Laser-aseman rakennusvinkkejä






Lyhyesti valo – QSO:n merkkipaaluja.

Ensimmäisiä optisia rigejä lienevät olleet nuotiot ja päivällä modulaationa savumerkit, yöllä nuotioita käytettiin merkkitulina. Myöhemmin rakennettiin opasteita ja näillä lihasvoimalla toimivilla linkeillä saatiin nopeasti tietoa siirrettyä mikäli sää salli. Näihin opasteisiin voi tutustua Helsingissä Elimäenkadulla sijaitsevassa Tele Galleriassa.

Alexander Graham Bell ( 1847-1922 ) rakensi valo AM – modulaattorin ( Photophone ) neljä vuotta puhelimen keksimisen jälkeen vuonna 1880. Tässä laitteessa modulaattori koostui pitkästä puhetorvesta jonka päässä oli äänenpaineesta joustava peili johon kohdistettiin talon katosta olevasta reiästä linsillä koottu auringonsäde. Puhetorven edessä oli kokoojalinssi josta moduloitu säde saatiin pimeään naapurihuoneeseen. Valovastaanottimena toimi pala seleeniä josta saatiin signaaliin verrannollinen jännite. Laitteen haittapuoleksi voi lukea että se ei toiminut yöllä eikä pilvisellä säällä. Huomiona vielä että myös Bellin puhelin toimi ilman ulkoista virtalähdettä. / 1 /


Albert Einstein (1879-1955) esitti jo 1917, että olisi mahdollista saada aikaan valon stimuloitu emissio. Ensimmäisen laserin rakensi 1960 Theodore Maiman ( s.1927 ). Charles Townesin ( s.1915 ) ja Arthur Leonard Schawlowin (s.1921) vuonna 1958 tekemien teoreettisten laskelmien pohjalta. Laserin keksimisestä annettiin vuoden 1964 Nobelin fysiikanpalkinto Nikolai Gennadijevitsin Basoville (s.1922), Aleksandr Mihailovits Prohoroville (s.1916) ja Charles Townesille. / 1 /

Vuonna 1963 pidettiin 1-suuntainen puhe amatööri laser- DX välillä W6POP / W6QYY, QRB oli 118 mailia ( 190 km) laserina oli He-Ne ja vastaanottimena 12 tuuman teleskooppi PMT:llä. ( lähde www.k3pgp.org )




1. Elektroniikan pääpiirteet

1.1.1 TX-elektroniikka

Yksinkertainen lähetin syntyy 800 Hz kanttiaaltogeneraattorista ja laserpointterista. Pointterin virrantarve on suuruusluokaa 30 mA Kanttiaaltogeneraattorin voi tehdä esimerkiksi jollain seuraavista klassikoista: 555, 741 tai 386. Piirejä valmistaa ainakin National Semiconductor, kanttitopologiat löytyvät valmistajan datalehdistä ( www.national.com ). Puolijohdelaserit eivät juuri siedä ylijännitettä joten muista jännitevakavointi, lisäksi on syytä muistaa polariteetti, pointtereissa runko on yleensä positiivinen. 555:een perustuvan lähettimen kytkentäkaavio löytyy myös 2/2000 CQ:sta.
CQ:n jutun valokuvia löytyy täältä:www.emn.org.uk/laser.htm#jim.

Pointtereiden rungot ovat yleensä joko alumiinia tai messinkiä, modulin saa parhaiten irroitettua kiinnittämällä pointterin ruuvipenkkiin pattereiden puoleisesta päästä, jonka jälkeen sahaa modulin puoleiseen päähän 90° välein neljä noin 15 mm uraa ja kääntää kärkipihdeillä sardiinipurkin tapaan auki. Älä yritä vetää modulia tongeilla irti runkoputkesta, sovite on yleensä tiukka ja on olemassa vaara että rikot linssin.


Pointtereiden keilanleveydet ovat luokkaa 1-2 mrad ( 2 mrad on ~ 0.12 ° , -> gain on 65 dBi ).

Jos rakennat AM – modulaattorin käytä mielummin virta- kuin jännitemodulointia sillä ylijännitepiikit tappavat laserin. Yksinkertainen AM – modulaattori löytyy K3PGP:n sivuilta, K3PGP modulaattorissa modulointi suoritetaan FET- shuntilla.

