Projekt elektronička meta – Senzori

Projekt ELEKTRONIČKA META

Senzor pozicije preleta zrna

Glede senzora za detekciju pozicije preleta zrna možemo razvijati akustične, slikovne, radarske ili svjetlosne senzore.

Akustični senzori ili senzori vibracija

Najjeftinije i najjednostavnije za izvedbu su akustične elektroničke mete. Međutim, takve mete nisu baš precizne i pouzdane za podzvučne projektile male brzine i težine (male energije) jer oni ne stvaraju neki značajan udarni val. Stoga se mora koristiti poseban membranski materijal za metu preko kojeg se bolje širi akustični val i te membrane je potrebno redovito mijenjati kad postanu previše izbušene. Preciznost ovisi o točnom mjerenju temperature zraka, vlage i tlaka, jer ti faktori utječu na brzinu rasprostiranja zvuka, znači potrebni su senzori i automatska kompenzacija za ove elemente. Mjerenje će biti točnije što je meta veća (duže vrijeme širenja zvučnog vala i veće mjerljive razlike u brzini). Također je potrebna i pažljiva početna kalibracija položaja mikrofona. Jača vanjska buka može dovesti do netočne ili lažne detekcije.

Glede akustičnih senzora, razmišljao sam i o mreži gusto posloženih mikrofona iza metalne (neprobojne) mete koji bi barem ugrubo detektirali mjesto pogotka (točnost od 3-5 cm). Princip rada bi bio sličan kao što rade akustične slikovne kamere, s time da bi ovdje polje mikrofona i obrada akustičkih signala bilo puno jednostavnije. Međutim, projektili (dijabole i slagovi) iz zračnog oružja se po energiji udara mogu jako razlikovati i stvarati različite zvučne slike. Metal dobro provodi zvuk i razlike u jačini zvuka između dva susjedna mikrofona će biti vrlo male. Trebalo bi dobro kalibrirati (ujednačiti) pojačanja svakog mikrofona kako bi se izdvojio samo onaj mikrofon koji je zabilježio najjači zvuk. Kod tako malih razlika okolni zvukovi, pa i šum vjetra, vjerojatno bi poremetili točnu detekciju. Mikrofoni možda ne bi trebali biti prislonjeni izravno na zadnju stranu metalne ploče, nego bi između trebao staviti kakvu mrežastu zvučnu leću koja bi bolje usmjeravala (kanalizirala) zvuk sa prednje na zadnju stranu ploče.

Ukratko, iako neke ideje ovdje imaju potencijala, potrebno je puno praktičnog eksperimentiranja i kalibracije da se dobije pouzdana i upotrebljiva detekcija na određenoj metalnoj ploči. Koliko god debelu ploču uzeli (5 ili 10 mm), bez obzira što to niti jedan metak iz zračne puške ne može probiti, ipak se stvaraju određenja unutrašnja naprezanja te blage deformacije i udubine koje s vremenom mijenjanju unutrašnju homogenost ploče, a time i rasprostiranje zvuka preko nje. Vjerojatno i temperatura same ploče dodatno utječe na zvuk. To znači da bi mikrofone trebalo nakon određenog broja pogodaka u metu ponovno kalibrirati.

Zbog svih ovih problema odustao sam od akustične elektroničke mete kao preciznog detektora mjesta pogotka. Ipak, upotreba piezo-senzora ostaje kao opcionalna mogućnost za grubu zonsku detekciju promašaja u metalni okvir mete.

Slikovni senzori i video kamere

Komercijalno su dostupne različite bežične video kamere, od onih za baby monitore, preko onih za kamere na vozilima i kamionima, do kamera za dronove i FPV. Međutim, većina tih jeftinih bežičnih kamera je u najboljem slučaju dometa nekoliko desetaka metara, a nama bi svakako trebao video bežični sustav koji prenosi digitalnu sliku barem na udaljenost 300-500 metara. Kod streljaštva uvijek imamo optičku vidljivost do mete što je dobro i za rasprostiranje radio valova, jer snaga predajnika ne mora biti povećana radi sposobnosti savladavanja prepreka. Ipak, primarno želimo sustav koji se brzo i jednostavno postavlja što isključuje postavljanje nezgrapnih sustava i precizno usmjeravanje velikih antena. Također, sustav mora biti autonoman i ne želimo biti ovisni o Internetu (WiFi).

Postoje dva smjera gdje možemo ići kod odabira bežičnog video sustava. Jedan je korištenje osnovne tehnologije prijenosa sirovih digitalnih video podataka izravno iz kamere bez ikakve prethodne obrade (optimizacije) istih. Drugi bežični video sustav podrazumijeva primjenu sofisticiranih modulacija i algoritama za kompresiju, kodiranje, ispravljanje pogrešaka i otpornost na smetnje kod bežičnog video prijenosa.

Kod osnovnog sustava bez napredne obrade signala svakako možemo očekivati više smetnji i prekida u radu, a snaga odašiljača mora biti višestruko veća nego kod naprednih sistema kako bi se izbjegli šumovi, smetnje i prekidi u prijenosu signala. Prema mojim iskustvima, da bi se na 300 metara prenio digitalni video signal u razumnoj rezoluciji slike i sa razumnom stabilnosti, a da se pri tome ne koriste velike antene ili usmjereni antenski sustavi, snaga odašiljača (2,4 GHz) bi trebala biti barem 1 W. To je puno više od 100 mW (EIRP) koliko je legalno dopuštena snaga odašiljanja na 2,4 GHz.

S druge strane, ako se koristi napredna tehnologija obrade i modulacije video signala, isti domet (čak i veći) mogao bi se ostvariti i sa dopuštenih 100 mW snage. Napredni sustavi su naravno i skuplji. Međutim, razlika u cijeni između običnog sustava snage 1 W i naprednog sustava snage 100 mW zapravo i nije toliko velika. Također, za odašiljanje snagom od 1 W je potreban daleko veći kapacitet baterije što dodatno povećava cijenu, autonomiju i nezgrapnost čitavog sistema. Stoga se svakako kod odašiljanja na veće udaljenosti puno više isplati ići na moderne napredne sustave bežičnog digitalnog odašiljanja.

Međutim, proučavajući ponudu takve opreme, došao sam do jednog vrlo jednostavnog zaključka. Kupovina nekog malog drona koji već ima kameru i napredni sustav bežičnog prijenosa, višestruko je jeftinija opcija nego da se zasebno kupuju komponente za takav sustav (recimo FPV). Možemo dati zaključak da ako se netko odluči za „video nadzor“ mete na većoj udaljenosti, bolje je da za to koristi neki model današnjih jeftinih i široko dostupnih dronova sa kamerom, nego da ide u sklapanje vlastitog sustava.

Ako izuzmemo neke probleme sa praktičnosti video sustava i mogućnost da se nehotice pogodi dron ili kamera, ovdje i dalje ostaje neriješen problem same mete. Nakon desetak pogodaka meta će biti izbušena tako da se svaki slijedeći pogodak već vrlo teško uočava. Osim toga, strijelac ne može istovremeno gledati i preko ciljnika i sliku sa kamere, pa da vizualno primijeti gdje je novo mjesto pogotka. Svakako bi trebalo osmisliti neki softver za analizu slike i prepoznavanje promjena koje uzrokuju novi pogoci, a to nije baš amaterski posao. Ovaj sustav ne pomaže ni kod detekcije promašaja mete.

Kad malo bolje razmislim, lakše bi bilo metu zakačiti na dron, možda na nekih 10-15 metara špage, i onda gađati mete na bilo kojoj udaljenosti, stacionarne ili pokretne. Dron bi služio umjesto sistema sajli na profesionalnim strelištima. Naravno, glede toga postoje i zakonska ograničenja upotrebe dronova, posebno onih s kamerama, tako da za sada ipak napuštam ovu ideju.

Svjetlosna zavjesa, akustični senzori i radari za jednu ambicioznu ideju

Moja ideja se sastoji u izradi elektroničke mete koja će koristiti tri sustava detekcije. Svjetlosna zavjesa bi služila za preciznu detekciju pogodaka u meti veličine oko 30×30 cm. Akustični senzori bi služili za detekciju pogodaka u okvir i nosač mete (širine do 10 cm) i ta detekcija bi bila zonska, do osam smjerova oko mete. Nadalje, plan je napraviti i neki zonski sustav detekcije promašaja na udaljenosti do 2 metra oko mete kao i sustav za mjerenje brzine projektila na meti. Za ovo bi se koristili također svjetlosni senzori, a moguće i radarski.

Kako god bilo, u ovoj fazi se treba prvo koncentrirati na osnovni senzor za što precizniju detekciju mjesta pogotka u meti.

Svjetlosna zavjesa

Projekt je ambiciozan pa krećem prvo od svjetlosne zavjese jer u nju polažem najviše nade u uspjeh.

Svjetlosna zavjesa (mreža) mora biti gustoće od barem 4 mm kako bi se mogao detektirati kalibar projektila promjera 4,5 mm. Planiram postaviti 64 detektora po X osi i 64 detektora po Y osi što je optimalno za digitalnu obradu i sasvim dovoljno za prvi prototip. To će kreirati svjetlosnu zavjesu dimenzija 256×256 mm.

Odabir senzora

Za svjetlosnu zavjesu nam svakako treba 128 optičkih senzora (prijemnika), a ovisno o izvedbi same zavjese možemo koristiti od jednog do 128 optičkih emitera (odašiljača). To nije mali broj i cijena ovih elemenata igra veliku ulogu. Na izbor imamo diode i laserske diode u vidljivoj svjetlosti (crvena 650 nm) te infracrvene diode i laserske diode (850 nm, 940 nm). Evo okvirnih cijena pojedinih senzora za količinu od 128 komada:

Generičke IC diode za 850 nm i 940 nm – manje od 5 eura
Kvalitetne IC diode (SFH 4550) – oko 50 eura
IC laserske diode 3 mW, 780 nm – oko 320 eura
Crveni laser 5 mW, 650 nm, promjer 6 mm – oko 25 eura
Crveni laser 5 mW, 650 nm, promjer 4 mm – oko 250 eura

Cijena 128 prijemnih foto-senzora je oko 3-30 eura, ovisno o kvaliteti.

Za projekt elektroničke mete svakako bi najprikladnije bile IC laserske diode, međutim njihova cijena je mnogostruko veća od ostalih opcija. Slijedeći kriterij bi bila veličina elementa jer ih moramo gusto naslagati jedan do drugoga, najviše do 4 mm međusobne udaljenosti. Ovdje na izbor imamo samo IC diode (3 mm) i crveni laser (4 mm). Međutim, postoji problem sa oba ova izbora.

IC diode od 3 ili 5 mm

Izrada senzorske zavjese za naš projekt bi svakako bila puno lakša i jednostavnija da su senzori što manjeg promjera, najbolje do 3 mm. Međutim, za razliku od IC dioda promjera 5 mm, kod IC dioda promjera 3 mm je vrlo teško izvesti leću koja će usko fokusirati zračenje diode. Najbolje što sam našao po nekoj razumnoj cijeni je IC dioda LTE-4206C (Lite-on) sa kutom zračenja od 20°. Mogu se naći 3 mm IC diode i sa nešto manjim kutom zračenja od 16°, međutim kod takvih dioda latica zračenja uglavnom nije pravilna i ima tri smjera maksimalnog intenziteta zračenja. Projicirano zračenje će biti u obliku kružnice ili krafne, svakako sa smanjenim intenzitetom zračenja u sredini. Takva je primjerice IC dioda VSLY3943 (Vishay). S druge strane, 5 mm IC diode se mogu naći s kutom zračenja od 5° pa čak i od 3° (Osram SFH 4550).

Kutovi zračenja kvalitetnih IC dioda od 3 mm: LTE-4206C proizvođača Lite-on (lijevo) i VSLY3943 proizvođača Vishay (desno).

Kut zračenja kvalitetne IC diode od 5 mm SFH 4550 proizvođača Osram.

Jeftine generičke ili skuplje kvalitetne IC diode

Razlika u cijeni između generičkih i kvalitetnih IC dioda je velika i to nije bez razloga. Jeftine kineske generičke IC diode se uglavnom prodaju bez posebne oznake i to su obično diode vrlo male snage i relativno širokog kuta zračenja. Bez obzira na deklarirane centralne vrijednosti od 850 ili 940 nm, stvarni spektar zračenja generičkih dioda je obično vrlo širok pri čemu maksimumi zračenja mogu prilično varirati između pojedinih komada (velika tolerancija). Takve generičke IC diode su najčešće bazirane na specifikacijama IC dioda IR333 ili L-53F3C.

Kao foto senzor (prijemnik) možete dobiti neku generičku foto-diodu ili foto-tranzistor te često nećete ni znati što ste zapravo dobili (oba elementa mogu fizički izgledati jednako). Najčešće se isporučuje foto-tranzistor u crnom kućištu, ekvivalent PT333-3B.

Jeftini IC parovi iz Kine. IC dioda (TX) u prozirnom kućištu i foto-tranzistor (RX) u crnom kućištu.

Usporedba osnovnih parametara generičkih i kvalitetnih IC dioda.

IC diode ili IC laserske diode

Osnovne razlike između laserskih i običnih IC dioda su te što laserske diode daju vrlo uski koherentni snop zračenja praktički na samo jednoj valnoj duljini. Obične diode pak zrače nekoherentno raspršeno svjetlo u širem spektru valnih duljina, a usmjerenost (kut zračenja) ovisi isključivo o sustavu optičkih leća kojima su opremljene.

Kut zračenja, koji je jako bitan za naš projekt, za IC diode se definira kao kut iznad kojeg je intenzitet zračenja manji od 50% maksimalnog zračenja. To znači da je stvarni kut raspršivanja svjetla kod IC dioda barem dvostruko veći od onih koje smo naveli (3-50°). Stoga se IC diode glede fokusiranja snopa zračenja ni približno ne mogu usporediti s laserskim diodama, te se čak ni uz dodatne vanjske leće ne može postići uski snop kao iz lasera.

IC laserske diode su višestruko skuplje i od najkvalitetnijih običnih IC dioda. Najjeftinije koje sam pronašao koštaju 2,5 eura po komadu i to ako kupujete veće količine. To su IC laseri na 780 nm (sam rub vidljivog crvenog spektra koji završava na oko 750 nm) i što tražite valne duljine udaljenije od crvenog spektra to će cijene laserskih dioda biti veće.

IC laserska dioda sa podesivim fokusom. Promjer tijela je 4 mm.

Utjecaj Sunčevog zračenja na rad optičkih senzora

S obzirom da će se naš projekt najviše koristiti u vanjskim uvjetima, Sunce može imati značajan utjecaj na senzore svjetlosne zavjese. Ovo je jedini razlog zašto je upotreba IC dioda i lasera bolja od upotrebe lasera u vidljivom svjetlosnom spektru.

Sunce zrači u širokom rasponu valnih duljina, međutim, najveći dio zračenja koji kroz atmosferu dopire do Zemlje nalazi se u relativno uskom rasponu valnih duljina koje padaju u vidljivi i bliski infracrveni spektar. U tom bliskom infracrvenom spektru postoji više uskih spektara valnih duljina koje na zemlju dolaze u bitno smanjenom intenzitetu jer su prigušene (upijene) molekulama vodene pare prisutne u zraku, te na molekulama ugljičnog dioksida, kisika, ozona i drugih plinova koji čine atmosferu.

Upravo za te prirodno prigušene dijelove IC spektra se rade IC diode za vanjske senzore kako bi utjecaj Sunčevog zračenja na njih bio što manji. Valna duljina od 940 nm je jedna od centralnih valnih duljina u apsorpcijskom spektru vodene pare što znači da do Zemlje dolazi u bitno smanjenom intenzitetu te je prikladna za vanjske optičke senzore. Valna duljina od 850 nm pak je nešto bliža vidljivom crvenom spektru i ova valna duljina je prihvaćena kao industrijski standard za senzore CMOS/CCD kamera jer one imaju najveću osjetljivost upravo na toj valnoj duljini.

