittels eines Operationsverstärkers verstärkt (IC2A). Ein zweiter Operationsverstärker(IC2B) dient als Eingangstufe für einen Transistor (T1), welcher die eigentliche Stromverstärkung vornimmt. Durch den Widerstand R7 wird der Arbeitsstrom des Transistors durch Stromgegenkopplung auf ca. 30 ma eingestellt. Um diesen Arbeitspunkt schwingt nun das Audiosignal. In reihe zu dem Transistor liegt die Laserdiode, die ihre Intensität proportionale zu dem Strom ändert. Man nennt diese Form der Audioübertagung Amplitudenmodulation3, weil sich die Amplitude4 proportional zu dem Signal verändert. Jetzt sendet die Laserdiode einen zu dem Signal proportionalen Laserstrahl, welcher irgendwann bei dem Empfänger eintrifft. 3 Eine Andere Methode wäre die Frequenzmodulation, bei der die Frequenz eines Trägersignals verändert wird. 4 Die Intensität 9

10 8.Empfänger Batteriefach Kippschalter Status LED Anschluss Netzteil Masse-Buchsen 6V-Buchsen Messanschlüsse V Block Batterie I Batteriebetrieb II Netzbetrieb Leuchtet im eingeschalteten Zustand 9-12 V DC Bananenbuchse (schwarz) Bananenbuchse (rot) Bananenbuchse (silber) 12 Kathode Photodiode Bananenbuchse (gelb) 13 Anode Photodiode Bananenbuchse (rot) Der Empfänger 14 Audioausgang 3,5 mm Klinke (min 8 Ω) 10

11 Fotodiode mit Verstärker Hochpass Impedanzwandler Der Laserstrahl trifft auf eine Fotodiode5(BPW 34), die ihren Sperrstrom proportional zu der Intensität des Signals verändert. Ein Operationsverstärker (IC1A) verstärkt den geringen Sperrstrom. Durch einen nachgeschalteten Hochpass werden alle Frequenzen unter ca. 100 Hz herausgefiltert. Bevor das gefilterte Signal zu einen Verstärkerbausatz6 gelangt, wird es von einem Impedanzwandler7 stabilisiert. Der Verstärkerbausatz verstärkt das Signal so das man es aus dem Lautsprecher, Kopfhörern oder Aktivboxen hören kann. 5 Eine Fotodiode arbeitet auf dem gleichen Prinzip wie eine Solarzelle. Je mehr Photonen auf die Fotodiode treffen, desto höher ist der Sperrstrom der Diode. 6 1 Watt mini Verstärkerbausatz von Conrad Elektronik ( bstnr xx) 7 Er hat einen sehr hohen Eingangswiderstand und einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand. 11

12 9. Fehlerbehebung Es gibt verschiedene Fehlerquellen, welche hier größtenteils aufgelistet sind. Fehlerquellen Grund Die rote LED (3) leuchtet Die Batterie ist leer trotz eingeschaltetem Gerät nicht Der Netzstecker ist nicht angeschlossen oder falsch gepolt Behebung Die Batterie austauschen Das Sendebauteil leuchtet nicht Überprüfen ob das Sendebauteil richtig gepolt angeschlossen ist Sendebauteil nicht richtig gepolt Den Netzstecker überprüfen (außen - Innen +) Sendebauteil zerstört Der Empfänger arbeitet nicht Sendebauteil austauschen Die Photodiode ist Photodiode richtig gepolt falsch angeschlossen anschließen keine Stromversorgung die Batterie oder den (die rote LED (3) Netzstecker überprüfen leuchtet nicht) der Lichtstrahl trifft nicht auf die Photodiode Das Oszilloskop zeigt nichts an Aufbau neu justieren falscher Messbereich Oszilloskop neu einstellen falsch angeschlossene Messleitungen Messleitungen überprüfen (siehe Anleitung) Aus dem integrierten es sind noch Kopfhörer Den Stecker aus der Lautsprecher kommt kein oder Aktivboxen Ausgangssignalbuchse Signal angeschlossen (14) ziehen Der Sender sendet nicht es ist noch etwas an den Stecker aus der das Signal des der Audiosignalbuchse Audiosignalbuchse (6) Frequenzgenerators (6) angeschlossen ziehen 12