TL;DR: сделать быструю оптопару не получилось. Опытным путём выяснил, что возможна оптическая передача синусоидального сигнала частотой примерно 2 МГц на расстоянии между кристаллами неизвестного красного светодиода и транзистора 1Т308 около 15 мм.
▍ Для чего она понадобилась?
На хабре в комментариях ссылались на перевод статьи американского радиолюбителя Дэна Виссела с позывным N1BYT.
Кратко перескажу суть. Регенеративный радиоприёмник — это резонансный усилитель, который вводится в режим работы, предшествующий началу самовозбуждения. Из-за колебательного контура этот приёмник можно перестраивать, изменяя индуктивный или ёмкостной компонент. Принцип регенерации довольно прост. Колебательный контур получает энергию из антенны, и в нём возникают колебания на резонансной частоте. Из этого же контура отводится небольшая часть энергии для управления усилительным элементом (транзистором или радиолампой), и она возвращается в контур. Благодаря возврату энергии компенсируются потери на активном сопротивлении катушки контура и соединительных проводах. Также часть энергии колебаний в контуре излучается им в виде радиоволн и затрачивается на поглощение в диэлектрике конденсатора. Для нас важно понимать, что LC в контуре благодаря такой подкачке извне компенсируются потери и повышается добротность.
Эти приёмники были придуманы в ламповую эру и имеют и по сегодняшний день привлекательную черту — высокую чувствительность и простоту конструкции. Если вы живёте в месте с минимальным уровнем радиочастотных помех, то можете услышать весь мир, используя пару транзисторов.
Но у «сверхрегенераторов» есть сложности с настройкой, так как простота схемотехники компенсируется необходимостью крутить множество ручек: настройки контура, регенерации, связи с антенной. При изменении положения антенны, напряжения батареек и температуры настройки стремятся «уползти». Ещё он склонен искажать звук радиопередачи и может быть сверхчувствительным к положению рукояток настройки (это можно увидеть на 13:10).
В вышеупомянутой статье автор рассказывает о существенном недостатке сверхрегенеративного приёмника — паразитном излучении радиоволн в эфир. Из-за наличия электрической связи антенны с контуром, часть энергии излучается и может мешать радиолюбительскому приёму на внушительной площади (автор приводит расчёты, почитайте).
«Идея оптической изоляции ВЧ входа от регенеративного детектора впервые посетила автора более десятилетия назад во время конструирования оптико-волоконной системы связи. В то время стоимость компонентов была очень высока и не было простого пути реализовать эту концепцию. К счастью, за последние 10 лет стоимость оптоэлектронных полупроводников резко упала, и стали доступны недорогие оптроны с широкой полосой пропускания».
QST 1998, №6
Он предлагает решить проблему взаимовлияния контура на антенну путём изоляции их цепей через быструю, промышленно выпускаемую оптопару HCPL-4562. Её полоса пропускания по даташиту — 17 МГц.
▍ Идея создать DIY аналог
Я думаю, что для некоторых людей будет интересным сделать аналог оптопары из подручного радиохлама или оставшихся запасов Древних. Проект был призван, чтобы:
- Снизить порог входа для радиолюбителей, так как можно обойтись распространёнными деталями.
- Мотивировать людей на не очень сложный проект высокочувствительного приёмника. Если вы живёте в отдалённой местности, вам не придётся ждать посылку и тратить деньги на фабричную деталь.
- Оптическая развязка защищает радиоэфир от загрязнения.
Я выбрал в качестве фотодатчика выпаянный из чего-то военного биполярный транзистор 1Т308 с ромбом, означающим военную приёмку. Возможно, из отработавшей ступени ракеты, которые падали в наших краях. Представьте, этот экземпляр летал на высоту разгонных блоков ракеты :)
▍ 1Т308
Транзистор германиевый диффузионно-сплавной структуры p-n-p универсальный. Предназначен для применения в автогенераторах, усилителях мощности, импульсных устройствах. Изготовитель — Нальчикский завод полупороводниковых приборов. Граничная частота 90 МГц. Паспорт.
Выбор был прост, предположил, что для коротковолнового приёмника этой частоты хватит, и он попался под руку первым…
Транзистор был вскрыт и отмыт изнутри тёплым изопропиловым спиртом под небольшим давлением струи из медицинского шприца. (NB! Если вы решите нагреть спирт, ни в коем случае не допускайте рядом открытого пламени! Лучше нагрейте воду, затушите пламя и в горячую воду положите ёмкость со спиртом).
После отмывания кристалл стал значительно чище, и медные металлические стружки пропали с поверхности. Стружку обязательно нужно было убрать, чтобы не было замыкания электродов между собой. До и после вскрытия транзистор проверялся.