Koju valnu duljinu ćemo odabrati ovisi o samoj primjeni senzora. Ako je važna što veća osjetljivost ili što veći domet senzora onda je bolji izbor 850 nm jer su silicijski detektori najviše osjetljivi upravo na toj valnoj duljini, a tu je i apsorpcija zračenja od strane vodene pare u zraku manja. Ako je važno što više smanjiti neželjeni utjecaj Sunčevog zračenja na senzor onda je bolji izbor 940 nm jer je tu zračenje sa Sunca slabije. Također, zračenje od 940 nm je potpuno nevidljivo ljudskom oku pa senzori mogu biti posve neprimjetni, dok se zračenje od 850 nm još može primijetiti kao blago tamnocrveno svjetlo.

Intenzitet Sunčevog zračenja, preuzeto sa Wikimedia Commons, Robert A. Rohde.

Na slici preuzetoj sa Wikipedije može se vidjeti intenzitet Sunčevog zračenja za valne duljine koje dopiru do Zemlje. Jasno se vide višestruka uska prigušenja zračenja oko pojedinih valnih duljina IC spektra uslijed apsorpcije atmosfere. Također vidimo da postoje i veći pojasevi gušenja te da intenzitet Sunčevog zračenja uvelike pada u UV spektru (ispod 300 nm) i valnim duljinama većim od 2500 nm. Međutim, problem korištenja ovih valnih duljina za optičke senzore leži u njihovoj cijeni proizvodnje. Sveprisutni jeftini silicijski senzori su najosjetljiviji upravo za vidljivo i blisko IC zračenje. Izvan tog spektra tehnologija proizvodnje i materijali za izradu senzora postaju značajno skuplji.

Foto-prijemnici (foto senzori)

Cijelo vrijeme govorimo o diodama i laserima kao emiterima svjetla, međutim, ometajuće zračenje sa Sunca ili okolnih umjetnih izvora zapravo neće djelovati na njih, nego na prijemnik (foto-senzor) svjetla ili zračenja određene valne duljine.

Svi silicijski prijemni senzori (foto-diode i foto-tranzistori) generalno gledano imaju dobru osjetljivost na vrlo široki raspon valnih duljina u vodljivom i IC području, tipično od 400 nm pa sve do 1100 nm. Trik je samo u tome što se kod nekih senzora koriste određeni optički filtri koji onda smanjuju osjetljivost na određenom dijelu spektra, te isto tako optičke leće koje usmjeravaju osjetljivost senzora (sužavaju kut osjetljivosti). Time će senzor biti najviše osjetljiv na valno područje i smjer iz kojeg dolazi korisno zračenje.

Spektralna osjetljivost foto-dioda SFH 203 (prozirno kućište), SFH 203 FA (crno kućište) i SGPD3027C (prozirno kućište).

Na prvoj slici je prikazana osjetljivost kvalitetne foto-diode SFH 203 u prozirnom kućištu. Osjetljivost je u području 400-1100 nm (10% od max), odnosno 550-1000 nm (50% od max). Kad se istoj diodi doda crni filtar (slika u sredini SFH 203 FA) osjetljivost znatno pada u vidljivom spektru do 750 nm. Tako će „crne“ foto-diode biti propusne za nešto uži spektar od 800-1100 nm, odnosno filtriran je i smanjen utjecaj vidljive svjetlosti. Međutim, u oba slučaja senzor ima podjednaku osjetljivost za standardne IC vrijednosti od 850 i 940 nm, štoviše centralna frekvencija je upravo na 900 nm.

Na trećoj slici je spektralna osjetljivost jedne foto-diode vrlo široke propusnosti oznake SGPD3027C. Propusnost ove diode je 200-1200 nm (10%max), odnosno 350-1100 nm (50% od max). Time je ova foto dioda iskoristiva i za vidljivu svjetlost, a najveća osjetljivost je u području 600-800 nm.

Foto-dioda SGPD3027C za vidljive i bliske IC valne duljine.

Pogledao sam tvorničke podatke i za nekoliko foto-tranzistora te zaključujem da i oni imaju vrlo sličnu osjetljivost kao i foto-diode što ne čudi jer se u oba slučaja radi o silicijskim poluvodičima. Ovo me zaintrigiralo jer se kineski generički foto-tranzistori ili foto-diode specifično prodaju za frekvenciju 850 ili 940 nm. Međutim, specifikacije za foto-tranzistor PT333-3B, na kojem se vjerojatno baziraju ti generički foto-tranzistori, pokazuju 80% osjetljivosti u području 840-1040 nm sa centralnom frekvencijom 940 nm, dakle praktično je jednako prikladan za obje frekvencije.

Nema sumnje da se određenim postupcima u izradi foto-elementa i njegovog kućišta može u određenoj mjeri suziti prijemna osjetljivost i donekle pomaknuti frekvencija najveće osjetljivosti, no sve to se kreće u opsegu 800-1000 nm i ne vjerujem da postoji foto-senzor koji bi bitno drugačije reagirao na zračenje od 850 i 940 nm, osim ako se ne koriste neki specijalni uskopojasni optički valni filtri što svakako nije isplativo za senzore standardne namjene.

Ipak, kasnije ćemo vidjeti da su generičke IC diode i IC tranzistori deklarirani za 850 i 940 nm rađeni sa tolikim međusobnim tolerancijama da je prijenos i prijem zračenja između pojedinih parova posve nepredvidljiv bez obzira na specifikacije.

Balans između cijene i performansi

Iz dosadašnje analize i vaganja opcija posve je jasno da treba pronaći neki balans između cijene i performansi.

IC laseri: Korištenje IC lasera za prototip je preskupo i na ovu opciju možemo ići samo ako sve ostalo bude funkcioniralo prema zamisli. Tu mislim na razvoj upravljačke elektronike, bežični prijenos podataka, softver i displej. Ako sve bude dobro radilo sa jednim tipom senzora, raditi će i sa bilo kojim drugim tipom uz eventualne minimalne preinake ulaznih linija. Također, eksperimentiranje sa IC laserima i diodama u ovoj fazi nije preporučljivo jer je sa nevidljivim zračenjem daleko teže raditi pokuse i testiranja nego sa vidljivom svjetlosti.

IC diode: Glede IC dioda, svakako u obzir dolaze samo kvalitetne diode uskog snopa zračenja. Međutim, s obzirom da je ovo tek projekt u nastajanju, jednako kao i kod IC lasera možda je za početak bolje izbjeći rad sa nevidljivom svjetlosti.

Crveni laseri: Crveni laseri su dvostruko jeftiniji od kvalitetnih IC dioda i sa njima je neusporedivo lakše raditi nego sa nevidljivim IC svjetlom. Ovdje se svakako ne isplati ulagati u 10 puta skuplje laserske glave promjera 4 mm, iako bi nam puno više odgovarale od laserskih glava promjera 6 mm. Bolje je napraviti kombinaciju naizmjeničnog ili cik-cak uzorka postavljanja debljih lasera u liniju da se dobije gušća mreža. Crvenim laserima dobivamo savršenu svjetlosnu mrežu koju je vrlo lako precizno podesiti, kako po kutu tako i po fokusu jer svaka glava dolazi sa svojom podesivom fokusnom lećom.

Što se tiče utjecaja Sunčevog zračenja, utjecaj se vjerojatno može svesti u zadovoljavajuće okvire upotrebom crvenih filtara, sjenila i sličnih jeftinih dodataka. Pretpostavljam da će na razmaku do 30 cm svjetlo na senzoru iz direktno usmjerenog lasera (5 mW) uvijek biti višestruko jače od vanjskog svjetla, koje se eventualno može probiti do senzora.

Jeftini laseri za crvenu valnu duljinu (650 nm) podesivog fokusa i sa tijelom promjera 6 mm.

Priprema za prvi test

Za sada u svom elektroničkom labu imam samo generičke IC diode od 3 i 5 mm za 850 i 940 nm. Kao što smo opisali, to je najjeftiniji ali i najgori mogući izbor za ovaj projekt. Stoga moramo iskoristiti sve moguće trikove da međusobni utjecaji između linija budu minimalni. Ovo iskustvo nam kasnije može poslužiti i za konstrukciju svjetlosne zavjese sa kvalitetnijim IC diodama.

Problem ogiba (difrakcije) i interferencije nekoherentnog svjetla pod širokim kutom zračena iz IC dioda.

Slika lijevo: Idealna svjetlosna zavjesa može se izvesti jedino sa koherentnim izvorima svjetla kakve daju laseri. Slika u sredini: Obične IC diode daju raspršeno nekoherentno svjetlo koje na senzore pada pod različitim kutovima. Slika desno: Ovo je idealan prikaz sjene predmeta osvijetljenog sa jednom IC diodom. U stvarnosti nastaju ogibi (difrakcije) i interferencije zbog kojih sjena nikad nije oštra, odnosno nastaju samo određena smanjenja intenziteta zračenja iza predmeta.

Nekoliko načina za smanjenje neželjenih utjecaja raširenog nekoherentnog osvjetljenja susjednih IC dioda.

Na slici lijevo vidimo da na svaki pojedinačni senzor pada svjetlost iz više IC dioda i pod različitim kutovima čime sjena predmeta koji se nalazi točno iznad senzora nikad neće biti oštra. Ovo se može malo ublažiti naizmjeničnim rasporedom TX i RX dioda čime na svaku RX diodu pada manji intenzitet svjetla pod kutom (slika u sredini). Dodatno poboljšanje se možda može postići naizmjeničnim postavljanjem TX dioda za valne duljine od 850 nm i 940 nm, no to ni u teoriji nema neku potporu (slika lijevo). IC diode, pogotovo one generičke, iako su deklarirane za valne duljine 850 nm i 940 nm, vrlo vjerojatno jednako zrače na obje valne duljine. Također, svi prijemni IC senzori imaju vrlo širok spektar osjetljivosti i jednako će reagirati na obje valne duljine. Ovo može funkcionirati samo ako se koriste skupi IC pojasni filtri za pojedine frekvencije.

Treba reći da su na mojim skicama iscrtani prilično idealni prikazi kutova zračenja i selektivnosti pojedinih elemenata na valne duljine od 850 nm i 940 nm dok u praksi značajan utjecaj na pouzdanost i točnost detekcije može imati i niz drugih realnih faktora. Znamo da su kod generičkih IC elementa velike tolerancije glede jačine, maksimuma i kutova zračenja, a jednako tako i glede valnog spektra kako IC diode (TX) tako i IC senzora (RX). Teoretski je osjetljivost IC para praktički jednaka za obje valne duljine od 850 nm i 940 nm, odnosno i puno šire.

Svakako ćemo napraviti testove sa time što imamo, no ako se pojedinačni parovi neće moći selektivno kontrolirati onda je jedno od rješenja dodatna modulacija zračenja svakog para. Ovo bi mogao biti problem zbog velike brzine projektila (kratkog vremena detekcije) s jedne strane i velikog broja linija koje je treba u kratkom vremenu obraditi. Naravno, modulacijom se i prilikčno komplicira hardver (driver). Stoga, ako sa IC diodama ne postignemo dovoljno razdvajanje kanala, preostaju nam samo laseri.

Brzina projektila, brzina reakcije senzora, brzina elektronike

Kad smo se već dotakli brzine reakcije, postavlja se pitanje mogu li senzori i elektronika uopće registrirati brzi prolazak projektila kroz zavjesu. Kratak odgovor je da senzori mogu bez problema detektirati i najbrže projektile, no ipak uz određene uvjete. Pull-up ili pull-down otpornik ne smije imati preveliku vrijednost jer to povećava RC konstantu odaziva senzora. Također, ako se softverski mora obrađivati redom svaka od 128 linija onda bi tu već moglo doći do problema glede brzine obrade svih linija.

Uzmimo za primjer najmanji projektil za zračnu pušku kalibra 4,5 mm koji ima duljinu 5 mm. Ako takav projektil proleti kroz metu brzinom od 330 m/s (što je stvarno pretjerana brzina), on će napraviti sjenu na senzoru u trajanju od 15 µs. Možemo uzeti još jedan krajnji slučaj, a to je da treba detektirati dijabolu za zračnu pušku. Ta dijabola iako ukupne duljine 5 mm zbog svog oblika nema pravilnu debljinu: na početku je debela (glava), zatim prelazi u suženje (početak suknjice), a na kraju opet dobiva punu širinu. Ako pretpostavimo scenarij da će samo 1 mm dužine projektila sigurno prekinuti senzorsku zraku, taj prekid će pri brzini 330 m/s još uvijek trajati čitavih 3 µs.

Vrijeme reakcije (vrijeme preklapanja, prelaska iz jednog stanja u drugo) tranzistora i čipova pak se mjeri u nano-sekundama (ns) i u prosjeku iznosi 20 ns. Što se tiče foto-senzora, foto-diode imaju puno brže vrijeme reakcije od foto-tranzistora. Vjerojatno najsporiji foto-tranzistor koji danas možete kupiti je upravo onaj generički kineski (PT333-3B) i njegovo vrijeme reakcije je 15 µs. To je nekoj granici upotrebljivosti za podzvučne projektile. Međutim, ako uzmete bilo koju foto diodu, vrijeme reakcije u najgorem slučaju iznosi do 20 ns. Vrijeme reakcije foto-diode SGPD3027C koju ćemo koristiti u kombinaciji sa crvenim laserima je 5 ns. To je 1000 puta brže nego je nama potrebno. Ne postoji ni blizu tako mali i tako brz višestruko nadzvučni projektil da bi bio brži od vremena reakcije ove foto-diode.

Međutim, ovo vrijedi samo ako je foto-dioda osvjetljena dovoljnom količinom energije da se već na malom otporniku može dobiti značajan pad napona za detekciju.

Prvi testovi sa generičkim diodama

U prvim testovima moramo utvrditi koliki je kut zračenja generičkih IC dioda, kako se prenosi energija na kombinacije parova 850 i 940 nm i kako je dodatno moguće fokusirati zračenje generičkih IC dioda.

Kut zračenja

Prvo sam izmjerio kut zračenja generičkih IC dioda. Kut zračenja je očekivanih oko 40° nakon čega prijenos energije (otvaranje senzora) padne na polovicu maksimalne vrijednosti.

Međutim senzor detektira zračenje (počinje se otvarati) čak i kad je kut oko 150° (75° u oba smjera). To za naš projekt znači da jedna IC dioda na udaljenosti od cca 28 cm osvjetljava foto senzore u širini od 20 cm sa 50% intenziteta. To opet znači da će svaki senzor dobivati do 50% svjetla sa barem 50 IC dioda (25 ako ih postavimo naizmjenično).

Još gore je što generički IC elementi pokazuju „trokraki“ maksimum (kao što smo vidjeli kod IC diode VSLY 3943). To znači da će jedna IC dioda jednakim intenzitetom osvjetljavati više prijemnih senzora. Ovo je prilično obeshrabrujuće i morati ćemo kako optički tako i elektronički nekako poništiti ovaj efekt.

Reakcija senzora

U slijedećem testu sam mjerio koliko se otvaraju foto senzori od 850 i 940 nm osvijetljeni u kombinacijama sa IC diodama od 850 i 940 nm, na udaljenosti 28 cm, što je neka procijenjena širina okvira za našu elektroničku metu. Cilj mi je vidjeti da li se ove kombinacije mogu iskoristiti za što manji međusobni utjecaj između susjednih linija.

Dobiveni rezultati su vrlo čudni i posve neočekivani ali zapravo u skladu sa prijašnjim opisima tolerancije generičkih IC elemenata. Rezultati su toliko zbunjujući da sam ponovio test u posve kontroliranim uvjetima, tako da sam TX i RX elemente stavio u neprozirnu cijev duljine 28 mm i promjera 3 mm. Međutim, i ovaj test je pokazao isti odnos prijenosa zračenja (TEST 2).

Glede IC para od 3 mm daleko najlošije se otvorio par 850/850 nm iako bi očekivali da će ovdje otvaranje biti najveće. Najbolje otvaranje je kod IC para TX 850 / RX 940 nm gdje bi očekivali najlošije otvaranje. Jedna od mogućnosti je da su Kinezi pomiješali TX ili RX diode glede valne duljine jer bi jedino tada rezultati bili očekivani. Međutim, kod kombinacija IC parova od 5 mm ni to ne pomaže. Razlika kod različitih kombinacija očito ima, ali te razlike ne slijede nikakvu logiku što se tiče valnih duljina.

Ovo potvrđuje ranije navode kako generički IC elementi imaju velike međusobne tolerancije glede osnovnih karakteristika i „kompatibilne“ parove možete naći samo pokusima, bez obzira na specifikacije. Trebali bi testirati nekoliko stotina ovih IC dioda da nađemo donekle ujednačenih 128 parova. Nakon toga nema nikakvog smisla dalje raditi naizmjenične i cik-cak kombinacije za optičku zavjesu jer tko zna kako reagiraju ti pojedini linijski elementi opet sa susjednim elementima.

