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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Fotohintergrund. Übertragung von Schall mittels eines Lichtstrahls. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Nicht jeder weiß, dass Alexander Graham Bell das Telefon nicht als seine wichtigste Erfindung betrachtete. Tatsächlich favorisierte Bell eine andere Erfindung, von der er voraussagte, dass sie einen revolutionären Einfluss auf die Kommunikation haben würde. Bell war besessen von der Idee, die Stimme mit einem Lichtstrahl zu übertragen! Bell nutzte die Sonne als einzige zuverlässige Quelle für hochintensives Licht, die ihm zur Verfügung stand, und versuchte, sie als vielseitiges Kommunikationsmittel zu nutzen. Er nannte seine Erfindung ein Fotophon. Bell verbrachte die letzten Jahre seines Lebens größtenteils mit erfolglosen Versuchen, den Anwendungsbereich des Photophons zu erweitern. Vor Bells Tod im Jahr 1922 fand das Fotophon nur begrenzte militärische Verwendung.
Ironischerweise wurde sein Traum, Botschaften mithilfe von Licht zu übertragen, schließlich mehr als 100 Jahre nach der Geburt der Idee wahr. Nein, wir nutzen Sonnenlicht nicht in nennenswertem Umfang für die Kommunikation, aber wir haben gelernt, Sonnenenergie zu nutzen, um Emitter, sogenannte Laser, anzuregen und Laserstrahlen entlang von Glasfasern zu richten, deren Dicke nicht größer als die Dicke eines Haares ist. Das Zeitalter der Glasfaser ist angebrochen und die Idee einer umfassenden Kommunikation, die erstmals vom brillanten Erfinder des Telefons zum Ausdruck gebracht wurde, wird Wirklichkeit. Ist es nicht interessant, in die Fußstapfen des berühmten Erfinders zu treten und das Fotophon neu zu entdecken? Also machen wir's. Erinnerungen an die Vergangenheit All dies geschah eines Tages im Jahr 1878, aber wir haben uns in unserer Geschichte übertroffen. Bell interessierte sich sehr für Kommunikation, wie seine zahlreichen Erfindungen belegen. Aber darüber hinaus bewunderte er das Licht, das ihn faszinierte. Solarstrom war bereits zu Bells Zeiten bekannt. Damit verbundene Phänomene wurden erstmals 1839 von Edmond Becquerel beobachtet, also 8 Jahre vor Bells Geburt. Während er eine Reihe von Elektrizitätsexperimenten durchführte, tauchte Becquerel zwei Metallelektroden in eine leitende Lösung und setzte den Aufbau dem Sonnenlicht aus. Zu seiner großen Überraschung entstand zwischen den Elektroden eine kleine elektrische Spannung. Diese Entdeckung blieb weitgehend unbemerkt, bis Willoughby Smith 1873 einen ähnlichen Effekt entdeckte, indem er ein Stück Selen dem Licht aussetzte. Der Effekt war unbedeutend, aber dieser Moment sollte als die eigentliche Geburtsstunde der Festkörpersolarzellen angesehen werden. Warum kam es überhaupt zu solchen Phänomenen? Dies war aus Sicht der klassischen Physik unerklärlich! Aber solche Fragen interessierten Bell nicht. Er war ein praktisch denkender Mensch und seine Fantasie war von der Idee erfüllt, ein durch Licht betriebenes Telefon zu schaffen. In den nächsten Jahren verfolgte er mit großem Interesse die langsamen Fortschritte auf dem Gebiet der Photovoltaik und der Fotogeräte. Im Jahr 1878 kam ihm die Idee eines Fotophons. Bell arbeitete mit Selendetektoren und entwarf und experimentierte mit vielen Variationen dieses Instruments. Obwohl die ersten Experimente recht einfach waren, waren sie dennoch erfolgreich. Am 1. April 1880 lauschte Alexander Graham Bell der Stimme seines Assistenten Sumner Tainter, als seine Worte von einem Lichtstrahl über eine Distanz von mehr als 200 m getragen wurden. Dr. Bells Licht-Gegensprechanlage wurde Wirklichkeit. Auf diesen aufeinanderfolgenden Erfolgen stützte Bell seine Vorhersagen über die weitere Entwicklung der Kommunikationstechnologie, die damals fantastisch schienen. So war er beispielsweise fest davon überzeugt, dass Menschen in Zukunft nur noch mit Hilfe von Licht reisen würden. Fotohintergrund Bei der Entwicklung zahlreicher Zubehörteile für das Fotophon und der Verbesserung seines Designs stellte Bell fest, dass die empfindlichsten Geräte diejenigen waren, die einen Selenwiderstand als Lichtdetektor verwendeten. Natürlich funktionierte es auch ohne elektronische Verstärker. Stattdessen nutzte er fokussierendes Licht, um die Signale zu verstärken. Auf der Suche nach dem besten optischen System entwarf Bell verschiedene Linsen- und Spiegelsysteme. Einer von Bells Detektoren bestand aus kreisförmig angeordneten Selenelementen, auf die das Licht mithilfe einer Sammellinse fokussiert wurde. Bei einem anderen Design befanden sich die Detektoren auf einer zylindrischen Oberfläche und wurden im Fokus eines Parabolspiegels platziert. In allen seinen Geräten waren Selendetektoren in Reihe mit einer Batterie und einer hochohmigen Telefonkapsel geschaltet. Als das modulierte Licht auf die Oberfläche des Selens fiel, verursachte es eine Widerstandsänderung, die