Finger´s elektrische Welt

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Elektrisches und Elektronisches

Licht gegen Licht


Dieses Prohejt stammt nicht aus meiner Feder und wurde auch aufgrund technischer Probleme nicht zuende geführt. Dennoch ist es technisch hochentwickelt und lesenswert. Bitte keine Fragen an mich zu richten.

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Projekt Laserblinder

Was ist ein Laserblinder?

Ein Laserblinder oder Laserjammer ist ein Gerät, welches Geschwindigkeitmessungen durch die Polizei mittels der sog. Laserpistole unmöglich machen soll. Das Funktionsprinzip besteht darin, daß die Laserpistole durch Einspeisung von Fremdimpulsen verwirrt werden soll.

Theorie Laserpistole (Modell LAVEG)

Alle Laserpistolen funktionieren bis heute nach dem gleichen Prinzip: Es werden in schneller Folge sehr kurze Lichtimpulse ausgesandt, die am zu messenden Gegenstand reflektiert werden und deren Laufzeit ein Maß für die Distanz zum Gegenstand ist. Mehrere Messungen der Distanz ergeben eine Gerade, deren Steigung ein Maß für die Geschwindigkeit ist. Dabei müssen alle Punkte auf dieser Geraden zu liegen kommen. Zur Messung sendete die Pistole einen Lichtimpuls aus und startet einen internen schnellen Zähler. Bei Eintreffen des Impulses auf dem Empfänger wird dieser gestoppt und die Zeit genommen, daraus wird dann die Entfernung berechnet. Aus einer Folge von Meßwerten kombiniert mit der Zeit wird dann daraus ein Geschwindigkeitsprofil.

Aus diversen Publikationen im Internet ergeben sich folgende wichtige Daten für handelsübliche Laserpistolen, die aber je nach Modell auch variieren können, hier seihen daher nur die Maximalwerte angegeben: (Quelle: www.radarfalle.de )

Wellenlänge Ca. 905nm Infrarot
Länge der Lichtpulse 10-20ns
Wiederholrate 1,5ms - 10ms (100-700 Hz)
Streuwinkel 35 - 60cm auf 100m
Meßdauer 0,3s - 1,5s
Max. Meßentfernung Ca. 30m - 1000m

Prinzip der Störung einer Messung

Die Geräte geben je nach Hersteller unterschiedlich lang Impulse ab, um eine Messung vollführen zu können, bei langsamen mit bis zu 1,5s Meßdauer kann das Fahrzeug dabei durchaus 10m und mehr zurücklegen. Eine wirksame Störung muß alle Lasergerät umfassen. Hierzu ein paar Daten:

Geschwindigkeit des Lichtes: 3 * 10E8 m/s => 3,3ns für einen Meter Wegstrecke
Ungefährer Meßentfernung: 200m, in beide Richtungen sind das 400m, dafür benötigt das Licht 1,3us Zeit.

Für eine wirksame Störung steht demnach nur der Sensitive Bereich zur Verfügung, in welchem die Laserpistole auf die Rückkehr ihres eigenen Impulses wartet, dieser macht gerade einmal eine Promilleprozentsatz der Zeit zwischen den Signalen aus. Zudem muß davon ausgegangen werden, daß nach der ersten Messung zur Feststellung der Entfernung mit großem Timeout das Timeoutfenster angepaßt wird, um nunmehr schneller messen zu können. Nach dem Timeout wird der Laser gekühlt, da die hohe Sendeleistung von ca. 3,5W nur abgegeben kann, wenn der Duty Cycle unterhalb 0,01% liegt. Die Störung besteht darin einen Lichtimpuls mit etwa der gleichen Dauer in Richtung Laserpistole zu senden, so daß diese aus dem anscheinend verfrüht rückkehrenden Impuls einen falschen Entferungswert berechnet, der sich nicht mit den anderen deckt. Es ist der Pistole nicht möglich zwischen eigenen Impulsen und Fremden zu unterscheiden.