Prijenos zračenja između generičkih IC elemenata je vrlo mali što i ne čudi s obzirom na malu snagu IC dioda i malu foto struju IC senzora. Senzor će se potpuno otvoriti samo do 5 cm udaljenosti (kod najbolje kompatibilnih parova), a na 28 cm udaljenosti otvaranje je u najboljem slučaju 20%. To znači da ćemo na 5 V napajanja imati razliku napona (detekciju) do 1 V što je premalo za sigurnu logičku detekciju stanja, čak i za logičke sisteme na 3,3 V. To znači da za svaku od 128 linija moramo koristiti neki brzi komparator što prilično komplicira hardver.

Prvi test IC zavjese

Ipak, napravit ćemo barem tri linije sa tri IC para koji međusobno dobro (kompatibilno) rade, čisto da vidimo kako će to funkcionirati.

Za početak sam svaki TX i RX IC element stavio u cijev duljine 2 cm koja djeluje kao sjenilo čime bi trebao malo smanjiti kut zračenja i kut primanja zračenja. Zatim sam podesio emiterski otpornik (potenciometar) na foto-tranzistoru tako da se sve tri linije potpuno jednako otvaraju kad su osvijetljene svojim senzorima. Onda sam na osciloskopu (zbog brzine mjerenja) pratio reakciju pojedine linije kada preko njih prelazi predmet.

Rezultati mjerenja su bili čak i bolji od očekivanih. Polovica površine zavjese bliže prijemnim senzorima radi odlično, a no kako se sve više približavamo TX IC diodama reakcija postaje sve lošija. Predmet koji prolazi u blizini TX IC dioda zasjeniti će sva tri senzora. Međutim, na polovici bliže RX senzorima reakcija je vrlo čista, praktički savršena, čak i kod prolaska predmeta manjeg od 0,5 mm.

Ovdje bi sada trebalo eksperimentirati sa većom duljinom cjevastog zaslona, boljim optičkim poravnanjem senzora i slično, no za ovako nezgrapne diode to stvarno nema smisla. Svakim povećanjem sjene (produženjem cijevi) smanjuje se intenzitet zračenja koji dolazi do senzora i reakcija je slabija.

Pokušavao sam i postepeno smanjivati struju IC dioda kako bi se time latica zračenja smanjivala i dostizala intenzitet samo na vrhu prijemnog senzora. Ovo nije dalo neko veće poboljšanje, smanjenjem zračenja je svakako primjetan i veliki pad napona detekcije, a i nema smisla raditi senzor gdje će svaki IC par morati imati pojačalo za RX signal i regulaciju struje za TX diode. Onda je jeftinije staviti IC lasere i problem riješen.

Postoji naravno opcija dodavanja IC fokusnih leća umjesto obične cijevi za sjenilo, no ono što se može kupiti je ili previše skupo ili dimenzijama posve neodgovarajuće za ovu primjenu.

Naravno, možemo odmaknuti TX diode i koristiti samo polovicu zavjese koja dobro reagira ali ovo nepotrebno povećava veličinu potrebnog okvira za metu. Isto tako, povećanjem udaljenosti smanjuje se intenzitet zračenja te je napon detekcije sve slabiji i približava se granici šuma.

Sve u svemu, ovo je bio ohrabrujući eksperiment i imamo razloga vjerovati da bi sa kvalitetnim IC diodama velike snage i uskog kuta zračenja situacija bila daleko bolja. Međutim, prije nego krenem u takav trošak, naručio sam dvostruko jeftinije crvene lasere i foto-diode SGPD3027C koje imaju dobru osjetljivost za crvenu svjetlost. Ovo će odlično poslužiti za eksperimente, a moguće je da će uz domišljat dizajn okvira sve skupa dobro raditi i vani na Sunčevom svjetlu.

Moguće kombinacije dizajniranja svjetlosne zavjese sa IC diodama promjera 5 ili 3 mm.

Kako sam radio testove

Svjetlosna zavjesa se sastoji od tri IC para (IC dioda i IC foto-tranzistor) debljine 3 mm. Na svaki IC element je navučeno malo sjenilo duljine 2 cm napravljeno od cijevi unutrašnjeg promjera 3 mm. Sve je postavljeno u zrak tako da okolo nema prepreka od kojih bi se zračenje moglo dodatno odbijati.

Napajanje IC dioda je sa strujom od 25 mA (CH2). To je najviše što se usudim ići jer je maksimalna kontinuirana struja za ove generičke diode u najboljem slučaju 35 mA. Napajanje foto-tranzistora je također 5 V (CH1), međutim ovi generički foto-tranzistori propuštaju tako malu struju da ju ampermetar na napajanju ni ne registrira (struja je manja od 1 mV). Otpor mjernog instrumenta od 1 MΩ u krugu foto-tranzistora je već prilično opterećenje za struju foto-tranzistora. U najboljem slučaju se sa foto elementima promjera 3 mm (sa sjenilom), na udaljenosti 28 cm mjeri pad napona od oko 1 V što odgovara struji od 1 μA.

Na osciloskopu pratim napon na emiteru svakog od tri foto-tranzistora. Prije mjerenja potenciometrima uskladim napone za sva tri foto-tranzistora na jednaku vrijednost. Vidi se da na udaljenosti od 28 cm i sa strujom IC diode od 25 mA dobivam jedva 200 mV napona na emiterima foto-tranzistora.

Snimak pokazuje tijek testiranja. Odvijač debljine 2 mm simulira puščani metak. Može se uočiti slijedeće: Kada simulaciju vršimo na polovici zavjese koja je bliže foto-tranzistorima vrlo lijepo se razlučuje svaki kanal. Kako odvijač prolazi poprečno preko tri IC zrake, tako redom sjene padaju samo na jedan senzor (napon pada na nulu), dok su druga dva susjedna osvijetljena i na njima je napon konstantan. Međutim, što se više približavamo dijelu zavjese bliže IC diodama to čista razlučivost kanala postaje sve lošija. Mogli bi reći da je kritičnih prvih 5 cm od IC dioda, nakon toga je razlučivost već dovoljno dobra za sigurnu detekciju.

Bez obzira što ovi početni rezultati nisu loši, generički IC parovi iz niza drugih opisanih razloga ipak nisu dobro rješenje za praktičnu izradu svjetlosne zavjese.

Crveni laseri

Stigla su dva tipa PIN foto-dioda i crveni laseri pa možemo napraviti neka preliminarna mjerenja.

Generičke laserske glave snage do 5 mW, foto-diode promjera 5 mm (SGPD5086R6) i foto-diode promjera 3 mm (PD204R6), obje sa crvenim filtrom.

Električne specifikacije lasera

Jeftini generički laseri su deklarirani za maksimalnu struju od 40 mA, napone napajanja od 3 V ili 5 V te snage do 1 mW (Klasa 2) ili do 5 mW (Klasa 3A/3R). To su praktički jedini podaci koji možete za njih naći na kineskim stranicama, no bez obzira na različite specifikacije sve su to zapravo posve isti laseri, samo sa različitim dodanim otpornikom za ograničenje struje. Tim otpornikom se kompenzira pad napona za prilagodbu na različite visine napajanja, kao i ograničava maksimalna struja za dobivanje različitih izlaznih snaga.

Crveni laseri su uvijek deklarirani za valnu duljinu od 650 nm, no budući da jeftini moduli nemaju temperaturnu kompenzaciju, valna duljina i snaga se mogu lagano mijenjati s promjenom temperature okoline. Srećom, za našu primjenu ti mali „driftovi“ nisu problem jer foto-diode imaju vrlo širok spektar osjetljivosti.

Rastavljena laserska glava. Mjedeno tijelo se sastoji od dva djela koja se spajaju navojem kako bi se mogla podesiti duljina cilindričnog tijela i time fokus (udaljenost laserske diode od leće). Na prednjem otvoru tijela je akrilna leća koju pritišće opruga. Opruga služi kao protusila okretanju navoja za fokus (sprječava odvrtanje navoja nakon podešavanja) i ujedno pritišće leću tako da se ne mora lijepiti na prednji otvor. Na drugom kraju su dvije tiskane pločice, na jednoj je otpornik (minus pol), a na drugoj je laserska dioda (plus pol). Preko bakrene površine tiskane pločice odvlači se toplina sa laserske diode i vodi na mjedeno kućište koje onda služi i kao pasivni hladnjak.

Dimenzije samog laserskog kristala su mikroskopski malene. Na slici lijevo se vidi tiskana pločica dimenzija cca 6×6 mm, na kojoj se gore u sredini nalazi sama laserska dioda. Na slici lijevo sam povećao taj laserski kristal koliko je to moguće pod mojim mikroskopom. Stranice pravokutnog kristala su cca 0,2 x 0,3 mm (200 x 300 mikrona), a debljina oko 0,1 mm (100 mikrona). Međutim, sama aktivna površina (emiter svjetla) je još daleko manja i može se vidjeti u obliku sitnog pravokutnika na toj maloj površini. Tako su dimenzije same aktivne površine svega 1 x 5 mikrona ili 1 x 10 mikrona. To su ekstremno male dimenzije.

Zbog tako sitnog točkastog izvora laserskog svjetla izražen je fizikalni zakon difrakcije (što je izvor svjetlosti manji, to se svjetlost brže širi nakon izlaska). Stoga laserska svjetlost na izlazu iz diode ima veliku divergenciju (širenje) tako da već na 10 cm udaljenosti dobivamo svjetlosnu mrlju široku nekoliko centimetara. Nadalje, kao što se vidi na slici, izlazni otvor (emiter) na samom kristalu diode nije okrugao, već je u obliku uskog pravokutnika. Zbog toga se svjetlost ne širi jednako u svim smjerovima. Širi se puno brže po okomitoj osi nego po vodoravnoj.

Fokusna leća u mjedenom kućištu korigira to raspršeno i nejednako svjetlo te pokušava formirati što pravilniju usku zraku svjetlosti. Bez te dodatne leće, laserska dioda sama po sebi ne može dati takvu zraku svjetlosti. Problem je što je nemoguće fizički napraviti upotrebljivu leću ni blizu tako malih promjera kao što je promjer laserske diode. Leće promjera ispod 3 mm su već vrlo skupe za izradu i nabavu te ne mogu biti efikasne kao veće leće. Stoga laserski modul ne može biti ni približno tako malih dimenzija kao sama laserska dioda.

Testovi su pokazali da se laseri na napajanju od 3 V pale već na struji od 2 mA. Jednom kad se upali, laser će nastaviti raditi čak i ako struja padne na 1 mA. Na toj maloj struji crvena točka je jasno vidljiva na preko 10 metara udaljenosti. Povećanjem struje povećava se jačina zrake, a nakon 10 mA to povećanje postaje vrlo intenzivno i svaki dodatni mA rezultira ogromnim povećanjem intenziteta svjetla. Mogli bi reći da je prag laserskog djelovanja (Threshold Current) ovih lasera negdje na 9 mA nakon čega dolazi do izraženog laserskog efekta. Mi bi naše lasere stoga trebali napajati strujom negdje između 10-20 mA.

Naši laseri su deklarirani za napon napajanja 3 V i imaju ugrađen otpornik za ograničenje struje od 33 Ω. Pad napona na laserskoj diodi je oko 2,2 V tako da je na otporniku napon od oko 0,8 V čime je struja ograničena na 24 mA. Možete kupiti i module deklarirane za napon 5 V koji imaju ugrađen otpornik od 91 Ω. To znači da je na otporniku napon od 2,8 V što ograničava struju na 30 mA. To je unutar specifikacija o maksimalnoj dozvoljenoj struji od 40 mA. Ako kupite lasere deklarirane za 5 V vjerojatno će nešto jače svijetliti od onih za 3 V, međutim, razlog tome nije jača ili drugačija laserska dioda nego manje ograničenje struje pridodanim serijskim otpornikom.

Ono sa čime treba svakako računati to je da se plus pol napajanja ovih lasera također nalazi i na mjedenom tijelu (masa je na plus polu). To može biti problem ako lasere stavljamo u neki metalni nosač i kombiniramo serijske i paralelne spojeve napajanja 128 lasera. Mjedeno tijelo lasera također služi kao pasivni hladnjak za lasersku diodu. Pri struji do 20 mA zagrijavanje je minimalno, tako da u našem slučaju nosač lasera ne mora biti nužno metalni.

Mehaničke specifikacije lasera

Kod jeftinih generičkih laserskih modula također možemo očekivati i neke mehaničke tolerancije između pojedinih primjeraka. Za izradu preciznog nosača (okvira) za lasere važno je da svi budu istih vanjskih dimenzija. Izmjerio sam dimenzije nekoliko desetaka lasera i sve su u zadovoljavajućim tolerancijama unutar ±0,1 mm. Nama je najvažniji promjer mjedenog tijela od 6 mm (±0,1 mm) jer će to biti osnova držača samih lasera (rupa od 6 mm). Manji problem bi mogla biti širina tiskane pločice umetnuta u mjedeno tijelo koja je širine 6,08-6,4 mm. Ako će ovo smetati (zapinjati) kod montaže u ležišta (rupe), morati ćemo malo izbrusiti rubove tih pločica.

Fizičke dimenzije generičkih laserskih modula.

Mjedeno tijelo ima dva dijela spojena navojem kojim se podešava fokus laserske zrake. Ako laser umetnemo u neku rupu promjera 6 mm, onda više neće biti moguće podešavati fokus. Stoga je fokus lasera (na 28 cm) potrebno podesiti prije umetanja u nosač. Ovi laseri se na udaljenosti od 28 cm mogu bez problema fokusirati u točke promjera manjeg od 3 mm što je dovoljno za našu primjenu. Leće kod naših lasera su naravno jeftine plastične (akrilne) tako da laserska točka neće biti savršeno okrugla, no to i nije bitno za našu primjenu.

Specifikacije foto-dioda

Foto-diode u crvenom kućištu SGPD5086R6 (5 mm) i PD204R6 (3 mm) imaju praktički iste električne karakteristike, a razlika je samo u struji kratkog spoja i reverznoj struji osvjetljenja. To je i očekivano zbog različite fizičke veličine samih dioda, odnosno veličine foto-senzora unutar njih. Foto-diode od 5 mm tipično imaju foto-osjetljivi silicijski čip dimenzija od 0,8 x 0,8 mm do 1,5 x 1,5 mm. Foto-diode od 3 mm pak tipično imaju čip dimenzija od 0,6 x 0,6 mm do 1 x 1 mm. Kad se uzme u obzir tijelo foto-dioda u obliku fokusne leće, najbolje ih je osvjetljavati laserskom točkom promjera oko 3 mm.

U tvorničkim podacima za naše foto-diode nema specifikacija o veličini aktivne površine, no reverzna struja kod 5 mm dioda je više nego dvostruko veća od struje dioda od 3 mm pa možemo pretpostaviti da je i takav odnos veličina aktivnih površina unutar dioda. Tako je struja kratkog spoja i reverzna struja osvjetljenja na 5 V reverznog napona oko 150 µA za 5 mm diode i oko 60 µA za 3 mm diode, mjereno kod osvjetljenja intenziteta 5 mW/cm2.

Za našu primjenu je važna reverzna struja osvjetljenja (struja kratkog spoja ima praktički istu vrijednost) jer ćemo foto diodu svakako koristiti u reverznom (foto-konduktivnom) modu. U reverznom spoju foto-dioda ima veću brzinu odziva (dioda radi kao sklopka), veće linearnost i bolju digitalnu kompatibilnost izlaznog napona za okidanje Schmitt invertera, nego da se foto-dioda koristi spojena u propusnom smjeru.

Vanjske fizičke dimenzije foto-dioda mogu varirati ±0,25 mm.

Izračun pull-up otpornika za foto-diodu

Na osnovu tvorničkih podataka o reverznim strujama možemo izračunati vrijednost pull-up otpornika koji povezuje anodu prema masi. Ovaj proračun vjerojatno neće viti točan jer laser daje puno veću energiju svjetla od 5 mW/cm2 za koju su date specifikacije. Međutim, neku polazišnu točku moramo imati.

