Устройство лазера схема: 1.2.2 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные

Волоконные лазеры — принцип работы, применение и многое другое [Часть 1]

Лазеры существуют уже давно, но их использование в коммерческих целях началось совсем недавно. Инженерам потребовалось время, чтобы расширить возможности лазеров до такой степени, чтобы они могли конкурировать с традиционными методами по стоимости, времени и простоте использования.

Технология волоконного лазера, была впервые разработана еще в 60-х годах прошлого века. Тогда эта технология все еще находилась в стадии формирования. Только в 1990-х годах она стала пригодной для коммерческого использования. С тех пор технология прошла долгий путь в плане применения и повышения эффективности. В 60-е годы можно было генерировать только несколько десятков милливатт, а сегодня у нас есть волоконные лазеры, которые могут генерировать более 1000 ватт с надежными итоговыми характеристиками.

В этой статье мы обсудим, как работает волоконный лазер, где он используется и почему он часто является оптимальным выбором по сравнению с альтернативами.

Но сначала давайте разберемся, что это такое.

Что такое волоконный лазер?

Волоконные лазеры — это тип твердотельных лазеров, в которых в качестве активной среды усиления используется оптическое волокно. В этих лазерах волокно из силикатного или фосфатного стекла поглощает исходящий свет от лазерных диодов накачки и преобразует его в лазерный луч с определенной длиной волны.

Чтобы добиться этого, оптическое волокно легируется. Под легированием понимается подмешивание в волокно редкоземельного элемента. Используя различные легирующие элементы, можно создавать лазерные лучи с широким диапазоном длин волн.

Некоторые распространенные легирующие элементы в порядке возрастания излучаемых длин волн: неодим (780-1100 нм), иттербий (1000-1100 нм), празеодим (1300 нм), эрбий (1460-1640 нм), тулий (1900-250 нм), гольмий (2025-2200 нм) и диспрозий (2600-3400 нм).

Благодаря такому широкому диапазону производимых длин волн, волоконные лазеры идеально подходят для различных применений, таких как лазерная резка, текстурирование, очистка, гравировка, сверление, маркировка и сварка. Это также позволяет использовать волоконные лазеры в различных отраслях, таких как медицина, оборона, телекоммуникации, автомобилестроение, спектроскопия, электротехника, производство и транспорт.

Как работает волоконный лазер

Схема волоконного лазера

Волоконный лазер назван в честь его активной среды, которая представляет собой оптическое волокно. Любая волоконная лазерная установка, которая производит хорошо коллимированный мощный лазерный луч, делает это за пять основных этапов. Они следующие:

• Создание светового пучка накачки;
• Сбор и перемещение в оптическое волокно;
• Прохождение светового пучка накачки через оптическое волокно;
• Стимулированное излучение в резонаторе лазера;
• Усиление необработанного лазерного света в лазерный луч;

Создание света накачки

Именно здесь в систему поступает энергия для лазерного луча. В волоконных лазерах мы используем электричество в качестве источника энергии. Лазерные диоды накачки, преобразуют электрическую энергию в световую. В высококачественных диодах преобразование надежно и эффективно и производит световую энергию только с определенной длиной волны.

Кстати, низкокачественные лазерные диоды были одним из основных препятствий, которые мешали прогрессу лазерной технологии в течение примерно 3 десятилетий.

В большинстве случаев этот свет накачки или луч накачки производится по частям несколькими лазерными диодами и затем соединяется в оптоволоконном кабеле. Например, существуют 20-ваттные лазерные установки, которые объединяют свет накачки от 11 лазерных диодов в оптоволоконном кабеле.

Сбор и перемещение в оптическое волокно

Соединитель объединяет свет от нескольких лазерных диодов в один. Этот соединитель является частью оптического волокна. С одной стороны, он имеет несколько точек входа, каждая из которых подключается к волокну от отдельного лазерного диода.

На другой стороне есть одна точка выхода, которая соединяется с основным волокном.

Когда весь свет собран, он направляется к лазерной среде или среде усиления.

Свет накачки проходит через оптическое волокно

На следующем этапе свет лазерного диода проходит через оптическое волокно к лазерной среде. Оптоволокно состоит из двух основных компонентов: сердцевины и оболочки. Сердцевина изготовлена из кварцевого стекла и обеспечивает путь для света. Сердцевина покрыта оболочкой. Когда свет достигает оболочки, он весь отражается обратно в сердцевину.

Волоконные лазеры неизменно теряют часть мощности из-за нагрева, но превосходное соотношение площади поверхности и объема способствует эффективному рассеиванию тепла, что приводит к очень незначительному тепловому износу.

При дальнейшем движении по оптическому волокну свет в конце концов достигает легированной части волокна. Эта часть известна как лазерный резонатор.

Стимулированное излучение в лазерном резонаторе

Стимулированное излучение в лазерном резонаторе

Когда свет лазерного диода достигает легированного волокна, он ударяется об атомы редкоземельного элемента и возбуждает его электроны на более высокий энергетический уровень. Со временем это приводит к инверсной среде, которая необходима для создания стандартного лазера.

Инверсная среда в лазере относится к состоянию среды усиления, в которой большее количество электронов находится в возбужденном состоянии по сравнению с теми, которые не находятся в возбужденном состоянии. Оно называется инверсной средой, потому что это противоположно нормальному состоянию, в котором только несколько атомов имеют возбужденные электроны.

Когда некоторые из этих электронов естественным образом опускаются на более низкие энергетические уровни, они испускают фотоны только определенной длины волны. Эти фотоны взаимодействуют с другими возбужденными электронами, побуждая их испускать аналогичные фотоны и отступать на свои первоначальные более низкие энергетические уровни. Это физический процесс «стимулированного излучения», который является частью аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Электроны, которые возвращаются в свое первоначальное спокойное состояние, вновь возбуждаются входящим светом от диодов накачки. В конце концов, процесс достигает равновесия между возбужденными и спокойными электронами, давая нам постоянный поток необработанного лазерного света. Этот свет необходимо очистить, чтобы использовать его в различных целях.

Усиление необработанного лазерного излучения в лазерный луч

Прежде чем использовать необработанное лазерное излучение из легированного волокна, его необходимо сначала усилить. В волоконных лазерах это делается с помощью волоконных брэгговских решеток (FBG). Эти решетки заменяют обычные диэлектрические зеркала, действуя как зеркала с различной отражательной способностью.

Свет скачет туда-сюда между брэгговскими решетками. Часть лазерного света проходит в одном направлении, а оставшийся свет отражается в полость лазера. Та часть, которая проходит через решетку, становится лазерным лучом. Этот луч затем проходит через осциллятор (и иногда через комбинатор) для улучшения когерентности и затем подается на выход.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Что делает лазерное оборудование незаменимым при работе с металлом»‎ и «‎Как продлить срок службы оптоволоконного лазерного станка?»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!

