Comunicare con la Luce

COMUNICAZIONI AUDIO A LED LUMINOSI.

Inviare e ricevere informazioni mediante raggi luminosi  è senz’altro una futuristica valida  alternativa al  tradizionale sistema di comunicazioni wireless a radio frequenza. Conosciamo infatti quali siano i rischi dell’utilizzo di sorgenti a radio frequenza, specialmente nell’ambiente domestico, ma in generale ovunque esse agiscano. In un futuro credo abbastanza prossimo, potremo avere a disposizione nelle nostre abitazioni, nei luoghi di lavoro e in tutti gli ambienti ove sia necessario avere punti informativi, sorgenti di luce emittenti segnali sottoforma di variazioni luminose, o luce modulata, che consentano di inviare informazioni sotto forma di dati a postazioni riceventi fisse e mobili.

Immaginiamo dunque la possibilità di navigare in internet semplicemente accendendo una lampadina a LED ricevendone i relativi raggi luminosi mediante  una chiavetta USB dotata di ricevitore a fotodiodi collegata al nostro computer, iPHONE, Tablet ecc… E’ possibile allora arrivare alla creazione di una rete LAN LED basata personalizzando così le postazioni remote attraverso IP dedicati dei rispettivi corpi illuminanti a LED. (fig. 1)

fig 1 scenario office Fig. 1 Soluzioni di utilizzo dei sistemi LED wireless.

I led luminosi di potenza sono già utilizzati nei fari delle auto prodotte da case automobilistiche più importanti; anche in questo caso pilotando i led con moduli appositi potrebbe essere possibile realizzare sistemi attivi intelligenti di sicurezza per la segnalazione di arresto imprevisto di veicoli mediante comunicazione di messaggi  fra i led delle luci dei fari anteriori di un veicolo e i led delle luci di arresto posteriori del veicolo che precede. (fig. 2)

fig 2 scenario stradale

Fig. 2 Sistema di sicurezza attiva stradale a LED.

Nel campo dell’aviazione il sistema TX-RX LED potrebbe essere utilizzato come faro LED per la sicurezza attiva durante le fasi di decollo e atterraggio mediante l’invio di messaggi codificati a bordo degli aerei per la segnalazione di traffico imprevisto di aeromobili e veicoli di servizio  non segnalati dalla torre di controllo e ridurre così collisioni in pista. (fig. 3)

fig 3 scenario aereoFig. 3 Sistema di sicurezza attiva aereoportuale a LED.

 Certo questi scenari possono semrare troppo avveniristici ma sono certo della loro fattibilità pertanto direi: “E’ SOLO QUESTIONE DI TEMPO” ma saranno realizzati perché il business, motore del progresso, non sfuggirà alle menti più moderne e rivolte al rispetto dell’ambiente e dell’umanità poiché tutto è collegato e inscindibile.

Infatti non di secondaria importanza, in tempo di crisi e di alti costi dell’energia elettrica, sarebbe un sempre più diffuso impiego di lampade a led intelligenti in luogo delle lampade tradizionali, ivi comprese quelle cosiddette a basso consumo di fascia energetica A, lampade a led  che diverrebbero ancor più diffuse grazie alle innovative  caratteristiche di multifunzionalità.

Attualmente alcune Università internazionali in collaborazione con le industrie interessate stanno sperimentando i primi prototipi ma, anche se i risultati sono incoraggianti, ancora non sono disponibili previsioni di commercializzazione a livello industriale per la diffusione al pubblico a causa di alti costi di produzione e di limiti tecnologici.

