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IW3SGT
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 Inserito il - 04/07/2015 : 22:53:34
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Cari colleghi,
vi scrivo per vedere se trovo qualche locals interessato a far esperimenti nei dintorni dei 476THz (Tera) o 630nm, la lunghezza d'onda dei LED rossi.
In pratica prove di trasmissione e ricezione "ottiche" in CW, prima con LED poi in seguito, definita l'elettronica, anche con LASER.
Le apparecchiature sono semplici, mentre la parte meccanica di puntamento, specie con il LASER, sarà quella che darà qualche grattacapo.
L'idea è di modulare il trasmettitore (LED o LASER) con frequenze nel range 1-100kHz (dipenderà dai disturbi in ricezione).
Il vantaggio di questa modulazione è che in ricezione si può usare la scheda sonora del PC. Dunque per decodificare il segnale si ha a disposizione del software tipo Spectran per la visualizzazione ad occhio o software per SDR per farla ad orecchio.
Il TX lo vedo molto semplice, per iniziare basta un oscillatore "canned" (quelli già pronti con uscita TTL) un divisore (es 4040), come modulatore basta semplice AND (7408), un transistor come driver (2N3904) e infine il LED.
Probabilmente userò un PIC per far tutto, dalla generazione dei messaggi alla generazione della sub portante, vediamo cosa ne viene fuori.
In RX un fotodiodo tipo BPW34 (è ottimizzato all'infrarosso ma come inizio ...) un preamplificatore a basso rumore con un operazionale, un eventuale filtro passa banda e la scheda sonora del PC.
Con il proseguire degli esperimenti si potrebbero aggiungere delle lenti, prima con dei binocoli in seguito magari si cerca qualcosa di più adeguato (lenti fresnel in materiale plastico).
Spero di produrre qualcosa entro l'estate 
73
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Ale aka Kosso aka IW3SGT
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Modificato da - IW3SGT in Data 22/08/2017 14:30:18
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Inserito il - 02/11/2015 : 19:16:09
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Con la programmazione dei PIC si parte dal 16F84A per i messaggi ma poi mettendoci il display, la generazione della sub portante alla fine passi al 16F877 e visto che non basta finisci sul 18F45K22.
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(prototipo di una schedina di sviluppo per 16F887, compatibile anche per 18F45K22 e 18F4550)
In pratica il keyer oltre a generare svariati messaggi CW a varie velocità con un livello TTL 0-5V, è in grado di produrre i messaggi anche con delle note (a esser pignoli c'è un po di jitter, vedremo quanto darà fastidio).
E' equipaggiato con un alimentatore fisso a 5V e uno variabile (solito LM317T). La tensione del variabile viene misurata all'avvio del programma così si può regolare a piacere, adatto per pilotare sia un array di LED che un piccolo LASER a 5V.
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(scheda millefori con gli alimentatori e un filtro in ingresso nel caso si usino switching)
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(la scheda col 18F45K22 programmato pronta per entrare nella scatola)
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(quasi finito)
I messaggi disponibili:
- IW3SGT/B JN65VP (SLCW 0.2s dot) AK (QRSS3)
- IW3SGT/B
- IW3SGT/B JN65VP
- IW3SGT
- IW3SGT JN65VP
- SGT
- AK
- K
- SGT + linea lunga
- AK + linea lunga
- K + linea lunga
Velocità:
- CW (0.1s dot)
- SLCW (0.2s dot)
- QRSS1 (1s dot)
- QRSS3 (3s dot)
- QRSS10 (10s dot)
- QRSS30 (30s dot) solo per OOK (on off key)
Generatore (frequenze indicative):
- OOK (On Of Key)
- 720 Hz
- 1520 Hz
- 3020 Hz
- 6020 Hz
- 12,020 kHz
- 24,020 kHz
- 32,020 kHz
Nei prossimi giorni proseguirò con la parte luce.
Per finire la parte trasmittente ho in mente un piccolo pannellino con una ventina di LED rossi commutati in ON-OFF con dei transistor (con 8V posso pilotare 4 LED in serie).
Per la parte ricevente vedo un BPW34 seguito da uno o due operazionali e poi la scheda sonora del PC.
