Esperimenti a 478 THz / 627nm - 4° parte - IW3SGT
  
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01/2021 - si continua con i test "indoor"
La necessità di eseguire una messa a fuoco molto precisa con la lente di Fresnel mi ha portato ad un setup temporaneo molto flessibile. Una volta scelta la configurazione finale progetterò un box in legno completamente chiuso con una minima possibilità di puntamento e una mira.
Le dimensioni della lente di Fresnel sono 26x26cm con una lunghezza focale di circa 20cm, la lente illumina il fotodiodo con un angolo di oltre 80° sulla diagonale.
  
Il setup per il test con la lente di Fresnel.
  

Con la lente di Fresnel il VTP1188S conferma la sua maggiore sensibilità, il distacco con il BPW34 è di 11dB in linea con quanto misurato nei precedenti test con la fixture che simula un telescopio. Il crollo della sensibilità del SFH213 è dovuta sicuramente all'ampio angolo della luce (>80°) che converge sul fotodiodo che da specifica ha solo 20° contro i 120° del BPW34 (il data sheet non riporta l'angolo per il VTP1188S ma vista la lente è probabile sia paragonabile a quello del BPW34).
Non sono state valutate misure di guadagno della lente dato che le misure indoor risentono molto dalla riflessione di pareti, pavimento e mobili introducendo errori, anche fino a 2dB solo per la riflessione del pavimento. Inoltre su dinamiche oltre i 40db nutro seri dubbi sulla linearità sia del mio sistema di misura che dei fotodiodi. Comunque nei miei primi esperimenti con questa lente nel 2017 avevo visto un gain di circa 67dB con un BPW34 contro i circa 80dB teorici.
Note: misura effettuata con la scheda sonora esterna, sw usato Spectran (vedi settings in figura), distanza tra lente e LED di 10m, messa a fuoco con SFH213 molto critica.
   
 
Confronto degli angoli di risposta tra fotodiodi BPW34 e SFH213 (assenti nel datasheet del VTP1188S) e riferimenti degli angoli generati da un telescopio F10 (viola) e dalla lente di Fresnel con una lunghezza focale molto corta (verde).
  
  
02/2021 - test di verifica ad 1m senza lenti e prove di "accecamento" del sistema
Per la verifica del test fatti in precedenza ho preferito fare un test in aria senza lenti e schermi ad una distanza di 1m tra il LED Kingbright L7113ID e il fotodiodo. In un secondo momento ho avvicinato il LED al fotodiodo sino ad ottenere l'accecamento (saturazione del sistema con conseguente assenza di segnale in uscita).
Il test ha confermato le differenze già rilevate tra i fotodiodi, il VTP1188S è il più sensibile segue il SFH a circa -5dB e il BPW34 a circa -12dB.
Anche le prove di "accecamento" hanno confermato in modo approssimativo le differenze di sensibilità, il 5 cm per il VTP1188S, 3,5cm per il SFH213 e 2,5cm per il BPW34.
 
  
03/2021 - QUBO V2
Con la V2 cambia l'integrato stabilizzatore e si passa su PCB. La nuova versione ha un LM317T regolabile da 1,5V a 9V che amplia l'utilizzo di QUBO anche ai LED IR e a quelli di potenza. Non era proprio necessario passare al PCB ma aiuta molto specialmente la basetta con 36 LED !
In realtà c'è anche un secondo fine: è l'unico modo che ho per restare "fresco" sul CAD. Per lavoro disegno mediamente meno di un PCB all'anno e le lunghe pause tra i progetti mi mettevano in crisi a ogni ripresa. I condensatori elettrolittici, i diodi e le resistenze verticali in 3D sono mie "creazioni".
  
Schemi del QUBO V2 (click sulle immagini per ingrandire).
  
Vista 3D del CAD.
  