▍ Дисклеймер
Электроника — моё хобби, у меня нет технического образования. Я могу допускать ошибки и буду рад, если вы поправите их. С некоторой задержкой я исправлю обнаруженные ляпы в тексте статьи.
Вероятно, многим опытным радиоэлектроникам покажутся нелепыми мои опыты. Многие темы электроники понимаю на поверхностном уровне и действую интуитивно.
▍ Тестовый стенд, датчик из фотодиода
Вначале собрал простой датчик на основе неизвестного фотодиода, вынутого из руин огромного принтера Kyocera. (Предполагаю, что данный фотодиод ИК диапазона. Он входил в состав модуля, содержавшего призмы, светоизлучающий диод и несколько других фотодиодов + ОУ. Наверное, этот модуль служил для оценки наличия бумаги в лотке). Светодиод включается в обратной полярности в цепь постоянного источника напряжения, такое включение позволяет добиться максимального быстродействия и основано на принципе появления фототока при попадании квантов света в область p-n перехода. Электроны получают дополнительную энергию, выходят из атома полупроводника в так называемую «зону проводимости» и выхватываются электрическим полем источника питания.
▍ Излучатель
Источником оптического излучения послужила пара красных светодиодов, включённых последовательно с резистором 51 Ом. SMD светодиод снят с китайской 12 В ленты, а тот, что с выводами, взят из коробочки. Вполне может оказаться, что он был произведён двадцать лет назад.
Мне удалось подобрать режимы и передать через свет сигнал частотой в заветные 7 МГц (радиолюбительский диапазон 40 метров)
▍Тестовый стенд для фототранзистора
Фототранзисторный стенд изначально собрал вот по такой схеме.
Довольно скоро выяснил, что он обладал множеством недостатков. Часть сигнала «пролезала», минуя свет, через взаимное влияние сигнального провода и провода щупа осциллографа. Ещё электромагнитная энергия исходила от проводов, соединявших светодиод с коаксиальным кабелем.
Отсутствие терминации (50 омного резистора на конце сигнального кабеля) отражений и искажения сигнала генератора. Не был скомпенсирован эффект Миллера.
О данном эффекте хорошо сказал автор статьи по разгону оптопар:
«Итак, в чём основная проблема передачи сигнала через оптопару? Обычно в оптопаре на выходе стоит биполярный транзистор, а все биполярные транзисторы страдают такой проблемой, как ёмкость переходов. Основную проблему создаёт ёмкость между коллектором и базой, во время переходных процессов именно она мешает транзистору быстро открываться и закрываться. Это явление называется эффект Миллера. Ещё во времена ламповых приёмников придумали, как с ним бороться. Основная идея в том, чтобы напряжение между базой и коллектором не менялось, в таком случае не придётся тратить время на перезарядку паразитной ёмкости».
MegaHard
▍ Улучшенный стенд
Для компенсации паразитной ёмкости используется схемотехническое решение, называемое термином ламповой эпохи — каскод (каскад + катод).
Верхний транзистор следит за напряжением на эмиттере и открывается синхронно с нижним, вбирая ток (справедливо для p-n-p транзисторов). Наверное, пока я не возьмусь объяснять принцип работы этой схемы, так как сам не понимаю его в должной мере. Наглядная работа схемы в симуляторе.
Из-за спешки некоторые осциллограммы работы старого стенда не были сфотографированы. Но это не так важно. Эксперименты очевидно показали, каскодное решение схемы увеличило быстродействие.
После пары вечеров экспериментов с различным уровнем питания и режимом работы каскода, а также улучшения помехозащищённости щупов осциллографа при помощи алюминиевой фольги. Я пришёл к выводу, что частота сигнала, воспринимаемого собранной схемой, ограничена 2,5-4 Мгц. А ещё выяснил не очень высокую чувствительность транзистора к красному свету, он начинал открываться только при интенсивном свечении светодиода.
▍ Самокритика
Ограничения лабораторного оборудования + недостаток опыта создания подобных устройств внесли искажения в полученную информацию. Выяснил недостатки своего низкочастотного аналогового генератора. Наблюдалась нестабильность частоты сигнала, сильные колебания уровня и изменение частоты при малейшем касании переключателей и рукояток резисторов. Также выяснились ограничения, связанные с управлением уровнем выходного сигнала. Например, минимальное положение рукоятки не снижает амплитуду до нуля. Частота 7 МГц достигалась в нештатном режиме работы, когда отщёлкнуты все переключатели множителя на самом крайнем положении рукоятки верньера.