73s
Ale
IW3SGT
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Ale aka Kosso aka IW3SGT
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Modificato da - IW3SGT in data 22/08/2017 14:34:31 |
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Inserito il - 11/11/2015 : 21:46:43
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Ecco il trasmettitore di test quasi completo, manca solo un supportino per il PCB del driver e del LED.
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Prossimo lavoro: il ricevitore :)
Qualche dettaglio:
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Messaggio "IW3SGT" in QRSS1 (1s dot) e modulazione LED (ON-OFF) a 720Hz
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scheda driver con transistor 2N3904
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scheda LED (OFF)
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scheda LED (ON)
73s
Ale
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Inserito il - 07/12/2015 : 18:49:44
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Questo pomeriggio, approfittando della YL al lavoro, ho deciso di testare il sistema.
7 metri di QRB fatti 
Si parte da qui per arrivare lontano, il prossimo step sarà quello di raccogliere dati più precisi sul rapporto S/N a varie frequenze di modulazione e di provare a ricevere il segnale riflesso da un muro (come un attenuatore).
Il ricevitore è molto semplice, si tratta di un amplificatore di transimpedenza, converte la corrente di un fotodiodo (BPW34 della Osram) in una tensione.
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Schema di un amplificatore di transimpedenza
la tensione in uscita è data dal prodotto della corrente del fotodiodo per la resistenza. Valori tipici sono sul M Ohm o più per avere guadagni più spinti. Il tutto è limitato dalla corrente di buio del fotodiodo.
Con 1M Ohm in buio totale mi trovo con circa 0,6V per aumentare a circa 3V con una resistenza da 4,7M Ohm. Le capacità in parallelo alla resistenza servono per compensare quella del fotodiodo e rendere la risposta in uscita più piatta possibile, valori tipici sono tra i 2 e i 10pF.
Il mio prototipo ha la possibilità di scelta tra due resistenze, 1 e 4,7 M Ohm, tre capacità, 2, 10 e 47pF ed infine tre amplificatori operazionali, un TL081 (standard) e due basso rumore OP07 e OP27.
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Fotodiodo BPW34 della Osram
Il fotodiodo è stato messo in un bicchierino che si adatta quasi ad incastro all'oculare del mio binocolo Hoya 12x56. Binocolo che potremmo considerare come un'antenna direttiva
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Prototipo del ricevitore
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Ricevitore in "posizione" a 7 metri dal trasmettitore
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L'antenna direttiva
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La postazione TX
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ON-AIR, parte dei 20 LED rossi (roba economica)
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Trasmettitore composta dalla sorgente (con PIC 18) e modulatore con semplici 2N3904.
In ricezione ho usato un PC portatile con Specrtran, lo stesso software che uso per ricevere/decodificare i radiofari in onde lunghe.
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Il segnale ha più di 30dB sul rumore, sono visibili delle armoniche dei 50Hz della rete.
A metà schermata i rumori aumentano perchè ho acceso le luci (4 a fluorescenza da 13W) ma il segnale non è stato influenzato.
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Aumentando il guadagno dell'amplificatore (resistenza da 4,7M Ohm) il segnale si stacca per un ulteriore decina di dB dal rumore. Aumentano i disturbi di rete.
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Sempre in condizione di massimo guadagno ma con l'accensione delle luci.
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La modulazione era a circa 1500Hz (onda quadra), qui si vede l'armonica a circa 4,5 kHz. E' abbastanza forte, a occhio 20-25dB sul rumore di fondo ... tutta energia sprecata 
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Ancora l'armonica ma con l'amplificatore al massimo guadagno.
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Il guadagno ottenuto col binocolo satura l'amplificatore in configurazione standard (resistenza da 1M Ohm). A occhio saremo oltre i 60dB sul rumore e notare che si riesce a vedere anche l'armonica dei 3kHz.
Per oggi finito ... forse
73s
Ale
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Modificato da - IW3SGT in data 07/12/2015 19:46:37 |
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Inserito il - 08/12/2015 : 22:54:07
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Oggi ho fatto altre prove per delle misure di intensità "circa" variando il numero di LED attivi in TX e provare frequenze di modulazione diverse. Con uno specchio sono riuscito a deviare il fascio di luce a 90° così ho portato la distanza a 13m.
