Министерство образования Саратовской
области
Муниципальное
общеобразовательное учреждение
Лицей № 37 Фрунзенского района
ТехноКлуб "КВАНТОР"
Простое устройство
оптической связи
компьютеров
Творческая работа учащегося
9 «г» класса
Нечаева Михаила Александровича
Обновление странички
Научный руководитель:
учитель физики и информатики
Новиков Андрей Валерьевич
Саратов, 2002 г.
Аннотация
Данная работа относится к области компьютерных коммуникаций и посвящена созданию простого устройства оптической связи компьютеров, предназначенного для использования в закрытых помещениях.
В работе приведены описания действующих моделей передатчика и приемника оптического сигнала, использующие в качестве источника излучения полупроводниковый лазер.
Содержание
|
|
Введение
…………………………………………………………… |
4 |
|
1. |
Основные характеристики
и принцип действия устройства …... |
5 |
|
2. |
Схема передатчика
………………………………………………… |
7 |
|
3. |
Схема приемника
………………………………………………….. |
8 |
|
4. |
Конструкция устройства
………………………………………….. |
9 |
|
5. |
Проверка устройства
……………………………………………… |
9 |
|
6. |
Техника безопасности
…………………………………………….. |
10 |
|
|
Заключение
………………………………………………………… |
10 |
|
|
Список источников
информации ………………………………… |
11 |
!!!Полная версия сайта chay-web.narod.ru!!! Тут (lazerdata.narod.ru) изложены неверные данные
Введение
Всеобщая компьютеризация производства повлекла за собой создание новых технологий, позволяющих связать персональные компьютеры между собой, что, в конечном счете, привело к созданию Интернета. В настоящее время непрерывно продолжается процесс изучения и проведения опытов по замене проводов и телефонных кабелей на другие более удобные, дешевые и надежные средства связи между собой отдельных рабочих мест.
Наиболее
приоритетным направлением в развитии высоких технологий является передача
информации с помощью лазерного луча, возможности которого очень велики и до
конца не изучены. Где прокладка проводов не доступна или просто не
возможна, например, в условиях
крайнего севера, горного рельефа или морском пространстве, возможно применение
лазерного луча. Ещё одно неудобство кабеля заключается в следующем. Как мы
знаем, вокруг любого проводника с током
образуется магнитное поле. Теперь представим, сколько таких проводников в
многожильном кабеле. Следовательно, что магнитные поля проводников будут
накладываться друг на друга и значительно увеличатся помехи, создавая огромные
неудобства пользователю. При применении световой связи таких проблем не
возникает, так как свет распространяется прямолинейно, и в нём отсутствуют
электромагнитные наводки.
Для понимания сущности вопроса необходимо обратиться к терминологии. Квантовые генераторы, излучающие в диапазоне видимого и инфракрасного излучения, получили название лазеров (сокращение, образованное первыми буквами выражения: light amplification by stimulated of radiation – усиление света индуцированным излучением).
В 1915 г. Эйнштейном впервые были введены понятия о спонтанном (самопроизвольном) и индуцированном (вынужденном) излучениях, которые впоследствии были применены в теории лазерных устройств.
В лазере
усиление света производится излучением, индуцированным светом, проходящим
сквозь вещество. При этом излучение самого лазера характеризуется высокой
направленностью и большой плотностью энергии. Именно эти основные качественные
характеристики позволили лазерам в короткий период получить широкое применение
в таких областях, как физика, химия, практическая медицина, промышленное производство
и так далее. Появление лазеров позволили осуществлять оптическую связь между
различными устройствами.
Идея использования лазерного луча при создании локальных компьютерных сетей не нова. Она уже широко используется в России, США и других странах. На крышах домов устанавливаются большие лазерные пушки, достигающие в диаметре поперечного сечения 5 - 10 сантиметров, приёмник же может быть расположен непосредственно в окне у пользователя или рядом с передатчиком. Однако использование таких технологий на открытом воздухе вызовет определённые проблемы. Например, туман или обильные осадки сделают передачу информации невозможной, а случайно пролетающая птица приведёт к зависанию компьютера. Зато такую сеть легко перемещать на любую территорию без привязки к проводам.