Produttore: JLCPCB
 
 
Primo QUBO V2 montato e primi test di funzionamento, con 36 LED CREE C503B, ad 1 metro di distanza genera un cerchio con circa 30cm di diametro (~17°)
  
 
QUBO V2 finito e pronto all'uso 
  
  
03/2021 - la dispersione delle caratteristiche dei C503B
Nel tempo ho accumulato un po' di LED CREE503B di diversi lotti e ho notato notando delle leggere differenze di luminosità a parità di corrente. Non ero tanto sicuro di quello che avevo visto, l'abbagliamento è tanto e forse le misure a bassa corrente forse non erano tanto affidabili. Non disponendo di strumentazione adeguata per misure di potenza o flusso luminoso mi sono mosso in modo empirico misurando la tensione ai capi di 100 LED (RS 904-7367, 9,2€ a confezione più 5€ di spedizione, arrivano in pochi giorni) alimentati con una corrente di 30mA.
La mia perplessità era dovuta alla scelta che avevo fatto per alimentare i LED in tensione, 4 LED in serie alimentati a circa 8V. Ho voluto fare un test selezionando i LED con le tensioni estreme ma non sono riuscito a riprodurre le differenze che avevo notato tempo fa, forse si trattava di modelli con gli angoli di emissione diversi. Il bagliore è troppo forte per in confronto visuale, anche con gli occhiali da sole non si riesce a distinguere la differenza. Il telefonino dopo qualche scatto sfuocato è riuscito a tirar fuori qualcosa.
  
 
La distribuzione delle tensioni sui LED rilevate con una corrente di 30mA e le differenze di luminosità tra 4 LED selezionati con tensione di 1,99V e 2,00V (in basso nella foto) e 12 LED con tensioni tra 2,04V e 2,06V (QUBO V2 regolato per una tensione di 8,12V).
  
  
03/2021 - 1W LED test
Cercando in rete altri tipi di LED rossi da testare ho trovato su Amazon un modello da 1W ad un prezzo interessante: 1,5€ per 2 pezzi.
I test di confronto sono stati fatti a 10m, usando un setup in RX composto da con un BPW34 (con R3 di 1MOhm) e un attenuatore bianco formato da un disco di 1,7mm di HIPS.
Il primo test è stato fatto senza lenti, il 36 LED CREE del QUBO hanno prodotto un segnale di -54,9dBV (scheda sonora con software Specran), il LED da 1W invece -69,9dBV, ci sono ben 15dB in favore di QUBO.
Nel secondo test, con la lente di Fresnel, la situazione si è ribaltata: il livello con il LED da 1W è salito a ben -12,1dBV con quasi 60dB di guadagno mentre con il CUBO il massimo è stato raggiunto centrando bene il la luce proiettata da un singolo LED ottenendo un segnale di -29,2dBV.
Questi LED di potenza richiedono lenti con focali corte e grandi aperture, caratteristiche tipiche delle lenti di Fresnel di grandi dimensioni (dai 25x25cm in su).
 
I LED di potenza hanno un case adatto alla dissipazione del calore e una lente per disperdere il fascio con un angolo molto ampio.
  
Basetta sperimentale per QUBO V2 con il LED da 1W (il piccolo rettangolo di rame funge da aletta di raffreddamento). Diagramma tratto dal data sheet.
  
 
L'emissione a 50cm genera un cerchio di luce di quasi 100cm (~90° di angolo) ma sembra più luminoso in un cerchio più stretto di circa 60cm (~60°).
Con una lente di Fresnel da 26x26cm e lunghezza focale di 20cm ci vuole un po' di pazienza per focalizzare bene il fascio (circa 30x30cm a 3m di distanza, la distorsione nella parte alta è dovuta al supporto che interferiva con l'emissione del LED).
  
  
04/2021 - Fresnel formato tessera
L'idea è quella di metter su un sistema ricevente facile e compatto che sia complemenare al TX QUBO. Il mio primo approccio è stato con le piccole lenti di Fresnel formato tessera dato che sono facilmente reperibili a costi irrisori (~2€ per 10 pezzi su Amazon) e hanno una lunghezza focale molto contenuta che permette di contenere le dimensioni del "telescopio".
Queste lenti hanno una superficie utile di 3200mmq, ben superiore a quella di una lente di binocolo da 50mm (~1960mmq), con un BPW34 (7mmq di area sensibile) il guadagno teorico raggiunge i 53dB.
Piccole lenti di Fresnel formato tessera, dimensioni utili 80x40mm, lunghezza focale ~180mm con angoli verso il fuoco da 12° e 24° (~0.2€ su Amazon).
  