Нет достоверных данных реальной полосы пропускания щупов. Нет достоверных измерений инерционности красных светодиодов. Я получал осциллограммы с выхода генератора и сравнивал их на глаз с осциллограммами самодельного датчика, но неясно, какой из элементов системы вносил искажения фронтов и в какой степени…
▍ Как поступить?
Поделюсь некоторыми задумками, вероятно, хабр-сообщество поможет с критикой задумки и допилкой её до работоспособного устройства. Почему-то верю, что этого можно добиться.
- Сделать ту же схему на двух BC107 (Граничная частота 250 МГц), используя один со спиленной крышкой.
Пара фотографийЗацените, как красиво сморщился усаживающийся цианоакрилатный клей. Хорошо, что он не оторвал тонкие золотые проволочки. Полимеризовался долго, несколько часов.
- Использовать зелёные и ИК светодиоды для передачи (и для приёма, как фототранзистор).
- Использовать доступные фотодиоды в качестве фотоприёмника. А сигнал усиливать при помощи биполярного или полевого транзистора, как это сделано в оптопаре из оригинальной статьи о приёмнике с оптической связью.
- Сделать или купить эталонный быстрый фотоприёмник и излучатель, испытать его на оборудовании высокого класса.
Спасибо за внимание. Критикуйте. Пишите идеи и указывайте на ошибки.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?
Комментарии (36)
Wizard_of_light
21.08.2024 09:08+2Предположу, что у германиевого транзистора максимум чувствительности к излучению в диапазоне ~1,5 мкм, по аналогии с каким-нибудь ФД-5Г, так что с зелёным светодиодом вас ждёт ещё больший облом.
engine9 Автор
21.08.2024 09:08Интересно, а почему так? Вроде бы зеленый выше по энергетике, должен быть активнее.
Wizard_of_light
21.08.2024 09:08+1Я недостаточно физику твёрдого тела знаю для точного ответа, видимо какие-то особенности энергетических уровней электронов в кристаллических решетках. Надо было кремниевый транзистор пилить, у p-n переходов на кремнии чувствительность как раз примерно в видимом диапазоне (максимум примерно на длине волны 0.6 мкм).
Jury_78
21.08.2024 09:08+1Возможно у специальных диодов так, но у большинства кремневых максимум ближе к 1000нм.
Wizard_of_light
21.08.2024 09:08+1Это вы чего-то путаете, 1000-1100 нм это длинноволновая граница. Вот как вариант, и это типичный спектр поглощения кремния.
UPD Или это мы друг друга не поняли, если вы имели в виду максимальную длину волны. Я имел в виду длину волны, на которой чувствительность максимальна.
Jury_78
21.08.2024 09:08+3Вот в Wiki приведена типовая хар-ка кремневого фотодиода. Максимум там примерно на 900нм.
Wizard_of_light
21.08.2024 09:08+1Хм, вы правы. Покопал тему немного, пишут, что максимум чувствительности зависит от толщины базы, типа легирования и даже напряжения смещения, а теоретически идеальный элемент должен иметь максимум в районе 900-1000 нм. Видимо у меня смещённая выборка, мне почему-то чаще попадались фотодиоды, оптимизированные под видимый диапазон.
AlexAV1000
21.08.2024 09:08+4Чем короче длина волны, тем в более тонком, приповерхностном слое полупроводника, поглощается свет. Вблизи поверхности много дефектов, на которых большая часть созданных светом пар электрон-дырка, рекомбинируют, не давая вклад в фототок.
ermouth
21.08.2024 09:08+3Пик чувствительности как минимум фоторезисторов обычно соответствует частоте, эквивалентной ширине запрещённой зоны полупроводника. То-есть, предположим, что германий чистый, ширина запр. зоны примерно 0.8эВ.
Теперь мы просто напрямую переводим эти электрон-вольты в частоту (любой онлайн-конвертер сойдёт) – и получаем 193ТГц, что соответствует длине волны примерно 1.55мкм. Ближний ИК.
Serge78rus
21.08.2024 09:08У Вас же задача уменьшить проникновение ВЧ сигнала с регенеративного каскада в антенну, а не обеспечить гальваническую изоляцию. Так зачем Вам оптопара? Почему бы не решить задачу, поставив каскад УВЧ между антенной и регенератором?
engine9 Автор
21.08.2024 09:08+1Дяденька, я не настоящий сварщик (с) Я не знаю, решил что это элегантно.
AlexAV1000
21.08.2024 09:08+2А ещё выяснил не очень высокую чувствительность транзистора к красному свету, он начинал открываться только при интенсивном свечении светодиода.
Ну, ещё бы. :) Транзистор же германиевый. И максимальная чувствительность к свету, у него, на 1,7 мкм. Надо было хотя бы ИК диод брать. А вообще работать с германиевыми транзисторами, сейчас, вообще идея плохая, они намного хуже, чем современные кремниевые.
n2dt4qd2wg9b
21.08.2024 09:08+1SFP возьмите. Бонусом передача по оптоволокну.