Geht man von einer unteren Meßdistanz von 100m aus, so braucht das Licht 0,5us für diesen Weg, somit muß eine wirksame Störung mit mindestens dieser Frequenz erfolgen, um jedes Meßfenster zu treffen. Der M06 Laserblinder hat z.B. eine Impulsdauer von 50ns mit einer Wiederholrate von 300ns. Reduziert man die Wiederholrate, so sinkt die Wahrscheinlichkeit ein Meßfenster zu treffen, wobei jedoch angemerkt werden muß, da ein einziger falscher Meßwert die ganze Messung zunichte macht.

Eine wirksame Störung bedeutet, daß der Laserblinder in dem Moment, wo die Laserpistole das Auto erfaßt gleichermaßen in der Lage ist, seine eigenen Lichtimpulse bin hin zur Pistole zu senden, er muß genügend Lichtleistung bringen, sonst übersieht die Laserpistole seine Impulse. Dies kann nur geschehen, wenn das Licht gebündelt wird und zwar derart, daß bei einer Distanz zwischen 100-200m mindestens die gesamte Straßenbreite abgedeckt wird. Die Z-Achse kann hierbei vernachlässigt werden, da nur selten unterhalb der Erde gemessen wird ;-) oder von Brücken. Hierzu wird eine Langlinse verwendet, die den Strahl oben und unten "zusammendrückt". Eine mögliche Konstruktion ist unten gezeigt.

Gehäuse

Als Lichtsender kommen IRED Dioden in Frage, deren Wellenlänge der des Laser entsprechen sollte. Um genügend Leistung zu erzeugen sind mindestens 8 IRED erforderlich, die mit ihrer maximal zulässigen Leistung betrieben werden sollten, das sind bei den meisten IRED 1A Spitzenstrom , was einer Leistungsaufnahme von 2V * 1A = 2W gleichkommt

Im Bild zu sehen der M10 Laserblinder, der zudem eine Empfangseinheit hat.

Der M10 hat die Eigenschaft nur dann einen Störimpuls zu senden, wenn auch wirklich das Fahrzeug angemessen wird. Das hat den Vorteil, daß die Leistung der IRED noch erhöht werden kann, da diese dann nur kurzeitig warm werden. Beim M06, der dauernd sendet muß darauf geachtet werden, daß die mittlere Leistung 100mA pro IRED nicht übersteigt.

Entwicklung der Elektronik eines Laserblinders

Die Elektronik ist nicht trivial, da die zu erreichenden Schaltzeiten an den Grenzbereich dessen stoßen, was handelsübliche Bauteile zu leisten vermögen. Dies gilt besonders für die Sendeinheit, da hier Impulse mit einer Länge von ca. 50ns erzeugt werden müssen, gleichermaßen aber genügend Leistung abgestrahlt werden muß. Das bedeutet, daß die Sendedioden eine sehr kurze Rise/Fall Time haben müssen, nämlich unterhalb 10ns. Das vermögen aber nur die teuren "Laser-Like" Dioden, für welche ich nur einen Hersteller fand (www.plasma-ireland.com). Eine einzige Diode kostet 1,90 EUR und hat eine Schaltzeit von 1 ns, d.h. sie kann max. 50 Millionen Impulse von 1ns Länge pro Sekunde erzeugen.

Ziel ist es Impulse von 50ns Länge (20Mhz) und einer Wiederholrate von 500ns zu erzeugen, das entspricht 2 Mhz.

Modulgruppen

Ein Empfänger verstärkt alle hochfrequenten Impulse die er über die Photodioden aufnimmt, digitalisiert diese und leitet sie einem Prozessor zu. Der Prozessor trennt die Störimpulse von den "echten" und begrenzt das Frequenzspekrum auf das für Laser übliche 100-500 Hz. Erkennt er, daß das Fahrzeug von einem Laserstrahl getroffen wird, so schaltet er die Blinderstufe ein. Der Systemtakt ist 8 Mhz, was einer Periodendauer von 250 ns entspricht. Aus diesen 125ns für eine Halbwelle wird durch einen Impulsformer (RC-Glied + SchmittTrigger mit 74HC04) ein Nadelimpuls von 50ns Länge erzeugt, indem der HIGH-Pegel des Signals verlängert wird. Dieser Nadelimpuls geht direkt auf den MOSFET Treiber, welcher ihn auf 10V mit 10 Ohm Impedanz anhebt. Dieses verstärkte Signal treibt dann die eigentliche Leistungsstufe mit den IREDs.