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Il risultato è abbastanza scontato, aumentano i LED accesi e aumenta il segnale. A occhio si stima i +6dB al raddoppio dei LED accesi
In basso c'è tanto rumore. Sono armoniche di rete probabilmente entrano perché il preamplificatore non è schermato. L'intensità delle armoniche aumenta se si avvicinano le mani al preamplificatore e anche alla tastiera del PC 
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Il segnale a 726Hz si vede bene come l'armonica a circa 2100Hz a circa -10 dBc. Il segnale sui 3000Hz è il mouse in movimento 
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Disturbo di una luce ad incandescenza da 40W a 2 metri di distanza, il fotodiodo non è stato illuminato direttamente
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Disturbo da una luce ad incandescenza con due lampadine da 60W da soffitto a circa 4m, il fotodiodo è in vista della lampada
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La prova su varie frequenze. Non ho potuto salire di più in frequenza in quanto la scheda sonora del netbook non è molto performante.
I prossimi step:
- preamplificatore in scatola metallica
- prova con altri fotodiodi PIN (ho recuperato un Hamamatsu)
- aumento progressivo della distanza
- verifiche di rumore in buio totale con vari OP-AMP
- prove con piccolo laser rosso
- scelta se continuare con LASER più potenti o LED di potenza recuperati da lampadine domestiche
73s
Ale
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Modificato da - IW3SGT in data 08/12/2015 22:58:38 |
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Inserito il - 20/12/2015 : 22:32:48
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La scelta dell'amplificatore operazionale
Dal solito cassetto di recupero avevo tre possibilità di scelta: TL081, OP07C e LF357.
Sono amplificatori operazionali di ottima qualità e poco rumorosi, con bande passanti un po' varie ma per l'applicazione non sembra un parametro critico (forse).
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estratto del datasheet del TL081
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estratto del datasheet del OP07C
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estratto del datasheet del LF357N
Non avendo strumentazione adeguata (analizzatore di spettro BF) l'unica possibilità è quella di usare la scheda sonora del PC (integrata su un desktop HP) e vedere cosa succede.
La prova è stata effettuata oscurando il fotodiodo con un banale tappo di plastica nera e avvolgere il tutto con un foglio di alluminio collegato al GND per simulare una schermatura. Quest'ultima accortezza si è dimostrata indispensabile pena l'invasione delle solite armoniche a 50Hz e altre schifezze.
Come software ho usato Spectran, molto intuitivo e pratico, le misure sono mediate su 100 campioni.
L'ultima traccia è della scheda sonora con l'ingresso in corto, questo mi serviva per vedere se effettivamente c'è qualche differenza rispetto al dispositivo men rumoroso.
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Dalle prove sembra che il LF357N sia il vincitore. Si vede chiaramente la "gobba" di rumore del TL081 tra i 5kHz e 10kHz di circa 5dB e l'OP07C solo leggermente peggiore del LF357N.
Da notare che il rumore di fondo sui grafici comprende anche quello del fotodiodo in condizioni di buio. Recentemente ho modificato il prototipo con la possibilità di cortocircuitare il fotodiodo per vedere il rumore dei soli amplificatori operazionali, un test che vorrei fare con una scheda sonora migliore, magari esterna.
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Settings di Spectran
Dopo il prototipo ho preparato qualcosa di più definitivo e pratico da usare. Compatto e con un contenitore metallico.
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Parte anteriore pronta per interfacciarsi con il binocolo
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deviatore esterno con possibilità di switch "gain" (1 MOhm o 4.9 MOhm).
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Interno, al piano superiore la parte di alimentazione (singola a 12V), sotto il preamplificatore
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Dettaglio dei due piani
Le misure di rumore sono state ripetute anche per questo dispositivo e hanno confermato quelle precedenti.