Глава 29 : Устройство приемопередатчиков

« Предыдущая

 Открытие светодиодов и лазеров

Для сверх скоростной передачи данных не остаточно одних лишь световодов с малым затуханием, необходимы еще и быстродействующие излучатели света. При этом эти излучатели должны быть компактными и потреблять не много электроэнергии.

Сам принцип работы был разработан Олегом Владимировичем Лосевым в 1923 году. Ученый работал в Нижнем Новгороде в своей радиотехнической лаборатории, объектом исследований являлся кристадин. По ходу работы он увидел, что при прохождении тока по полупроводниковому детектору он начинает светиться. Самым большим свечением обладал карбид кремния. Изучая это явление методом шлифов и зондовой микроскопии, ученый пришел к выводу, что оно имеет фотоэлектродвижущую природу.

Еще в те далекие годы изобретение было по достоинству оценено промышленниками. Действительно, источники света, которые не требовали вакуума, быстродейственные и с низким напряжением, были весьма ценны в разоренной гражданской войной стране. В это время само явление электролюминесценции называли «светом Лосева» (Losev light, Lossew Licht). В 1938 году Лосев получил степень кандидата физико-математических наук именно за исследования свечения.

Укажем, что ученый всегда уделял особое внимание кремню и говорил, что его использование имеет большие перспективы. В самом начале 1941 года Лосев решил посвятить себя работе в несколько другом направлении — «Метод электролитных фотосопротивлений, фоточувствительность некоторых сплавов кремния». К великому сожалению, нам не известны итоги его работы.

В тех годах множество ученых занимались изысканиями в области полупроводников. К примеру, два ученых Я.И. Френкель и А.Ф. Иоффе разработали теорию выпрямления тока на контакте металл-полупроводник. Она была основана на явлении туннелирования. Я.И. Френкель ввел для широкого использования понятие «экситона» в полупроводниках. В 1939 году получила всенародную известность диффузионная теория выпрямляющего p-n-перехода Б.И. Давыдова. Данная теория легла в основу теории p-n-перехода В. Шокли.

В 1951 году K. Lehovec и его помощники показали опытным путем,  что детектирование и электролюминесценция имеют единую природу.

Вот таким образом появились и стали широко применяться светодиоды (Light Emitting Diodes). Безусловно, это изобретение было огромным шагом вперед в сравнении с нитью накаливания, но, тем не менее, они были пригодны не более чем световоды в виде стеклянных трубок. Следующий виток развития светодиодных технологий не заставил себя долго ждать, на этот раз на технологию обратили внимание радиофизики.

В 1954 году в апреле месяце два ученых Таунс и Гордон представили на суд общественности  квантовый генератор — мазер, работа которого была основана на парах аммиака. В 1954 г. уже отечественными учеными Прохоровым и Басовым была опубликована статья, в которой они обосновали работу данного прибора теоретическим путем. За эти разработки все указанные ученые получили Нобелевскую премию.

В мае 1956 года физик Роберт Дике применил данные разработки для оптической среды, и запатентовал результаты своей работы. Так появились первые лазеры. Само название «лазер» придумал Гордон Гулд аспирант Колумбийского университета. «Лазер» — это аббревиатура, и расшифровывается она как Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Основным отличием лазеров от прочих источников света является высокая степень когерентности излучения, направленность, низкий уровень шумов, концентрации энергии во времени и т.д.

Следующим этапом стало применение данного принципа для почти всех видов сред. В 1960 году Теодор Мейман запустил твердотельный рубиновый лазер. В последующие годы был изобретен целый ряд различных лазеров: лазеры на двуокиси углерода, лазер на неодимовом стекле, химические лазеры, полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях.

 

История создания полупроводникового лазера

Началом развития отрасли полупроводниковой электроники можно считать 50-е года прошлого века. Уже в 60-х годах большую часть крупных военных заказов относились именно к этой отрасли. В октябре 1958 года на подводных лодках Советского Союза уже были установлены германиевые вентили. Их разработал, на тот момент младший научный сотрудник, Ж.И.Алфёров.

Самым главным направлением развития науки того времени было исследование монокристаллических структур на основе германия, кремния, полупроводниковых соединений типа АIIIBV (элементов 3 и 5 групп таблицы Менделеева). В области p-n-переходов так же проводилась масса исследований  и опытов. Была повышена рабочая температура приборов за счет замены германия кремнием, были созданы высоковольтные диоды и тиристоры. Широко известные сегодня полупроводниковые лазеры, светодиоды и фотоэлементы появились в результате экспериментов с арсенидом галлия. С этого момента электровакуумные ламы стали считаться безнадежно устаревшими.

Тем не менее, вопрос с мощным быстродействующим источником излучения оставался открытым. Свежеизобретенные лазеры на гомопереходах арсенида галлия не могли хорошо функционировать в условиях реальных условий при комнатной температуре. Связано это было с тем, что GaAs имели очень высокие пороговые и рабочие токи (примерно 50 000 А/см2). В результате операция осуществлялась с очень медленной скоростью.

В 1963 году Жорес Алферов в своей кандидатской диссертации доказал, что p-n-переход в гомогенном по составу полупроводнике не дает нужного результата при работе в разном оборудовании. Он предложил заменить их гетероструктурами — это был настоящий прорыв и следующий шаг на пути возникновения оптоволоконных технологий. Уже тогда родилось предположение, что лазеры, основанные на такой технологии, позволят оборудованию работать на много эффективнее.

Но и в данном случае, как это бывает часто, теоретические прогнозы сильно опередили реальное положение дел в области технической реализации. Мешало развитию этого направление и общественное мнение, которое отрицало возможность создания «идеального» гетероперехода. На этом поприще предпринималось множество попыток, но все они оканчивались одинаково неудачно. Это было связано с тем, что оба материала должны были иметь практически одинаковые тепловые, электрические, кристаллохимические свойства. Кроме того, они еще должны были иметь равные размеры ячеек кристаллических решёток.

Для создания таких проводников предпринималась попытка формировать гетеропереход путём эпитаксиального выращивания. При таком вращении пленка одного монокристалла наращивалась на поверхности другого монокристалла послойно. Были определены два соединения, максимально подходящие для создания совершенного гетероперехода. Ими стали арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия (AlAs), использование последнего было затруднено из-за того, что он мгновенно окислялся на воздухе.