Die IRED Ansteuerung

Die IRED müssen entsprechend schnell angesteuert werden, was weitere Probleme aufwirft, hier sind normale Kleinsignal Transistoren völlig überfordert, da sie nur ca. 100.000 Schaltspiele pro Sekunde erlauben und mit hohen Strömen angesteuert werden müssen, damit sie 1A schalten können. Hier spielen MOSFETs ihre besonderen Stärken aus, da sie (fast) leistungslos angesteuert werden können und für große Lasten ausgelegt sind. Beachtet werden muß jedoch, daß MOSFETs eine große Gatekapazität haben, welche bei Wechselstrom einen Widerstand darstellt, der überbrückt werden muß, d.h. das Gate muß 2 Mio. mal pro Sekunden umgeladen werden. Auch hier entstehen große Ströme, die binnen Nanosekunden erzeugt werden müssen. Eine Ansteuerung mit normalen Transistoren über 100 Ohm Kollektorwiderstand schied aus, da diese die erforderliche Spannung von 10V für das Gate nicht schnell genug erzeugen konnten und der Strom nicht ausreichte.

Daher fand ich einen sog. MOSFET Treiber (TLC 4426), ein IC, welches zwei Treiberstufen besitzt, die max. 3A mit 10 Ohm Impedanz erzeugen und dazu binnen 10ns schalten können. Dieser Treiber wurde dem eigentlichen MOSFET; einem Si9336 vorgeschaltet. Bei der Auswahl der MOSFETS war es wichtig, deren Schaltzeiten zu beachten, nur die kleinen Typen mit max. 3A haben zwischen 8-15ns, alle andere liegen weit darüber. Des weiteren kamen nur sog. Logic Level Typen in Frage, bei denen 5V am Gate ausreichen, um zu schalten, andere FET werden erst bei 6V und mehr völlig leitend. Weiterhin durfte die Gate Kapazität nicht zu hoch liegen, beim Si9336 liegt sie bei ca 200pf. Ich merke hier an, daß bei Experimenten 2A die absolute Grenze dessen war, was eben noch so in dieser kurzen Zeit (50ns) erzielt werden kann. Die Eigenkapazität der IRED und die Anstiegszeiten der MOSET bilden die Grenze des technisch Machbaren.

Hier hat sich nebenstehende Schaltung bewährt.

Der MOSFET wird über den invertierenden TLC4426 Treiber angesteuert. Jeweils 2 IRED werden über einen MOSFET geschaltet, somit müssen ca. 2A erzeugt werden. Dies kann nur geschehen, wenn die IRED direkt an 12V liegen, jedoch muß dafür gesorgt werden, daß dies nur für einen sehr kurzen Zeitraum passieren kann, sonst brennen sie durch. Daher wird über einen Widerstand, der den Strom auf ca. 200mA begrenzt (halten die IRED für ein paar Sekunden aus) ein Kondensator aufgeladen, der im Moment des Schaltens schlagartig entladen wird. Für R = 50 Ohm und C=100nf ergaben sich die besten Ergebnisse. Es muß Sorge getragen werden, daß C genügend Zeit hat sich wieder aufzuladen, dies muß umso schneller geschehen, je höher die Schußfolge ist. In dieem Fall muß der Kondensator binnen 500ns wieder voll aufgeladen werden.. Dies kann mit der Formel 3 tau = R*C berechnet werden. Mit dieser Schaltung kann max. 5s gestrahlt werden, dann überhitzen sich die Bauteile.

Prozessorstufe

Der verwendete Prozessor vom Typ PIC12C508 hat die Aufgabe das vom Empfänger kommende Signal auszuwerten und auf seine Plausibilität zu überprüfen. Signale mit einer Frequenz 100-500Hz , deren Breite unter 14us liegt werden ausgefiltert, somit werden alle Lichtquellen mit einem Duty Cycle von ca. 50% sicher erkannt.

