Transmisión de audio digital láser simple y económica: 4 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Desde que hice la pistola láser, he estado pensando en modular el láser para enviar audio, ya sea por diversión (un intercomunicador para niños), o tal vez para transmitir datos para una pistola láser más sofisticada, lo que permite que un receptor se dé cuenta por a quien le pegaron. En este instructable me enfocaré en la transmisión de audio.

Mucha gente ha creado sistemas de transmisión analógicos modulados agregando la señal de audio analógica a la fuente de alimentación del diodo láser. Esto funciona, pero tiene algunos inconvenientes serios, principalmente la incapacidad de amplificar la señal en el extremo receptor sin introducir mucho ruido. Además, la linealidad es muy pobre.

Quería modular el láser digitalmente usando un sistema de modulación de ancho de pulso (PWM). Los diodos láser baratos utilizados en el proyecto de la pistola láser se pueden modular incluso más rápido que un LED normal, en millones de pulsos por segundo, por lo que esto debería ser muy factible.

Paso 1: Prueba de principio (el transmisor)

Es completamente posible construir un transmisor algo decente usando un generador de triángulo o diente de sierra y comparando su salida con la entrada de señal con un amplificador operacional. Sin embargo, es bastante difícil obtener una buena linealidad y el número de componentes crece fuera de control bastante rápido, y el rango dinámico utilizable a menudo es limitado. Además, decidí que estaba permitido ser vago.

Un poco de pensamiento lateral me señaló un amplificador de audio de clase D ultra barato llamado PAM8403. Lo usé antes como un amplificador de audio real en el proyecto de pistola láser. Hace exactamente lo que queremos, modulando el ancho de pulso la entrada de audio. Las placas pequeñas con los componentes externos necesarios se pueden adquirir en eBay por menos de 1 euro.

El chip PAM8404 es un amplificador estéreo con una salida de puente H completo, lo que significa que puede conducir ambos cables al altavoz al riel Vcc (más) oa tierra, cuadruplicando efectivamente la potencia de salida en comparación con solo conducir un cable. Para este proyecto, simplemente podemos usar uno de los dos cables de salida, de un solo canal. Cuando esté en completo silencio, la salida se conducirá a una onda cuadrada de aproximadamente 230 kHz. La modulación de la señal de audio cambia el ancho de pulso de la salida.

Los diodos láser son extremadamente sensibles a la sobrecorriente. Incluso un pulso de 1 microsegundo puede destruirlo por completo. El circuito que se muestra evita exactamente eso. Conducirá el láser con 30 miliamperios independientemente de VCC. Sin embargo, si hay la más mínima desconexión de los diodos, normalmente recortando el voltaje base del transistor a 1,2 voltios, el diodo láser se destruye inmediatamente. He fundido dos módulos láser como este. Recomiendo no construir el controlador láser en una placa de prueba, sino soldarlo en una pequeña pieza de PCB o de forma libre en un trozo de tubo retráctil en la parte posterior del módulo láser.

De vuelta al transmisor. ¡Conecte la salida del PAM8403 a la entrada del circuito del controlador láser y el transmisor está listo! Cuando se enciende, el láser se enciende visualmente y no se puede detectar ópticamente ninguna modulación. En realidad, esto tiene sentido ya que la señal se mantiene en un estado de encendido / apagado del 50/50 por ciento en una frecuencia portadora de 230 kHz. Cualquier modulación visible no habría sido el volumen de la señal, sino el valor real de la señal. Solo a frecuencias muy, muy bajas, la modulación se notará.

Paso 2: Prueba de principio (el receptor, versión de celda solar)

Investigué muchos principios para el receptor, como fotodiodos PIN con polarización negativa, versiones sin polarización, etc. Los diferentes esquemas tenían diferentes ventajas y desventajas, como la velocidad frente a la sensibilidad, pero la mayoría de las cosas eran complejas.