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Seguirà con il test per stimare la massima distanza fattibile con il sistema a LED e con il binocolo ... per il momento i risultati sembrano discordanti
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Ale
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Ale aka Kosso aka IW3SGT
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Modificato da - IW3SGT in data 20/12/2015 22:33:59 |
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Inserito il - 25/12/2015 : 22:14:01
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COME STIMARE LA MASSIMA DISTANZA RAGGIUNGIBILE IN CONDIZIONI IDEALI
cit Wikipedia:
In fisica, una legge dell'inverso del quadrato è ogni legge fisica che affermi che una specifica grandezza fisica è in modulo inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente di quella grandezza.
Una legge dell'inverso del quadrato si applica generalmente quando una forza, energia o altre grandezze conservative è irradiata ugualmente da una sorgente puntiforme nello spazio tridimensionale. Poiché la superficie di una sfera (che vale 4\pi r^{2}) è proporzionale al quadrato del raggio, man mano la radiazione emessa si allontana dalla sorgente, è diffusa su un'area che aumenta in proporzione col quadrato della distanza dalla sorgente e così l'intensità della grandezza irradiata è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente. La legge di Gauss si applica e può essere usata con ogni grandezza fisica che si comporta secondo una legge dell'inverso del quadrato.
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Da qui la teoria ci dice che:
- se raddoppio la distanza l'irradianza passa a 1/4 (1 su 2 al quadrato)
- se decuplico la distanza l'irradianza passa a 1/100 (1 su 10 al quadrato)
- se dimezzo la distanza l'irradianza aumenta di 4 volte (2 al quadrato)
...
Inoltre, essendo la risposta del fotodiodo "potenza luminosa su superficie" vs "intensità di corrente" lineare, possiamo considerare che l'intensità di corrente nel fotodiodo varierà di:
- +6dB per il raddoppio del numero dei LED in trasmissione
- -6dB per la riduzione a metà del numero dei LED in trasmissione
- -12dB per il raddoppio della distanza LED/fotodiodo
- +12dB per la riduzione a metà della distanza LED/fotodiodo
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Risposta del BPW34
Per fare delle misure e vedere se si riesce a confermare, almeno a grandi linee la teoria, bisogna curare molto il setup.
I due principali problemi sono: le riflessioni e la linearità della scheda sonora.
Sulla variazione de numero dei LED in trasmissione avevo già fatto delle prove e pubblicato i risultati. Quella volta il setup per quanto riguarda le riflessioni non era tanto curato ma i risultati sembrano comunque accettabili.
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Test con la variazione della potenza in trasmissione
Per quanto riguarda le prove con la variazione della distanza un primo test ha dato risultati deludenti dimostrando la necessità di minimizzare i riflessi sulle pareti e i mobili. In pratica invece del pratico corridoio ho preferito attraversare stanze diverse usando porte, sedie, plaid e altri oggetti per fermare i riflessi. Una sorta di camera anecoica per la luce ... sono cose che si fanno dopo le 23 fino a notte fonda, roba da Radioamatori 
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Apertura del BPW34, a -3dB siamo ben a più di 100°, i riflessi del pavimento e dei muri li vede sicuramente molto bene
Ho raccolto le misure in un foglio di calcolo e ho riferito i dati ad 1 metro.
Le misure sembrano molto attendibili, da notare che la media degli errori è di soli 0.6dB
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La seconda colonna riporta il coefficiente della potenza sul fotodiodo secondo la formula dell'inverso del quadrato.
La terza colonna è il coefficiente della seconda colonna trasformato in dB (= 20 * log in base 10 del coefficiente).
La quarta colonna normalizza al valore misurato ad 1 m (-52,4dB)
La quinta colonna riporta i valori misurati.
La sesta ed ultima colonna riporta la differenza tra il valore teorico e il misurato.
Le misure sono state fatte con un diffusore per uniformare il più possibile la sorgente eliminando un po' di riflessi del supporto.
Questa tabella riporta le attenuazioni calcolate a distanze maggiori.
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 Ma allora dove si arriva con 20 LED rossi economici in TX ?
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Partiamo dal fatto che a 10m con 20 LED funzionanti in condizioni di massimo guadagno si ottiene un segnale di -66,3 dB.