Prema Ohmovom zakonu, ako na pull-up otporniku želimo napon od oko 4,5 V njegova vrijednost mora biti oko 30 kΩ za 5 mm foto-diodu (150 µA), odnosno oko 75 kΩ za 3 mm foto-diodu (60 µA). Ovo su prilično veliki otpornici koji će znatno usporiti odziv (brzinu) diode. Naime, dodatkom otpornika dobivamo serijski RC krug gdje vremensku konstantu definira pridodati otpornik i unutrašnji kapacitet diode koji je na naponu 5 V oko 12 pF (električni kapacitet se to sporije prazni što je otpornik veće vrijednosti). Sa otpornikom 75 kΩ vremenska konstanta se sa početnih 25 ns povećava na preko 5 µs, što je ogromno usporenje brzine rada foto senzora.

Da bi ovo ublažili, svakako nam je cilj što jače osvijetliti foto-diodu da izvučemo što veću reverznu struju kako bi nam bio potreban što manji pull-up otpornik. Mi smo računali s tvorničkim podacima za gustoću energije svjetla od 5 mW/cm2, no laser snage 5 mW fokusiran u točku promjera cca 3 mm tipično daje gustoću energije veću od 70 mW/cm2, što je svakako velika razlika. Stoga, bez obzira na tvorničke podatke mi ovdje imamo specifičan slučaj koji treba provjeriti u praksi.

Alternative

Ako ne uspijemo jasno razlučiti padove napona (ambijentalno svjetlo naspram laserskog svjetla) ili ne postignemo dovoljnu brzinu odziva, morat ćemo eksperimentirati sa višim naponima (foto-diode rade do 30 V reverznog napona), no viši napon osim nekih koristi (smanjen unutrašnji kapacitet diode) sa sobom nosi i neke nove probleme poput moguće pojave previsokog napona na logičkim krugovima, a koje onda treba dodatno elektronički riješiti (zaštitne zener diode).

Također, upotreba nekih drugih tipova foto dioda umjesto PIN dioda (PN, lavinske, Schottky) neće donijeti neke značajne prednosti ili su lošije od PIN dioda. Tako su PN diode u startu previše spore za našu primjenu, lavinske diode su jako skupe i traže visoke napone napajanja (100-200 V), a Schottky foto-diode, iako vrlo brze, najviše su osjetljive na UV ili plavo svjetlo što nikako ne ide u kombinaciju sa našim crvenim laserima.

U svakom slučaju, mi bi pull-up otpornik trebali svakako svesti na vrijednost ispod 10 kΩ kako bi odziv senzora bio dovoljno brz.

Testovi

Prema preliminarnim proračunima potenciometar od 100 kΩ će biti optimalan za prve testove pa da vidimo kako se naša kombinacija crvenog lasera i PIN foto-dioda sa crvenim filtrom ponaša u praksi.

Rezultati su bolji od očekivanih. Laser sukladno očekivanjima daje doista intenzivnu koncentraciju svjetla tako da je već na struji lasera od 12 mA dovoljan otpornik od 10 kΩ, a na struji lasera od 20 mA je dovoljan otpornik vrijednosti 3,1 kΩ da se na njima dobije pad napona od cca 4,7 V. To znači da foto-diode osvijetljene laserom realno daju struju od 0,5 do 1,5 mA.

Međutim, to nije sve. Osim napona napajanja od 5 V same foto-diode kad su osvijetljene proizvode i određeni vlastiti napon (ponašaju se poput male solarne ćelije). Taj napon iznosi oko 0,5 V te se pribraja naponu napajanja tako da ukupni napon na izlazu može biti i 5,5 V. Ovo svakako pomaže da anodni otpornik bude manje vrijednosti.

Testove smo radili tako da izlazni napon bude optimalnih 4,6-4,8 V što je sigurno za logičko prepoznavanje visokog stanja, a s druge strane neće doći do naponskog zasićenja i usporavanja rada senzorskih krugova.

Disipacija snage na foto-diodi je ovdje u svakom slučaju ispod 0,5 mW (0,3 V x 0,0015 A) što ne predstavlja problem za foto-diode (pregrijavanje) jer su iste deklarirane za snagu do 150 mW.

Testove sam radio provizorno, trudeći se što bolje optički usmjeriti laser na foto-diodu, odnosno naći točku usmjerenja sa najvećim padom napona na otporniku. Iako se radi sa vidljivim svjetlom, precizno poravnanje je dosta teško napraviti na diodama od 3 mm, tako da sam tu koristio male cjevčice (sjenila) za lakše fokusiranje laserske zrake točno frontalno na diodu. Za 5 mm diode nisam koristio nikakva pomagala tako da sam na kraju dobio gotovo iste rezultate za 3 mm i 5 mm diode.

Prema specifikacijama, unutrašnji kapacitet dioda od 3 mm i 5 mm je isti iznosi oko 12 pF mjereno na 3 V napajanja i frekvenciji 1 MHz kada dioda nije osvijetljena, iako bi za 5 mm diode očekivali nešto veći kapacitet zbog veće površine senzora. Uglavnom, iz praktičnih razloga ćemo vjerojatno koristiti diode od 5 mm jer daju veću reverznu struju.

Teoretsko vrijeme odziva

Vrijeme odziva sa otpornikom od 10 kΩ je 400 ns, a sa otpornikom od 3 kΩ odziv je 80 ns. Vrijeme odziva RS-Latcheva CD4044 na 5 V je 160-350 ns. To znači da bi naše senzore bilo optimalno prilagoditi na odziv ne kraći od 150 ns, jer kraći odziv nema smisla s obzirom na brzinu odziva CD4044.

To bi uključivalo anodni otpornik od oko 3,5-4 kΩ i struju lasera od oko 17 mA. Svaki miliamper više struje za lasere donosi i veću gustoću energije, no iznad neke granice taj porast gustoće svjetla više nema značajan utjecaj na porast struje foto-dioda. To znači da bi na svakom laseru postojećem otporniku od 33 Ω trebalo serijski dodati još jedan otpornik od oko 13 Ω.

Potrošnja struje lasera

Svakako moramo naći optimum potrošnje struje lasera jer ćemo 128 komada lasera napajati preko baterija. Glede toga je potrebno naći optimum između potrošnje struje (jačine svjetla) lasera i jačine ambijentalnog svjetla, tako da razlika bude vrlo izražena. Dosadašnji testovi su pokazali da tu ne bi trebalo biti puno problema jer svjetlo lasera uvelike nadjačava i najjače ambijentalno svjetlo (dnevno ili umjetno svjetlo). Od izravnog ambijentalnog svjetla će svakako štititi i cjevasta sjenila.

Iako smo mi dosadašnjim analizama već pronašli neke približne vrijednosti, razlika od 1 ili 2 mA potrošnje struje po laseru može vrlo jako utjecati na struju foto-diode s jedne strane i na ukupnu potrošnju struje svih lasera s druge strane.

Veća snaga lasera znači bolju reakciju senzora, mogućnost boljeg razlučivanja ambijentalnog svjetla od laserskog svjetla, veću otpornost na pogreške u optičkom poravnanju, te veću otpornost na moguću prašinu i slične sjene koje mogu pasti na optičke senzore. S druge strane, veća snaga lasera znači veću potrošnju struje, veće zagrijavanje i manji životni vijek lasera. Inače, životni vijek se deklarira na 1000-5000 sati, a to svakako ovisi o jačini struje i drugim uvjetima pod kojima se laser koristi.

U najgorem slučaju, da se laseri napajaju sa 20 mA, potrošnja struje svih 128 lasera bi bila 2,6 A. Čak i u najboljem slučaju potrošnja bi bila malo iznad 2 A (16 mA). Ovo su prilično velike potrošnje struje za baterijsko napajanje. Morati ćemo naći optimalan način napajanja (tip, napon i kapacitet baterije) za najbolju praktičnu primjenu.

Opcije napajanja lasera

Svakako je najlošija opcija sustav napajati baterijom od 3 V ili 5 V jer tu imamo kontinuiranu potrošnju iznad 2 A. Ako idemo na viši napon napajanja, trebamo razmotriti dvije opcije.

Prva opcija je kombinacija serijskog i paralelnog spajanja lasera. Uz napajanje od 12 V možemo po 4 lasera spojiti serijski (12:4=3 V), a zatim takve 32 serijske grupe spojiti paralelno. Ako uzmemo da je na 3 V potrošnja 2,5 A onda bi ovakvim spajanjem na 12 V napona kontinuirana potrošnja bila 0,63 A.

Međutim, serijsko spajanje lasera generira niz mogućih problema. Veliki problem mogu predstavljati međusobne minimalne razlike u električnim karakteristikama pojedinih lasera što može dovesti do nejednake raspodjele struje u serijskom krugu. To će rezultirati nejednakim jačinama svjetla kod pojedinih lasera. Također, ako jedan od lasera u serijskoj grupi otkaže to će utjecati i na ostala 3 lasera. Ovisno da li se kvar manifestira kao prekid ili kratki spoj, ostala tri lasera će se ugasiti ili moguće čak i pregorjeti.

Druga opcija je koristi napajanje od 12 V uz upotrebu DC-DC Buck (step-down) konvertera koji će napon sniziti na 3 V ili 5 V. Takvi konverteri imaju visoku učinkovitost (92% do 96%) i višak napona ne pretvaraju u toplinu nego u dodatnu struju.

Razlike u napajanju lasera sa 3 V i 5 V napona

Napajanje lasera sa 5 V umjesto 3 V (uz istu potrošnju struje) daje nešto veće gubitke na otpornicima (56 mW umjesto 16 mW) međutim to su i dalje vrlo mali gubici. S druge strane, napajanjem od 5 V dobivamo neke dobre strane.

Kao prvo, utjecaj mogućih malih fluktuacija u visini (stabilnosti) napona napajanja će biti puno manje izražen na 5 V nego na 3 V. Naime, kod napajanja od 3 V napon na otporniku za ograničenje struje je 0,8 V dok je kod napajanja 5 V napon na otporniku 2,8 V. Napon 0,8 V je vrlo mali te će i vrlo mali poremećaj tog napona dovesti do velikih razlika u ograničenu struje. Taj poremećaj može nastati zbog malih nestabilnosti napona napajanja ili zbog minimalno različitih električnih karakteristika između pojedinih laserskih dioda. Iako je pad napona na laserskim diodama tipično 2,2 V on kod jeftinih dioda može varirati i do ±0,2 V.

U našem konkretnom slučaju ako napon napajanja padne za samo 0,2 V (sa 3 na 2,8 V) bilo zbog nestabilnosti napona ili različitog pada napona na diodama, onda će na otporniku napon pasti sa 0,8 na 0,6 V. To znači da otpornik od 43 Ω više neće propuštati struju od 18 mA, nego struju od samo od 14 mA, što čini ogromnu razliku u jačini laserske zrake. Ako pak napajamo sa 5 V napona, onda će napon pasti sa 2,8 V na 2,6 V što znači da će na otporniku 156 Ω ograničenje struje od 18 mA povećati na samo 16,6 mA što je puno manja razlika.

Bilo bi najbolje od recimo 200 lasera odabrati njih 128 koji imaju najsličnije karakteristike. Veći napon napajanja svakako pomaže da te razlike ne budu previše izražene. Također, pomoglo bi i struju podesiti što bliže 20 mA gdje već dolazi do zasićenja u intenzitetu svjetla i razlike od 2-3 mA nisu toliko izražene kao u području 10-17 mA. Međutim, veća struja opet znači i veću potrošnju.

Možemo spomenuti i da veći napon napajanja uz veći serijski otpornik teoretski pruža nešto brži odziv lasera (brzina paljenja i gašenja) jer se brže savladava parazitski kapacitet poluvodičkog spoja. Ova razlika je za naš slučaj zanemariva i nebitna, no čisto da ju spomenemo.

Odabir izvora napajanja (tipa baterije)

Za naš projekt uvijek tražimo najjeftinija rješenja koja dobro obavljaju funkciju, a to su onda glede napajanja svakako olovni akumulatori. Takvi akumulatori su robusni i najmanje osjetljivi na vanjske utjecaje te najbolje toleriraju napone i struje punjenja i pražnjenja. Također, akumulatori od 12 V su svuda dostupni za kupnju u puno različitih kapaciteta, tipova i oblika. Mali olovni (GEL) akumulatori kapaciteta od 6 ili 12 Ah su dovoljni su za cjelodnevno gađanje bez da se meta gasi.

Olovne akumulatore od 12 V je najbolje koristiti u opsegu napona između 12,7 V (potpuno pun akumulator) i 12 V (najniži preporučeni napon pražnjenja), eventualno do 10,5 V kao apsolutni dozvoljeni minimum napona akumulatora. U kombinaciji sa DC-DC Step-down konverterom 12/5 V ovakav akumulator bi mogao napajati svu elektroniku mete. Ako uzmemo da potrošnja struje na 5 V iznosi 2,5 A onda bi preko DC-DC Step-down konvertera spojenog na prosječni napon 12 V (11,7 – 12,7 V) potrošnja bila oko 1,16 A (uz tipičnu učinkovitost DC-DC konvertera od 90%).

Upotreba DC-DC Buck konvertera sa stabilnim izlazom od 5 V omogućava zapravo korištenje bilo kakvog izvora istosmjernog napona u širokom rasponu tipično 9-36 V. Mogu se bez problema koristiti akumulatori od 12 ili 24 V kao i sve druge vrste baterija napona većeg od 9 V. Takvi konverteri snage 5 W koštaju manje od 5 eura.

Kontrola stanja baterija

Na našoj upravljačkoj MCU platformi moramo osigurati programski kod za daljinsko uključenje i isključenje laserske mreže tako da se baterije bespotrebno ne troše u vrijeme kada se vrši samo gađanje.

Također, ne bi bilo lože osigurati liniju za detekciju napona baterija (stanje istrošenosti). Ovime ćemo se baviti kada dođemo do faze programiranja našeg sustava.

REZIME

Ovom analizom rješavamo dva osnovna problema: problem nejednakog intenziteta svjetla iz svakog od 128 lasera bez obzira na isto napajanje i problem velike potrošnje struje svih 128 lasera u radu.

Prvi problem ublažavamo tako da koristimo veći napon napajanja lasera (kako bi pad napona na serijski vezanom otporniku bio što veći). Ipak, sa naponom ne možemo pretjerivati jer će doći do prevelike disipacije snage (topline) na otpornicima. Također, u startu odabiremo lasere koji pokazuju što sličnije karakteristike. Jednom kada spojimo mrežu od svih 128 lasera, ukoliko nejednakosti i dalje budu izražene, morati ćemo fiksne otpornike zamijeniti trimer potenciometrima (250 Ω) te ugoditi struju za svaki laser posebno. Trimer potenciometri bi riješili i moguće razlike u foto osjetljivosti pojedinačnih foto-dioda. Danas trimer potenciometri nisu skupi, čak ni oni precizni višeokretni, pa bi to možda bilo i najbolje rješenje. Njima bi se kompenzirale razlike glede tolerancija lasera, tolerancija fiksnih otpornika i tolerancija foto-dioda. Tako bi podešavanjem struje lasera mogli iz svakog optičkog para dobiti jednakih 4,7 V izlaza za logičku jedinicu.

U svakom slučaju, za lasere je poželjno imati serijski vezane otpornike što većih vrijednosti, a za foto-diode su povoljniji serijski vezani otpornici što manjih vrijednosti.

Problem velike ukupne potrošnje struje ublažavamo napajanjem sa većim naponom (12 V) u kombinaciji sa DC-DC Buck konverterom. Od serijsko-paralelne kombinacije lasera smo odustali jer to generira niz drugih problema.

Laseri tvore čistu i pravilnu optičku mrežu gdje praktično ne postoji mogućnost pogrešne ili neprecizne detekcije.

Nosači senzora

Nakon ovih preliminarnih testova moramo izraditi precizne nosače ili okvire za lasere i senzore. Daljnja mjerenja i razvoj projekta je nemoguć bez čvrsto i precizno postavljenih lasera i foto-dioda.

S obzirom da lasere napajamo paralelno, možemo ih smjestiti u metalni okvir (aluminijski) gdje će plus pol napajanja biti prisutan na samom okviru. Standardne aluminijske šipke 30x30x300 mm koštaju oko 75 eura (puni kvadratni profil lako obradivog 2011 aluminija). Ipak, zbog tog nesretnog pozitivnog napajanja na masi trebat će posebna konstrukcija da okvir ne dođe u kontakt sa uobičajenom negativnom masom kod ostatka sklopova.