Ahora tenía una vieja luz solar IKEA Solvinden en el jardín que fue destruida por la entrada de lluvia, así que salvé las dos células solares pequeñas (4 x 5 cm) y probé cuánta señal se produciría simplemente apuntando el diodo láser rojo modulado. en uno de ellos. Este resultó ser un receptor sorprendentemente bueno. Moderadamente sensible y con un buen rango dinámico, funciona incluso con una iluminación bastante brillante de la luz solar parásita.

Por supuesto, puede buscar en eBay, por ejemplo, pequeñas células solares como esta. Deben venderse por menos de 2 euros.

Le conecté otra placa receptora de clase PAM8403 D (que también eliminó el componente de CC) y le conecté un altavoz simple. El resultado fue impresionante. El sonido era razonablemente alto y sin distorsiones.

La desventaja de usar una celda solar es que son extremadamente lentas. La portadora digital se borra por completo y es la frecuencia de audio demodulada real la que se transmite como señal. La ventaja es que no se necesita ningún demodulador: simplemente conecte el amplificador y el altavoz y ya está en el negocio. La desventaja es que, dado que la portadora digital no está presente y, por lo tanto, no se puede restaurar, el rendimiento del receptor depende completamente de la intensidad de la luz y el audio se distorsionará por todas las fuentes de luz parásitas moduladas en el rango de frecuencia de audio, como las bombillas., televisores y pantallas de computadora.

Paso 3: ¡Prueba

Saqué el transmisor y el receptor por la noche para ver fácilmente el rayo y tener la máxima sensibilidad de la célula solar, y tuve un éxito inmediato. La señal se captó fácilmente a 200 metros de distancia, donde el ancho del haz no superaba los 20 cm. Nada mal para un módulo láser de 60 centavos con una lente colimadora que no es de precisión, una celda solar recuperada y dos módulos amplificadores.

Descargo de responsabilidad menor: no hice esta foto, solo la tomé de un sitio de búsqueda muy conocido. Como había un poco de humedad en el aire esa noche, el rayo de hecho se veía así cuando miraba hacia el láser. Muy guay, pero eso no viene al caso.

Paso 4: Después de los pensamientos: construcción de un receptor digital

Construcción de un receptor digital, versión de diodo PIN

Como se dijo, sin regenerar la señal PMW de alta frecuencia, las señales parásitas son muy audibles. Además, sin la señal PMW regenerada a una amplitud fija, el volumen y, por lo tanto, la relación señal / ruido del receptor depende totalmente de la cantidad de luz láser capturada por el receptor. Si la señal PMW en sí estuviera lo suficientemente disponible en la salida del sensor de luz, debería ser muy fácil filtrar estas señales de luz parásitas, ya que básicamente todo lo que esté bajo la frecuencia de modulación debe considerarse parásito. Después de eso, simplemente amplificar la señal restante debería producir una señal PWM regenerada de amplitud fija.

Si aún no ha construido un receptor digital, pero podría ser muy factible usar un diodo PIN BWP34 como detector. Uno tendría que optar por un sistema de lentes para aumentar el área de captura, ya que el BWP34 tiene una abertura muy pequeña, aproximadamente 4x4 mm. Luego haga un detector sensible, agregue un filtro de paso alto, ajuste aproximadamente a 200 kHz. Después de filtrar, la señal debe amplificarse, recortarse para restaurar la señal original lo mejor posible. Si todo eso funciona, básicamente hemos restaurado la señal tal como fue producida por el chip PAM y podría alimentarse directamente a un pequeño altavoz.

¡Quizás para una fecha posterior!

¡Enfoque diferente, los profesionales!

Hay personas que realizan transmisiones de luz a distancias mucho mayores (varias decenas de kilómetros) que las que se presentan aquí. No utilizan láseres porque la luz monocromática en realidad se desvanece más rápido a lo largo de la distancia sin vacío que la luz multicromática. Utilizan grupos de LED, enormes lentes Fresnel y, por supuesto, viajan grandes distancias para encontrar aire limpio y largas líneas de visión, léase: montañas, y sus receptores son de un diseño muy especial. Cosas divertidas que se pueden encontrar en Internet.