Целью данной работы была разработка простого устройства оптической
связи компьютеров, предназначенного для использования в закрытых помещениях.
1. Основные характеристики и принцип
действия устройства
Предлагаемое устройство имеет ряд отличий от имеющихся образцов.
Во-первых, оно имеет малые
габариты приемо-передающего комплекса. Передатчик и приёмник расположены в
пластмассовых корпусах размером 5 см ´7 см и 6 см´10 см соответственно.
Во-вторых, лазерный диод,
извлечённый из обыкновенной лазерной указки, имеет диаметр поперечного сечения
луча 2-3 миллиметра, мощность излучения
не превышает 5 мВт, но для достижения поставленной цели этого вполне
достаточно, поскольку связь производится на небольших расстояниях (до 50 м).
Принцип работы данного устройства основан на передаче от одного компьютера (А) другому компьютеру (В) информации в виде двоичного сигнала (излучение включено/выключено) с помощью лазерного луча. Так как работа компьютеров также основана на использовании двоичной системы (1 или 0), то они без труда преобразуют полученные сигналы в исходные данные и обратно.
Для приема
оптического сигнала используется явление, заключающееся с освобождением
электронов в твёрдого тела или жидкости, то есть преобразование световой
энергии в электрический ток. Это явление называтся фотоэлектрическим эффектом
или фотоэффектом.
Различают:
1) внешний
фотоэффект – испускание веществом электронов под действием света
(фотоэлектронная эмиссия).
2) внутренний
фотоэффект – увеличение электропроводимости полупроводников или диэлектриков
под действием света (фотопроводимость).
3) вентильный
фотоэффект – возбуждение светом эдс на границе между металлом и полупроводником
или pn-переходе.
В данном
устройстве использовался внутренний фотоэффект, вызывающий изменение
сопротивления фотодиода, при подаче на него запирающего напряжения.
Кодирование/декодирование
информации и формирование управляющих импульсов осуществляется программным
путем.
В процессе
конструирования было необходимо максимально точно рассчитать необходимые
сопротивления резисторов и определить наиболее оптимальный режим работы
транзисторов.
2. Схема передатчика
Принципиальная схема передатчика показана на рис. 1. Для
управления лазерным диодом используется транзистор VT1 типа КТ315 (npn),
коллектор которого присоединяется к катоду лазерного диода LD1.
Рис. 1. Принципиальная схема передатчика
Анод лазерного
диода LD1 подсоединяется к плюсу источника питания (батарея напряжением 4,5V).
База транзистора соединена с общим проводом через резистор R1,
вследствие чего в отсутствии входного сигнала транзистор VT1
находится в закрытом состоянии и лазерный диод LD1 выключен.
При подаче на вход схемы сигнала логической «1» с порта
компьютера, транзистор VT1 открывается, через него
начинает протекать ток и лазерный диод LD1 излучает.
В данной схеме транзистор работает в режиме ключа,
полностью выключая или включая полупроводниковый лазер.
3. Схема приемника
Принципиальная
схема приёмника излучения показана на рис. 1. В качестве датчика излучения используется фотодиод FD1,
включенный в запорном направлении. Когда
нет сигнала фотодиод
закрыт и напряжение
Рис. 2. Принципиальная схема приемника
на резисторе R1 (6
кОм), а значит и на базе транзистора VT1 (типа КТ 315А) близко к
нулю. Транзистор VT1 закрыт и на его коллекторе, соединенном с
резистором R2 (сопротивлением 39 кОм) и входе 1 инвертора DD1.1
(К155ЛН1) напряжение имеет высокий уровень. Так как инвертор меняет состояние
цифрового сигнала на противоположное («инвертор» - от латинского слова inverto
– переворачиваю, изменяю), то на его выходе 2, сигнал в отсутствии излучения
лазера находится в состоянии «0». При освещении фотодиода FD1 его
сопротивление уменьшается, через него начинает протекать ток, вызывающий ненулевое
падение напряжения на резисторе R1. Транзистор VT1
открывается, напряжение на его коллекторе падает до уровня, близкому к нулю, а
на выходе инвертора устанавливается значение «1». Цифровой сигнал с выхода
инвертора подается на порт компьютера.