Das Signal geht auf einen Zählereingang des PIC, und jeder Takt zählt diesen eins höher. Der Prozessor bildet ein Zeitfenster von 100ms in welchem die Anzahl Takte gezählt werden. Liegt diese zwischen 10 und 100 Takten, so handelt es sich um eine Frequenz von 100-1000 Hz. Hochfrequente Störungen werden ausgefiltert, sie bringen den Zähler zum Überlauf. Der Störsender beginnt seine Arbeit jedoch auch bei Störungen, um sicher zu gehen, die Meldung in die Fahrerkabine wird jedoch erst bei 3 gültigen Messungen durchgeleitet. Die Stördauer beträgt 150ms, danach wird eine erneute Messung von 100ms durchgeführt. Damit ist gewährleistet, daß der Laserblinder nur dann sendet, wenn er bestrahlt wird. Auf diese Weise wird auch der "Jammed" Fehler der Laserpistolen vermieden, der ausgelöst wird, wenn die Pistolenoptik ein Signal erkennt, ohne ein eigenes ausgesendet zu haben.

Die Störstufe sendet für maximal 4s, da die Elektronik sonst sehr heiß wird. Anschließend ist 30s Pause. In regelmäßigen Abständen prüft der Laserblinder sich selbst, in dem er den Blinder einschaltet und gleichzeitig über den Empfänger seine eignen Pulse mißt. Die Funktionstüchigkeit wird über ein akustisches Signal mitgeteilt, im Fehlerfehl wird ein schnelles Piepsen ausgegeben.

Takterzeugung

Empfänger

Der Empfänger erwies sich als das größte Problem, da er für eine Impulsfolge mit den Daten

Impulslänge: 10-20ns
Wiederholrate: 100-500 Hz

empfindlich sein muß. Das ergibt eine rechnerische Bandbreite von 50 Mhz, Die Eingangsempfindlichkeit muß ca. 5mV Vss betragen, die gesamte Verstärkung +50 db, um ein auswertbares Signal von ca 0,5V zu erzielen.

Ich entschied mich für einen mehrstufigen Transistorverstärker, da OP’s für derartige Frequenzen nicht verfügbar sind oder wenn, dann schlichtweg zu teuer. Die meisten haben eine Bandbreite von 2MHz, d.h. dann wird ihre Verstärkung zu 1. Als Transistoren wurden BSF17W Typen verwendet, welche eine maximale Verstärkung von ca. 40 aufweisen und eine Bandbreite (transition frequency) von 1Ghz besitzen.

Um eine große Bandbreite und lineare Verstärkung zu erreichen wurde jede Stufe mit einem Impedanzwandler von der nächsten getrennt. Die Schaltung wurde mit uCAP 5 entworfen und bei der Simulation zeigte sich, daß der Verzicht auf Impedanzwandler die Gesamtverstärkung negativ beeinflußte, sowie die Bandreite auf nur 1 Mhz reduzierte.

Nebenstehendes Bild zeigt den diskreten Testaufbau. Die zunächst verwendente Kaskodenschaltung zur Elimination der Miller-Kapizität wurde wieder verworfen, sie brachte keine wesentliche Verbessung und besaß zudem einen zu kleinen Eingangswiderstand für die Photodiode.

Die Schaltung des Hauptverstärkers ist eine gegengekopelte Differenzverstärkerschaltung, bei der die eine Seite auf einen festen Spannungswert gelegt wurde, die Spannungswechsel am Emitter werden über den Kollektor verstärkt übertragen. Beide Stufen wurden so dimensioniert, daß sich jeweils +25db ergeben. Die Spannungen an den Koppelkondensatoren betragen annähernd 5V, so daß ausreichend Hub nach beiden Seiten möglich ist. Die RC Glieder aus Koppelkondensatoren und Vorspannwiderständen wurden so dimensioniert, daß ein Hochpassverhalten entsteht, welches bei 10khz seine untere Grenzfrequenz hat. Die Gegenkopplung wurde jeweils über Stromgegenkopplung im Emitter erreicht. Der Frequenzgang wird nach oben durch die Millerkapität der Basis.Kollektrostrecken begrenzt, reicht aber eben noch aus.

Die Digitalisierung des Signals wurde über einen schnellen Komparator vorgenommen. Der Komparator wird mit einem Vergleichpotential beaufschlagt, welches durch R29 minimal (ca. 0.1V) unterhalb des DC Anteils des Signals liegt. Die maximale Schaltzeit beträgt 200ns, was normalerweise nicht ausreichen würde um 20ns zu erkennen, jedoch wird das Signal während seiner Verstärkung gestreckt, nicht zuletzt durch die Photodiode, welche zwar schnell schaltet, sich aber durch ihre innere Kapazität (11pf) nur allmählich wieder erholt. Weitere parasitäre Kapazitäten in den Transistoren bewirken eine weitere Streckung des Nadelimpulses.

