Höhere Reichweite für optische Signalübertragung

[Bambini]

Habe gerade einen IR-Bausatz entdeckt welcher bis 50 Meter gehen soll.
Die Linse die verwendet wird ist Plankonvex und wir nur beim Empfänger angebracht, der Sender hat keine Linse, dafür 2 Dioden nebeneinander. Eine Plankonvexe Linse hätten wir im Kosmos 101 Kasten...

[DerInder]

Moin Moin,

Beat das Ergebnis deiner Experimente mit der Linse lassen sich leicht erklären.
Die Led hat ja 5mm Durchmesser, da sieht der Strahlengang dan wie folgt aus:

LED-Linse.png (25.18 KiB) 17205 mal betrachtet

LED-Linse.png (25.18 KiB) 17205 mal betrachtet

Die schwarzen Linien sind parallel, durch den im Verhältnis zur Linse großen Durchmesser der Led fällt die Strahlaufweitung (grüne Linien) recht stark ins Gewicht.

Abhilfe schafft da nur eine andere Led (SMD) oder eine größere Linse.

[Bambini]

Danke für die Grafik Jens! Damit ging auch bei mir ein Lichtlein auf :D

[DerInder]

Moin Moin,

ich hab mal ein bisschen bezüglich meiner Grafik oben rumgerechnet.

Mit den Linsendaten von Wolfgang (Durchmesser 18mm, Brennweite 16,2mm und 5mm LED) ergibt sich folgendes:

Die "grünen" Strahlen divergieren mit einem Winkel von 6,4° gegen die Achse. Daraus folgt, das sich der Strahl in 1m Entfernung von der Linse (genauer Linsenmitte) auf einen Durchmesser von 242mm aufweitet.
Die "roten" Strahlen haben einen Brennpunkt bei 72mm und weiten sich dadurch auf 231mm Durchmesser bei 1m Linsenabstand auf.

Die Zahlenwerte sind natürlich rein theoretischer Natur, da sie von einer "perfekten" Linse, vollständige Ausleuchtung und idealer Einrichtung ausgehen.
Andererseits zeigen sie, glaube ich, recht gut, was man mit dieser Led/Linsen-Kombination erreichen kann.

Etwas besser sieht es mit meinen Linsen von X-System aus, die haben einen Durchmesser von 30mm und eine Brennweite von 60mm. Ich habe da zwei hintereinander geschaltet, sprich ich hab da eine Brennweite von 30mm. Bei dieser Kombination weitet sich der Strahl bei 1m "nur" auf 160mm auf.

Ich werde heute Abend mal Echtmessungen machen.

[DerInder]

Moin Moin,

meine Zahlenwerte oben waren etwas daneben
Ich hab jetzt nochmal die Led mit einen Abstrahlwinkel von 60° berücksichtigt.

Für die 18mm Linse komme ich jetzt auf einen Strahldurchmesser von 134mm bei 1m Abstand, für meine 30mm Linsen auf 92,9mm.

So und nun die "Messung" für die 60° 5mm Led:

60 Grad Led 1m.jpg (112.72 KiB) 17148 mal betrachtet

60 Grad Led 1m.jpg (112.72 KiB) 17148 mal betrachtet

Passt! :D

Dann hab ich nochmal eine SMD-Led verwendet, die habe ich auf den Feuchtigkeitssensor aufgelötet:

SMD_LED_1.jpg (121.49 KiB) 17148 mal betrachtet

SMD_LED_1.jpg (121.49 KiB) 17148 mal betrachtet

Damit wird´s dann richtig schön:

SMD_LED_1m.jpg (123.43 KiB) 17148 mal betrachtet

SMD_LED_1m.jpg (123.43 KiB) 17148 mal betrachtet

Mein Sender entspricht dem aus dem E202 nur halt auf dem X-System:

Sender_1.jpg (176.71 KiB) 17148 mal betrachtet

Sender_1.jpg (176.71 KiB) 17148 mal betrachtet

Sender_2.jpg (157.74 KiB) 17148 mal betrachtet

Sender_2.jpg (157.74 KiB) 17148 mal betrachtet

So als nächstes ist der (ein) Empfänger aus dem E202 drann...

[wolfgang]

Hallo Jens,

ich versuche mal Deine Ergebnisse aus Rechnung und Versuch in Worte zu fassen:

- Je kleiner die Lichtquelle, je besser die Fokussierung. Idealfall punktförmige Lichtquelle.
- Je größer das Verhältnis zwischen Lichtquelle und Linse, je besser die Fokussierung.

Liege ich da mit meinen Thesen richtig?

Gruß
Wolfgang

[DerInder]

Moin Wolfgang,

deine Thesen sind genau richtig :-)

Man musst bei einer nicht punktförmigen Lichtquelle nicht nur die Strahlen aus dem Mittelpunkt berücksichtigen, sondern auch von deren Rändern, die sich logischerweise ausserhalb des Brennpunktes befinden.