4. Конструкция устройства
Приемник и передатчик собраны на печатных платах. При изготовлении плат для выше указанных устройств был использован текстолит, с тонким слоем меди, где были прорезаны «дорожки» для транзистора, резистора, инвертора и других деталей схем, которые показаны на рисунке 3. После тщательной отчистки и лужения поверхности медного слоя, были напаяны необходимые детали.
А Б
Рис. 3
Печатные платы передатчика (А) и приемника (Б)
5. Проверка устройства
Для проверки работоспособности устройства с его использованием была организована передача данных от персонального компьютера типа IBM PC к одноплатному 8-разрядному компьютеру «Микроша». Данный этап работы выполнялся с участием ученика 11 «Б» класса Еременко Егора, отдельно выполнившего разработку программ, организующих обмен данными по последовательному каналу между указанными компьютерами (см. «Сопряжение восьмиразрядной одноплатной ЭВМ «Микроша» с компьютером типа IBM PC » - выпускная работа ученика 11 «Б» класса Еременко Е.Н., 2002 г.).
Проведенная проверка показала пригодность устройства для
организации обмена информацией между компьютерами по оптическому каналу.
6. Техника безопасности
При использовании лазеров в опытах и применениях в быту, необходимо помнить, что лазерный луч губителен для зрения. С ним нужно обращаться максимально осторожно и ни в коем случаи не направлять в сторону другого человека, так при попадании луча в зрачок, может произойти отслоение сетчатки глаза, следовательно, и зрение человека резко упадёт.
Заключение
При
выполнении данной работы были изучены:
· Принципы работы лазеров;
· Принципы построения
оптических линий передачи информации;
· Основы работы транзистора в
режиме электронного ключа.
Были разработаны схемы передатчика и
приемника и изготовлены действующие модели устройств.
Была выполнена проверка возможности
организации передачи данных между компьютерами с применением данного
устройства, которая подтвердила его работоспособность.
Таким образом, в результате выполненных работ создано простое
устройство оптической связи компьютеров, предназначенное для использования в
закрытых помещениях.
Список источников информации
1. Г.Я. Мякишев,
Б.Б. Бухановцев. Фотоэффект. //Учебник физики за 10 класс. – Москва:
издательство «Просвещение», 1987 г.– Стр. 208 – 218.
2. Г.А. Зисман и
О.М. Тодес. Фотоэлектрический эффект.// Курс общей физики. В трёх томах. –
Москва: издательство «Наука», 1970 г. – Том третий. Стр.121 – 275.
3. А.С. Жданов и
В.А. Маранджян. Электрические свойства полупроводников.// Курс физики для
средних специальных учебных заведений. В двух томах. – Москва: издательство
«Наука», 1968 г. – том второй. Стр. 323 – 339.
4. Советская Энциклопедия Слов. Лазерный диод
фотоэффект.// Научная редакция под представительством А.М. Прохорова. – Москва:
издательство «Советская Энциклопедия», 1980 г.
5. Большая
Советская Энциклопедия. Транзистор, лазерный луч.//Главный редактор Б.А.
Введенский. В пятидесяти двух томах. – Москва: издательство «Большая Советская
Энциклопедия», 1975 г. Том 43.
6. Интернет сайты: http://www.chat.ru/~nadymnet/, http://www.ispr.nsk.su/~gudkov/k1056yp1/, http://www.hut.fi/Misc/Electronics/circuits/laserlink.html , http://www.alphalink.com.au/~derekw/upntcvr.htm ,
http://www.qsl.net/k3pgp/Construction/
Frontend/frontend.htm
, http://www.alphalink.com.au/~derekw/upntcvr.htm, http://www.alphalink.com.au/~derekw/upntcvr.htm,
http://www.repairfaq.org/sam/laserdio.htm#diotoc,http://www.active.ru/AvangardOpton/.
