HF-modulierter Laser zur Messung der Lichtgeschwindigkeit                    

Beitrag zum Schaltungs-Wettbewerb 2019                              
von  Fritjof Flechsig                             

Elektronik-Labor  Literatur  Projekte  Lernpakete  Kalender  Contest19                    



Ob mit dem J113 HF-Schaltungen möglich sind? Ganz klar ja! Aber ich verstehe den Wettbewerb dieses Jahr eher als sportliche Herausforderung, so viel wie möglich aus den Teilen des Kalenders herauszuholen. Ich biete: Einen Quarz-Oszillator, der einen Laserdioden-Treiber moduliert sowie einen Transimpedanz-Verstärker, der über eine Photodiode das Signal des modulierten Lasers empfängt. Also drei Funktionen mit den nur drei Transistoren aus dem Kalender - zuzüglich passiver Bauteile, ein Quarz, einer Photo- und einer Laserdiode.

Das folgende Bild zeigt den Versuchsaufbau. Links auf dem gelben Steckbrett der Oszillator mit Lasertreiber. Die Laserdiode verbirgt sich hinter der blauen Wäscheklammer. Rechts auf dem weissen Steckbrett der Empfänger. Man sieht leicht den roten Laserpunkt auf der Photodiode im oberen Bereich vom Steckbrett. Und das Oszilloskop zeigt als blaue Linie die Schwingung vom Sender sowie in gelb das am Empfänger wiederhergestellte Signal. Und das bei 27MHz!
Versuchsaufbau mit Sender und Empfänger am Oszi


Der folgende Schaltplan zeigt den "Sender", bestehend aus Oszillator und LD-Treiber:


Schaltplan vom Sender

Der Oszillator wird vom JFET T1 gebildet. Damit er zuverlässig anspringt, musste ich die Widerstände R1 und R2 derart wählen, dass der Drain-Anschluss bei ungefähr der halben Batteriespannung lag. Die Widerstände sind sicherlich abhängig von den individuellen Eigenschaften vom J113-Exemplar. Bei passender Wahl kam die Schaltung sauber ins schwingen - und zwar im Bereich von 2MHz bis sogar 27MHz. Diese Quarze gab die Bastelkiste nämlich her. Der Kondensator muss den unterschiedlichen Frequenzen entsprechend angepasst werde, ich haben Werte zwischen 100pF und 5.6pF verwendet. Bei 27Mhz kam er sogar ganz raus. Vermutlich reichen die Leiterbahnen vom Steckbrett als Kondensator aus.

Der JFET T2 ist als "Konstantstromquelle" geschaltet, welche über C2 mit der Frequenz aus dem Oszillator moduliert wird. Am Source-Widerstand R4 sind zwei Messpunkte, an welchen das Oszilloskop die Modulation zeigt.  Und da mir neulich ein freundlicher Chinese aus der Bucht ein paar Laserdioden zugesandt hat, habe ich die ursprünglich verbaute LED mit einer LD ersetzt. Damit diese Diode zuverlässig im Laserbereich bleibt, kann über das Poti der Spannungsbereich der Modulation justiert werden.

Die zwei LEDs ganz links dienen nur zur Anzeige der Schwingung. Es muss somit nicht ständig das Oszilloskop angeschlossen sein.


Steckbrett-Aufbau vom Sender

Die hübsche blaue Klammer hält die Laserdiode in Position. Im Detail sieht man das hier:


Halterung der Laserdiode

Der Empfänger wird durch den noch im Kalender befindlichen BC547 gebildet. Er ist als Transimpedanz-Verstärker für eine Photodiode geschaltet. Zunächst habe ich die gelbe LED als Photodiode versucht, aber da diese offensichtlich nicht genug Photostrom lieferte, kam doch eine BPW 34 zum Einsatz.


Schaltplan Empfänger

Photodioden und hohe Frequenz sind nicht ganz einfach. Hier war eine hohe Batteriespannung hilfreich, um die Photodiode vorzuspannen und ihre Kapazität zu senken. Dazu habe ich einfach drei bzw sogar vier 9V-Blöcke aneinander gesteckt. Damit war es nun tatsächlich möglich, sogar die 27MHz-Modulation am Empfänger zu sehen.

Ein paar Beispielbilder vom Oszilloskop sieht man im folgenden. Es sind die Frequenzen 2MHz, 20MHz und 27MHz zu sehen. Der blaue Graph zeigt die Spannung an den Messpunkten des Senders, also am Widerstand R4. Die gelbe Linie zeigt die Spannung am Kollektor des Transistors vom Empfänger.


Oszilloskop-Bild bei 2MHz


Oszilloskopbild 20MHz


Oszilloskopbild 27Mhz

Das Signal am Empfänger wird mit höherer Frequenz immer schwächer. Dies ist bei der Beschaltung auch zu erwarten. Bei 27MHz muss man nicht nur den Laser sauber auf die Photodiode ausrichten, sondern auch am Poti die Modulation korrekt einstellen. Dann
bekommt man auch bei dieser Frequenz eine saubere Messung am Empfänger hin, und zwar mit einer signifikanten und schönen Amplitude von 100mV.

Und wie kann es nun weitergehen? Vielleicht kann am Sender eine Information auf die HF aufmoduliert werden, welche am Empfänger wiederhergestellt wird. Oder aber man baut zwei Empfänger auf, spaltet den Laserstrahl in zwei Teile auf und untersucht Laufzeit-Unterschiede. Bei 20MHz sollten im heimischen Flur schon deutliche Effekte der endlichen Lichtgeschwindigkeit zu sehen sein. Inzwischen funzelt der Laser durch unseren Flur. Auch über eine Strecke von ca 15m kommen 20MHz sauber an.


Elektronik-Labor  Literatur  Projekte  Lernpakete  Kalender  Contest19