 
  
 
  
 
I risultati del test non sono chiari. Se da un lato si osserva che con il BPW34 si sono raggiunti quasi 48dB di guadagno (su 53 teorici) dall'altro i risultati con il VTP1188S e SFH213 non trovano una spiegazione plausibile se non qualche effetto di compressione dovuto al segnale troppo alto in uscita. Ripeterò il test in un secondo momento cercando di lavorare con segnali 10-15db più bassi. Si riconferma sia la criticità di messa a fuoco con il SFH213 che le differenze di risposta dei fotodiodi (senza lente) già vista nei test precedenti.
Note: misura effettuata con la scheda sonora esterna, sw usato Spectran (vedi settings in figura), distanza tra lente e LED in TX di10m.
  
Il test è stato ripetuto cambiando il LED nel TX. Il segnale si è attenuato di circa 10dB ma i risultati sono stati confermati. Questo elimina il sospetto di non linearità o compressione del segnale nel ricevitore, forse è necessario fare il test su distanze maggiori.
Al momento,considerando la reperibilità e la minore criticità di messa a fuoco, il BPW34 pare la migliore scelta per la "minifresnel" 40x80mm.
  
  
  Prossimi test/lavori/idee ... in ordine sparso :-)
- RX compatto con lente di Fresnel formato tessera;
- test di prova con lenti di ingrandimento (8-10cm di diametro);
- test di confronto fotodiodi con il telescopio al fuoco diretto;
- test di confronto fotodiodi con il telescopio sulla proiezione di oculare;
- circuito squadratore BF>TTL per sperimentare i modi digitali come FT8 e WSPR;
- valutare la possibilità di usare un RTX QRP con un transverter per FM e CW;
- quando possibile nuovi test su distanze più lunghe (500m/1km) con QUBO.
  
  

  

Lente da ingrandimento da 100mm (lunghezza focale ~350mm, angolo ~16°, acquistata su Amazon ~10€).
  
   
  
Data Sheet e link utili
  
Pagine radioamatoriali, documenti e video
IK1WVQ Mauro Dai GHz ai THz
K3PGP Experimenter's.Corner
KA7OEI Optical (through-the-air) communications
VK7MJ MODULATED LIGHT DX
Laser and optical communications (gruppo facebooK)
AD7OI Adventures at 300-750THz (400-1000nm) - pdf document
DL6NAA - DKMN - pdf document
DH5YM 48km QSO - video
One way 635nm FM subcarrier modulated laser QSO S51VA - S57RW @ 10,4km - youtube video

Data sheet componenti
Amplificatore operazionale TEXAS LFx5x
Amplificatore operazionale TEXAS TL081
Amplificatore operazionale TEXAS OP07

Fotodiodo OSRAM BPW34
Fotodiodo OSRAM SFH213/SFH213FA
Fotodiodo PERKINELMER VTP1188S - Catalogo completo e app. note PERKINELMER
LED rosso 624nm alta luminosità CREE C503B
LED rosso 627nm alta efficienza KINGBRIGHT L7113ID
LED rosso 625nm da 1W acquistato su Amazon
LED IR 890nm VISHAY TSHF5410
LED IR 850nm OSRAM SFH4550
LED IR 940nm OSRAM SFH4544

MOSFET VISHAY IRF510
MOSFET driver MICROCHIP TC142x
Regolatore MOTOROLA 78xx
Transistor FAIRCHILD 2N3904
Transistor PHILIPS 2N2222A
Transistor STM 2N3019
 
Telescopi e binocoli
BRESSER

CELESTRON
OMEGON
SKY-WATCHER
 
Laser
Compact red Dot laser su supporto picatinny  IRON JIA'S su Amazon

Software

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