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Der Lichtfunkempfänger

Lichtfunk


Als Lichtempfänger eignen sich für der Funkamateur nur Fotodioden oder Fototransistoren. Eine bekannte Fotodiode ist die BPW 34. Sie ist zudem preiswert. Darum habe ich meine ersten Experimente damit durchgeführt und gute Erfahrungen gesammelt.
Drei Eigenschaften sind bei Fotodioden zu erkennen.
1. Eine Spannung bei Lichteinfall.
Die Spannung ist nicht proportional der Lichtstärke.
2. Ein Strom bei Lichteinfall. Der Kurzschlussstrom ist proportional der Lichtstärke.
3. Eine Widerstandsabnahme bei Lichteinfall.
Für einen ausreichenden Empfang muss das schwache Lichtsignal erst verstärkt und dann in einem Endverstärker mit einem Kopfhörer hörbar gemacht werden. Je schwächer das Signal umso höher die Verstärkung.

Bild 1
Fotodioden und Fototransistoren

Meine Experimente habe ich bisher vornehmlich mit der Fotodiode BPW 34 durchgeführt. Diese Fotodiode war bei all meinen Entwicklungen der verschiedenen Lichtfunkempfängern die Grundlage des Lichtempfangs. Nun möchte ich aber testen, ob man durch geeignetere Fotodioden oder Fototransistoren den Empfang noch verbessern kann.

Bild 2
Lichtempfänger

Hier wird die Widerstandsänderung einer Fotodiode bei Lichteinfall genutzt, um ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal zu empfangen. Die Diode wird in Sperrichtung geschaltet. Die Widerstände R1 und R2 bilden zusammen den Vorwiderstand für die Fotodiode. Das stärkste Signal erhält man, wenn Fotowiderstand und Vorwiderstand gleich groß sind. Darum ist für eine Anpassung der R1 ein veränderlicher Widerstand. Die Signalspannung geht direkt auf die Basis von T1, der in einer Kollektorschaltung betrieben wird. Diese Schaltung hat zwar keine Verstärkung belastet aber durch den hochohmigen Eingangswiderstand nicht das Signal der Fotodiode. Ausgekoppelt wird am Emitter von T1 über den Kondensator C1 und dem nachfolgenden Vorverstärker, bestehend aus T2 und T3, zugeführt. Dieser Vorverstärker hat eine Verstärkung von ca. 41 dB (120 fach).  Am Kollektorwiderstand R7 von T3 kann die Signalstärke eingestellt werden. Die Ankopplung an den Endverstärker, bestehend aus der integrierten Schaltung LM 386, erfolgt über den Kondensator C2. Der Endverstärker ist entsprechend der Herstellerapplikation beschaltet und hat eine Verstärkung von ca 46 dB (200 fach). Das ergibt eine 24000 fache Gesamtverstärkung. Damit sind Lichtsignale mit ca 5 Microvolt ( 5 uV) bereits gut hörbar.

Bild 3
Lichtempfänger


Um die Spannungsänderung einer Fotodiode zu verstärken sind hochohmige Spannungsvorverstärker notwendig. So einen Vorverstärker habe ich mit den FET BF 245 B und einen PNP Transistor BC 307 aufgebaut. Er ist rauscharm und hat eine Verstärkung von 46 dB (200 fach). Der nachgeschaltete Endverstärker ist die bewährte integrierte Schaltung LM 386 mit ebenfalls 46 dB  (200fach) Verstärkung. Damit ergibt sich eine ein 40000 fache Verstärkung. Das ist ausreichend um Lichtsignale mit 2 Mikrovolt (2 uV) hörbar zu machen.

Bild 4
Lichtempfänger


Auch bei dieser Schaltung wird die Spannungsänderung der Fotodiode für den Empfang genutzt. Dazu verwende aber einen Operationsverstärker. Er hat eine 100 fache Verstärkung. Der Widerstand R4 bestimmt die Verstärkung linear zum Widerstandswert. Mit R5=220 k erhält man eine 220 fache Verstärkung. Damit ist dieser Lichtempfänger mit den vorherigen vergleichbar. Vorteilhaft ist ein stabileres Verhalten gegen ungewollte Schwingneigung.

Bild 5
Lichtempfänger

Hier habe ich einen Schaltung mit einem Fototransistor als Lichtempfänger ausprobiert.
Testergebnisse auf dem Labortisch waren sehr zufriedenstellend. Bisher habe ich diesen Lichtempfänger noch nicht in der Praxis erprobt. Denn dazu muss ich nicht nur die Schaltung wechseln sondern auch die eingebaute Fotodiode BPW 34, mit der ich die bisherigen Tests durchgeführt habe, aus dem Brennpunkt der Linse durch den Fototransistor ersetzen und die Optik neu justieren.

Bild 6
Lichtempfänger


Bisher hatte ich nur mit der Spannung- und der Widerstandsänderung von Fotodioden experimentiert. Diese Schaltung wandelt jedoch den Fotostrom in eine Spannung um. Das wird mit dem Transimpedanzverstärker, eine besondere Schaltung des Operationsverstärkers, gemacht. Die Ergebnisse waren vielversprechend. Schwache Signale wurden einwandfrei empfangen. Das schien eine gute Lösung zu sein.
Bald stellte sich jedoch ein Nachteil heraus. Der Transimpedanzverstärker arbeitet nur bei absoluter Dunkelheit mit bestem Ergebnis. Bei Fremdlicht (Gegenlicht, Abenddämmerung) ist er schnell übersteuert. Es ist der Gleichstrom der Diode, der den Operationsverstärker übersteuert. Dann ist kein Empfang mehr möglich. Noch suche ich nach einer Lösung, wie man auch bei geringem Gegenlicht Lichtsignale mit dem Transimpedanzverstärker empfangen kann.
Eine Möglichkeit wäre den Widerstand R3 = 3,3M auf beispielsweise 100k zu verringern. Dadurch verringert sich die Verstärkung und macht den Transimpedanzverstärker unempfindlicher gegen das Gegenlicht.