von der Telefonkapsel in Schallwellen umgewandelt wurde. Seine frühen Experimente lassen sich problemlos wiederholen. Nehmen Sie zuerst den Fotodetektor heraus. Natürlich sind sie jetzt anders hergestellt als die, die Bell gewohnt ist, aber der Fotodetektor des Vacte-Modells VT312/2 ist dem von Bell sehr ähnlich. Es handelt sich um einen Selen-Fotowiderstand, dem zur Verbesserung der Leistung eine kleine Menge Cadmium zugesetzt wurde. Es verfügt tatsächlich über zwei Detektoren. Bell verwendete häufig mehrere Detektoren, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Die Detektoren sind in Reihe geschaltet und im Fokus eines Parabolreflektors platziert. Ein Reflektor beliebiger Größe reicht jedoch aus, je größer seine Schale, desto größer die Kommunikationsreichweite. Sehen Sie sich den Katalog von Edmund Scientific Co. an. (7785 Edscorp Bldg., Barrington, NJ 08007). Sie haben eine große Auswahl an Parabol- und Fresnel-Reflektoren. Der Detektor kann mit einer sternförmigen Halterung ähnlich der in Abb. gezeigten am Reflektorfokus montiert werden. 1. Der Melder bildet mit der Batterie und der hochohmigen Telefonkapsel einen gemeinsamen Stromkreis. Hierzu eignet sich eine 12-Volt-Batterie, beispielsweise eine Autobatterie oder mehrere in Reihe geschaltete Taschenlampenbatterien. Dabei spielt die Höhe der Spannung keine Rolle. Andererseits ist eine Telefonkapsel nicht so leicht zu finden. Die in modernen Telefonen verwendeten Kapseln haben im Gegensatz zu ihren Vorgängern einen geringen Widerstand und funktionieren in unserem Fall nicht gut. Sie können sich an Funkamateure wenden, die einen alten hochohmigen Kopfhörer besitzen. Als letzten Ausweg wissen sie, wo sie sie bekommen können. Wie Sie sich vorstellen können, sind diese Kopfhörer nicht mehr so beliebt wie früher.
Alle diese in Reihe geschalteten Teile bilden den Empfangsteil des Fotophons. Jetzt kommt es auf den Sendeteil an.
In vielen seiner frühen Studien versuchte Bell nicht, den Sendeteil des Photophons zu optimieren. Sein Augenmerk richtete er auf die Verbesserung der optoelektronischen Schaltung des Empfängers. Dadurch sind viele seiner frühen Entwürfe im besten Sinne des Wortes einfach. Zu den interessanten Entwürfen gehörte ein Metallrohr mit einem Durchmesser von 2,5 cm und einer Länge von 5 - 7,5 cm. An einem Ende des Rohrs befestigte er einen Spiegel, wie in Abb. 2. Wenn die Trompete gesprochen wird, versetzen die Schallwellen den Spiegel in Schwingung und modulieren das Licht der Quelle. Sie können noch einen Schritt weiter gehen, indem Sie den harten Spiegel am Ende der Röhre durch ein Stück metallisierte Folie ersetzen. Jetzt kommt der aufregendste Moment – das Testen des Fotophons. Dies muss von mindestens zwei Personen durchgeführt werden. Lassen Sie Ihren Freund den Sender an den Mund halten, in die Sonne blicken und den Winkel des Spiegels des Sendegeräts so einstellen, dass ein Teil des Lichts auf Ihr Empfangsgerät reflektiert wird. Während Ihr Freund in das Telefon spricht, bewegen Sie den Parabolreflektor, bis er den Lichtstrahl schneidet und ihn auf den Detektor fokussiert. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie den Reflektor ausrichten. Richten Sie den Empfänger nicht direkt auf die Sonne, da konzentriertes Sonnenlicht Ihren Detektor schnell beschädigen kann. Führen Sie den ersten Test in kurzer Entfernung durch, da die kleinste Bewegung Ihres Freundes in großer Entfernung einen erheblichen Einfluss auf die vom Fotophon verstärkten Signale hat und die Anpassung erschwert. Hören Sie nach der Einrichtung die Stimme Ihres Freundes auf Ihrem Telefon. Erhöhung der Reichweite des Fototelefons Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Reichweite eines Fotophons zu erhöhen. Eine davon basiert auf der Vergrößerung des Parabolreflektors, die andere auf der Verstärkung des Sendersignals durch Vergrößerung des darauf montierten Spiegels. Möglicherweise können Sie eine aluminisierte Mylar-Folie über ein Ende einer großen Blechdose spannen. Sie können die Empfindlichkeit des Detektors erhöhen. Sie möchten wahrscheinlich mit verschiedenen lichtempfindlichen Elementen experimentieren und deren Platzierung ändern, wie Bell es getan hat. Durch Ändern der Batteriespannung und des Kopfhörerwiderstands ändert sich auch die Empfindlichkeit des Empfängers. Natürlich kann in der Photophonschaltung auch moderne Elektronik zum Einsatz kommen. Der Parameter, der die Empfindlichkeit des Empfängers begrenzt, ist die Ausgangsspannung des Fotodetektors. Der beste Weg, die Ausgangsspannung zu erhöhen, besteht darin, sie über einen Verstärker laufen zu lassen. In Abb. Abbildung 3 zeigt, wie dies bewerkstelligt werden kann. Ersetzen Sie zunächst den Fotowiderstand durch eine kleine Solarzelle. Unter diesen Bedingungen ist es etwas empfindlicher und bei direkter Sonneneinstrahlung offensichtlich weniger anfällig für Schäden.