Алферов пытался создать двойную гетероструктуру GaP0,15As0,85-GaAs и она увенчалась успехом. Ее создали путем газофазной эпитаксии, и уже на ней был сформирован лазер. Тем не менее, температурой, при которой они могли работать, была температура жидкого азота. Такой температурный коридор объясняется несоответствием постоянных величин молекулярной решётки. Ученый сделал вывод, что избранный путь ошибочен, и он не приведет его к желаемой реализации потенциальных преимуществ.

Решить возникшую проблему удалось чисто случайно. Дмитрий Третьяков, помощник Алферова, заметил, что арсенид алюминия совершенно стабилен в твердом растворе. В итоге, годом рождения классической гетеропары GaAs-AlGaAs принято считать 1967 год. Обратим внимание на тот факт, что примерно через месяц после открытия отечественных ученых, американской компанией IBM, независимо от советских ученых, была получена гетероструктура AlxGa1-xAs-GaAs.

В 1968 году был запущен первый в мире гетеролазер. Этот лазер работал при комнатной температуре и являлся низкопороговым. Ж.И.Алфёров поделился со всем миром результатами своих исследований в августе 1969 года на Международной конференции по люминесценции. Его доклад произвел сильное впечатление на коллег.

Схема первого полупроводникового гетеролазера.

Затем началось самое настоящее соревнование между лабораториями корпораций Bell Telephone, IBM и RCA. Но и тут группа советских ученых опередила специалистов из Bell Telephone. Именно Ж.И.Алфёров с сотрудниками в 1970 году достигли непрерывного режима работы лазера при комнатной температуре. Новая технология позволяла уменьшить пороговые плотности тока до 500-1000 А/см2. Как следствие, на свет появились компактные лазеры, которые могли функционировать в бесперебойном режиме, они обладали высокой яркостью большой выходной мощностью. Мощность такого лазера могла быть промодулирована с частотой до сотен и тысяч мегагерц, не меняя, при этом, полупроводниковый элемент.

Теперь к делу подключились технологи, инженеры и бизнесмены. Благодаря их изысканиям уже в 1975 году увидел свет первый коммерческий полупроводниковый лазер, который мог эффективно работать при комнатной температуре. В 1976 году уже работала первая оптическая линия, а срок службы такого оборудования доходил 10 лет. Еще через год этот срок вырос до 100 лет.

 

Светодиоды (Light-Emitting Diode, LED)

Для начала дадим определение термину «светодиод». Светодиодом называют полупроводниковый прибор, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. По другому светодиод еще называют излучающим диодом.

Если кратко, то принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Это значит, что носители заряда проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоев благодаря подаче напряжения на р-n структуру. После этого электроны испытывают спонтанную рекомбинацию, которая сопровождается излучением света.

Принцип действия светодиода

Для нужд оптических линий связи используют инфракрасные светодиоды, принцип их работы основан на GaAs. Светодиоду характерна большая эффективность электролюминесценции, к тому же он прекрасно освоен технически. Если сравнить лазер и светодиод, то преимуществом второго будет большая спектральная ширина излучения. У лазеров она составляет 1-4 нм, а у диодов 20-50 нм. Чтобы скомпенсировать данный недостаток, цена на лазеры значительно ниже.

Светодиоды, используемые в  оптоволоконных технологиях, принято делить на две группы: 1. светодиоды с излучающей гранью; 2. светодиоды с излучающей поверхностью. Другими словами поверхностные и торцевые.

Виды светодиодов

 

В светодиодах поверхностного типа чтобы вывести излучение в один направленный поток, в оболочке вытравливают специальное круглое отверстие. Полученная в итоге конструкция получила название «диод Барраса». Существует еще ряд моделей поверхностных светодиодов, у которых выход излучения происходит через подложку. Подложка изготовляется из InP, а само соединение является четырехкомпонентным GaInAsP.

В торцевых светодиодах излучение выводится так же, как и в «классических» лазерных диодах. Оптическое излучение направляется вдоль перехода, происходит это благодаря внутреннему отражению. Лазерную генерацию можно обойти путем ограничения активной области. Такое ограничение накладывает полосковая конструкция нижнего омического контакта.

Сферой применения таких передатчиков являются мультимодовые низкоскоростные системы, транслирующие сигнал на маленькие расстояния. К недостаткам светодиодов относят: низкую скорость, малую мощность, большую ширину полосы спектра, сильную расходимость излучения. В этой связи лазерные диоды занимают лидирующие позиции в одномодовых сетях.

 

Полупроводниковые лазеры (Laser Diode, LD)

Между большими и полупроводниковыми лазерами существует множество отличий, основными из них являются:
 Зонная структура материала полупроводниковых лазеров диктует квантовые переходы в них
 Полупроводниковые лазеры не большого размера (примерно 0,1 мм в длину) в связи с этим и их активная область очень маленькая – примерно 1 мкм и меньше. В результате расхождение луча гораздо больше, чем у обычных больших лазеров.
 Основные характеристики полупроводникового лазера (пространственные и спектральные) находятся в сильной зависимости от свойств того материала, из которого изготовлен переход (структура запрещенной зоны и коэффициент преломления).
 Система, созданная на основе полупроводникового лазера, весьма эффективна, так как модуляция излучения происходит за счет модуляции тока. Происходит это из-за того, что лазерное излучение появляется от воздействия тока, проходящего через прямосмещенный диод.

Режим индуцированного излучения можно получить только благодаря оптическому резонатору, который встроен в лазерный диод (LD). Этому режиму характерна высокая степень когерентности.

Ниже на рисунке представлена энергетическая зонная диаграмма лазера в присутствии внешнего напряжения U:

Энергетическая зонная диаграмма лазера

Чтобы достичь нужный лазерный эффект, ток должен иметь строго определенные пороговые значения. Эти параметры позволяют спектральной полосе сузиться. Чтобы снизить температуру нагрева и уменьшить рабочие токи, уменьшают рабочий слой. Этот слой сокращается до 5-20 мкм и выглядит в виде полоски, которая идет от одной отражающей поверхности к другой. Отсюда лазеры, основанные на этом принципе, получили название «полосковые». Рисунок вверху иллюстрирует каким образом это достигается (используется узкий металлический электрод). В связи с малой  ёмкостью переходов у устройств данной конструкции снижается до 100 мА пороговый ток и инерционность.

Непрерывно работающий лазер способен давать мощность излучения в размере 0.1 Вт. Если нагрев будет ослаблен (импульсное возбуждение), то мощность сильно увеличится. Основными показателями инжекционных лазеров будут: инерционность = 1 — 10-9 c; КПД = 50%; напряжение питания не более 3В. При этом размер самого устройства составляет несколько миллиметров. Изменяя напряжение тока можно управлять модуляцией светового потока.