Možda je za početak najbolje rješenje napraviti 3D ispis čitavog okvira sa nekom boljom, čvršćom, otpornijom i postojanijom plastikom (na primjer ASA).

Traženje optimalnog rješenja za optički nosač

Razmatrane su tri opcije izrade nosećeg okvira za lasere i senzore vanjskih dimenzija 340x340x30 mm: CNC bušenje u drvu, CNC bušenje u aluminiju i 3D ispis sa nekim kvalitetnijim filamentom. Mali CNC stroj koji imam u svojoj radioni može savršeno izbušiti rupe u običnom drvu (jela) sa stjenkama debljine 0,4 mm i to bušenje ide vrlo brzo. Međutim, drvo nije baš najbolji materijal za bazu okvira s obzirom da je prirodno sklono deformaciji. Ovo bi se moglo ublažiti stavljanjem drvenog nosača u neki aluminijski ili čelični profil.

Za bušenje istih 256 rupa u aluminiju je svakako potreban bolji (skuplji) alat, puno duže vrijeme rada i svaka greška može skupo koštati tako da ovo ostavljam kao posljednju mogućnost.

Usluga profesionalnog 3D ispisa ovakvog okvira preko popularnih kineskih tvrtki (JLCPCB, PCBWay) kreće se oko 80 eura (PLA), 120 eura (PETG), 230 eura (ABS), 410 eura (ASA). Domaće tvrtke su u prosjeku dvostruko skuplje od toga. Ovo je ogromni trošak i ne isplati se ako nemate svoj 3D printer. Iako je cijena potrebnog filamenta 10-30 eura, sam ispis traje oko dva dana ako se želi najbolja kvaliteta i preciznost. Našao sam neko kompromisno rješenje sa smanjenom debljinom okvira (umjesto 30×30 mm smanjenje na 20×30 mm) kako bi se uštedjelo na materijalu i vremenu ispisa (42 sata) te sa zasebnim ispisom svake stranice okvira kako bi se dobila bolja preciznost i smanjila mogućnost deformacije cijelog okvira tijekom ispisa.

Inače, što se tiče profesionalne kineske usluge, za cijenu od 1350 eura ovakav okvir možete dobiti izrađen u aluminiju (cijena samog materijala oko 30 eura), za 2350 eura u nehrđajućem čeliku, a za 10300 eura možete naručiti izradu okvira u titanu Usluge izrade namjenskih komada su dakle prilično skupe i uvelike nadmašuju cijenu materijala. Stoga je uvijek potrebno težiti vlastitoj izradi sa alatima koje posjedujete.

3D ispis okvira sa ASA filamentom

3D ispis okvira sa ASA filamentom je naizgled ispao vrlo dobro i ostavlja dojam visoke čvrstoće i postojanosti. Ipak, primjetno je karakteristično skupljanje ASA filamenta od 0,5 do 0,8 %. Okvir je trebao biti duljine točno 340 mm, no u stvarnosti je oko 2,3 mm kraći što je tipično skupljanje od oko 0,7 %. Naravno, zbog ovog skupljanja su i rupe nešto bliže jedna drugoj, pa je udaljenost između dvije krajnje rupe (niz od 32 rupe) kraća za nekih 1,5 mm. Iako se ovo može korigirati kod slijedećeg ispisa, to zapravo i nije najveći problem.

Geometrijska preciznost rupa i lasera

Laseri vrlo lijepo sjedaju u rupe, gotovo idealno. Sa ovim okvirom udaljenost između lasera i foto-dioda će biti oko 33 cm, pa daljnje testove radim na tom razmaku. Umetnuo sam svih 64 lasera u okvir i snimio njihovu projekciju na udaljenosti 33 cm.

Laserska projekcija sa ASA okvira.

Laserska projekcija sa drvenog okvira. Ovdje je malo pojačan kontrast slike tako da se jasno uočavaju dobro fokusirane točke, točke koje potrebno fokusirati i neke skroz “razmrljane” nepravilne točke koje ukazuju na loše ili prljave elemente lasera te njihovu posebno lošu geometriju poravnanja po osi tijela lasera (tvornički fuš).

Rezultat je, kao što se vidi, katastrofalan. Devijacija pojedinih točki dostiže i ±2,5 cm. Idemo prvo vidjeti kolika preciznost je potrebna da laserske točke nemaju devijaciju veću od 1 mm.

Ova skica nacrtana u mjerilu pokazuje sadašnje stanje. Može se vidjeti da pomak tijela lasera od samo 1 mm, na udaljenosti od 330 mm uzrokuje pomak projicirane točke od čak 33 mm (plava linija). To znači da su naši laseri poravnati unutar tolerancija od 0,75 mm što nije ni blizu dovoljno za kreiranje funkcionalne optičke mreže (devijacija je i dalje visokih ±2,5 cm). Pomak tijela lasera od samo 1 mm uzokuje pomak projicirane točke za 5,76 mm. Ako uzmemo da devijacija projicirane točke ne bi smjela biti veća od 1 mm (kut greške manji od 0,17°) onda laseri moraju biti poravnati unutar tolerancija od 0,03 mm (zelena linija). Za posve točnu optičku mrežu poravnanje bi trebalo biti takvo da projicirana točka ne odstupa za više od 0,1 mm što zahtijeva poravnanje lasera na stoti dio milimetra. Ovako precizan okvir ne može izvesti niti jedna standardna tehnologija, no čak i da može, to nije jedini čimbenik koji utječe na devijaciju laserske točke.

Problem interne geometrije jeftinih kineskih lasera

Iako ovo ne mogu odvojeno testirati, vjerojatno je da na devijaciju kuta laserske zrake osim rupa unutar samog okvira jednako (ako ne i više) utječe i nesavršena geometrija konstrukcije samog lasera. Optička os leće i pozicija (kut montaže) laserske diode unutar kućišta jeftinih lasera jednostavno nisu dovoljno precizno poravnati sa geometrijskom osi kućišta. Također, opruga neravnomjerno pritišće leću te ona mijenja kut nagiba kako se okreće (podešava) vijak za fokus. Sve su to vrlo mali kutovi pomaka i male devijacije ali uzrokuju značajna odstupanja izlaznog kuta zrake, vjerojatno i do ±2° u odnosu na centralnu os tijela lasera.

Neki laseri su toliko loše sastavljeni da izlazna zraka osim crvene točke kreira i kružnice (aureole) oko te točke (pojava difrakcija i parazitskih refleksija). Neki laseri uopće ne postižu dovoljan intenzitet svjetla, moguće zbog loše laserske diode ili loše leće ili pak zbog neke prašine (prljavštine) koja je dospjela u unutrašnjost. Čini se da i neki ugrađeni otpornici za ograničenje struje pokazuju veće tolerancije, pa onda taj laser znatno manje ili znatno više svijetli od ostalih.

Jeftine plastične leće očekivano uzrokuju naglašen astigmatizam projicirane točke, tako da su to uglavnom elipse i elipsasti nepravilni oblici, a ne savršene kružnice. Neke lasere na 33 cm udaljenosti možete fokusirati u točku veličine 1 mm, a sa nekima ne možete dobiti točku ispod 3 mm promjera. Sve su ovo posljedice loše (jeftine) unutrašnje konstrukcije tijela lasera i leće, moguće mikro-ogrebotine i nečistoće na optici, sfernih aberacija leća i slično. Moram reći da ćete u stotinjak lasera naći i neke koji imaju vrlo dobro poravnanje geometrije, no takvih je manje od 30%. S druge strane njih oko 5% ima tako lošu projekciju točke da se moraju odbaciti kao neispravni.

Kako riješiti problem geometrije laserskih zraka

Većina ovih tolerancija ne smeta ako laserski modul koristite kao pokazivač, za igru ili za kreiranje jednog optičkog para, no za precizne i složene optičke sisteme ovo svakako nije najbolji odabir. Ja si ovdje ne mogu priuštiti 128 preciznih lasera koji će koštati tisuće eura, tako da moram naći rješenje kojima ću iskoristiti ove jeftine lasere.

Svakako nema drugog rješenja, nego je za svaki pojedinačni laser potrebno osmisliti neki mehanizam kojim će se moći vrlo precizno podesiti njegov kut nagiba. Laseri moraju biti gusto naslagani i ovdje jednostavno nema mjesta za izradu nekih ekscentričnih čahura ili dodavanje vijaka za podešavanje (metoda „tri točke“) za svaki pojedinačni laser.

Ipak, razmišljam o dva moguća rješenja ovog problema. Prvi način bi bio proširiti rupe za lasere sa 6 mm na 6,5 mm ili na maksimalno mogućih 7 mm. Na prednji kraj lasera se zatim stavi gumeni prsten (o-ring) vanjskog promjera 7 mm ili termo bužir. Ovo će usidriti prednji kraj tijela lasera u rupu. Zadnji kraj lasera pak se pri tome može slobodno pomicati za ±0,5 mm u svim smjerovima (2,86°). Zahvaljujući kratkom tijelu lasera od 10 mm, to bi onda na 33 cm udaljenosti omogućilo korekciju pozicije crvene točke za ±16,5 mm u svim smjerovima. Svaki laser bi prvo trebalo okretati u njegovoj rupi da se time nađe najmanji i najpovoljniji odmak, a onda se sićušnim klinovima (iglicama) precizno namjesti zadnji kraj tijela lasera. Kasnije se sve može trajno zaliti u vruću plastiku.

Drugi način bi bio možda još i praktičniji. Umjesto postojećih višežilnih savitljivih žica, na kontakte lasera se zaleme nešto deblji jednožilni vodiči. Oni moraju biti savitljivi i dovoljno čvrsti da drže težinu lasera. Laser je težine 1,12 grama i žice deblje od 0,5 mm su posve dovoljne da drže tu težinu. Laser se precizno usmjeri savijanjem žica, a zatim se zalije i trajno fiksira vrućim ljepilom.

Koji god sistem isprobao, suočavam se sa problemom mukotrpnog preciznog pozicioniranja svakog od 128 lasera. Sreća što radim sa crvenim laserima jer bi nevidljive IC lasere bilo gotovo nemoguće podesiti u kućnoj radinosti. Kako god bilo, uspjeh ovog projekta sa laserima je postao upitan zbog složenosti podešavanja geometrije. Drugi problem, koji je i više zabrinjavajući, to je što će bilo kakvi kasniji pomaci poput deformacija, izobličenja, uvijanja i naprezanja svih elemenata optičkog senzora (uslijed starenja, promjene temperature i slično) uzrokovati pomak optičkih osi. Ovdje govorimo o mehaničkim deformacijama reda 1/100 mm koje već mogu poremetiti prijenos energije sa lasera na senzore.

Ponovno traženje alternative

U prethodnim pokusima sa generičkim IC diodama zaključili smo da takva optička zavjesa funkcionira, međutim, funkcionira tek na polovici ili u najboljem slučaju na 2/3 površine zavjese, bliže prijemnim senzorima. To znači da odašiljačke IC diode treba što je više moguće udaljiti od prijemnih senzora kako bi se dobila potrebna aktivna površina na drugoj polovici traga zračenja. Ovo pak znači da treba ugraditi jače IC diode i osigurati napajanje jačom strujom kako bi intenzitet zračenja bio dovoljno jak na foto-diodama. Čak i kad to osiguramo, intenzitet zračenja će biti puno slabiji nego od lasera, što znači da se foto-diode moraju podesiti na maksimalnu osjetljivost, a time će onda biti i više osjetljive na okolne smetnje. Postoji mogućnost da i neće biti dovoljno osvijetljene da proizvedu napon za prepoznavanje logičke jedinice pa će trebati ugrađivati operacijska pojačala (komparatore).

Intenzitet zračenja kvalitetne IC diode (SFH 4550) je 200-500 puta manji od intenziteta zračenja jeftinog kineskog lasera (5 mW). Prema specifikacijama, pri struji od 100 mA IC dioda SFH 4550 daje intenzitet zračenja od oko 1100 mW/sr, dok 5 mW laser zbog ekstremne kolimacije daje intenzitet zračenja preko 500000 mW/sr.

Kvalitetne IC diode

Jedina mogućnost koja je ovdje preostala to je testiranje zavjese sa kvalitetnim IC elementima. Vrlo teško je raditi optičke proračune samo na osnovu tvorničkih podataka.

Uzmimo da kao izvor zračenja koristim kvalitetne IC diode SFH 4550 koje pri struji od 100 mA imaju intenzitet zračenja 1100 mW/sr. Radi ujednačenosti svjetla i pokrivanja uskog kuta zračenja moram i dalje koristiti svih 2×64 dioda kao i za lasere. Napajanje maksimalnom strujom tih 128 dioda bi zahtijevalo vrlo snažan izvor (26 A) što je neprihvatljivo. Stoga ćemo odrediti da maksimalna struja po diodi može biti 20 mA (5,2 A). Pošto je to pet puta manja struja onda će i intenzitet svjetla biti proporcionalno manji, dakle 220 mW/sr. To znači da bi ozračenost senzora SFH 213FA udaljenih 33 cm bila 0,202 mW/cm2 čime se iz istih dobiva fotostruja od 27 µA. Iz ovoga proizlazi da je za pad napona od 4 V (sigurno prepoznavanje logičke jedinice) potreban otpornik od cca 150 kΩ. Tako veliki otpornik značajno usporava vrijeme reakcije senzora i ono bi se produžilo na 1,3 µs. Ovo vrijeme je i dalje dovoljno brzo za detekciju standardne dijabole koja pri brzini 300 m/s zavjesu prolazi za 16 µs, no to je ipak već na rubu pouzdanosti. Također, kad se u proračun uvrste sve tolerancije, greške poravnanja, šumovi i slično konačni rezultat može biti drugačiji. Iako teoretski proračun daje naznake da bi ovo moglo funkcionirati, sve je ipak treba isprobati u praksi.

Pojačanje svjetla ili pojačanje signala

Ako će trebati pojačanje signala onda umjesto Schmitt invertera moram ugraditi komparatore sa operacijskim pojačalom (LM339) što je možda bolja opcija od Schmitt invertera u svakom slučaju (iako i nešto skuplja te traži dodatne vanjske elemente).

Ako idem na opciju optičkog pojačanja svjetla onda se kao najpraktičnije rješenje izdvaja upotreba linijske Fresnelove leće duž zračećih IC dioda. Takva leća bi kolimirala svjetlost koja se nekorisno raspršuje u vertikalnom smjeru u jednu usku horizontalnu crtu. Time bi se na senzorima dobio puno veći intenzitet energije, dovoljan čak i da senzore posve zasiti. Danas se Fresnelove leće mogu nabaviti u više veličina i fokusa jer se masovno koriste za moderna rasvjetna tijela i za solarne kolektore.

Međutim, vjerojatno je opcija sa komparatorima ipak bolja jer bilo kakvi dodatni optički elementi zahtijevaju precizna podešavanja i montaže kao i osiguranje njihove mehaničke stabilnosti nakon podešavanja.

Kombinacija IC dioda i linearne Fresnelove leće

Mogućnosti za poboljšanje usmjerenosti i smanjenje raspršivanja IC zračenja.

Fokusiranje svjetla Fresnelovih leća gledano bočno na površinu svjetlosne zavjese. Leća postavljena kod IC emitera će kolimirati svjetlo koje bi se inače raspršilo izvan senzora. Dodatna leća kod senzora može ovo kolimirano svjetlo dodatno fikusirati točno na senzor. Time se maksimalno iskorištava energija koju zrači IC emiter. Međutim, svako precizno fokusiranje smanjuje otpornost sustava na mehaničke optičke pomake.

Jedna od mogućnosti je upotreba dužih cjevčica (sjenila) na strani IC odašiljača ili IC prijemnika (potrebno testirati efikasnost). Druga mogućnost je ugradnja Fresnelove leće koja neće poboljšati horizontalnu kolimaciju (paralelnost) zračenja ali će fokusirati vertikalno zračenje na senzore, koje bi inače neiskorišteno prolazilo iznad i ispod senzora. Fresnelova leća stvara jednu usku horizontalnu crtu svjetla, tako da svi senzori moraju biti u jednom redu (foto diode 3 mm). Time dobivamo pojačanje svjetla lećom ali moramo koristiti manje osjetljive senzore (foto-diode od 3 mm umjesto od 5 mm) tako da je potrebno u praksi provjeriti koliko je to isplativo. Isplativost se može razmatrati samo u slučaju da sa lećom ne moramo koristiti komparatore.