 

DESCRIZIONE DEL SISTEMA TX-RX AUDIO FM LED

Il presente progetto RX-TX AUDIO FM ad illuminazione a LED BIANCHI è un esempio di come sia possibile illuminare un ambiente e nel contempo utilizzare il flusso luminoso per trasmettere un segnale audio da una sorgente esterna ad una postazione ricevente remota. E’ quindi possibile realizzare un collegamento wireless affidabile in quanto immune alle interferenze elettromagnetiche che è appunto caratteristica  della luce, ad esempio collegando un’apparecchiatura audio al trasmettitore e una cuffia stereo o un altoparlante al ricevitore remoto. Il sistema LED wireless è in grado di coprire una distanza di oltre 10 metri, ovviamente senza ostacoli fra TX ed RX. Un’altra idea di utilizzo può essere di creare una sorta di luce ambiente di cortesia per una più riposante  visione della TV ponendo il TX in prossimità del televisore e l’RX collegato alla cuffia o altoparlante del telespettatore. Inoltre possiamo ipotizzare di utilizzare il sistema, dopo opportuna eventuale post-amplificazione in ricezione, come ripetitore wireless del segnale audio di un sistema Home Theatre verso gli altoparlanti posteriori eliminando così l’impiego di cavi lungo la stanza.

Il progetto si compone di due parti: la scheda TX trasmettitore e la scheda RX ricevitore:

 Il Trasmettitore

TX-LED

 

 

 

 

Il Ricevitore

RX-LED

 

 

 

 

DESCRIZIONE DEL TRASMETTITORE

Il TX si compone di quattro sezioni: il preamplificatore audio, il VCO, il driver dei tre led bianchi luminosi e la sezione di alimentazione. Analizziamo il funzionamento delle varie sezioni.

IL PREAMPLIFICATORE AUDIO

E’ costituito dal circuito integrato  LM358 al cui interno vi sono due amplificatori operazionali ad alto guadagno che possono essere alimentati con singola o duale alimentazione. In questo progetto utilizziamo solo uno dei due amplificatori che viene alimentato in singola alimentazione. (fig. 4)

Fig.4 Sezione preamplificatore audioFig.4 Sezione preamplificatore audio

Il segnale audio proveniente da apparecchiature esterne viene applicato al connettore SK2 e regolato in ampiezza dal trimmer RV1 verso l’operazionale U1 in configurazione non invertente. Il funzionamento dell’operazionale in singola alimentazione è garantito dalle due resistenze R3-R4 che riportano sul piedino 3 non invertente metà della tensione di alimentazione. La rete di controreazione R1-C2 e il circuito RC serie R2-C3 modellano la risposta in frequenza per ottenere una ottimale resa sonora alle alte frequenze audio.

 

IL VCO

La sezione dell’oscillatore controllato in tensione viene realizzata utilizzando il noto NE555. (fig. 5)

Fig. 5 Sezione VCOFig. 5 Sezione VCO

Dal preamplificatore il segnale audio viene applicato all’ingresso del VCO attraverso il filtro RC serie R5-C5 e da questo al piedino 5 di controllo la cui variazione di ampiezza và a modulare la frequenza  del segnale impulsivo generato  dall’integrato NE555 U2. L’oscillatore è progettato per fornire un segnale impulsivo con duty-cycle del 10% per una migliore risposta dei led. La frequenza dell’oscillatore ad impulsi, che quindi è la frequenza portante del trasmettitore, in assenza di modulazione viene regolata a 200KHz dal trimmer RV2. Il segnale così modulato è quindi un segnale FM che dopo il filtro RC parallelo R9-C9 viene trasferito al driver dei LED bianchi.

 

IL DRIVER DEI LED

Il driver dei led è a sua volta composto da due sezioni: la sezione pilota del driver costituita dai diodi D3-D4-D5 e dal transistor Q1 che ha la funzione di rendere quanto più ripidi i fronti degli impulsi modulati provenienti dal VCO; la sezione driver dei led è realizzata mediante il transistor di media potenza Q2 che alimenta i led con corrente funzione degli impulsi modulati. (fig. 6)

Fig 6 Driver dei ledFig. 6 Driver dei led

 

Una descrizione a parte per i led è opportuna.

I led bianchi luminosi impiegati in questo progetto sono i LL1516HCWW1-151 della Ledman Optoelectronics,  ma è possibile sostituirli con altri di caratteristiche simili che di seguito andiamo ad analizzare.

