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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.
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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.
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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.
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Lichtempfänger
Um die Spannungsänderung einer Fotodiode zu verstärken sind hochohmige Spannungsvorverstärker notwendig. So einen Vorverstärker habe ich mit den FET BF245B und einen PNP Transistor BC307 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.
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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.
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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.
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Lichtempfänger
Bisher hatte ich nur mit der Spannung-
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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. Mit dieser Schaltung ist ein empfangsstarker Lichtfunkempfänger entstanden, der selbst bei vorhandenem Gegenlicht sehr gute Empfangsstärken aufweist.
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Funktion des Transimpedanzverstärkers
Der Transimpedanzverstärker ist ein Strom-
Die Ausgangsspannung berechnet sich nach der Gleichung
-
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.
Die Eigenschaften des Transimpedanzverstärker sind ausgezeichnet. Kleinste Lichtsignale werden empfangen und in eine Signalspannung umgesetzt.
Wie ich schon eingangs erwähnte, zeigen Photodioden bei Beleuchtung 3 unterschiedliche Reaktionen.
1. sie ändern ihren Widerstand.
2. sie erzeugen eine Spannung.
3. sie liefern einen Strom.
Ein Transimpedanzverstärker wandelt den Strom in eine Spannung um. Solange die Photodiode kein Fremdlicht erhält, arbeitet der Transimpedanzverstäker perfekt. Bei Tageslicht oder bei der Abenddämmerung erzeugt die Photodiode aber einen zusätzlichen Strom, der vielfach stärker ist als der Signalstrom. Das sind also 2 Ströme. Ein Gleichstrom durch die Hintergrundhelligkeit (Fremdlicht) und ein Wechselstom durch das modulierte Licht der Gegenstation. Durch das Fremdlicht wird der Arbeitspunkt des Transimpedanzverstärkers aber so verschoben, dass er kein Signal mehr umsetzen kann. Er stellt seine Funktion ein. Die Hintergrundhelligkeit hat ihn so stark geblendet, dass das eigentliche Nutzsignal nicht erkannt werden kann. Darum funktioniert diese Schaltung nur bei absoluter Dunkelheit. Dann zeigt sie aber ihre volle Leistungsfähigkeit.
Damit der Transimpedanzverstärker auch bei Fremdlicht seine guten Eigenschaften umsetzen kann, muss man den den Gleichstrom, der durch das Fremdlicht erzeugt wird, vom modulierten Wechselstrom der Gegenstation trennen. Eine einfache Lösung kann man durch Einfügen eines Kondensators erreichen. Ein Kondensator lässt Wechselstrom passieren und hält Gleichstrom zurück.
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Ein kompakter Lichtfunktranceiver
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-
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Lichtfunktransceiver
Der fertige Lichtfunktransceiver auf einer gelochten Streifenrasterplatine. Links der Lichtfunksender, in der Mitte der 2-
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Lichtfunktransceiver
So sieht der Lichtransceiver von der Rückseite aus. Um Verkopplungen zu vermeiden, sind freie Leiterbahnen mit Schaltdrahtverbindungen zu einer gemeinsamen Massefläche verlötet worden.
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Lichtfunkempfänger mir einer Avalanche Photo Diode (APD)
Es gibt spezielle Photodioden, die den Avalanche Effekt nutzen, um einzelne Photonen zu registrieren. Sie können also geringste Helligkeiten wahrnehmen. Ihre Reaktion auf Licht ist noch ausgeprägter als bei Fotodioden. Das war der Grund auch mal eine Avalanche Photodiode (APD) in meinen Lichtfunkempfänger einzubauen. Avalanche Photodioden werden im Sperrbereich nahe der Durchbruchspannung betrieben. Laut Datenblatt liegt die Durchbruchspannung zwischen 80 und 160 V. Der Strombedarf von ca 1 nA ist dagegen äußerst gering. Das Problem war eine Spannung von 180 V aus der 12 V Betriebsspannung meines Lichtfunkgerätes zu erzeugen. Dazu gibt es aber Step-