Übrigens konnte ich den Lichtfleck meiner SMD-Led noch am Nachbarhaus klar und deutlich erkennen und das ist ca. 50m entfernt.

[Bambini]

Hallo!
Interessante Resultate deiner Versuche. Ich habe gesehen dass Du 2 Plankonvexe Linsen gegeneinander gerichtet verwendet hast, richtig?
Was ist denn da der Gedanke dahinter, schon alleine auch weil sie sich berühren?

[DerInder]

Moin Beat,

nun in den X-Kästen nur Plankonvexlinsen mit Durchmesser 30mm und Brennweite 60mm.

Eine Linse wäre bei Leds mit 60° Abstrahlwinkel ungünstig, da sie nur 28° davon erfassen würde "winkel=2*arctan(15/60)" (Radius=15, Brennweite=60)
Bei zwei dieser Linsen verringert sich die Brennweite auf 30mm (Erfassungswinkel=53°).

Desweiteren nimmt man die planen Flächen nach Aussen, um den Einfallswinkel möglichst klein zu halten. Denn je größer dieser ist, desto größer wird der Verlust durch Reflexion an der Linse. Schön sieht man das beim Bild des Prismas oben, wo ein beträchtlicher Teil des einfallenden Lichts nach "oben" reflektiert wird.

Die beiden Linsen dürfen sich auf keinen Fall berühren, sonnst ergeben sich dort Interferenzen (das lässt sich dann aber nicht mehr mit der Strahlenoptik erklären, sonder nur noch mit der Wellen- bzw. Quantenoptik).

Ach ja, diese Anordnung der Linsen nennt sich Kondensor (nein nicht Kondensator ).

[wolfgang]

Hallo Jens,

ist der Treibertransistor für die IR-LED ein normaler Kosmos-Transistor, oder hast Du da was anderes auf die Platine gelötet? Nach dem Handbuch E202 wird als Treibertransistor ein BC328 verwendet. Dieser hat gegenüber dem BC547/BC238 usw. einen höheren Kollektorstrom und eine etwas höherer Verlustleistung.

Gruß
Wolfgang

[DerInder]

Moin Wolfgang,

ich hab den tatsächlich umgelötet, da ist ein BC338 drauf. Ganz so wie es für den E202 sein soll :wink:

[DoctorSnuggles]

Hallo!

Wie oben schon erwähnt lassen sich nur Lichtstrahlen von einer punktförmigen Lichtquelle perfekt parallel machen (im Rahmen der geometrischen Optik). Das funktioniert also umso besser, je kleiner die leuchtende Fläche ist.

Daher lassen sich wesentlich größere Reichweiten erreichen, wenn man statt einer LED eine Laserdiode verwendet. Bei einer Laserdiode (ohne Optik) ist die leuchtende Fläche schließlich nur wenige Mikrometer groß.

Hierzu noch eine Idee: Bei einem einfachen Laserpointer hat man eigentlich schon eine Laserdiode samt passender Optik in einem Gehäuse integriert. Ich habe es noch nicht selbst ausprobiert, aber eigentlich müßte man bei einem Laserpointer wahrscheinlich nur die Batterie abklemmen und durch eine modulierte Stromquelle ersetzen, um damit Signale über große Entfernungen zu übertragen. Bestimmt würde das auch mit dem E202 funktionieren, sofern die Stromstärke über der Laserschwelle liegt. 100 Meter sollten damit kein Problem sein.

(Sicherheitshinweise: Nie mit dem Auge direkt in den Laserstrahl schauen! Darauf achten, dass keine Menschen oder Tiere versehentlich in den Strahl schauen können. Auf Reflektionen an metallischen Oberflächen achten (z.B. Armbanduhr). Lasersicherheit beachten. Bitte keine Versuche mit Infrarot-Laserdioden (z.B. aus CD-Spielern), die sind erheblich gefährlicher, weil man die Strahlung nicht sieht.)

Viele Grüße,
Jörg

[wolfgang]

Hallo Jörg,

herzlich willkommen hier im Forum.

Vor einigen Jahren gab es von Franzis mal ein Lernpaket "Lasertechnik". Ich hatte mal das Handbuch quergelesen. Wenn ich es noch richtig in Erinnerung habe, sind Laserpointer mit einer Steuerelektronik für die Laserdiode ausgestattet. Ein Wechsel in der Betriebsspannung werden gut ausgeglichen. Daher reicht es nicht aus, die Betriebsspannung zu modulieren. Du müsstest erst die Steuerelektronik ausbauen.

Als Lichtempfänger wurden in dem Lernpaket großflächige LDR verwendet. Je nach Laserleistung kann es sein, das ein Fototransistor nicht lange mitmacht.