1.1.2 Modulin kiinnitys

Lähettimen kiinnitys rigiin on hyvä suunnitella niin että säteen suuntaa voi hienosäätää, vastaanottimen ja lähettimen tulisi olla samassa linjassa, yksinkertaisimmillaan tämän voi tehdä juottamalla modulin piirilevylle ( tai pikaliimalla, toisinaan moduli on alumiinia ), kun ylikuumentaa kuparia se irtoaa sopivasti lasikuidusta / pertinaxista jolloin modulia voi kiilata pienillä kiiloilla esim. vuolluilla tulitikuilla ja kun säteen suunta on oikea, antaa Araldit / joku muu epoksi kylvyn. Suuntauksen voi suorittaa kuuntelemalla omaa sirontaa, matkan tulisi olla niin pitkä kuin mahdollista.


1.2 RX

1.2.1 Antenni

Antenneina vastaanottimissa on käytetty linssiantenneja, edullinen ja tehokas antenni syntyy esimerkiksi suurennuslasista, Biltemasta saa lasisia suurennuslaseja ( halkaisija = 90 mm, taittokyky 5 d ) noin 25 markan hintaan. Linssiantenni sijoitetaan mattamustaksi maalattuun putkeen heijastusten välttämiseksi. Putki voi yksinkertaisimmillaan olla mikä tahansa kartonki putki (viinapullon holkki, julisteputki tms.). Muista ennen putken valintaa mitata linssin polttoväli, PIN-diodi tulee lähes polttopisteeseen eli niin että polttopiste valaisee diodin koko efektiivisen pinta-alan.


1.2.2 RX-elektroniikka


Valovastaanottimella on mukava kuunnella monenlaisia valonlähteitä, savukkeita, IR-kaukosäätimiä ja jopa alussa mainittua nuotiota, hiillosta voi myös AM-moduloida puhallusputken avulla.

Suomalaisten harrastajien keskuudessa OPT 210 valovastaanotin on ollut suosittu. OPT 210 kuuluu Texas Instrumentsin Burr-Brown tuotesarjaan, DIL8 sisältää valodiodin ja FET-etupäisen siirtoimpedanssivahvistimen ( i.e. virta in->jännite out).

K3PGP on suunnitellut herkän ja yksinkertaisen etuvahvistimen
( www.k3pgp.org ), tähän sopii PIN-diodiksi esim. BPW 34, näitä saa mm. Radio Duo:sta. FET:iksi käy täkäläisistä mm. BF244C ( low noise AF-applications ).
Suurin osa PIN-diodeista on herkimmillään IR-alueella joten todella herkän laitteiston rakentaja workkii hieman pidemmillä laineilla, IR-laserin haittapuoliksi voi lukea suuntaamisen vaikeuden,tämän voi tosin kompensoida käyttämällä apulaserina pointteria.

OPT210 ja BPW 34:n herkkyys 650nm:llä on sama 0.45 A/W, tämä ei tarkoita että watin lampulla saa puoli ampeeria, vaan virran suuruus on luokkaa kymmeniä nanoampeereja / lux. Kun arvioit pointtereiden vahvuuksia, muista että silmän herkkyys vaihtelee aallonpituuden funktiona eli et välttämättä voi tehdä päätelmiä beamin voimakkuudesta. PIN-diodien jännite ei myöskään ole lineaarisesti riippuvainen valon voimakkuudesta mutta virta kutakuinkin on.

LOS-yhteyksillä ei IR-herkkyyttä vielä tarvitse, mutta pilvisironnassa siitä on jo apua.

OPT 210 tai K3PGP etuvahvistimen perään tarvitaan vielä audiovahvistin, muista varata audiotehoa riittävästi ( portable- workkijat tietävät miten ääni saattaa olla tuulen viemää jopa kuulokkeista ).

Edellä kuvatut RX:t käyvät MCW:n ja AM:n vastaanottoon.



1.2.3 Suodattimet

Kapea suodatin mahdollistaa päivä-workkimisen. ELFA myy kahta kapeaa suodatinta: 633 ± 10 nm sekä 670 ± 40 nm ( Blocking factor 1:1000 nimellisaallonpituuden ulkopuolella, läpäisysuhde 85-90 % ) hinta on 164 mk/kpl. 633 nm suodin soveltuu HeNe laserilla workkimiseen, HeNe:n aallonpituus on hyvin stabiili 632.8 nm. 670 nm suodin sopii puolijohdelaserille, olen mitannut yhden puolijohdelaserin aallonpituuden hilalla, pituudeksi sain 653 ± ?virhe nm, aallonpituus vaihtelee komponenttikohtaisesti ja on lisäksi lämpötilariippuvainen. Käytännön kokemusta näistä suotimista ei toistaiseksi ole.