Чаще всего в качестве оптического резонатора используют такие системы:

1.Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP лазер), Fabry-Perot laser (FP laser). В данном виде лазера используются два плоских зеркала, выполняющие функцию резонаторов. Он может работать в двух режимах излучения: одномодовом и многомодовом.

Лазер с резонатором Фабри-Перо

 

Его применяют только в системах связи, в которых скорость передачи данных не превышает 2,5 Гбит/с. Динамические свойства лазерных диодов, в данном случае, раскрываются благодаря зависимости спектральной характеристики от скорости передачи при непосредственной модуляции мощности излучения. Модуляция происходит путем изменения тока накачки. У данного вида лазера в одномодовой конструкции увеличение скорости передачи данных сопровождается изменением модового состава. Изменение модового состава представляет собой расширением спектра до 10 нм при модуляции с частотой порядка 1-2 Ггц.

2.Лазер с распределенной обратной связью (РОС-резонатор), Distributed feedback laser (DFB laser). Рабочей считается длина волны 1550 нм. Может работать со стандартом CWDM с шагом 20 нм в диапазоне длин от 1310 до 1610 нм. Данный вид лазера возникает в связи с  периодической пространственной модуляцией параметров структуры, которые оказывают непосредственное влияние на условия распространения излучения.

Лазер с распределенной обратной связью

 

Данный вид лазера применяется в системах, со скоростью передачи данных от 2,5 Гбит/с, в отдельных случаях применим для систем со скоростью более 10 Гбит/с. Если модуляция происходит в диапазоне 0,25-2 Ггц, то сдвиг очень небольшой (примерно 0,2 нм), при этом прекрасно сохраняется подавление побочных мод. В этой связи, данный вид лазеров называют динамически одномодовыми.

3.Инжекционный лазерный диод с отражательной брэгговской решеткой, (РБО-резонатор), Distributed Bragg Reflector. В целом этот вид можно охарактеризовать как разновидность лазера с распределенной обратной связью.

Инжекционный лазерный диод с отражательной брэгговской решеткой

 

Лазерные диоды с внешними резонаторами служат для минимизации ширины спектра. Ширина эта находится в пределах от 1 до 1500 кГц и зависит от типа резонатора.

4.Лазеры с вертикальным объемным резонатором, (VCSEL лазер), Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL laser). Для данного лазера рабочей считается длина волны в 850 нм.

Лазер с вертикальным объемным резонатором

Эти лазеры обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с поперечными излучателями: во-первых — это экономия электроэнергии, во-вторых, технологический процесс их изготовления значительно проще, т. к. на одной подложке можно обрабатывать большое количество элементов. К тому же им характерна высокоскоростная модуляция, что дает возможность передавать сигнал со скоростью выше 1 Gbps.

На сегодняшний день VCSEL производят из GaAs, а излучаемый ими свет находится в диапазоне от 750 до 1000 нм. Для передачи данных на длинные дистанции длины волн диапазона, в котором работает VCSEL, слишком коротки. В таких условиях данный вид лазеров используется только на мультимодовых кабелях, популярность которых в последние годы стремительно падает.

 

Способы модуляции

Полупроводниковым лазерам и светодиодам характерны два типа модуляции: внешняя и внутренняя (другими словами непосредственная модуляция).

Принципом работы внутренней модуляции является непосредственное воздействие электрического сигнала на излучение источника. В итоге обеспечивается выходная мощность и форма сигнала. Данный способ применим для всех систем, использующих частоты до 1 ГГц. Если используемые частоту превышают указанный порог, то возникает ряд затруднений: выходная мощность находится на очень низком уровне, модуляция осуществляется на низкой скорости, наблюдаются значительные нелинейные эффекты.

Для осуществления внешней модуляции применяется специальное модулирующее устройство. Это устройство оказывает непосредственное воздействие на непрерывно излучающий лазер. Такая технология применима для высокоскоростных передатчиков сигнала.

Указанными устройствами выступают интерферометры Маха-Цендера (MZI) и электроабсорбционные интерферометры (EA). Принцип работы MZI следующий: к материалу прикладывается электрическое поле, после чего происходит изменение показателя преломления. Другими словами, возникает электрооптический эффект, при котором  уменьшение n повышает скорость распространения света, а увеличение — снижает ее.

интерферометр Маха–Цендера

 

Согласно данному рисунку в модуляторе в кристалле ниобата лития (LiNbO3) происходит разделение света под действием двух волноводов. Если технически необходимо послать единицу, то к ним обоим нужно приложить одинаковое напряжение. Если стоит задача послать ноль, то прилагаемое напряжение должно обеспечить смещение фаз на 180°, что подразумевает взаимное вычитание сигналов в выходном канале, который объединит оба луча.

Оборудование, которое может функционировать на частотах 20 ГГц и выше, пользуется популярностью. Самыми известными производителями являются фирмы Ramar и Laser2000.

Еще одним известным способом выступают EA-модуляторы. Данный способ основан на эффекте сдвига запрещенной зоны в полупроводнике. Сдвиг возникает под воздействием прикладываемого напряжения, в результате такого действия происходит поглощение генерируемого лазером излучения.

EA-модуляторы производят из сложных полупроводников с большим количеством квантовых ям. В ямах происходит расщепление спектральных линий атома под действием внешнего электрического поля (эффект Штарка) или же эффект электроабсорбции. К числу достоинств этого модулятора относят высокое быстродействие (до 40 ГГц) и совместимость с лазерными диодами на фосфиде индия.

Указанными видами модуляций ассортимент не ограничен, существует множество прочих способов управления световым потоком. В качестве примера можно указать на модулятор, основанный на эффекте Поккельса. Эффект проявляет себя при вращении плоскости поляризации входной световой волны, когда к ней приложено напряжение. Достичь поворота на 90 градусов можно, например, в кристалле ниобата лития и проч. (эти виды кристаллов называют «ячейкой Поккельса»). Для получения модулятора такой кристалл располагают между двумя поляризационными фильтрами.

Модулируя амплитуду напряжения в ячейке Поккельса можно изменять интенсивность световой волны. При этом частота может превышать 10 ГГц, а глубина модуляции достигает 99,9%.

 

Оптические усилители

Функцией Optical amplifier (в переводе оптический усилитель) является усиление оптического сигнала и преобразование его обратно в оптический. Усиление сигнала происходит без перевода его в электрический.

Основой работы полупроводниковых оптических усилителей является возбуждаемая эмиссия, которая появляется за счет взаимодействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронами на возбужденном уровне в зоне проводимости.

Энергия входного сигнала должна быть такой мощности, чтобы сбросить электроны с верхнего уровня на нижний, где электрон и дырка рекомбинируют, вызывая появление вторичных фотонов. Благодаря накачке (ввода тока в полупроводник) появляется инверсия.