Gruß
Wolfgang

[Ingo63]

Hallo Wolfgang,

Als Lichtempfänger wurden in dem Lernpaket großflächige LDR verwendet. Je nach Laserleistung kann es sein, das ein Fototransistor nicht lange mitmacht.

das mit den Fototransistoren kann ich nur bestätigen, aber auch LDR werden matt (bzw. werden träger), so zumindest meine Erfahrung :(

[DoctorSnuggles]

Je nach Laserleistung kann es sein, das ein Fototransistor nicht lange mitmacht.

das mit den Fototransistoren kann ich nur bestätigen

Echt? Davon habe ich noch nichts gehört.

Klar ist, dass man durch thermische Überlastung jedes Bauteil geschrottet kriegt, aber ein Laserpointer hat ja nur eine Intensität von 1 mW/mm^2.

Habt Ihr weitere Informationen dazu, inwiefern Phototransistoren durch zuviel Licht kaputt gehen? Das täte mich interessieren.

Viele Grüße,
Jörg

[Schaltplan]

Tragen wir mal zusammen was wir haben:

- Auf den Titelbilder der Hobbysets sieht man die Frontplatte in der von Beats oberen Version mit einem Kippschalter.

- Im Handbuch Mittelwelle ist ebenfalls die obere Frontplatte eingezeichnet. Dazu ein Schalter mit 3 Anschlüssen, von denen zwei belegt sind.

- Die Hobbysets wurden in den Jahren 78, 79, 80 und 81 aufgelegt, (c)-Vermerk aus den Handbüchern stammen zumindest aus diesen Jahren.

- In den Erstausgaben von 78 ist der gleiche Schalter wie im ebenfalls 78 erschienenen Hobbyset MW.

- In den späteren Erstausgaben ist statt dessen ein Schalter mit 6 Anschlüssen, von denen zwei belegt sind, gezeichnet. Dieser könnte den Schaltern aus den E200 entsprechen und daher einen Ausschnitt wie in Beats unterer Frontplatte benötigen.

- Im Jahr 79 ändert sich die Bestellnummer des Schalters von 60-0045.2 auf 60-0045.6 Möglicherweise ein Indiz für den Wechsel des Schalters.

- Die Bestellnummer der Frontplatte bleibt immer gleich.

- Die Bohrung links wird in den Erstausgaben 78 nur für den Drehko und als Schalleintrittsöffnung für ein Mikrofon verwendet. Im Hobbyset

- Erst ab 79 wird die Bohrung links auch für Potis verwendet. 78 wurde im Hobbyset Termperatur sogar ein Steckpoti als zweites Poti verwendet.

Ich vermute mal, ursprünglich ein größerer Kippschalter den Hobbysets beigefügt war. Mit Einführung des E200 wurde dann der Schalter aus diesem Kasten übernommen, was sich in der geänderten Darstellung in den Handbüchern sowie in der geänderten Bestellnummern niederschlug.

Gruß
Wolfgang

Nach Recherche in diversen Anleitungen haben die Befestigungsplatten drei verschiedene Bestellnummern:

Mehrere Erstauflagen der Hobby-Sets haben die Bestell-Nr. 60-2198.7.
Die nachfolgenden Auflagen (bereits ab der 2. Auflage) und der Funktionsgenerator haben die Bestell-Nr. 60-2198.3.
Die Frontplatte (Befestigungsplatte) für den E202 hat die Bestell-Nr. 60-2101.3.

Es könnte also durchaus sein, dass die ..98.7 den runden Schalterausschnitt hat und die ..98.3 den eckigen Schalterausschnitt. Das ist aber nur ein Vermutung. Die Bestell-Nr. ..01.3 (für den E202) ist ebenfalls mit eckigen Schalterausschnitt.
In der Praxis habe ich aber festgestellt, dass die Platten munter gemischt werden, d.h. es sind bei manchen Erstauflagen bereits die "neuen" eckigen Schalterausschnitte dabei, während bei nachfolgenden Serien auch noch runde Schalterauschnitte zu finden sind. Vielleicht hat man im Lager die älteren Kartons nicht nach vorne gestellt oder bei der Nachbestellung hat der Lieferant versehentlich die alte Stanze eingelegt...

Gruß Karl

[wolfgang]

In der Praxis habe ich aber festgestellt, dass die Platten munter gemischt werden, d.h. es sind bei manchen Erstauflagen bereits die "neuen" eckigen Schalterausschnitte dabei, während bei nachfolgenden Serien auch noch runde Schalterauschnitte zu finden sind. Vielleicht hat man im Lager die älteren Kartons nicht nach vorne gestellt oder bei der Nachbestellung hat der Lieferant versehentlich die alte Stanze eingelegt...

Gruß Karl

Das mit dem Mischen ist bei Kosmos Konzept. Das haben wir in anderen Bereichen auch schon festgestellt. Erst werden die Altbestände aufgebraucht, dann wird das neue verwendet. Möglicherweise wurden die Altbestände in den Kästen aufgebraucht, bei denen es egal war, ob die alte oder neue Montageplatte verwendet wurde.

Gruß
Wolfgang