Köyhän miehen suotimeksi käy LEE Filters:in tuotevalikoimasta usea kalvosuodin, näitä suotimia käytetään teatteritekniikassa valaistukseen. Allekirjoittaneelta saa ilmaiseksi suodinta 106 Primary Red ( www.leefilters.com ), tämä suodin on ylipäästö tyyppinen ( aallonpituuden funktiona ) 0 % läpäisysuhteella alaraja-aallonpituus on 575 nm ja 20 %:lla alaraja-aallonpituus on 600 nm. Näitä kalvosuotimia voi laittaa useita päällekkäin.

Pimeällä suodinta ei tarvitse mutta kokeiluissa, hämärässä ja taajamassa siitä on apua.


Väri

Aallonpituus nm

Violetti

380…450

sininen

450…490

vihreä

490…560

keltainen

560…590

oranssi

590…630

punainen

630…760


Taulukko 1. ( Lähde MAOL )

MAOL-taulukoiden mukaan silmän suhteellinen väriherkkyys muuttuu hämäryyden funktiona, tämä huomiona internetistä ja ELFA-luettelosta löytyneisiin tietoihin.






2. Mekaniikka


Kuvan piirtänyt OH2KTB



2.1 Lavat & saranat

Suuntausmekanismin lavat voi tehdä vanerista tai alumiinista, alumiinin ainoa etu lienee inerttiys kosteudelle käsittelemättömänä. Sopivia alumiinilapoja löytää romuliikkeistä, mm. Niemen Romussa ( Helsinki / Tattarisuo ) on ollut sopivia valmiiksi sahattuja pätkiä.
Jos päätät tehdä lavat alumiinista niin kerrataan tässä oikeaoppinen kierteenteko joka onnistuu jos käytössäsi on sähköporakone, pora, kierretappi ja ruuvipuristin ( tukeva kiinnitys on metallitöissä aina tärkeää).

Kierteytettävän reiän halkaisija on = kierteen nimellishalkaisija – kierteen nousu [ 1 ]

Nyrkkisääntö poran kierrosnopeudelle kierr./min = 5000 / poran halkaisija mm ; alumiinille voi olla enemmän, sitkeille ( esim. ruostumaton teräs, kupari ) ja koville aineille vähemmän. [ 2 ]

1.Piirroita kappale.

2. Kiinnitä työstettävä kappale tukevasti ja poraa reikä, jos käytössäsi ei ole tolppaporakonetta poraus onnistuu myös tavallisella iskuporakoneella ( muista kytkeä isku pois ), tällöin poran tulee olla hieman pienempi koska käsivaralta tapahtuu myös hieman lastuamista ei halutussa suunnassa ( esim. pora 5 mm -> 4.9 mm ). Kun poraat alumiinia käytä leikkuunestettä jottei poran kärkeen "hitsaannu" ainetta koska tällöin reiästä tulee suurempi ja joudut näkemään turhaa vaivaa poran puhdistamisessa. Alumiinin työstössä paras leikkuuneste on etanoli ( tietyssä lämpötilassa ja paineessa alumiini liukenee etanoliin ) myös mikä tahansa öljy käy.

3. Tee viisteet kappaleen molemminpuolin, viisteen syvyys tulee olla hieman nousua suurempi, jos viisteen jättää tekemättä syntyy kantavaa pursetta. Viisteen voi tehdä käsin tavallisella poranterällä.


4. Muista jälleen leikkuuneste ( paksu vaseliini on OK ) eli rasvaa tappiin ja reikään. Jos et omista tapin vääntiötä, kierteen teko onnistuu myös jakoavaimella. Kun olet saanut tapin lastuamaan suorassa, katkaise lastu jokaisen kierroksen jälkeen ( nyrkkisääntöna kierros myötäpäivään, puolikierrosta vastapäivään) näin säästyt tapin katkeamiselta ja tehtävän kierteen harjan murtumiselta.



Lapojen pituuden mitoitus riippuu suuntausruuvin noususta, joten otetaan käyttöön empiirisesti haettu "lapakerroin". Lapakertoimen tulisi olla vähintään suuruusluokkaa 300, mielummin jopa kaksi tai kolme kertaa enemmän.

Esimerkki: Lavan efektiivinen pituus eli matka saranan keskeltä kohtaan josta ruuvi sitä nostaa on 182 mm, ruuvin nousu on 0.75 mm, käänettäessä ruuvia 5° ruuvi nousee (5/360)x0.75mm=0.01 mm eli "huntin" ammattislangilla. Geometriasta saamme että ideaalinen piste 10 kilometrin päässä nousee puoli metriä. Lapakerroin on 182 / 0.75 = 243. Käytännön kokeilun perusteella tämän voi sanoa olevan minimi kerroin.

lapakerroin m = lavan efektiivinen pituus / suuntausruuvin nousulla [ 3 ]

Sopiviksi saranoiksi käyvät mm. K-Raudasta saatavat kiinalaiset naftit messinkisaranat. On tärkeää että saranoissa ei ole klappia. Osittain mahdollisen klapin voi kompensoida jousilla.