Bei Versuchen ergab sich, daß der Verstärker sehr schnell zum Schwingen neigt, daher wurden weitere Blockkondensatoren C22 und C26 an den Kollektorpunkten eingefügt, die Photodiode mußte über C1 (100nf) und R5 (47k) beruhigt werden. Bei der geringen Wiederholrate eines Lasers von 100-500 Pulsen reicht dies aus, andernfalls würde ihre Vorspannung beständig absinken. Es liegen mir leider keine Aussagen über die Phasenlagen im Verstärker vor, jedoch hat sich der Verstärker mit Metallgehäuse als stabil erwiesen. Ohne Gehäuse ist er nicht zu verwenden. Des weiteren mußte zwingend eine 68uH Induktivität in die Versorgung geschaltet werden, weil die im Kfz vorhandenen Störungen über die Bordnetzversorghung einen Betrieb sonst unmöglich machten, die Induktivität reduziert die sonst dauerhaft vorhandenen hochfrequenten Störungen auf nahezu Null. Sie bildet mit C26 einen LC Filter mit unterer Grenzfrequenz von ca. 1 Mhz, um den Nachteil, daß es eine scharf begrenzte Resonenzfrequzenz bei einigen Mhz gibt, was zu einem unkontrollierten Schwingen führen kann. Dieser Fall trat jedoch nie auf.

Der Beschaltung der Photodiode kommt eine besondere Bedeutung zu!

Über 47k und 100nf werden Spannungsschwankungen wirksam gefiltert. 10k bilden den Vorspannung für die Diode, welche selbst einen Duchlaßstrom von ca. 90nA hat. Gegen diese Vorspannung arbeitet das Nutzsignal, da die Diode als Stromquelle in umgelehrter Richtung wirkt und einen max. Strom von 80uA erzeugen kann. Das Ergebnis war jedoch unbefriedigend, es traten viele Störspitzen im Verstärker auf, weil nur ein Strom von 90nA fliessen kann., Deshalb wurde ein R=82k eingefügt, so daß im Zweig ein minimaler Strom fließt, der den Spannungsteiler auf ~Ub/2 absenkt. Ein Nadelimpuls wird durch die Innenkapazität der Diode von 11pf günstigerweise gedehnt, so daß seine Länge von 20ns auf ca. 1us gestreckt wird, günstig für die Auswertung durch einen Prozessor. Die nebenstehende Schaltung erzielt hohe Reichweiten und arbeitet nahezu störungsfrei im automobilen Umfeld. In Verbindung mit einem Testsender, welcher eine IRED besitzt ergab sich, daß die Empfindlichkeit so hoch ist, daß an jedem Punkt eines Raumes das Signals erkannt wurde, die Reflexionen an den Wänden reichen völlig aus, um den Komparator zu triggern. Die erzielbare Reichweite lag bei über 20m.

Revision 1.0

10V Regler und Diode kollisionsfrei verlegen
Bauform der Tantal Elkos anpassen
Verstärkereingang entflechten, direkte Verbindung
Melf Diode 1N4148 durch SOT-23 ersetzen
Elkos an IRED durch 100nF BF1206 Typen ersetzen
Alle 1210 BF durch 1206 ersetzen
PIC 12C50804 /SN einsetzen, statt 16F84
Alle Koppel C’s auf 15nf setzen
Alle Block C’s auf 100nF und 47nF
C31 entfällt
Alle Transistoren: BSF17W
Fehler beheben: Komparatorausgang auf 5V legen
Fehler: Pull-Up an Blinder Transistor einfügen
Diff.verstärker R 82 Ohm durch 120 Ohm ersetzen. Störabstand!
82k Widerstand parallel zur Photodiode schalten, Störempfindlichkeit reduziert!

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An dieser Stelle hat der Kollege mir noch ein paar Unterlagen mitgegeben, welche ich euch natürlich nicht vorenthalten möchte. Das Paket (RAR, 1.5MB) enthält Schaltpläne, Layouts, Quellcodes etc.

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