Быстрый лазер и фотодиод впридачу
Wik0
21.08.2024 09:08+2Регенератор и сверхрегенератор - это не одно и тоже.
Но у «сверхрегенераторов» есть сложности с настройкой, так как простота схемотехники компенсируется необходимостью крутить множество ручек: настройки контура, регенерации, связи с антенной.
У сверхрегенератора нет ручки настройки регенерации. Во всяком так я считал 30 лет назад, когда увлекался радиотехникой. Сейчас что-то изменилось?
Prohard
21.08.2024 09:08+1Замените СИД обычным лазерным диодом и дело в шляпе. Я так делал с S/PDIF. Там тактовая около 2 МГц. Фронты получились очень крутые.
alcotel
21.08.2024 09:08+1Оптический S/PDIF, он же TOSLINK, на каждой второй материнской плате ставится. Для цифрового сигнала по оптике - самое бюджетное решение.
Но вот микровольты аналогового сигнала, как автору нужно, обычный лазерный диод не передаст. Шумит адски. Даже специализированные одночастотные лазеры стоимостью $∞ не особо справляются.
Prohard
21.08.2024 09:08+1Был бы очень признателен, если бы еще указали источники информации. Меня весьма интересуют шумы оптического излучения СИД и лазерных диодов, особенно на частотах ниже 1 МГц, но никакой информации я пока не находил. В своих экспериментах, с использованием такого лазерного диода и BPW34 получил сигнал/шум под -70 дБ просто на макете в полосе 20Гц-20кГц.
alcotel
21.08.2024 09:08Я сам интересовался когда-то, т.к. занимался физикой оптических волноводов. Помню, когда-то... - это не релевантный источник. Бодро погуглив "laser intensity noise" сейчас я нашёл только характеристики супер-пупер лазеров, у которых шум нормируется производителем. -140 дБ/Гц, говорят, но за много к$.
70 дБ - это похожая цифра. Но это
ху, мягко говоря, весьма небольшой динамический диапазон. Чуть похуже проводной телефонной связи, в районе GSM что-то. И у товарища сигнал-то намного ниже 0 дБ. (под 0 дБ я подразумеваю ток постоянного смещения СИД, и соответствующее напряжение на нагрузке 50 или 75 Ом)Если прям пипец интересно, напомните мне в личку в конце сентября. Мне соберут платы с фото-датчиками и 16-битными АЦП. Проверю. СИД (типа как в пульте ДУ) в комплекте будет. Лазерную указку найду уж.
Prohard
21.08.2024 09:08+1Цитата - "Нет достоверных данных реальной полосы пропускания щупов." Обычные советские с крокодилами и СР-50 примерно 5 МГц. Современные, с компенсацией и положении делителя 1:10 до 60 МГц свободно. Осциллоскоп у вас хороший, полоса до 100 МГц по паспорту.
ruomserg
21.08.2024 09:08+2Вы серьезно делаете эксперименты на мегагерцовых частотах с использованием беспаячной платы ?! Я привык что беспайки - это десятки килогерц максимум - дальше у вас на емкостных и индуктивных связях токи будут ходить туда-сюда, а не только по проводам. Если хотя бы дремелем из текстолита выцарапать печатную плату - жизнь должна стать веселее...
engine9 Автор
21.08.2024 09:08+2Я планирую всё переделать уже по-нормальному. Я ведь не электронщик так-то, использую хабр что-то типа научного консультанта, в своеобразной интерактивной игре.
alcotel
21.08.2024 09:08+1Светодиоды в качестве фотоприёмников я пробовал. Не взлетело от слова совсем.
Про согласование спектров тут уже сказали. Лучший вариант - ближний ИК и кремниевый приёмник. Быстрые оптопары, аналогичный приведённой в статье - например 6N135, 136. У них, кстати тоже отдельно фотодиод и усилительный транзистор. Фотодиодные оптопары теоретически тоже бывают.
Но если вы собираетесь передавать слабый сигнал от антенны, учтите шумы. У светодиодов они ни разу не нормированные. А у лазеров, как тут некоторые предлагают - полнейший мрак.
Jury_78
Он же ГТ308 ;)
P.S. Еще наверно надо задать ему смещение.
engine9 Автор
По моей задумке смещение так же должно было создаваться постоянным свечением светодиода, т.е. результирующий сигнал выглядел как синусоида с некоторым положительным смещением. В моменты пиков отрицательных полуволн светодиод не выключался полностью.
Jury_78
Вам же желательно выбрать рабочую точку с линейной хар-кой.