Собираем фотофон

Не всем известно, что Александер Грейам Белл вовсе не считал телефон своим наиболее важным изобретением. Действительно, Белл отдавал предпочтение другому изобретению, которое, как он предсказывал, окажет революционизирующее влияние на средства связи. Белл был одержим идеей передачи голоса при помощи луча света!

Обратившись к Солнцу как к единственному надежному источнику света высокой интенсивности, который был в его распоряжении, Белл попытался использовать его как многоцелевое средство связи. Свое изобретение он назвал фотофоном.

Большую часть последних лет своей жизни Белл провел в безуспешных попытках расширить область применения фотофона. До смерти Белла в 1922 г. фотофон находил лишь ограниченное военное применение.

Как ни странно, его мечта о передаче сообщений с помощью света наконец сбылась более чем через 100 лет после рождения идеи. Нет, мы не используем солнечный свет в сколько-нибудь значительной степени для связи, зато мы научились с помощью энергии солнца возбуждать излучатели, названные лазерами, и направлять лучи лазеров по стеклянному волокну, толщина которого не превосходит толщины волоса.

Все это произошло в один прекрасный день в 1878 г., однако мы забежали вперед в нашем повествовании.

Белла очень интересовали средства связи, о чем свидетельствуют его многочисленные изобретения. Но, кроме того, он восхищался светом, который очаровывал его.

Уже во времена Белла было известно солнечное электричество. Связанные с ним явления впервые наблюдались Эдмоном Беккере-лем в 1839 г., т. е. за 8 лет до рождения Белла. Проводя серию экспериментов по электричеству, Беккерель погрузил два металлических электрода в проводящий раствор и подверг установку воздействию солнечного света. К его большому удивлению, между электродами возникло небольшое электрическое напряжение.

Это открытие прошло в основном незамеченным до 1873 г., когда Уиллоуби Смит обнаружил аналогичный эффект, подвергая воздействию света кусочек селена. Эффект был незначителен, но этот момент следует считать настоящим рождением твердотельных солнечных элементов.

Почему вообще происходили подобные явления? Это было необъяснимо с точки зрения классической физики! Но Белла такие вопросы не волновали. Он был практически мыслящим человеком, и его воображение занимала мысль о создании работающего от света телефонного аппарата. В течение следующих нескольких лет он с огромным интересом следил за медленным прогрессом в области фотоэлектричества и фотоприборов.

В 1878 г. у него зародилась идея фотофона. Работая с селеновыми детекторами, Белл сконструировал и экспериментировал со многими вариантами этого прибора.

Хотя ранние эксперименты были довольно простыми, тем не менее они были успешными. 1 апреля 1880 г. Александер Грейам Белл слушал голос своего помощника Самнера Тейнтера, когда его слова переносились лучом света на расстояние более 200 м. Световое переговорное устройство д-ра Белла стало реальностью.

Именно на этих последовавших один за другим успехах Белл основывал свои предсказания дальнейшего развития техники связи, казавшиеся тогда фантастикой. Например, он был твердо убежден, что в будущем люди будут путешествовать только с помощью света.

Настала эра волоконной оптики, и становится реальностью идея всеобъемлющей связи, впервые высказанная гениальным изобретателем телефона.

Разве не интересно пройти по следам знаменитого изобретателя и заново открыть для себя фотофон? Так давайте сделаем это.

Разрабатывая многочисленные приспособления к фотофону и совершенствуя его конструкцию, Белл заметил, что наиболее чувствительными были приборы, в которых в качестве детектора света использовалось селеновое сопротивление. Разумеется, он работал без электронных усилителей.

Вместо этого для усиления сигналов он использовал фокусирование света. В поисках наилучшей оптической системы Белл сконструировал разнообразные системы линз и зеркал. Один из детекторов Белла состоял из расположенных по кругу селеновых элементов, на которые с помощью собирательной линзы фокусировался свет. В другой конструкции детекторы располагались на цилиндрической поверхности и помещались в фокусе параболического зеркала.

Во всех его устройствах селеновые детекторы соединялись последовательно с батареей и высокоомным телефонным капсюлем. Когда модулированный свет падал на поверхность селена, он вызывал изменение в его сопротивлении, которое преобразовывалось в звуковые волны телефонным капсюлем.

Вы можете легко повторить его ранние эксперименты. Достаньте сначала фотодетектор. Конечно, их сейчас делают не такими, какими привык пользоваться Белл, но фотодетектор модели VT312/2 фирмы Vacte очень похож на белловский. Он представляет собой селеновое фотосопротивление с небольшой примесью кадмия для улучшения характеристик. В нем фактически два детектора. Белл часто использовал несколько детекторов для увеличения чувствительности.

Детекторы соединяются последовательно и помещаются в фокусе параболического отражателя. Подойдет отражатель любого размера, однако, чем больше его чаша, тем больше дальность связи. Посмотрите каталог фирмы Edmund Scientific Co. (7785, Edscorp Bldg., Barrington, NJ 08007). У них имеется богатый выбор параболических и френелевских отражателей.

Детектор можно закрепить в фокусе отражателя с помощью звездообразного держателя, подобного изображенному на рис. 1.

Детектор образует с батареей и высокоомным телефонным капсюлем общую электрическую цепь. Для этой цели подойдет 12-вольто-вая батарея, например автомобильный аккумулятор или несколько батареек для фонарика, соединенных последовательно. Величина напряжения здесь не играет роли.

С другой стороны, телефонный капсюль не так просто найти. Капсюли, используемые в современных телефонах, имеют в отличие от своих предшественников низкое сопротивление и в нашем случае плохо работают. Можно обратиться к радиолюбителям, у которых есть пара старых высокоомных наушников. В крайнем случае они знают, где их можно достать. Как вы понимаете, такие наушники теперь не так популярны, как раньше. Все эти детали, соединенные последовательно, составляют приемную часть фотофона. Теперь дело за передающей частью.