Možemo napraviti neki preliminarni izračun što bi dobili ugradnjom linearne Fresnelove leće. Kao što smo već rekli, linearna leća ne korigira horizontalno širenje, ali vertikalno divergentni snop IC diode od ±3° sabija u usku traku. Tako bi bez leće, na udaljenosti 33 cm, visina snopa (svjetlosnog traga) bila oko 35 mm, dok se sa lećom isti sabija na oko 3 mm što daje faktor pojačanja od oko 11,5. Time leća intenzitet ozračenosti senzora povećava na 2,32 mW/cm2.

Za prijemne senzore koristimo foto-diode SFH 213FA koje su upravo i dizajnirane za rad sa IC diodama SFH 4550. Osjetljivost SFH 213FA iznosi tipično 135 µA pri 1 mW/cm2 (uz napon napajanja 5 V). To znači da će generirana foto struja pri osvjetljenju 2,32 mW/cm2 biti 313 µA. Ova struja stvara pad napona od 5 V na otporniku 16 kΩ.

Ako je ovaj proračun točan, senzor bez problema ulazi u zasićenje osvijetljen ovakvim sistemom. Zasićenje svakako želim izbjeći jer se tu značajno usporava vrijeme reakcije senzora. Stoga pad napona moram držati na oko 4 V što odgovara otporniku od 15 kΩ. Sa tim otpornikom bi vrijeme reakcije bilo 132 ns (foto-diode u inverznom spoju), dok bi u zasićenju vrijeme odziva bilo deset puta duže (1000-1500 ns).

Vrijeme odziva od 132 ns nije problem za metak duljine 5 mm koji leti brzinom 300 m/s jer njemu za prolaz zavjese treba vrijeme od barem 16,6 µs. Teoretski, sustav bi mogao detektirati metak duljine 5 mm koji leti brzinom 38462 m/s što je Mach 113

Naravno, postoji i problem. Iz praktičnih razloga ovdje bi trebalo koristiti leću sa što manjom žarišnom duljinom, tipično od 10 mm do najviše 50 mm. Međutim, kod tako kratkih žarišnih daljina opet dolazi do problema sa finim poravnanjem fokusa. Za naš projekt svjetlosne zavjese, ako koristimo leću sa žarištem 12 mm, pomak izvan žarišta od 0,091 mm već će uzrokovati pomak čitave svjetlosne zavjese za 2,5 mm čime će ona potpuno promašiti senzore. Za leću žarišta od 50 mm pomak van fokusa od 0,38 mm uzrokovao bi isti problem. Iako bi jednu leću bilo lakše namjestiti od 128 lasera i dalje ostaje problem mogućih kasnijih deformacija.

Kombinacija linijskih lasera i linearne Fresnelove leće

Već smo spomenuli linearnu Fresnelovu leću koja bi se mogla koristiti za vertikalno fokusiranje IC snopa. Međutim, ta leća ništa ne pomaže glede kolimacije (paralelnosti) svjetla. Rješenje bi mogla biti vertikalna „polarizacija“ leće, odnosno zakretanje iste za 90°. Kad bi se Fresnelova leća postavila okomito umjesto vodoravno na liniju lasera, ona bi djelovala kao kolimator svjetlosti duž cijele svoje širine. Takva leća ne bi davala nikakvo pojačanje svjetla ali u kombinaciji sa snažnim laserima to nije neki problem.

Nakon što sam istražio što se i po kojoj cijeni uopće može nabaviti, došao sam da zaključka da ovdje opet nema idealnog rješenja. Svako rješenje traži neke svoje kompromise, bilo po složenosti optičkog sistema ili po cijeni koštanja istog.

Skica prikazuje jedan teoretski idealan optički sustav za dobivanje kolimirane svjetlosne zavjese. Sustav je jednostavan i sadrži samo dva elementa koje potrebno optički podesiti. Dobiva se gotovo posve paralelna svjetlosna zavjesa. Međutim, postoje i neki kompromisi.

Što se tiče izbora linijskog lasera, postoje tri razine kvalitete:

Jeftini kineski linijski laserski moduli sa plastičnim hologramskim filtrom (Diffractive Optical Element – DOE). Ovi laseri često stvaraju crtu koja se sastoji od niza sitnih točkica i mogu stvarati puno okolnog parazitskog svjetla (aureole).
Linijski laseri sa cilindričnom lećom. Stvaraju crtu nejednakog intenziteta, ona je najjača u sredi, a blijedi prema krajevima.
Linijski laseri sa Powellovom lećom. Dobiva se vrlo ujednačena i čista laserska crta. Powellove leće je moguće kupiti i zasebno.

Što se tiče cijena linijskih lasera, najjeftiniji se mogu nabaviti za 20-tak eura, a oni kvalitetni sa Powellovom lećom idu od 120 eura na više. Linijski laseri se standardno prodaju za kutove zračenja od 5°, 15°, 30°, 45°, 60°, 90°, 110° i 130° i snage od 0,5, 1, 5, 10, 30, 50, 100 i 150 mW.

Što se tiče izbora Fresnelove leća, one se mogu nabaviti u različitim veličinama, međutim niti jedna nije savršena za naš projekt.

Ovdje sam izvadio tipične veličine i cijene linearnih Fresnelovih leća. Može se primijetiti da na cijenu ne utječe samo veličina leće, nego i veličina fokusa za koju su napravljene. Što je leća veća, a njezin fokus kraći, to je i cijena leće veća. Postoji određeni odnos veličine i fokusa do kojeg se fizički može napraviti linearna Fresnelova leća. Za našu širinu zavjese od 260 mm, u obzir dolaze samo leće širine 300 mm (slijedeća manja širina je 200 mm). Međutim, problem je što minimalni fokus za leću širine 300 mm mora također biti barem 300 mm (fizički je nemoguće postići manji fokus). To znači da linijski laser mora biti udaljen 300 mm od aktivne zavjese što više nego dvostruko povećava ukupne gabarite mete, a to sa sobom nosi probleme dizajniranja zaštite od udarca projektila.

Postoji mogućnost optičkog skraćenja fokusne duljine preko sistema zrcala ili preko dodatnih leća. To su naravno novi elementi za fino podešavanje. Ako želimo da okvir mete ne bude širi od 10 cm, trebalo bi barem 4 zrcala da se kompenzira duljina od 30 cm, a to je prilično složen optički sistem za samogradnju.

Kod sistema zrcala trebalo bi ugraditi i fino podesiti najmanje tri zrcala. Na višestrukom prelamanju svjetla na zrcalima bi se svakako izgubilo oko 15% intenziteta svjetla. Bilo bi dobro koristiti zrcala sa što tanjim staklom da bi se izbjegle neželjene refleksije i veliko prigušivanje svjetla. Sistem treba dobro zaštiti od prašine jer ona prilično raspršuje vidljivo svjetlo, a još više IC zračenje. Najbolje je koristiti zrcala koja imaju reflektirajuću površinu na prednjoj strani (koriste se u skenerima i laserskim pisačima) no ona su još više osjetljiva na prljavštinu i ogrebotine. Iako bi u kućnoj radinosti bilo moguće dizajnirati kućište optike za 3D ispis i ugraditi jednostavne mehanizme finog podešavanja, to je i dalje prilično zahtjevno rješenje za realizaciju.

Više lasera, više leća …

Za izbjegavanje zrcala i velikih fokusa, mogli bi koristiti više Fresnelovih leća manjih dimenzija i manjeg fokusa. Iz tablice se vidi da bi to mogle biti dvije leće 300×130 F50 mm ili tri leće 300×100 F40 mm. Dužina od 300 mm je ovdje daleko veća od potrebne, nama je dovoljna uzdužna širina od 1 cm. To znači da bi se iz jedne leće moglo izrezati na desetke onakvih kakve su nama dovoljne, no rezanje akrilnih (plastičnih) leća može biti također problematično. Ako se izrezani rubovi dobro ne obrade, na njima mogu nastati parazitske refleksije i druga neželjena optička prelamanja.

Naravno, za svaku Fresnelovu leću potreban je i zaseban linijski laser koji sada osim savršeno poravnat u fokus također moraju biti i ograničen u širini snopa. Linija s jednog lasera ne smije prelaziti na susjednu leću, dakle potrebno je kreirati tri posve nezavisna optička sistema poravnata u jednoj liniji.

Linijski laseri dolaze u veličinama 40-45 mm te ih je i dalje teško ugurati u neki optički okvir ukupne širine 100 mm, pogotovo što je potrebno osmisliti i neki sistem prihvata i finog podešavanja.

Također, kako smo već uvjerili kod IC dioda i lasera, jeftina kineska optika često može biti posve neupotrebljiva za neke projekte. Tko zna kakve su kvalitete (relativno) jeftine kineske Fresnelove leće i kako će kolimirati svjetlost, posebno na samim rubovima. Ovo ipak nisu precizne i kvalitetne optičke leće, nego jednostavni plastični usmjerivači svjetla za ambijentalnu rasvjetu i solarne kolektore. Mogu opet potrošiti stotinjak eura (ili nekoliko stotina eura) na linijske lasere i Fresnelove leće i opet utvrditi da se iz toga ne može napraviti ništa korisno.

Čak i najbolje Fresnelove leće dobro rade samo ako je izvor svjetla (laser) poravnat točno u fokus leće. Kod vertikalno polarizirane leće tolerancija na grešku je svakako veća nego kad se leća koristi horizontalno. Tu se tolerancija od 0,09 mm kod horizontalne leće bez problema povećava na barem 2-3 mm.

Kad bi si baš htjeli zakomplicirati život mogli bi prvo koristiti vertikalno polariziranu leću za kolimaciju svjetlosti, a nakon nje horizontalno polariziranu leću za pojačanje svjetlosti. Ne želim ni zamišljati kako bi bilo podesiti takvu optiku u kućnoj radinosti.

Što dalje …

Koju god ideju želim razraditi stvari se ubrzo počinju komplicirati. Nakon iskustva sa laserima, doista ne želim ulagati sredstva i vrijeme u optičke leće. Možda bi i uspio sve namjestiti u kontroliranim uvjetima ali naša meta mora izdržati grube vremenske i terenske uvjete, a to nije baš dobro okruženje za vrlo preciznu, osjetljivu i složenu optiku.

Vraćam se na početak priče i testove sa IC diodama. Ovaj put čekam kvalitetne IC parove SFH 4550 / SFH 213FA i nadam se poboljšanju u odnosu na generičke parove koje će svjetlosnu zavjesu učiniti upotrebljivom.

IC parovi SFH 4550 / SFH 213FA

Testovi sa kvalitetnim IC parovima

Testovi sa kvalitetnim IC parovima SFH 4550 / SFH 213FA, kratko rečeno, nisu prošli dobro. IC diode SFH 4550 istina imaju daleko jače zračenje od generičkih IC dioda, no to im je ujedno prednost i nedostatak. Prednost je što IC diode SFH 4550 na udaljenosti 33 cm mogu potpuno otvoriti senzore. Međutim, zbog jačeg zračenja jače je i prodiranje svjetla na susjedne senzore, tako da svjetlosna zavjesa sa ovim diodama u konačnici ima lošiji odraz sjena od generičkih IC dioda. Sa generičkim IC diodama smo imali upotrebljivu 2/3 površine zavjese, a sa jačim SFH 4550 diodama upotrebljivost zavjese pada 1/2 površine.

Nadalje, dijagram zračenja IC dioda SFH 4550 nije onakav kakav smo očekivali. Iako je kut zračenja doista uzak (deklariranih 3°), projekcija intenziteta na 33 cm udaljenosti umjesto jednoličnog kruga opisuje svojevrsni pravokutnik dimenzija 3×3 cm (oblik IC čipa).

Zračenje u obliku segmentiranog pravokutnog okvira IC dioda SFH 4550.

Kao što se vidi na snimkama IC kamerom, najjači intenzitet zračenja čak i ne projicira čisti pravokutnik nego svojevrsne segmente koji opisuju pravokutni okvir. Time je u samom središtu intenzitet IC zračenja zapravo najmanji, a za naš projekt bi intenzitet u središtu trebao biti najveći. Nadalje, oko tog pravokutnog okvira širi se aureola sporednog zračenja promjera oko 11 cm.

Kada se diode sa njihovim opisanim oblicima zračenja poslažu u paralelne linije, dobivamo intenzivne maksimume zračenja na preklapanju bočnih stranica pravokutnog zračenja i minimume između njih. Jednostavno rečeno, zračenje je najjače na mjestu gdje bi trebalo biti najslabije i obrnuto, zračenje je najslabije na mjestu gdje bi trebalo biti najjače. Nadalje, slično kao kod lasera, postaje i neke interne nesavršenosti u geometriji samih IC dioda tako da će svaka dioda zračiti pod nešto drugačijim kutom, tako da centri zračenja na 33 cm udaljenosti mogu odstupati do 1,5 cm. Ovo je manje odstupanje od generičkih lasera, međutim dovoljno da posve poremeti paralelnost svjetlosnih linija u mreži. Stoga bi i ovdje svaku diodu pojedinačno trebalo podesiti po pravcu i visini. Osim toga, potrebno im je fokusirati zračenje da se smanji neželjen utjecaj na susjedne senzore te da se poništi ona „crna rupa“ u sredini zračenja.

Generičke diode emitiraju slabo zračenje pod širokim kutom, međutim to zračenje do senzora obično dolazi u obliku jednoliko osvijetljenog kruga. Ipak, kod nekih loših dioda umjesto kruga se dobiva oblik „krafne“ što stvara slične probleme kao i oblik pravokutnog okvira kod SFH 4550.

Zračenje u obliku “krafne” nekih generečkih IC dioda na udaljenosti 33 cm.

Široki kut zračenja donekle oprašta greške s točnim optičkim poravnanjem dioda po paralelnim osima, međutim detekcija sjene je vrlo upitna na polovici zavjese bliže IC diodama. Kad je predmet bliže IC diodama on zaklanja svjetlo samo sa jedne diode, no dvije ili tri susjedne diode svojim bočnim zračenjima daju dovoljno svjetla da i taj pripadajući senzor drže otvorenim. Bočno zračenje se mora ograničiti dodatnim lećama, optičkim tunelima ili rupičastim maskama. Leće bi bilo vrlo teško nabaviti i precizno podesiti, pa ostaju mehaničke metode. Međutim, za to moramo u prvom redu imati zračenje koje projicira homogeni oblik sa najjačim intenzitetom u sredini i svi elementi zračenja moraju biti poravnati u paralelnim osima.

S praktične strane gledano, čini se da je na kraju jedina prednost IC dioda pred laserima možda njihova trajnost. Glede toga, ostavio sam 64 lasera da svijetle 24 sata i u tom vremenu ni jedan laser nije pregorio, niti im se smanjio intenzitet zračenja. Također, zagrijavanje je bilo zanemarivo. Razlog tome je što je ovdje dovoljna puno manja struja lasera (oko 12 mA) od maksimalno deklarirane. Čini se da ni trajnost ne bi bila veliki problem kod upotrebe jeftinih generičkih lasera.

Ukoliko svakako želim izbjeći korištenje optičkih leća, onda će mehaničko podešavanje lasera zapravo biti manji problem od mehaničkog podešavanja IC dioda u kombinaciji sa svjetlosnim maskama. Svakako je lakše defokusirati lasersku točku sa 3 mm na 10 mm, nego fokusirati IC zračenje sa 30 mm na 10 mm. Generalno gledano, svaki kut zračenja koji projicira svjetlosnu aureolu promjera većeg od 10 mm stvara ozbiljne tehničke probleme za suzbijanje „parazitskog“ zračenja na susjedne senzore.

Nadalje, koje god IC diode koristili (jače ili slabije), za svaki senzorski kanal moramo koristiti brzi komparator (MCP 6561, MCP 6562, MCP 6564) jer uz sve mehaničke filtre koji su potrebni nećemo dobiti ni dovoljno jak ni dovoljno konstantan naponski odziv na senzoru. Ovih problema nema sa laserima.