Le specifiche di valori assoluti sono riportate nella tabella 1.

Tabella1Tabella 1 Valori massimi applicabili ai led LL1516HCWW1-151

 

Le caratteristiche di funzionamento principali sono riportate in tabella 2.

Tabella2Tabella 2 Specifiche di funzionamento dei led LL1516HCWW1-151

 Come vediamo nella tabella 2 i led dovranno essere polarizzati con una tensione diretta VF = 3.2 V  e con una corrente diretta di 20 mA si avrà una intensità luminosa tipicamente di 18 candele per un angolo di irradiazione di 0°, mentre per un angolo di radiazione di 15° si avrà il 50% della potenza luminosa, ciò significa che l’intensità luminosa del fascio luminoso che forma un angolo di 15° con l’asse di puntamento del led varrà 9 candele. Nel grafico di fig. 7 osserviamo quanto detto.

 Fig 7 – Intensità luminosa relativa in funzione dell’angolo di radiazioneFig. 7 – Intensità luminosa relativa in funzione dell’angolo di radiazione

 

Vediamo inoltre nella fig.8 come l’intensità luminosa dipenda dalla corrente diretta di polarizzazione del led.

Fig 8 -  Intensità luminosa relativa in funzione della corrente direttaFig. 8 –  Intensità luminosa relativa in funzione della corrente diretta

La lunghezza d’onda di emissione dei led è di  470 nm.

 

L’ALIMENTATORE

L’alimentatore è molto semplice: realizzato con l’integrato regolatore  L7810 e relativi condensatori di filtraggio eroga in uscita una tensione stabilizzata di +10V. Deve essere alimentato con un alimentatore esterno da 12 Vdc.

fig 9 Alimentatore del TXFig. 9 Alimentatore del TX

 

 DESCRIZIONE DEL RICEVITORE

Il ricevitore si compone di cinque parti: la sezione di ricezione di luce modulata composta dal fotodiodo e l’amplificatore a transimpedenza; l’amplificatore selettivo, il demodulatore  FM, l’amplificatore di potenza audio e l’alimentatore.

La sezione di ricezione ha in ingresso il fotodiodo SFH203 che alimentato con una tensione inversa di 5V svolge la funzione di captare il flusso luminoso emesso dai led bianchi del trasmettitore in corrente elettrica. Nella tabella 3 sono riportate le principali specifiche di funzionamento del fotodiodo SFH203.

tabella 3 specifiche fotodiodo Tabella 3 Specifiche di funzionamento del fotodiodo SFH203

 Nella fig. 10  osservate la variazione lineare della corrente Ip del fotodiodo in funzione dell’illuminamento Ev.

fig 10  fotoxorrente Fig.10 Fotocorrente funzione dell’illuminamento

 

Nel grafico della fig. 11  viene invece mostrato l’andamento della sensibilità del fotodiodo in funzione della lunghezza d’onda del flusso di luce captato.

fig 11  sensibilità fotodiodoFig. 11 Sensibilità in funzione della lunghezza d’onda del fotodiodo SFH203

Altro elemento importante da considerare per la sensibilità del fotodiodo è l’angolo di captazione che ne definisce la direzionalità. Nella fig. 12  potete osservare l’angolo di radiazione misurato al 50% dell’intensità luminosa ricevuta corrispondente ad un angolo di captazione di +20°/-20°.

fig 12 angolo captaz fotodFig.12 Direzionalità di captazione del fotodiodo SFH203

 La soglia minima di captazione del fotodiodo SFH203 è determinata dalla Dark Current, o corrente di buio, il cui valore è determinato dal valore della tensione di polarizzazione inversa applicata che ne stabilisce quindi la sensibilità. Dal grafico di fig. 13  potete osservare che per il valore di tensione inversa di 5V, che è appunto il caso di questo progetto, la Dark Current emessa è di 0,3 nA.

fig 13 Dark current Fig. 13 Dark Current del fotodiodo SFH203

 