Во многих своих ранних исследованиях Белл не пытался оптимизировать передающую часть фотофона. Свое внимание он сосредоточил на совершенствовании оптоэлектронной схемы приемника. Благодаря этому многие из его ранних конструкций отличаются простотой в лучшем смысле этого слова.

Среди интересных конструкций была металлическая труба диаметром 2,5 см и длиной 5—7,5 см. С одного конца трубы он прикрепил зеркало, как показано на рис. 2. Когда в трубу говорят, звуковые волны заставляют зеркало вибрировать и модулируют свет от источника. Вы можете пойти дальше, заменив жестког зеркало на конце трубки куском металлизированной пленки.

Теперь настал наиболее увлекательный момент — испытание фотофона. Это необходимо делать по крайней мере вдвоем. Пусть ваш друг держит передатчик у рта, встанет лицом к солнцу и подберет такой, угол наклона зеркала передающего устройства, чтобы часть света отразилась на ваше приемное устройство.

В то время как ваш друг говорит в трубку, перемещайте параболический рефлектор до тех пор, пока он не пересечет световой луч и не сфокусирует его на детекторе. Будьте осторожны при наводке рефлектора. Не направляйте приемник непосредственно на солнце, поскольку сконцентрированный солнечный свет может быстро испортить ваш детектор.

Первое испытание проведите на небольшом расстоянии, поскольку малейшее перемещение вашего друга на большом расстоянии весьма значительно сказывается на сигналах, усиливаемых фотофоном, и затрудняет настройку. После настройки слушайте в телефоне голос своего друга.

Имеется несколько способов увеличения дальности действия фотофона. Один из них основан на увеличении размеров параболического отражателя, другой — на усилении сигнала передатчика путем увеличения размеров закрепленного на нем зеркала. Возможно, вам удастся натянуть алюминизированную майларовую пленку на один из концов большой консервной банки.

Можно повысить чувствительность детектора. Вероятно, вам захочется поэкспериментировать с различными светочувствительными элементами, меняя их расположение, как это делал Белл. Изменение напряжения батареи и сопротивления наушника также приведет к изменению чувствительности приемника. Конечно, в схеме фотофона можно использовать современную электронику. Параметром, ограничивающим чувствительность приемника, является выходное напряжение фотодетектора. Наилучший способ увеличить выходное напряжение — это пропустить его через усилитель. На рис. 3 показано, как можно это сделать. Сначала замените фотосопротивление на небольшой солнечный элемент. Он несколько чувствительнее в этих условиях и заведомо менее подвержен порче при попадании прямых солнечных лучей.

Схема /С 1 — предварительный каскад усиления слабого сигнала от солнечного элемента. Элемент связан по переменной составляющей со входом схемы через конденсатор С1. Благодаря такой связи фотоэлектрического элемента можно «отсечь» весь свет, за исключением модулированного.

Резисторами R1 и R2 определяется коэффициент усиления предусилителя, равный отношению величин RI/R2. При увеличении расстояния между передатчиком и приемником значения этих сопротивлений следует изменить.

Однако не устанавливайте коэффициент усиления слишком большим, иначе схема будет самовозбуждаться. Подавить паразитную генерацию можно, подключив емкости параллельно резисторам R2 и R3, но при этом ухудшится частотная характеристика приемника. Изменяя величину R2, необходимо на столько же изменить и величину R3, поскольку величины этих сопротивлений всегда равны.

Сигнал с выхода предусилителя подается на регулятор громкости R4, откуда поступает на оконечный усилитель IC2. Этот усилитель повышает уровень сигнала до значения, необходимого для работы громкоговорителя. Довольно неплохо по сравнению с тем, что было без усилителя.

Изготавливая схему, обратите внимание, что требуются два источника питания, +9В и —9В. Подойдут 9-вольтовые батареи для транзисторного приемника. Однако величина напряжения питания не критична, и можно использовать любые имеющиеся в наличии источники питания в диапазоне 6—15 В.

Улучшить чувствительность фотофона можно, присоединив к передатчику усилитель, схема которого дана на рис. 4. В ней используется тот же интегральный усилитель мощности LM386, что и на рис. 3, однако на его вход подается сигнал с микрофона, а не с солнечного элемента.

Выход усилителя мощности нагружается на небольшой динамик диаметром 5 см, подобный используемому в карманных транзисторных приемниках. Поверх динамика натягивается кусок алюминизи-рованной майларовой пленки. Когда вы говорите в микрофон, ваш голос усиливается и подается на динамик. В свою очередь динамик заставляет вибрировать покрытую зеркальным слоем пленку и модулирует солнечный луч. Чтобы еще более увеличить дальность связи, необходимо увеличить размер динамика, а следовательно, его отражающую поверхность.

Я наблюдал за опытами, в которых небольшие осколки зеркала приклеивались непосредственно к колеблющейся диафрагме динамика. Однако я не могу ручаться за эффективность подобного устройства, поскольку никогда его не испытывал. Вероятно, оно действует? как чашеобразный отражатель.

В процессе совершенствования фотофона Белл и Тейнер нашли более 50 способов модуляции светового луча голосом, в том числе схемы с переменной поляризацией, которые используются в настоящее время в сложных устройствах лазерной связи.

Если вы однажды увлеклись созданием системы оптической связи, трудно затем не думать об этой волнующей проблеме. В поздние годы своей жизни Белл предсказывал ей большое будущее. Проекты оптической связи, начатые опытами Белла, воплощаются в жизнь. К сожалению, проекты изобретателя не были реализованы при его жизни.

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.