Основа принципа работы этой технологии такая же, как и в лазерных диодах Фабри-Перо. Это означает то, что на входе и выходе усилителя устанавливается пара параллельных полупрозрачных зеркал, сигнал многократно отражается и возникает усиленный оптический сигнал. Таким образом, произошло преобразование энергии накачки в энергию сигнала.

Величина коэффициентов усиления равняется 22-25 дБ. Чтобы достигнуть максимума коэффициента усиления, нужно увеличить величину подаваемого тока в полупроводник. Он будет находится в интервале от 1520 до 1460 нм, при этом чем больше ток, тем короче будут волны.

Устройства рассматриваемого типа применяются в следующих качествах:

•  коммутаторов для разделения по длинам волн;
•  усилителей. Так называемых «предусилителей» для создания детектированного оптического сигнала. Эти устройства применяют так же для компенсации распределенных потерь в линии, что дает возможность увеличить длину регенерационного участка.
•  компенсаторов дисперсии в оптоволокне. Связано это с тем, что они имеют свойство увеличивать крутизну переднего и уменьшать крутизну заднего фронтов импульсов, т.е. фактически способствовать изменению знака дисперсии.

 

Гораздо более распространенным в сфере сетевых технологий оказалось другое оборудование, основанное на эффекте Рамана. Оптические волокна этих усилителей созданы на основе  легированных редкоземельных элементов.

Примерна схема работы такого усилителя будет следующей:

Упрощенный принцип действия оптического усилителя

 

При этом используются:

•  неодим (Nd) и празеодим (Pr) — для усиления сигналов в окне 1300 нм;
•  эрбий (Er) — для усиления сигналов в окне 1550 нм;
•  иттербий (Yb), применяемый совместно с Er для расширения спектра поглощения в области 700-1100 нм, что позволяет использовать новые более мощные источники накачки.

 

Редкоземельное вещество вносят в малом количестве в центральный световод. Его добавляют на промежутке в несколько метров. Для предотвращения интерференции в оптическом волокне, вводимый световой пучок должен иметь меньшие длины волн.

Из-за взаимодействия с квантами светового пучка накачки в тот момент, когда ток проходит по легированному участку ослабленного сигнала, электроны в ионах редкоземельных элементов переходят на более высокий квазистационарный энергетический уровень. В результате появляется индуцированное излучение с такой же или максимально приближенной длиной волны.

Если оптическое волокно легировано неодимом и на нем расположен усилитель, то он сможет работать на волне, длиной примерно 1340 нм. В лабораторных условиях его рабочей длиной может стать волна в 1310 нм. Более совершенным в этом отношении считается празеодим. Усилители, работающие с данным диапазоном, отличают следующие качества: для легирования используется флюоритовое стекло (не кварцевое), накачку производят на низкой эффективности (до 4 дБм/мВт).

Если мощность насыщения составляет примерно 200 мВт, то усиление будет равно примерно 34 дБм.

Так же высокую степень распространения получило оптическое волокно, легированное эрбием. Ионам эрбия характерна самая большая поглощающая сила в районе длин волн 980 и 1480 нм. Таким образом, получается, что в качестве источников накачки могут выступать распространенные виды лазеров, работающие на длине волны в 797/800, 980 и 1480 нм. К трехуровневой модели взаимодействия относятся лазеры на 800 и 980 нм, к двухуровневой — 1480 нм. Для самой высокой степени эффективности выгоднее всего применять трехуровневую

Тем не менее, менее эффективные, по сравнению с предыдущим видом, лазеры на 1480 нм пользуются еще большей популярностью. Принято считать, что они более надежные и при этом работают с низким показателем замусоренности эфира (шумов). Уровень шума соответствует примерно 5 дБ.

Иттербий может применяться как дополнительный легирующий элемент. В этом случае появляется возможность использовать лазерный диод накачки, функционирующий на длине волны 1053 нм. По другому такие лазеры называются «DPSS-лазеры». Такой подход способствует получению более мощного источника накачки, и, как результат, продлевается срок эксплуатации и возрастает усиление.

Существует деление усилителей по сфере применения:

•  Бустеры (усилители мощности). Такой вид усилителей часто используется для передачи нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных сетях кабельного телевидения. В данном случае усилители мощности устанавливаются перед оптическим разветвителем. Так же их применяют непосредственно после лазерных передатчиков. В такой ситуации их предназначение заключается в том, чтобы дополнительно усилить сигнал до такого уровня, который не достижим на основе лазерного диода.
•  Предусилители (предварительные усилители). В основном их применяют для замены сложных и зачастую очень дорогих когерентных оптических приемников. Их располагают в непосредственной близости от приемника регенератора (перед ним). Данное действие позволяет снизить уровень шума и повысить силу сигнала на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике.
•  Линейные усилители. С помощью данного вида усилителей заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы, но только тогда, когда отсутствует необходимость в точном восстановлении сигнала. В основном их размещают в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей. Главной целью такого расположения является компенсация ослабления сигнала, которая происходит из-за затухания в оптическом волокне. В свою очередь затухание происходит из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах WDM.

Детекторы света

Фотодетекторы выполняют функцию перевода оптического сигнала в электрический. Чаще всего основой этих фотодиодов служат p-i-n переходы или лавинные эффекты.

Чтобы p-i-n фотодиод функционировал между слоями с n- и p- проводимостью прокладывается специальный слой, который имеет собственную проводимость. На данный слой направляется обратного напряжения смещения, в результате которого он обедняется свободными носителями. В итоге создаются два перехода: типа p-i и типа n-i. Носители, которые появились в этом слое из-за поглощения света, под действием очень сильного электрического поля ускоряются. Приборы, основанные на таком принципе, обладают высокими показателями частотности (до 10 ГГц).

Основным отличием лавинного фотодиода является лавинное размножение носителей. Как следствие — во внешней цепи фотодиода очень сильно возрастает ток.

Ниже расположена схема сечения фотодетектора на световодах из SiGe. Сам слой расположен на вершине кремниевого наплыва световода.

Схема сечения фотодетектора
От материала, из которого изготовлен фотоприемник, зависит его спектральный диапазон. Для примера: для волн, длиной в 400-1100 нм, используют кремний и арсенид галлия. Что касается волн, которые используются в оптоволоконных устройствах, то для них кремний представляет собой очень плохой  детектор. Поэтому в таких системах в основном применяют германий.

Основными показателями фотодиодов, заслуживающими внимания, являются: уровень шумов, время отклика, линейность.

Следующая »

3 интеллектуальные схемы защиты от лазерной сигнализации

В этом посте обсуждается создание 3 простых, но эффективных интеллектуальных схем защиты от лазерной сигнализации с использованием IC 555 для защиты определенной ограниченной зоны от вмешательства человека. Идея была запрошена мистером Коллинзом.