Die Schaltung IC1 ist eine Vorstufe zur Verstärkung eines schwachen Signals einer Solarzelle. Das Element ist über einen Wechselanteil über den Kondensator C1 mit dem Eingang der Schaltung verbunden. Dank dieser Verbindung des Photovoltaikelements ist es möglich, das gesamte Licht mit Ausnahme des modulierten Lichts „abzuschneiden“. Die Widerstände R1 und R2 bestimmen die Verstärkung des Vorverstärkers, gleich dem Verhältnis der Werte von R1/R2. Mit zunehmender Entfernung zwischen Sender und Empfänger sollten die Werte dieser Widerstände geändert werden. Stellen Sie die Verstärkung jedoch nicht zu hoch ein, da die Schaltung sonst in Eigenschwingungen gerät. Sie können die Erzeugung parasitärer Störungen unterdrücken, indem Sie Kondensatoren parallel zu den Widerständen R2 und R3 schalten. Dies verschlechtert jedoch den Frequenzgang des Empfängers. Wenn der Wert von R2 geändert wird, muss der Wert von R3 um den gleichen Betrag geändert werden, da die Werte dieser Widerstände immer gleich sind. Das Signal vom Ausgang des Vorverstärkers wird dem Lautstärkeregler R4 zugeführt, von wo es zum Endverstärker IC2 gelangt. Dieser Verstärker erhöht den Signalpegel auf den zum Betrieb des Lautsprechers erforderlichen Pegel. Ziemlich gut im Vergleich zu dem, was es ohne Verstärker war. Beachten Sie beim Aufbau der Schaltung, dass zwei Stromversorgungen erforderlich sind, +9 V und -9 V. 9-Volt-Batterien für den Transistorempfänger reichen aus. Die Versorgungsspannung ist jedoch nicht kritisch und es können alle verfügbaren Stromquellen im Bereich von 6-15 V verwendet werden. Verbesserung der Senderleistung Die Empfindlichkeit des Photophons kann verbessert werden, indem man an den Sender einen Verstärker anschließt, dessen Schaltung in Abb. dargestellt ist. 4. Es wird derselbe integrierte Leistungsverstärker LM386 wie in Abb. verwendet. Bei 3 wird sein Eingang jedoch durch ein Signal von einem Mikrofon und nicht von einer Solarzelle gespeist.
Der Ausgang des Leistungsverstärkers wird auf einen kleinen Lautsprecher mit einem Durchmesser von 5 cm geladen, ähnlich wie er in Taschentransistorempfängern verwendet wird. Über den Lautsprecher wird ein Stück aluminisierte Mylarfolie gespannt. Wenn Sie in ein Mikrofon sprechen, wird Ihre Stimme verstärkt und an den Lautsprecher gesendet. Der Lautsprecher wiederum versetzt die mit einer Spiegelschicht beschichtete Folie in Schwingungen und moduliert den Sonnenstrahl. Um die Kommunikationsreichweite weiter zu erhöhen, ist es notwendig, die Größe des Lautsprechers und damit auch seine reflektierende Oberfläche zu vergrößern. Ich habe Experimente beobachtet, bei denen kleine Spiegelfragmente direkt auf die schwingende Membran eines Lautsprechers geklebt wurden. Ich kann jedoch nicht für die Wirksamkeit eines solchen Geräts garantieren, da ich es nie getestet habe. Es handelt sich vermutlich um einen becherförmigen Reflektor. Im Zuge der Perfektionierung des Photophons fanden Bell und Thaner mehr als 50 Möglichkeiten, einen Lichtstrahl mit der eigenen Stimme zu modulieren, einschließlich der Schaltkreise mit variabler Polarisation, die heute in hochentwickelten Laserkommunikationsgeräten verwendet werden. Abschluss Wenn Sie sich einmal für die Entwicklung eines optischen Kommunikationssystems interessiert haben, fällt es Ihnen schwer, nicht über dieses spannende Problem nachzudenken. In den späteren Jahren ihres Lebens sagte Bell ihr eine große Zukunft voraus. Durch Bells Experimente initiierte optische Kommunikationsprojekte kommen zum Tragen. Leider wurden die Projekte des Erfinders zu seinen Lebzeiten nicht verwirklicht. Autor: Byers T.
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