In questa condizione il tappeto di rumore di fondo si trova a circa -110dB (buio ma la luce dello schermo del Netbook permetteva di vedere un po', giusto per non ammazzarsi tra gli ostacoli antiriflessi). Per vedere un segnale lento come QRSS1 possiamo accontentarci di un livello di -105dB dunque abbiamo qualcosa come quasi 40dB di margine che corrisponde a moltiplicare per 10 la distanza.
Accontentandoci di 36dB (12+12+12) arriviamo a 80m !
Il mio setup con 20LED può arrivare tra gli 80 e i 100m !
E se ci aggiungo il binocolo ?
Dalla prova frettolosa fatta tempo fa, il mio Hoya 12x56 ha ottenuto un incremento di 36dB, che sono 12+12+12.
Se prendo gli 80m di prima col binocolo diventano 80x2x2x2=640m !!! 
Da notare che il binocolo in teoria dovrebbe dare un guadagno di 144 volte (superficie lente frontale / superficie pupilla di uscita) pari a circa 43dB ma probabilmente risente dell'attenuazione delle lenti e della distanza obbiettivo-fotodiodo.
Infine termino con la sensibilità spettrale del BPW34, non ha il massimo sul rosso ma nel caso ci spostassimo verso l'infrarosso ... quasi quasi come un raddoppio dei LED in TX !
La prossima volta metterò alla prova dei LED rossi ad alta luminosità, niente di tanto costoso ma spero di prendere ancora qualche dB prima di passare alle prove sul campo.
Non è escluso che smonti una piccola piletta a LED bianchi, sono potentissimi da dar molto fastidio se puntati sugli occhi.
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Risposta in "frequenza" del BPW34
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Colore e lunghezza d'onda
73s
Ale
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Ale aka Kosso aka IW3SGT
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Modificato da - IW3SGT in data 25/12/2015 23:23:13 |
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Inserito il - 30/12/2015 : 11:30:55
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ALTRE SORGENTI
Fino a questo momento mi sono concentrato di più sulla parte ricevente e a parte la sperimentazione con la lente di fresnel (non ho ancora deciso come affrontare il setup di test) ora non resta che muoversi verso il trasmettitore per scegliere una sorgente (LED) migliore.
Certo ci sono le specifiche dei LED ma come si fa a stimare qualcosa con i data-sheet che riportano i mcd (milli candele, grandezza fotometrica riferita alla sensibilità dell'occhio umano) piuttosto dei mW (come si usa in radiometria) ?
E poi come la mettiamo con gli angoli di apertura e la dispersione delle caratteristiche ? 
Per far misure di precisione serve una sfera integratrice, è un oggetto costoso che ha la funzione di uniformare la luce di una sorgente e dunque di poter far misure di potenza luminosa molto precise. Roba fuori portata per un laboratorio domestico 
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Sfera integratrice commerciale. Possono avere dimensioni che partono dalla decina di cm per LED per arrivare fino a qualche metro per tubi fluorescenti.
Per il mio strumento domac(jo) ho in mente un piccolo setup di test composto da un cono rivestito internamente con del materiale riflettente (foglio di alluminio tipo domopak).
Nell'estremità più stretta verrà posto il LED da testare e nell'estremità più larga dopo un diffusore/attenuatore ci sarà un fotodiodo per la misura della potenza luminosa della sorgente.
In teoria dovrebbe funzionare ... vedremo in seguito
Tornando alle prove già fatte, in quell'occasione avevo usato dei LED molto economici della Kingbright modello L-7113ID-LC27SF1.5.
Non sono proprio adatti allo scopo visto che sono ad alta efficienza (che non è uguale ad alta luminosità) e secondo specifica hanno un'intensità luminosa da un minimo di 8mcd ad un tipico di 45mcd su 30°
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Specifiche LED rosso Kingbright
Il prossimo step sarà quello di usare LED ad alta intensità (sempre roba economica), questi dispositivi vengono usati per le segnalazioni luminose o in campo automotive (luci di stop, posizione o indicatori di direzione).
Ho dei CREE C503B-RCS che da specifica hanno 4180mcd come minimo e 6600mcd come tipico su un angolo di 30°.
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Specifiche LED rosso CREE
Questo incremento di luminosità potrebbe portare ad un guadagno, lato TX, di 137 volte pari a quasi 43dB ... e ricordiamoci che con 40dB moltiplichiamo per 10 la distanza !!! 