Цели и требования к цепям

1. Я просто хочу сказать вам, какая у вас невероятная страсть и преданность электронике, и поблагодарить вас за то, что вы помогаете таким, как я. Меня зовут Коллин из Южной Африки.
2. У нас большие проблемы с безопасностью.
3. Бесчисленное количество грабежей и постоялых дворов со взломом, это так нереально. Я надеялся, что вы поможете мне с схемой для очень экономичного и надежного продукта.
4. Я построил лазерную сигнализацию с помощью таймера 555 IC, но в схеме не хватает многих функций.
5. Мне нужно что-то, что, как только злоумышленник войдет в мою собственность, я буду предупрежден еще до того, как он попытается проникнуть в мой дом.
6. Схема нуждается в следующем: После активации будильника он должен звучать в течение нескольких минут, а затем отключаться
7. и снова включаться автоматически. Не хочу, чтобы он звонил часами, если меня нет дома, чтобы сбросить его.
8. Он не должен срабатывать от домашних животных или летящего мусора во дворе.
9. Простое выравнивание датчиков. Лазерная сигнализация работает нормально, но очень сложно установить указатель на LDR, который продолжает двигаться. Какие-нибудь советы, если мы собираемся, чем маршрут?
10. Это не обязательно должна быть лазерная система. Я открыт для всего, что, по вашему мнению, решит мою проблему.
11. Большое спасибо за все и не стесняйтесь добавлять все, что, по вашему мнению, я пропустил в отношении всех функций.

1) Конструкция

Список деталей

R1, R4 = 100K
R2 = 1M
R3/C2 = ПОДЛЕЖИТ РАСЧЕТУ (СМ. ТЕКСТ) 10 нФ
C4 = 0,33 мкФ
СИГНАЛИЗАЦИЯ = 12 В, 200 мА ПЬЕЗО СИГНАЛИЗАЦИЯ.
LDR = любой стандартный

IC 555Pinouts

Работа схемы

Предложенную интеллектуальную, но простую схему лазерной сигнализации с использованием IC 555 можно увидеть на следующем изображении, функционирование можно понять по следующим пунктам:

1) IC 555 настроен в основном моностабильном режиме.

2) Контакт № 2, который является триггерным входом ИС, можно увидеть подключенным к эмиттеру PNP BJT через блокировочный конденсатор C2.

3) Мы также можем заметить пару параллельных LDR, закрепленных в непрозрачных трубах, и их выводы, соединенные с основанием PNP BJT, так что, пока LDR остаются освещенными вместе через фокус лазерного луча, BJT остается деактивированным. . Это происходит из-за того, что в присутствии лазерного излучения общее сопротивление LDR падает примерно до 30 кОм, что делает базу PNP более положительной, чем смещение заземления от R2.

4) Включение двух LDR обеспечивает надежную настройку сигнализации, так что только присутствие человека может прервать работу LDR, в то время как на них не влияют другие мелкие посторонние злоумышленники, такие как животные, птицы и т. д. Два LDR могут быть размещены на расстоянии около 2 футов, чтобы обнаруживались только более высокие объекты, такие как человек.

5) Таким образом, всякий раз, когда обнаруживается прерывание лазерного луча, сопротивление LDR резко возрастает, что приводит к включению T2, что, в свою очередь, запускает контакт №2 IC через C1.

6) Это побуждает IC 555 активировать свой контакт № 3, который, наконец, активирует подключенный блок сигнализации.

7) Поскольку IC 555 сконфигурирован в моностабильном режиме, контакт № 3 остается активированным только в течение периода, определяемого RC-цепью на контактах № 6 и № 7 ИС или резисторами R3, C2.

Эти временные компоненты можно соответствующим образом рассчитать с помощью программного обеспечения калькулятора IC 555 для достижения желаемого периода времени, в течение которого сигнал тревоги может оставаться включенным.

Как настроить лазерные передатчики

Лазерные передатчики можно установить рядом с самим LDR и сфокусировать обратно на LDR с помощью зеркальных отражателей, как показано ниже:

Установка лазерных устройств рядом с LDR позволяет использовать весь блок для установки внутри одного корпуса, а также позволяет питать лазеры от самой схемы.

Это также облегчает надежную и точную фиксацию лазеров и блоков LDR, так что обе части не могут двигаться или отклоняться от своих положений даже в случае механического удара или других вибрационных помех.

Зеркала можно расположить на некотором заданном расстоянии, точно напротив лазерной установки, следя за тем, чтобы лазерные лучи пересекали запретную зону и наличие возможного вторжения обязательно обнаруживалось.

На этом завершается создание предлагаемой схемы интеллектуальной защиты от лазерной сигнализации на базе микросхемы IC 555. Если у вас есть какие-либо сомнения, пожалуйста, не стесняйтесь излагать их в поле для комментариев ниже.

Результаты тестирования видео

Использование биполярных транзисторов для снижения потребляемого тока

Вышеупомянутая конструкция может быть дополнительно усовершенствована для работы с более низким током в режиме ожидания, а также с резервным питанием от батареи во время сбоев питания с помощью следующей обновленной схемы:

Лазерная безопасность с использованием одного LDR

Если вы намерены упростить реализацию для одной операции LDR, в этом случае можно попробовать следующую концепцию:

2) Цепь лазерной сигнализации для защиты полевых культур от животных

Вторая идея объясняет еще одну простую схему лазерной сигнализации, которую можно установить на фермах и полях для обнаружения всех возможных вторжений человека или животного и оповещения об этом владельца, а также для обеспечения эффективной защиты сельскохозяйственных культур от таких вторжений. . Идея была востребована г-ном Мохаммедом и г-ном Даниэлем.

Запрос схемы №1

Поздравляю с отличной работой. Пожалуйста, дайте мне любую схему для сельскохозяйственных полей, необходимо защитить урожай от непрошеных гостей, таких как животные. от 100 метров и выше.

Circuit Request#2

сэр, пожалуйста, мой дедушка занимается выращиванием апельсинов, и у него проблемы с ворами, поэтому он просит меня сделать что-нибудь для защиты фермы или что-нибудь, что может предупредить его, когда кто-либо вор или любой человек пытается забрать что-либо с фермы, поэтому я решил установить камеру видеонаблюдения, поэтому мне нужна схема без камеры или, если вы можете мне помочь, сэр, я сказал это, но вы можете создать что-то, что может мне помочь спасибо надеюсь услышать от вас скоро

Работа схемы

  Конструкция

Предлагаемая схема лазерной сигнализации для защиты сельскохозяйственных культур от животных и злоумышленников показана на рисунке выше.