La corrente emessa dal fotodiodo quando è investito dal flusso luminoso viene applicata all’ingresso della sezione U1:A dello speciale doppio operazionale U1  LMV797 della National configurata come amplificatore a transimpedenza caratterizzata da altissima impedenza, alto guadagno e basso rumore che trasforma in tensione la corrente; la sezione U1:B amplifica ulteriormente il segnale modulato. (fig.14)

fig 14 ampli LMV797Fig.14 Sezione Amplificatore a transimpedenza

 

In fig.15 si osservi la risposta in frequenza dell’amplificatore a transimpedenza in cui notiamo una banda passante di oltre 300 KHz.

fig 15 risposta lmv797Fig.15 Risposta in frequenza dell’amplificatore a transimpedenza

Lo stadio successivo è l’amplificatore selettivo costituito dal transistor Q1 2N2222 con circuito risonante L1-C4 la cui banda stretta centrata a 200 KHz consente un alto guadagno e sensibilità al ricevitore.

In fig. 16 è riportata la risposta in frequenza del circuito ricevente dal fotodiodo all’uscita dello stadio selettivo. Come si nota l’amplificazione totale è di circa 120 db.

 fig 16 risposta ampli selettivoFig. 16 Risposta in frequenza della sezione ricevente.

 

Dall’amplificatore selettivo il segnale FM passa all’ingresso delle stadio amplificatore-limitatore demodulatore FM realizzato dallo speciale integrato SA615. Nella fig. 17  è riportato lo schema a blocchi del circuito integrato SA615. Potete osservare che è composto da mixer RF,  oscillatore RF, amplificatore/limitatore IF,  rivelatore in quadratura e muting.

fig 17 SA615 RX Fig. 17 Schema a blocchi SA615

 

Analizziamo lo stadio con SA615 nella fig.18.

fig 18 demodulatore FMFig 18 Sezione demodulatore FM

 

Come vedete dal circuito, non viene utilizzato il mixer del SA615, quindi il segnale FM viene inviato all’ingresso dello stadio amplificatore IF per una prima amplificazione (pin 18); dall’uscita dell’amplificatore IF (pin 16) il segnale è applicato ad un filtro passa-banda a T centrato a 200 KHz e da questo all’ingresso dello stadio limitatore (pin 14) impiegato per evitare il rischio di saturazione degli stadi successivi; dal limitatore il segnale viene inviato al rivelatore in quadratura la cui uscita (pin 10) demodulata  risultante del solo segnale audio originario è applicato attraverso il  condensatore C24 all’amplificatore BF di potenza audio costituito dal circuito integrato U3 LM386 il cui circuito è riportato in fig. 19. La configurazione utilizzata del LM386 è ottimizzata per un guadagno in tensione di circa 25 db, come osservabile nel grafico di fig. 20 relativo alla simulazione della risposta in frequenza dell’amplificatore BF,  con distorsione contenuta entro 1% nella banda 20 Hz-10 KHz, fino a circa 1,4% da 10 KHz a 20 KHz. Il livello di uscita viene regolato dal potenziometro RV1; il filtro RC R18-C29 è indispensabile per l’eliminazione del fruscio di fondo causato dal rumore di demodulazione. In uscita dall’amplificatore è possibile collegare cuffie o altoparlanti con impedenza di 8 ohm.

fig 19 Amplif BF  Fig. 19 Amplificatore BF

 fig 20 Risp freq Amplif BF

Fig. 20  Risposta in frequenza dell’amplificatore BF

 

Infine la sezione di alimentazione (fig. 21). L’alimentatore è costituito dal circuito integrato regolatore 78L05 che stabilizza una tensione di +5V proveniente da alimentazione esterna, in questo caso è previsto il collegamento di una batteria da 9V.

fig 21 aliment RX fig. 21 Alimentatore del Ricevitore

se RXSchema elettrico del Ricevitore

Schema elettrico del Trasmettitore Schema elettrico del Trasmettitore

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