Preostaje mi jedino još pokus sa jednim linijskim laserom i linearnom Fresnelovom lećom. S obzirom na problem dugačkih fokusnih duljina širokih leća, sada već ozbiljno razmatram o smanjenju čitave mete sa 260×260 mm na 130×130 mm. Ovo bi više nego dvostruko smanjilo sve probleme na koje sam naišao u dosadašnjim testovima.

Kao što sam već napisao, sve što sam mogao razviti na eksperimentalnim pločicama je došlo do svojih granica i sada moram početi montirati komponente na namjenske tiskane pločice. Prvo sam u KiCadu osmislio univerzalni dizajn tiskanih pločica za sve kombinacije elemenata svjetlosne zavjese. Pločice su dizajnirane da ne prelaze širinu od 4 cm jer želimo da dubina okvira mete bude što manja. Tako će projektili u silaznoj putanji manje pogađati unutrašnji okvir mete. Stoga će se pločice sa senzorskom elektronikom nastavljati jedna na drugu u „sendvič“ modulima.

Na prvu pločicu se mogu montirati IC diode, IC senzori ili pak laseri. Ostavljeni su ženski konektori za svaki senzor u koji se lako utaknu LED diode za brzu opću dijagnostiku rada senzora, privremeni otpornici različitih vrijednosti za ispitivanje foto-struje ili se utakne slijedeća pločica sa trajnim pull-down potenciometrima ili fiksnim otpornicima. Ista pločica se može koristiti za odašiljačku i senzorsku stranu.

Ovo je testna senzorska pločica ukoliko se koristi izvor sa linijskim laserom i linearnom Fresnelovom lećom. U tom slučaju je svih 64 senzora u jednom redu.

Na drugu pločicu se mogu trajno montirati pull-down potenciometri ili fiksni otpornici za senzore i sa nje vode gotove senzorske linije. Ako bude potrebe, na ovu pločicu se može nastaviti pločica sa komparatorima. Na kraju dolazi pločica sa CPLD, ESP32 i LoRa modulom koju još moram dizajnirati kad završe svi testovi.

U novoj fazi razvoja senzora za elektroničku metu osmislio sam nešto drugačiji dizajn okvira za lasere i foto-diode. Laseri moraju biti optički podesivi i zamjenjivi u slučaju otkaza. Stoga stranice 3D printanog okvira na koje idu laseri sadrže samo kanale u koje će se umetati uložak sa laserima.

Lemljenje i podešavanje geometrije svakog lasera je čak prošlo brže, bolje i lakše od očekivanog. No, kako to obično biva, čim riješiš jedan problem – pojavi se novih pet.

Ponovno nešto o jeftinim kineskim laserima

Što se tiče jeftinih kineskih lasera, tu treba biti malo oprezan i imati malo sreće. Prva serija lasera koju sam naručio imala je na mjedenom kućištu plus pol napajanja. Međutim, druga serija vizualno potpuno istih lasera ima na mjedenom kućištu minus pol napajanja. Moj dizajn pločice podržava oba sistema tako da to nije problem.

Još jedan problem druge serije, u odnosu na prvu, je u podešavanju fokusa. Kod prve serije fokus se u većini slučaja postiže na početku navoja dok je kod druge serije fokus pri kraju navoja. To znači da ostaje svega 2-3 navoja prije nego se dio sa lećom potpuno odvoji od ostatka tijela lasera. S obzirom da se dva dijela tijela lasera drže na samo 2-3 navoja to je već klimav spoj i ako se malo pritisne laser navoj lako iskoči i fokus se opet poremeti.

Ovdje je stoga potrebno prvo podesiti fokuse na željenu daljinu, a zatim pokretni dio tijela sa lećom trajno fiksirati ljepilom ili nečim sličnim kako bi ostao čvrst i postojan spoj.

Ponovno o naponima napajanja svjetlosne zavjese

Glede napona napajanja, idealno bi bilo senzore napajati sa 3,3 V jer se onda ni u kom slučaju na CPLD čipu ne može pojaviti napon veći od 3,3 V. Međutim, teorija kaže da bi vrijeme odziva (rise time/fall time) bilo nešto sporije na 3,3 V u odnosu na 5 V ili 10 V napajanja jer se interni kapacitet diode mijenja sa naponom napajanja.

Napon foto dioda nije problem povećati (maksimalni nominalni napon za foto diode SGPD5086R6 je 30 V), no kod većeg napajanja postoji mogućnost da kod proboja foto-diode ili sličnog kvara na I/O pinove CPLD-a dođe preveliki napon (preko 3,3 V) i uništi ga. Trebali bi ugraditi zaštitne diode (dvostruke Schottky diode BAT54S ili slične), a to za 128 kanala opet komplicira PCB, usložnjava montažu i podiže cijenu potrebnog materijala.

Grafikoni iz tvorničkih specifikacija foto diode SGPD5086R6 pokazuju kako se mijenja unutrašnji kapacitet diode u odnosu na napon napajanja i kako se mijenja vrijeme odziva u odnosu na katodni otpornik. Jasno se vidi da je na nižem naponu napajanja unutarnji kapacitet diode viši što rezultira sporijim vremenom odziva diode. Također, što je katodni otpornik veći, povećava se RC konstanta sa unutarnjim kapacitetom diode, što opet rezultira sporijim vremenom odziva diode.

Zašto se interni kapacitet svake diode mijenja u ovisnosti o naponu na terminalima diode?

To se događa zbog promjene širine osiromašenog sloja (depletion region) unutar p-n spoja fotodiode. Fotodioda, kao i bilo koja druga dioda, možete se zamisliti kao pločasti kondenzator. Ploče su vodljivi p i n slojevi, a osiromašeni sloj između njih u kojem nema slobodnih nosilaca naboja i koji je stoga nevodljivi, može se promatrati kao izolator (dielektrik).

Kada povećamo napon (npr. s 3,3 V na 10 V), električno polje “odguruje” slobodne nosioce naboja dalje od spoja. To uzrokuje da se osiromašeni sloj proširi, a samim time se poveća razmak između vodljivih slojeva (ploča). Kapacitet kondenzatora je obrnutno je proporcionalan razmaku između ploča. Zato na 10 V imamo manji kapacitet (8 pF) nego na 3,3 V (13 pF). Manji kapacitet znači da se on brže isprazni kroz katodni otpornik, što rezultira bržim vremenom odziva.

Kapacitivne diode (poznate i kao varaktorske ili varikap diode) konstruirane su specifično da maksimalno iskoriste opisani fenomen promjene kapaciteta. Kod njih će ista promjena napona uzrokovati puno veću promjenu kapaciteta. Kod kapacitivnih dioda dizajniranih za AM/FM radio prijemnike, kapacitet može pasti s 500 pF (pri 1 V) na svega 30 pF (pri 25 V).

Idemo na testove

Tražimo dakle kombinaciju katodnog otpornika i napona napajanja foto-diode koja daje najbolji odziv za daljnje pouzdano prepoznavanje promjene logičkih stanja. Također, svakako bi ukupno vrijeme odziva bilo dobro zadržati ispod 500 ns.

Tablica prikazuje rezultate mjerenja za 3,3 V logički sistem (sigurna logička jedinica na 2,9 V) i 5 V logički sistem (sigurna logička jedinica na 4,5 V). Povećanjem napona se smanjuje kapacitet i time brzina diode. Međutim, da bi se dobio isti logički nivo ili iskoristio veći napon napajanja, mora se povećati katodni otpornik. Povećanje otpora pak gotovo potpuno poništava dobitak koji se dobije smanjenjem kapaciteta.

Isto tako, vidi se da je potrošnja struje foto-dioda kod oba sistema (3,3 V i 5 V) podjednaka. To je i za očekivati jer potrošnja struje u ovom sustavu ovisi isključivo o intenzitetu laserskog svjetla, a ne o naponu napajanja (sve dok je dioda u fotokonduktivnom režimu).

Stoga se čini da je 3,3 V sustav najbolji odabir jer je najjednostavniji za izravno spajanje na CPLD, nema potrebe za zaštitnim diodama na ulazu CPLD-a, neće se stvarati nepotrebna toplina na većim otpornicima, a u konačnici nema nekih značajnih razlika u brzini odziva i potrošnji struje.

Praktično mjerenje brzine odziva

Pouzdano mjerenje vremena odziva nije lako napraviti za sustave koji su ovako osjetljivi na kapacitet. Iako moj osciloskop bez problema mjeri brzine reda nano-sekunde, da bi mjerenje bilo točno, potrebno je kompenzirati bilo kakav parazitski kapacitet i induktivitet koji mogu unijeti mjerni kablovi, konektori, spojevi, sam osciloskop i drugi elementi mjernog kruga. To onda uključuje upotrebu posebnih mjernih sondi, kompenzacijskih elemenata i vrlo pažljivo spajanje čitavog mjernog kruga, odnosno upotrebu mjerne opreme koja nije baš cjenovno pristupačna.

Prvo preliminarno mjerenje sam izveo posve „neuredno“ sa dugačkim standardnim kablovima, grubo podešenom sondom i uz korištenje protoboarda koji sam po sebi unosi značajan parazitski kapacitet. Napajanje, mase i signali priručno su povezani krokodil štipaljkama. Izmjereni rezultati su sukladno tome bili vrlo loši sa vremenima odziva i preko 20 µs. U drugom mjerenju sam skratio kablove (koliko je bilo moguće), izbacio protoboard i poboljšao spojeve te dobio oko 40% bolje rezultate.

Na prikazanim rezultatima mjerenja brzine odziva jasno se vidi kako je odziv brži što je napon napajanja diode veći. Brzine rastu dva do tri puta ako se napon sa 3,3 V poveća na 10 V. Međutim, rezultati mjerenja pokazuju brzine koje su još uvijek daleko sporije od očekivanih.

Rise i fall time samog pravokutnog napona kojim se napaja laser iznosi 35/42 ns u prvom slučaju, odnosno 12/12 ns u drugom urednijem mjernom krugu. Ovo onda svakako nije krivac za vremena odziva koja dostižu 10 µs, pa i preko 20 µs. U same foto diode također ne možemo sumnjati jer odstupanje ne može biti puno veće od deklariranih 120 ns.

Problem same laserske diode

Da bi laserska dioda počela zračiti lasersku zraku, prvo mora preći struju praga (threshold). To znači da će na nižim naponima (strujama) raditi kao obična LED dioda (spontana emisija), a tek povećanjem napona iznad određenog praga dolazi do laserskog efekta. Ovo kašnjenje može biti reda µs, no općenito gledano ako paljenje i gašenje lasera iz bilo kojeg razloga nije dovoljno brzo onda će se to svakako odraziti i na brzinu odziva kojeg mjerimo na foto-diodi.

Kako bi kompenzirao moguće kašnjenje u paljenju lasera koje ide od 0-5 V, podigao sam donju razinu pravokutnog napona napajanja lasera (DC bias) tako da se laser nikad potpuno ne gasi, nego samo mijenja intenzitet zrake u stalnom laserskom modu rada. Ovo je zapravo bilo prilično teško namjestiti jer već koristim laser na graničnoj struji paljenja.

Stoga sam se odlučio za sigurniju opciju, a to je zamjena lasera običnom crvenom LED diodom. LED diode, ovisno o tipu, mogu imati vrijeme paljenja u rasponu 2-500 ns (tipično do 100 ns) što je svakako dovoljna brzina da se vidi da li problem u laseru.

Dio kašnjenja uzrokuje laser

Na običnoj crvenoj LED diodi brzina odziva se skraćuje sa 10,3 µs na oko 600 ns. U tih 600 ns je uračunato kašnjenje zbog strmina pravokutnog napona napajanja, odziva LED diode, kapaciteta kablova, katodnog otpornika, te napona napajanja i odziva foto-diode. Ovo je dobar pokazatelj da bi sustav mogao raditi prema teorijskim proračunima.

Međutim, test sa LED diodama nisam mogao provesti u potpunosti, odnosno nisam mogao izmjeriti kako se vrijeme odziva mijenja sa porastom napona napajanja foto-diode. Naime, LED diode daju neusporedivo manji intenzitet svjetla od lasera što utječe na način rada same foto-diode.

U našem slučaju, pad napona na otporniku od 3,3 kΩ je svega 0,2 V što znači da svjetlost iz LED diode generira samo oko 60 µA struje na foto-diodi. S obzirom da je struja koju generira foto-dioda proporcionalna isključivo intenzitetu svjetlosti, a ne naponu kojim se napaja, onda ovdje podizanje napona napajanja ne mijenja gotovo ništa glede napona na otporniku i glede vremena odziva diode.

Mjerenje je pokazalo da napon od 0,2 V na otporniku 3,3 kΩ ostaje gotovo nepromijenjen kada je dioda posve bez napajanja (fotonaponski režim rada) i kada se napaja naponom 3,3 – 10 V (fotokonduktivni režim rada). Napon na otporniku može jedino povećati jači intenzitet svjetla kojom se osvjetljava foto-dioda. Isto tako, u svim uvjetima brzina odziva ostaje praktično nepromijenjena (600 ns) ili se poveća na nekoliko µs.

Razlog ovome je premala foto-struja diode s jedne strane i preveliki parazitski kapaciteti mjernog kruga s druge strane. LED dioda je u našoj primjeni slab izvor fotona te stvara malo nosioca naboja (elektrona) u foto-diodi, a mali broj elektrona stvara malu foto struju (60 µA). Povećanje napona napajanja sa 3,3 V na 10 V ne može “izvući” više struje iz diode jer jednostavno fali elektrona, odnosno nema dovoljno fotona koji bi stvorili nove elektrone.

Mala struja ne može dovoljno brzo napuniti sve kapacitete u mjernom krugu i na osciloskopu se vidi značajno kašnjenje odziva.

Parazitski i interni kapaciteti elementa mjernog kruga

Kada sam „očistio“ mjerni krug koliko je to bilo moguće, preostala su tri glavna kapaciteta u mjernom krugu:

interni kapacitet foto-diode SGPD5086R6, prema tvorničkim specifikacijama cca 12 pF na 3,3V i 8 pF na 10 V
interni kapacitet mjerne sonde osciloskopa, prema tvorničkim specifikacijama 85-125 pF na x1 i 14-18 pF na x10
ulazni interni kapacitet osciloskopa Siglent SDS2104X, prema tvorničkim specifikacijama (oznaka na ulaznim priključnicama) 17 pF

Ono što se odmah može primijetiti to je da kapaciteti sonde i osciloskopa uvelike premašuju interni kapacitet same foto-diode. Stoga ovakvim mjernim krugom ne možemo ni očekivati „očekivane“ rezultate.

Mala foto struja ovdje ne treba vrijeme samo za “napuniti” interni kapacitet foto-diode, već treba i nekoliko puta više vremena za napuniti dominantne interne kapacitete sonde i osciloskopa.

Drugim riječima, kapacitet unutar našeg mjernog kruga nije oko 10 pF nego oko 45 pF kad se pribroje kapaciteti sonde i osciloskopa. Za četiri ili pet puta veći kapacitet svakako je potrebno i isto toliko više vremena za punjenje i pražnjenje. Dovoljno je da samo malo pomaknem LED diodu pa da intenzitet svjetla dodatno padne, a time se redoslijedom kako smo opisali u konačnici izmjereno vrijeme odziva na osciloskopu odmah značajno poveća.

Zaključak mjerenja odziva foto diode

Kod mjerenja pomoću lasera očito je da nastaju određena kašnjenja (reda nekoliko µs) u samom procesu paljenja i gašenje lasera. Na ovo kašnjenje lasera otpada veliki postotak ukupnog kašnjenja te je time uz pomoć lasera onemogućeno mjerenje stvarnog odziva foto-diode.

Kod mjerenja pomoću LED diode, kombinacija slabe foto-struje i velikog (dominantnog) parazitskog kapaciteta elemenata mjernog kruga opet onemogućava točno mjerenje odziva naše foto diode. Ipak, rezultati od 600 ns jasno pokazuju da je stvarna brzina vrlo blizu teoretskih 120 ns, odnosno pet puta veća vrijednost odgovara pet puta većem kapacitetu koji u mjerni krug unosi osciloskop i sonda.

Kada foto-dioda nije priključena na napajanje ona se ponaša kao mala foto (solarna) ćelija koja pod utjecajem svjetlosti proizvodi vlastiti napon. To je fotonaponski režim rada diode. U našem slučaju, osvijetljena laserom foto-dioda na otporniku 3,3 kΩ stvara pad napona od 500 mV, a dok je osvijetljena LED diodom taj napon je oko 200 mV.