Идея кажется чрезвычайно простой и использует моностабильный мультивибратор на базе IC 555 и LDR-детектор.

Как показано на чертеже, лазерный луч генерируется цепью лазерной указки, расположенной в некоторой параллельной точке ограждения поля, которое необходимо защитить.

Так как лазерный луч имеет свойство фокусироваться по заданной точке без искажений и по прямой линии, независимо от расстояния, фокус в этом приложении настраивается по LDR на заданном расстоянии, как показано на диаграмме.

LDR заключен в светонепроницаемую коробку с крошечным отверстием, которое пропускает только лазерный луч, блокируя большую часть окружающего света.

Пока лазерный луч удерживается сфокусированным на LDR, сопротивление LDR включено на минимальном уровне, который может составлять приблизительно от 10 до 50 K в зависимости от конкретных характеристик LDR.

Низкое сопротивление LDR обеспечивает высокий потенциал на базе соответствующего транзистора BC557, что делает его неактивным. Это, в свою очередь, удерживает вывод № 2 IC555 моностабильным под высоким потенциалом, а выход IC — логическим нулем, так что реле удерживается в выключенном состоянии.

Теперь, даже когда злоумышленник (человек или животное) пытается пересечь охраняемую линию ограждения, перерезает или блокирует лазерный луч, что мгновенно вызывает увеличение сопротивления LDR и срабатывание устройства BC557 через резистор 1M .

BC557 реагирует на это и заземляет контакт № 2 микросхемы и активирует моностабильное действие.

Описанная выше процедура заставляет контакт № 3 микросхемы перейти в состояние высокого уровня и включить реле, контакты реле, возможно, подключены к сигналу тревоги, звучит сигнал тревоги, предупреждая владельца поля о вторжении.

Сигнал тревоги продолжает звучать некоторое время в зависимости от значений R и C, значения которых прямо пропорциональны длительности периода включения сигнала тревоги.

Вышеупомянутая схема лазерной сигнализации может быть установлена ​​по всем углам поля для обеспечения максимальной и всесторонней защиты ценных культур и обеспечения спокойного сна владельцу поля.

3) Цепь охранной сигнализации с лазерным лучом

Мы часто видим лазерную систему охранной сигнализации как неотъемлемую часть решения по обеспечению безопасности, особенно в местах, требующих высокого уровня безопасности.

The Circuit Concept

Прямо из музея, хранящего бесценное историческое достояние; в безопасное банковское хранилище; и даже в триллерах, где главного героя часто видят привязанным к лучу красных световых лучей, когда он пытается добраться до безопасного хранилища; хорошо знакомы с использованием лазерных лучей.

На самом деле, сегодня даже в домашнем хозяйстве он считается защитным устройством для защиты от кражи со взломом или кражи. Лазерный луч — это не просто луч, но он обладает способностью реагировать на отвлекающие факторы.

Это означает, что если световой луч прерывается какими-либо объектами, фотодиод получает сопротивление, которое, в свою очередь, активирует сигнал тревоги.

Лазерная сигнализация является экономичным вариантом с точки зрения энергопотребления, так как приемнику требуется питание в среднем менее 10 мА.

Настройка системы лазерной сигнализации относительно проще, так как лазер и приемник можно установить в одном блоке с одним входом питания.

Ниже приведена принципиальная схема, иллюстрирующая работу системы лазерной сигнализации.

Как это работает

На принципиальной схеме видно, что операционный усилитель TL072 (IC1.A) сконфигурирован как компаратор напряжения, помещенный между регулируемым формирователем напряжения P1/R4 и светозависимым напряжением, состоящим из фотодиода D1 и R3 – постоянный резистор.

Когда лазерный луч получает прерывание от постороннего агента, луч отключается, вызывая падение напряжения на контакте 2 компаратора ниже контакта 3. Это мгновенно позволяет выходу операционного усилителя переключиться на положительное напряжение питания и включить тревожная ситуация.

Поскольку лазерная сигнализация может обнаруживать прерывание от любого элемента, поэтому сигнализация должна быть настроена более сложным образом, чтобы она могла обходить случайные прерывания от элементов, таких как насекомые.

Это достигается за счет того, что резистор R2 обеспечивает уровень гистерезиса, тем самым предотвращая колебания, когда два входных напряжения компаратора находятся в почти одинаковом состоянии. Гораздо быстрее можно добиться, уменьшив значение C1 до 1 мкФ.

Как настроить сигнализацию

Систему лазерного луча легче настроить как отдельно, так и отдельно.

Если для настройки сигнализации используется одна коробка, то необходимо убедиться, что фотодиод не может иметь прямого контакта с лазерным лучом.

Сборка компонентов и схемы на макетной плате должна быть смонтирована в черном ящике с отверстием.

Черная соломинка для питья должна проходить через отверстие, чтобы обеспечить вход светового потока с направления лазерного луча. При правильной настройке системы лазерный луч действует даже при прямом солнечном свете, так как он не может повлиять на работу фотодиода.

Статья написана и представлена ​​г-ном Дхрубаджйоти Бисвасом

Следующая схема была запрошена одним из преданных членов:

Мне нужна схема для управления яркими светодиодами, применяемыми в качестве замены свечей на венке на вершине главного алтаря церкви. Подключить к нему провода или кабели просто невозможно, поэтому я хотел бы иметь способ включать и выключать его, а также увеличивать время автономной работы. Кроме того, могу ли я использовать импульсную схему, чтобы предотвратить медленную разрядку батареи лампами?

Рассмотрим схему, показанную ниже, питаемую 6-вольтовой перезаряжаемой батареей. В нагрузку могут входить светодиоды вместе с резисторами или лампами амуре; у вас может быть 22 превосходный световой эффект подсвечника, работая с 12-вольтовыми лампами на 6 вольт.

Как работает схема

Включайте/выключайте свет, фокусируя лазерную лампу на одном или другом LDR или фотоэлементе. В выключенном состоянии от аккумулятора потребляется ток менее 1 мА.

В схеме используется характеристика гистерезиса (фиксации) микросхемы LM555, однако рекомендуется использовать модель микросхемы CMOS (LMC555, TLC555 или 7555) для максимальной экономии энергии.

В зависимости от сфокусированного фотоэлемента, если на входе меньше 1/3 заряда батареи, активируется выход.

Аналогично, когда вход превышает 2/3 напряжения питания, выход отключается.

В периоды, когда вход находится в середине этих состояний, выход ИС продолжает находиться в том состоянии, в котором он был ранее. свет, независимо от того, в какой ситуации может быть нагрузка или светодиоды, остается неизменным, включенным или выключенным.