Urge un test per vedere se effettivamente tutto ciò è vero
73s
Ale
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Modificato da - IW3SGT in data 30/12/2015 11:50:37 |
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Inserito il - 22/08/2017 : 15:32:51
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Riprendo il thread dopo un bel po' visto che ero solo a livello locale per queste prove.
Di recente ho trovato un collega già pronto per fare dei QSO dunque riprendo l'attività. Il collega è già pratico con i LASER e ha fatto esperimenti trasmettendo fonia FM con una sub portante sui 70kHz con un LASER rosso (5mW) e verde (centinaia di mW) e come "antenna" ha un telescopio.
Sto lavorando affinché il primo QSO arrivi presto anche se a distanze contenute, probabilmente partiremo in CW (visual) per poi far prove in FM.
Per il momento ho deciso che devo migliorare le performance in RX, dunque, ho dovuto affrontare la prima scelta: telescopio (ma quale) o lente di fresnel ?
Quali guadagni si possono ottenere ?
Inizialmente ero per un piccolo telescopio, di solito la meccanica è abbastanza robusta e si trovano entry-level a prezzi accettabili ma poi mi è stata regalata una lente di Fresnel e ... 
Comunque per praticità di puntamento sono da preferire i telescopi con le montature altazimutali, quelle equatoriali sono più costose. I costi degli usati si aggirano dai 50-100€ per un entry-level (rifrtattori con 60-70mm di lente), passando per i 100-200 con ottiche di buona qualità (70-80-90mm) per finire oltre i 300 per riflettori catadiottrici (da 100mm e oltre).
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Come si calcola il guadagno ?
Partiamo da un esempio semplice, una lente frontale da 100mm (che è molto grande) e un fotodiodo tipo BPW34 con 7mmq di area sensibile. Trascurando l'attenuazione della lente e che si illumina solo la parte fotosensibile del diodo, possiamo calcolare il guadagno come il rapporto tra le due superfici. La superfici della lente da 100mm di diametro è pari a (raggio x raggio x Pi, 50 x 50 x 3.14) a 7850mmq e il rapporto è di 7850 / 7 = 1121 pari a circa 60dB.
Se per ogni 12dB possiamo raddoppiare la distanza (ammettendo un'attenuazione atmosferica trascurabile) allora con 60dB potremo aumentarla di 32 volte (60 / 12 = 5 perciò la distanza può aumentare di 2^5).
Con una lente di 50mm di un binocolo arriviamo a 49dB, un aumento della distanza di 16 volte. In questo caso sono da preferire quelli con gli ingrandimenti più alti tipo 16x o 20x in modo da avere una pupilla d'uscita molto piccola per non disperdere luce.
E la lente di Fresnel ?
la lente di Fresnel (nome del fisico che l'ha inventata nel 1827) ha dei vantaggi notevoli come il costo e peso contenuto visto che si usano materiali plastici. Si trovano anche con dimensioni ragguardevoli e anche se la qualità ottica inferiori alle lenti tradizionali sono più che sifficenti per i nostri scopi. Un altro vantaggio, da tener bene in considerazione, della lente di Fresnel è la lunghezza focale contenuta, questo significa strutture di dimensioni contenute.
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La lente di Fresnel si ottiene frazionando una lente tradizionale in sezioni anulari concentriche (chiamate anelli di Fresnel).
Ecco la mia lente di Fresnel (tnx Mauro)
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Una 3Dlens da 26x26cm con un gain teorico di circa 80dB
Ed ora i test !!!
Setup "rusticocasalingo"
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E qui i risultati:
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Prova con (in alto) e senza (in basso) lente, 66,6dB di gain
Nel setup ho avuto qualche problemino con la ricerca del punto focale, per qualche momento ho superato i 70dB di gain e conto di migliorare un po' costruendo una struttura in legno con la messa a fuoco più agevole.
73s
Ale
IW3SGT |
Ciao
Ale aka Kosso aka IW3SGT
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Modificato da - IW3SGT in data 22/08/2017 15:38:32 |
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Discussione |
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476THz - 630nm