Kada se foto diodi doda napon (3,3 V – 10 V), ona radi u fotokonduktivnom režimu. Kod slabog osvjetljenja (LED), broj generiranih parova elektron-šupljina je toliko malen da povećanje električnog polja (veći napon) ne donosi mjerljivo brže prikupljanje naboja. Jednostavno nema dovoljno “materijala” da bi se osjetila razlika u brzini protoka. Laser s druge strane stvara puno naboja. Tamo jače električno polje (10 V) doslovno “ispucava” te naboje van, što rezultira vidljivim smanjenjem vremena odziva na osciloskopu.

Ponovno o problemu razlučivosti svjetlosne zavjese

Iako smo ovaj problem spominjali ranije, sada se mogu izvesti neki praktični testovi glede razlučivosti same svjetlosne zavjese. Naime, ako metak kalibra 4,5 mm ili čak 5,5 mm preleti točno između dvije zrake (na međusobnom razmaku 4 mm) one posve sigurno neće biti potpuno prekinute čime na senzore i dalje dolazi određena količina laserske svjetlosti.

Do sada smo optimizirali sistem koji najbolje odgovara čitavom projektu, a odabrani sistem od 3,3 V je vjerojatno najbolji i za osjetljivost senzora jer reagira na najmanje promjene napona.

Logičke granice okidanja

Za Altera MAX II EPM570 CPLD na 3,3 V, logičke granice okidanja za Schmitt trigger ulaze su slijedeće:

Gornji prag – prijelaz iz 0 u 1: tipično oko 1,6 V do 1,9 V
Donji prag – prijelaz iz 1 u 0: Tipično oko 1,0 V do 1,2 V
Histereza: obično iznosi oko 0,6 V do 0,8 V.

Naš cilj je da pri sječenju zrake napon padne ispod donjeg praga okidanja. Ako laser drži ulaz na 2,9 V, a sjena metka ga spusti samo na 1,5 V, CPLD neće registrirati prekid jer nije pređen donji prag (1,0 V – 1,2 V). Tek kada napon padne ispod 1 V, interni Schmitt trigger će sigurno prebaciti stanje i RS latch će ga zaključati.

Ukoliko na CPLD-u ne bi koristili interne Schmitt triggere, napon praga bi bio oko 1,4 V (ili oko sredine napona napajanja). Ovo je nešto viši prag, no također je i nešto viša nesigurnost prebacivanja stanja ili čak osciliranja ako napon padne baš na razinu blizu granične vrijednosti. Ova opcija se svakako može isprobati ako test pokaže da dijabola 4,5 mm koja prolazi točno između dvije zrake ne može stvoriti pad napona ispod 1 V.

Testovi kalibara 4,5 mm i 5,5 mm

Kalibar od 4,5 mm ulazi u dvije susjedne laserske zrake sa rubnim širinama od svega 0,25 mm. Također, laseri ne mogu biti baš 100% paralelno poravnati, a i širina (fokus) same laserske zrake se može razlikovati. Stoga smo testove napravili na četiri kanala kako bi rezultat bio pouzdaniji. Testovi su rađeni na slijedećim podešenim pragovima logičkih jedinica:

2,9 V (maksimalan napon za prepoznavanje, a da foto-diode ne uđu u zasićenje)
2,5 V (srednja vrijednost raspona za prepoznavanje logičke jedinice)
2,2 V (još uvijek siguran prag za prepoznavanje logičke jedinice)

Za kalibar od 5,5 mm nema problema ni sa jednim naponom, pad napona je uvijek u rasponu 0-0,9 V. Za kalibar od 4,5 mm smo izmjerili rubne vrijednosti pada napona koje se kreću od 0,8 V do rubnih 1,4 V.

Iz izmjerenih rezultata se može primijetiti da smanjenje napona na foto-diodama ne prati smanjenje napona kod sjene laserske zrake. Iako smo napon logičke jedinice smanjili za 0,7 V, napon sjene je pao samo za 0,3 V. Ovo vrijedi samo za najgore slučajeve, no sa njima moramo i računati.

Jedan od razloga za ovu nelinearnost je činjenica da laserska zraka nije “svjetleći valjak” s oštrim rubovima, već ima najjači intenzitet u samom središtu, koji opada prema rubovima (Gaussova krivulja). Kada dijabola okrzne zraku za 0,25 mm, ona sječe samo vanjski, najslabiji dio te krivulje. Čak i ako smanji ukupna snaga lasera (što smo mi učinili), taj rubni dio zrake i dalje nosi vrlo malo energije u usporedbi s centrom, pa promjena s 2,9 V na 2,2 V ne uzrokuje drastičan linearni pad “sjene”.

Razlike koje smo izmerili (raspon 0,9 V – 1,4 V) potvrđuju da neki laserski moduli imaju širi “struk” zrake, lošiji fokus ili koju desetinku milimetra susjedne zrake nisu posve paralelne. Šira zraka pri sječenju od 0,25 mm gubi manji postotak svoje površine, pa daje viši napon sjene (onih kritičnih 1,4 V). Vjerojatno ne bi bilo loše fokus svih lasera precizno podesiti na najmanju moguću točku, no praksa je pokazala da barem 50% jeftinih lasera nije moguće posve oštro fokusirati.

Mogućnosti

Budući da je 5,5 mm siguran, a 4,5 mm na granici, imamo dvije opcije:

Smanjenje početnog praga logičke jedinice na 2,2 V. Ovdje su sve sjene (0,8 – 1,1 V) ispod ili na samoj granici donjeg praga Schmitt triggera.
Isključiti Schmitt triggere i koristiti standardni CMOS ulaz. Ovdje prag okidanja raste na oko 1,4 V – 1,5 V, što znači da bi čak i najgora izmjerena sjena (1,4 V pri 2,9 V napajanja) bila prepoznata kao logička nula.

Vjerojatno ću koristiti obje kombinacije, smanjenje napona na 2,5 V ili čak 2,3 V te korištenje CMOS ulaza bez Schmitt triggera. Što će u konačnici biti najbolje to može pokazati samo realan test, a CPLD nije nikakav problem reprogramirati i kad čitava meta bude sastavljena.

Rezime

Uloženo je puno vremena, truda, istraživanja i testiranja kako bi se pronašlo najbolje praktično rješenje za konstrukciju svjetlosne zavjese za elektroničku metu. Zahtjevi nisu baš bili skromni:

polje detekcije: 260×260 mm
brzina detekcije: mogućnost detekcije najkraćih dijabola i najbržih puščanih zrna (>1500 m/s)
razlučivost: svi kalibri od 4,5 mm na više
preciznost: bolja od 4 mm
robusnost: otpornost na sve vanjske utjecaje
dimenzije: minimalne moguće, prednja širina vanjskog zaštitnog okvira do 10 cm (sa detekcijom udara zrna u okvir), dubina okvira do 5 cm.

Maksimalna brzina koju postiže najbrže komercijalno dostupno puščano zrno iznosi oko 1422 m/s, što je rekord koji drži kalibar .220 Swift. Za postizanje ovih ekstremnih brzina koriste se vrlo lagana i tanka zrna, tipično mase oko 1,9 do 2,6 grama i kalibra 5,56 mm. Prosječna dužina takvog zrna iznosi otprilike 17 do 18 mm. Glede mogućnosti detekcije, zrno dužine 17,5 mm pri brzini od 1422 m/s siječe lasersku zraku naše svjetlosne zavjese u vremenu od 12,3 µs.

Zanimljivo je primijetiti kako je ovo sličan izazov kao i detekcija dijabole iz zračne puške (4,5 mm) koja leti maksimalnom brzinom od oko 330 m/s (granica zvučnog zida) i sječe zraku u vremenu od 15,15 µs.

Naš sustav u najgorem slučaju pokazuje brzinu odziva od barem 600 ns, tako da u oba slučaja ima barem 25 puta više vremena nego što mu je potrebno da “vidi” cijelo zrno dok ono prolazi kroz zraku. Time je dizajn s brzinom odziva od 600 ns teoretski sposoban detektirati bilo koje pištoljsko ili puščano zrno na svijetu.

Zašto sam odustao od IC dioda

Da smo projekt razvijali sa IC diodama i IC foto-senzorima šireg kuta zračenja (3° i više) vrlo vjerojatno ne bi uspjeli naći balans između razlučivosti i točnosti s jedne strane te energetske učinkovitosti s druge strane.

IC dioda čak i kad se napaja sa 100 mA struje, ona tu energiju raspršuje u široki stožac. Na udaljenosti od 260 mm, samo mali postotak tih fotona pogađa aktivnu površinu fotodiode. Posebno je bilo loše što su testovi pokazali da je najveća koncentracija zračenja na rubovima stošca, a ne u sredini. Laser s druge strane svu svoju energiju pri samo 15-17 mA šalje izravno u senzor. To omogućuje korištenje manjih otpornika i postizanje većih brzina odziva bez potrebe za pojačalima.

Zbog širokog kuta zračenja IC diode, projektil ne stvara oštru sjenu, već postupan prijelaz. To uzrokuje “preblage sjene” ili polusjene jer svjetlost sa susjednih IC dioda ili s rubova iste IC diode “obilazi” projektil i dosvjetljava senzor. Neki je put sjena sa susjednih IC izvora (pod kutom) jača od sjene iz okomitog IC izvora što rezultira krivom pozicijom detekcije. Kod lasera je zraka posve okomita i rub sjene savršeno oštar.

Sa 100 mA na IC diodi, na udaljenosti od 30 cm na IC senzoru se jedva dobije neki napon, dok laser na 17 mA omogućuje čistih 2,9 V na 3,3 kΩ. To izravno eliminira potrebu za 128 brzih komparatora, što bi prilično poskupilo i zakompliciralo projekt.

Da bi od IC diode dobili zraku sličnu laserskoj, trebali bi 128 preciznih leća savršeno fokusiranih na svaku diodu, koje je teško i skupo nabaviti, a njihova pojedinačna montaža bi bila opto-mehanička noćna mora u usporedbi s jednostavnim usmjeravanjem laserskih modula. Dodavanje optičkih tunela, rupičastih maski i sličnih mehaničkih prepreka (sjenila) za sprječavanje lažnih susjednih detekcija dodatno ograničava količinu svjetla koje pada na foto-senzor i povećava dimenzije okvira jer ti tuneli moraju biti dugački preko 10 cm da bi bili učinkoviti.

Multipleksiranje

Ovdje bi jedino rješenje bilo multipleksiranje optičkih parova tako da ne rade svi u isto vrijeme, nego da se sinkronizirano u jednom trenutku pali samo onaj IC izvor i onaj IC senzor koji u tom trenutku može primiti svjetlo samo sa svojeg izvora.

Ovu mogućnost nisam ni pokušao testirati u praksi jer već i teoretski se može predvidjeti niz problema. U prvom redu, za ovako veliku svjetlosnu zavjesu, multipleksiranje svih 2×64 kanala bi trajalo previše dugo i drastično bi se smanjila brzina detekcije.

Da bi se detektirao projektil koji siječe zraku u trajanju od barem 1 µs, već se ulazi u područje visokih frekvencija koje donosi niz hardverskih problema. Naime, da bi bili sigurni da sustav neće propustiti projektil dok je zraka ugašena, svaka grupa kanala mora se upaliti i očitati barem jednom unutar tih 1 µs. Međutim, prema Nyquistovom teoremu (i sigurnosnoj margini), poželjno je da to bude i brže, barem 2 puta unutar 1 µs.

U najboljem slučaju trebali bi multipleksirati grupe sa svakim 4. kanalom (četiri grupe), a da bi bili posve sigurni od neželjenog svjetla sa susjednih IC izvora dobro bi bilo miltipleksirati grupe sa svakim 6. kanalom (šest grupa). U prvom slučaju svaka grupa ima samo 250 ns da se upali, čime je potrebna frekvencija multipleksiranja od 4 MHz, a u drugom slučaju svaka grupa ima 166 ns, dakle potrebna je frekvencija preklapanja od 6 MHz.

Iako se ove frekvencije ne čine visoke, ipak bi ovo bilo problematično realizirati u praksi. Vidjeli smo da smo kod našeg laserskog sustava uspjeli izmjeriti najbrže vrijeme od 600 ns. Iako je ovo vjerojatno posljedica parazitskih kapaciteta, realno najbrže vrijeme i uz najbolje optimiziran hardver (izvedba poveznih žica sa minimalnim parazitskim kapacitetima) neće biti brže od 200 ns.

Dakle, ako takav sustav multipleksiramo brzinom od 6 MHz (ciklus 166 ns), fotodioda se neće stići ni početi paliti prije nego što je sustav već ugasi i prijeđe na sljedeći kanal. Čak i da se foto-dioda stigne upaliti, u istom vremenu se mora upaliti i pripadajući IC izvor, a on ima još dulje vrijeme paljenja i gašenja. Napon na otporniku pri tim brzinama bi izgledao više kao impulsni šum, a ne kao jasno logičko stanje.

Kod multipleksiranja, IC dioda svijetli samo mali dio vremena (1/4 ili 1/6 ciklusa). Da bi se zadržao isti prosječni intenzitet svjetla na senzoru, morali bi IC diode napajati višim vršnim strujama (pulse current), što bi skratilo njihov vijek trajanja i uvelo golem električni šum u sustav. Naime, čak i da se grupe IC dioda napajaju sa samo 100 mA po diodi, to je preklapanje struja od 1,8 A ili 0,8 A što bi na frekvenciji od 4 ili 6 MHz pretvorilo bi čitav okvir u snažan radio-predajnik koji bi generirao ogromne smetnje u CPLD-u i okolini. Frekvencije od 4 i 6 MHz inače ulaze u kratkovalni radio opseg.

Također, trebalo bi elektronički precizno sinkronizirati paljenje grupa IC izvora sa paljenjem grupa odgovarajućih IC senzora. Svako kašnjenje u sinkronizaciji pri tim brzinama uzrokovalo bi fazni pomak, pa bi senzor očitavao signal dok se IC izvor tek pali ili se već gasi.

Prelazak na lasere bila je kako se čini ispravna odluka za dizajn svjetlosne zavjese. Laserska zraka je dovoljno uska da omogućuje paralelni rad (uvijek upaljeno) bez ikakvog preslušavanja. Time se eliminira potreba za kompleksnom i brzom logikom skeniranja, smanjuju se izvori EM šumova, omogućava se da CPLD trenutno reagira na prekid bilo koje zrake i zaobilazi se potreba za brzim komparatorima, zaštitnim diodama i drugom elektronikom za osiguranje ispravnih logičkih izlaza iz senzora.

Što još treba napraviti

Sada ću nekoliko dana nastaviti testirati i fino podešavati sve lasere, te kad budem zadovoljan, zaliti ću lasere i trajno fiksirati silikonom. Naravno, ne može se upotrijebiti bilo kakav silikon. To mora biti silikon koji ne sadrži nagrizajuće supstance za metal i bakar i koji je kod stvrdnjavanja minimalno steže. Silikon u početnom stanju mora biti što je moguće više tekuć kako bi se lakše ulio i popunio sitne prostore između gustih nožica lasera. U stvrdnutom stanju, silikon ne smije biti previše mekan (kao za kalupe) ali ni previše tvrd tako da se u slučaju potrebe zamjene kojeg lasera silikon može rezati (poput tvrđe gume).

U Hrvatskoj nisam našao silikon koji bi zadovoljio moje zahtjeve, tako da sam isti naručio iz Nizozemske. Oznaka silikona je „AS40 Addition Cure Silicone Rubber“. To je dvokomponentni silikon, pa ćemo vidjeti kako će proći zalijevanje.

Također, sada kada jedna os od 64 optičkih parova radi potrebno je sve isto ponoviti i za drugu os sa također 64 optičkih parova. Iskreno, najviše sam se pribojavao kako ću optički podesiti sve te lasere sa minimalnim tolerancijama, no na kraju je to bio jedan od najlakših poslova oko čitave svjetlosne zavjese. Daleko više vremena treba za pripremiti sve te lasere (zalemiti nožice i osigurati da se ne potrgaju spojevi kod savijanja tijekom podešavanja), a onda zalemiti te lasere na pločice zajedno sa 128 potenciometara, 128 otpornika, 128 foto-dioda i za početak 256 konektora.

Leave a comment Otkaži odgovor