Bild 7
Lichtempfänger

Mit dieser Schaltung bin ich einen Schritt weitergegangen und habe noch einen Zwischenverstärker eingeschaltet, um damit die Gesamtverstärkung zu erhöhen. Mit R5 kann man die Verstärkung anpassen. Das Ergebnis ist sehr zufriedenstellend. Jedoch muss man bis in die Nachtstunden warten um das störende Gegenlicht zu vermeiden.

Der Transimpedanzverstärker

Der Transimpedanzverstärker ist ein Strom-Spannungsverstärker (auch Strom-Spannungs-Wandler oder I-U-Wandler genannt). Er ist ein elektrischer Verstärker, der einen Eingangsstrom in eine proportionale Ausgangsspannung umwandelt. Er besteht aus einem spannungsgesteuertem Operationsverstärker (OP) und dem Widerstand R . Es handelt sich also um eine stromgesteuerte Spannungsquelle.
Ohne Beleuchtung der Fotodiode sind im Idealfall die Spannungen am invertierenden Eingang ( - ), am nichtinvertierenden Eingang ( + ) und am Ausgang des OPV alle 0 Volt.
Eine Fotodiode gibt bei Lichteinfall einen proportionalen Strom (I1) ab. Beide Eingänge eines OPV sind sehr hochohmig und nehmen keinen Strom auf. I2 kann nicht fließen.  Der Strom I1 muss also über den Widerstand R abfließen. Der invertierende Eingang ( - ) steuert den OPV so, dass der Strom der Fotodiode über den Widerstand R abfließt. Dabei entsteht
am Widerstand R ein Spannungsabfall , der als Ausgangsspannung Ua messbar ist.
Die Ausgangsspannung berechnet sich nach der Gleichung

-Ua = I1 * R

Bei einem Fotodiodenstrom (I1) von 1 uA und einem Widerstand R = 3,3 MOhm erhält man eine Ausgangsspannung von 3,3 Volt. Das ist eine sehr große Verstärkung. Der Kondensator C2 verhindert eventuell auftretende Verzerrungen. Er ist experimentell zu ermitteln, da es vom OPV und vom Aufbau der Schaltung abhängig ist.

Bild 8
Lichtempfänger

Das Signal der Fotodiode wird bei diesem Empfänger mit einem rauscharmen Doppel-OP verstärkt  und dem Kopfhörerverstärker zugeführt. Die Gesamtverstärkung ist so groß, dass auch sehr schwache Lichtsignale hörbar gemacht werden. Um eventuelle Verkopplungen (Schwingneigungen) zu unterdrücken sind die Kondensatoren C5 und C8 eingefügt. Je nach Aufbau der Schaltung müssen die Werte ermittelt werden. Die Grundverstärkung wird mit R7 eingestellt. Die Lautstärkeeinstellung geschieht mit R8. Die Kondensatoren C3, C6 und C10 unterdrücken eventuelle HF-Einstrahlungen.

Bild 9
Lichtempfänger

Dieser Lichtempfänger ist Teil eines Projekts, in dem ich mit geringen Aufwand einen guten Lichttranceiver realisiert habe. Der Lichttranceiver besteht nur aus  2 IC´s (LM 386 und LM 348) und einem Transistor. Die Fotospannung der Fotodiode wird mit 2 Operationsverstärkern vorverstärkt und dann den NF-Endverstärker über den Lautstärkerregler zugeführt. Die maximale 2,3 Millionen fache Verstärkung kann bei ungünstigem Aufbau zu Rückkopplungen führen. Der Empfänger wird dann schwingen und ein Empfang ist dann nicht mehr möglich. Die Schwingungen kann man mit einem Oscilloskop als Rechtecksignal sichtbar machen. Mit den Kondensatoren C4 und C7 wird die Schwingneigung meist unterdrücken. Die Werte muss man jedoch experimentell ermitteln. Nach meinen Erfahrungen ist das sehr stark vom Aufbau der Schaltung abhängig. Es ist mir sogar gelungen ganz ohne diese Kondensatoren auszukommen. Die Kondensatoren C2, C5 und C9 unterdrücken unerwünschte HF-Einstrahlungen. Die integrierte Schaltung LM 348 enthält 4 Operationsverstärker. 2 davon wurden als Vorverstärker für den Empfänger benötigt. Mit den beiden anderen Operationsverstärkern wurde der Lichtsender aufgebaut.

Bild 10
Lichtfunktransceiver

Der fertige Lichtfunktransceiver auf einer gelochten Streifenrasterplatine. Links der Lichtfunksender, in der Mitte der 2-fache Vorverstärker und rechts der NF-Endverstärker (LM 386).

Bild 11
Lichtfunktransceiver

So sieht der Lichtransceiver von der Rückseite aus. Um Verkopplunge zu vermeiden, sind freie Leiterbahnen mit Schaltdrahtverbindungen zu einer gemeinsamen Massefläche verlötet worden.

 
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