2.2 Suuntausruuvit

Ruuvi on lieriömäinen tai kartiomainen kiinnitys- ja siirtoelin. Ruuvin pintaan muodostettu ruuviviiva muuttaa kiertoliikkeen suoraviivaiseksi liikkeeksi tai päinvastoin. Ruuvin käytön alkuperää ei tunneta. Jo Arkhimedes käytti sen periaatetta vedennostolaitteessaan, ns. Arkhimedeen ruuvissa. Ruuvien ja muttereiden laaja käyttö on johtanut eri kierretyyppien standardointiin. ( SPECTRUM Tietokeskus osa 10 Rad - Sio).



Kerrataan ensin hieman ruuvin geometriaa. Ruuvilla on nimellishalkaisija, harjakulma ja nousu.
Nimellishalkaisija on lähellä ruuvin ulkohalkaisijaa, nousu on matka harjalta naapuriharjalle, kun ruuvia käännetään 360° ruuvi nousee nousun verran.
Metrisessä ruuvistandardissa ( M ja MF ) ilmoitetaan Ruuvin nimellishalkaisija ja nousu millimetreinä. esim. M12x0.75. Tuumamitoituksessa ( UNC ja UNF ) ilmoitetaan nimellishalkaisija tuumina ja montako kierrettä on tuumalla esim. 5/8" – 11 ( i.e. nousu = 25.4mm / 11 » 2.309mm).
( F~Feingewinde )



Joissain lähteissä mainitaan mikrometrin käyttö suuntauksessa, mikrometri tulee kyseeseen vain jos laite on kevyt. Mikrometrien välys on mitätön ja nousu on yleensä 0.5 mm, jotka ovat hyviä asioita mutta mekaaninen tukevuus ei ole tarkoitettu massojen nostamiseen. Näitä kalliita tarkkuusinstrumentteja saa edullisesti Tallinnan Mustamäen torilta sekä Viipurin torilta.

Sopivat ruuvit löytyvät todennäköisesti paikallisesta romuliikkeestä, sopiva ehdokas voisi olla induktiivinen rajakytkin joissa varsin usein on MF 12x1 hienokierre ( normaali M12x1.75). Nämä ruuvit ovat yleensä ruostumatonta terästä ( = sitkeää ), mikä on hyvä. Vielä jostain käsipyörä ( mitä suurempi halkaisija sitä herkempi säätö ) epoksilla kiinni ruuvin päähän.

Toki voi käyttää tavallisia ruuveja tällöin tulee vain huomioda lapakerroin m. Normaalinousuisia ruuveja ( esim. M10x1.5 )on helppo hankkia, jos käyttää vakioruuveja tulisi mieluummin käyttää kovia ruuveja ( ja muttereita ), kovassa ruuvissa on päässä kovuusmerkintä esim. 12.9
( tavalliset ruuvit usein 8.8). Kovan ruuvin tunnistaa yleensä myös mustaksi nitratusta pinnasta.



"Venytetty kuularuuviperiaate" on yksinkertainen tapa tehdä heitoton suuntausruuvi.
Jos ruuvi on kiinni vapaasti yhdessä mutterissa siinä on tunnetusti klappia, kiristämällä ruuvi kahden mutterin väliin saadaan klappi pois. Sovittamisen voi tehdä kokeilemalla toisen mutterin alla eripaksuisia prikkoja tai kiilaamalla jollain muulla ja käyttää jälleen epoksia.












2.3 Jalusta

Jalustaksi käy lähes mikä tahansa massaa omaava kappale, portable-työskentelyn helppoutta lisää jos jalusta seisoo suurinousuisilla ruuveilla joilloin karkeasuuntaus helpottuu.




Lähteet:

/ 1 /
SPECTRUM Tietokeskus
Insinöörikoulutuksen Fysiikka 2 / 3.Painos Tammertekniikka ISBN 951-9004-55-6
2/2000 CQ
ELFA-luettelo
Koneenrakentajan taulukkokirja / ISBN 952-9823-17-7
MAOL taulukot / OTAVA ISBN 951-1-12112-x
SONERA / Tele Galleria
www.k3pgp.org
www.qsl.net/oh2ktb
http://personal.eunet.fi/pp/oh2aue
http://members.mint.net/n1bug/tech/laser/alc_wa6ejo.html
www.national.com
www.leefilters.com
www.aerial.fi
www.vishay.de


Helsingissä 20.05.2001
CU THz 73 de Antti OH2HOT