Использование высокочувствительного операционного усилителя

Иногда приложение требует использования датчика с более высоким уровнем чувствительности. Этого можно добиться, последовательно подключив операционный усилитель к фототранзисторному детектору. Малошумящий операционный усилитель NE5534 используется для повышения коэффициента усиления в приведенной ниже схеме. Лазеры могут использоваться в ряде приложений безопасности благодаря высокочувствительной схеме реле.

За неконтролируемыми камерами также можно «следить» на наличие подозрительного дыма, который может указывать на пожар. Направьте лазер, полностью или частично, на реле с высоким коэффициентом усиления и установите настройку чувствительности R1, чтобы просто включить срабатывание контактов реле. Слегка отрегулируйте предустановку, чтобы позволить реле снова открыться. Если дым попадает на путь между лучом и извещателем, это вызывает срабатывание реле и активацию тревоги.

Лазерная система безопасности Центр электроники

Лазерная система безопасности — это тип системы безопасности и сигнализации, в которой используется лазерный свет и световой датчик. Система безопасности защищает наши дома, офисы, банки, шкафчики и т. д. от проникновения и несанкционированного доступа. Доступны различные типы систем безопасности, и лазерная система безопасности является важным и эффективным типом.

[adsense1]

Лазерная система безопасности может действовать как автономная система, которая издает звук или шум при обнаружении любой ненормальной активности, или может быть частью гораздо более крупной системы безопасности и домашней автоматизации, которая может отправлять сообщения, позвонить владельцу и т.д.

В этом проекте мы разработали простую самодельную систему безопасности на основе лазера, которая действует как растяжка, как система безопасности, и вызывает сигнал тревоги, когда лазер прерывается.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: В этом проекте мы использовали лазерную указку. Прямое воздействие лазерного излучения на глаза может быть очень опасным. Несмотря на то, что это лазер малой мощности, избегайте прямого воздействия лазера на глаза.

[adsense2]

Принципиальная схема

Необходимые компоненты

• LM358 (ИС операционного усилителя)
• NE555 (микросхема таймера)
• ЛДР
• 3 резистора по 10 кОм (1/4 Вт)
• Резисторы 220 Ом (1/4 Вт)
• Потенциометр 10 кОм
• BC547 (транзистор NPN)
• Маленький зуммер
• Конденсатор 100 нФ (керамический дисковый конденсатор — код 104)
• Кнопка
• Лазерная указка
• Батарея 9 В
• Соединительные провода
• Макетная плата (макетная плата)

Компонент Описание

Лазерная указка

Лазерная указка выступает в качестве основного источника света в этом проекте. Мы использовали небольшую лазерную указку с выходной мощностью менее 1 мВт. Лазерная указка излучает красный свет, а длина волны лазерного излучения составляет от 630 до 680 нм.

LDR (светозависимый резистор)

LDR действует в этом проекте как датчик освещенности. По мере увеличения интенсивности света, падающего на LDR, сопротивление LDR уменьшается и наоборот. LDR используется в сочетании с лазером для формирования датчика и источника света.

NE555 (IC 555)

IC 555 представляет собой прецизионную синхронизирующую ИС, обеспечивающую временные задержки или колебания. Микросхема таймера 555 имеет три режима работы: нестабильный, моностабильный и бистабильный. В этом проекте мы собираемся использовать IC 555 в бистабильном режиме.

LM358 (операционный усилитель)

LM358 представляет собой сдвоенную ИС операционного усилителя, способную работать во всех обычных схемах операционных усилителей. В этом проекте в качестве компаратора используется LM358.

Схема

Конструкция схемы лазерной системы безопасности очень проста. В этом разделе мы увидим конструкцию схемы, а в рабочем объяснении мы увидим работу отдельного компонента.

Что касается конструкции схемы, сначала LDR и резистор 10 кОм подключаются по схеме делителя напряжения, а его выход (общая точка) подключается к контакту 3 (не инвертирующий) операционного усилителя. Микросхема LM358.

Для инвертирующей клеммы (контакт 2) подсоедините контакт потенциометра 10 кОм (две другие клеммы POT подключены к VCC и GND).

Выход операционного усилителя (вывод 1) подключен к базе транзистора (BC547) через резистор.
Триггерный контакт 555 (контакт 2) имеет высокий уровень с помощью резистора 10 кОм.

Контакт сброса (контакт 4) 555 подключен к VCC через резистор 10 кОм, а кнопка подключена между контактом 4 555 и GND. Шунтирующий конденсатор емкостью 100 нФ подключен между выводами 5 и GND. Зуммер подключен к контакту 3 микросхемы 555.

Остальные соединения показаны на принципиальной схеме.

Работа над проектом

В рамках этого проекта разработана простая, дешевая и эффективная система безопасности на основе лазера. Давайте посмотрим, как работает этот проект.

Во-первых, схема операционного усилителя действует как компаратор, т. е. сравнивает напряжения на инвертирующем и неинвертирующем выводах и выдает соответствующий выходной сигнал.

Резистор LDR – 10 кОм Делитель напряжения подключается к неинвертирующей клемме операционного усилителя, а потенциометр подключается к инвертирующей клемме.

Предположим, лазерный целеуказатель находится прямо на линии прямой видимости фоторезистора, и свет от лазера постоянно падает на фоторезистор.

В этой ситуации сопротивление LDR падает до единиц Ом (или десятков Ом) и, как следствие, напряжение на неинвертирующем выводе будет меньше, чем на инвертирующем напряжении. На выходе операционного усилителя низкий уровень, а транзистор выключен.

Если злоумышленник блокирует попадание лазерного луча на LDR (даже на короткое время), сопротивление LDR достигает нескольких сотен Ом и, как следствие, выход ОУ будет ВЫСОКИЙ. Это включит транзистор.

Поскольку выход транзистора подключен к триггерному выводу (вывод 2) микросхемы таймера 555, если транзистор включен, триггерный вывод получает короткий низкий импульс, и в результате выход 555 становится ВЫСОКИМ . Это активирует сигнал тревоги, включив зуммер.

Поскольку микросхема таймера 555 сконфигурирована как бистабильный мультивибратор, небольшой активный низкий импульс триггера на триггерном выводе установит его выход в ВЫСОКИЙ, и для его сброса нам нужно нажать кнопку сброса.

Пока не будет нажата кнопка сброса, сигнализация будет оставаться включенной, следовательно, мы можем разместить кнопку сброса в секретном месте, чтобы только владелец мог отключить сигнализацию.

Преимущества

• Схема, конструкция и настройка лазерной системы безопасности очень просты.
• При использовании с аккумулятором лазерная система безопасности может работать даже при отключении электроэнергии.

Недостатки

• Лазерная система защиты работает только в том случае, если лазер заблокирован.