立體磁力線

作了近二十年的教具

有些早已淘汰不用

有些不斷改良

但有些就是經典不敗

立體磁力線就是其一

十多年前第一個版本現在還留著

不過已經黑到很難觀察了

後來授權給某書商開發成教具

結果就變成三間都有了...

不管怎樣，這就是一個直觀的實驗

最近發現把光泉加上塑膠試管就薑薑好了!!

啥事都不用做~~

這是單一條磁鐵

這是兩段磁鐵相吸

這是兩段磁鐵相斥

光傳輸的開發歷程

這是我自己持續好多年的一個有趣的探究歷程
最近有一些人又提起
我就花了一些時間將來龍去脈整理了一下
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一、前言
將聲音訊號轉換為光訊號傳輸是一個非常有趣的主題，也很容易吸引民眾或學生的目光，約十多年前開始接觸到這個主題就被深深吸引，隨著自己實驗技巧與相關電學知識的增進，也更加深入了解內部的轉換機制並改良為真正實用的裝置。這個過程其實就是一個獨立研究的歷程，在現今教育現場不斷強調探究與實作的教學模式中，若老師本身可以有許多這樣的經驗，相信也可以在教導孩子的過程中，感受到更多更深層的感動。

二、相關原理說明
一般我們利用喇叭產生聲音，主要是利用和聲音相對應的電流訊號(頻率和大小)來產生電流磁效應，進而驅動喇叭的薄膜產生震動，若此時我們利用這個電流訊號驅動LED燈，LED燈就會對應這個電流訊號產生明暗的變化(以下稱為發射端)，我們再利用太陽能板將這個光訊號再轉換為電流訊號，就可以透過擴大機聽到這個光訊號的聲音(以下稱為接收端)，相對來說，我們就利用光線來作無線傳輸了。
光源的選擇一定要用LED，不能用鎢絲燈，因為光源的明暗必需精準地對應聲音(電流)訊號，若用鎢絲燈反應太慢(加熱、散熱都需時間)，因此半導體類型的發光裝置才是光傳輸光源的首選。

三、開發歷程
(一) 初次嘗試，發射端利用擴大機增加電壓
若我們將LED接上耳機線，直接插入手機(任何播放裝置)通常LED都無法驅動，因為一般耳機的輸出電壓都太低，因此需要利用某些類型的擴大機才能將電流訊號提高電壓，一般說來上課用的簡易型擴音機效果都不錯，因此筆者嘗試直接將教學擴音機的喇叭輸出端引出，並接上單音座，就可以方便將電流訊號直接驅動LED燈，接收端同樣將太陽能板插入另一台擴音機的麥克風插孔中，就可以將太陽能板接收到的光訊號再轉變回聲音了，這就是最初的光傳輸型式。
但這樣的模式除了需要兩部擴音機(擴大機)之外，電壓變動範圍過大也使得LED在某些電壓較低的時候無法驅動，導致聲音在某些時候會斷斷續續，傳輸的效果就大打折扣了。

 

參考資料：
1.無線光傳輸最初版
http://l0930984547.blogspot.tw/2011/01/blog-post_33.html
2.改裝擴大機
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/06/blog-post_15.html
3.光傳輸的原理與限制
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/01/1.html

(二) 加入電晶體，改良發射端的明暗
要改良電壓不穩定，又要讓LED的明暗隨著聲音的大小與頻率，就要讓電壓固定，改變電流的大小，所以利用電晶體的B極當作音源輸入，在C、E端不但可以藉由外接電源提高電壓，產生的電流也可以隨著B極的輸入而改變，傳輸的效果馬上提高許多，幾乎和原本的聲音一模一樣了。
但因為驅動LED的電壓至少需要2V以上，B極的輸入端依舊無法直接使用手機訊號的輸出，還是要用擴大機加大電壓後，才能和CE端的相對高壓搭配(直接用手機訊號輸入其實也行，但聲音小了許多)，但因為CE端的電壓穩定，因此嘗試將LED換成雷射，馬上將傳輸距離增加到數十公尺遠，而且可以單純針對某個接收端(太陽能板)發射就好，也有了一些隱密傳輸的效果，可是當離發射端距離越遠，就越容易受到外界光源的影響，尤其當外界光源為120Hz閃頻的日光燈或省電燈泡時，就容易出現雜音。

參考資料
1.發射端加入電晶體的比較
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/06/blog-post.html
2.發射端電晶體模組集成
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/06/blog-post_3.html
3.結合手電筒的集成
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/10/blog-post_13.html

(三) 利用焦耳神偷電路改良，發射端不需使用擴大機
若將電晶體驅動的電壓降低到1V左右，就可以讓手機音源輸入的頻率變化較明顯，但這樣的電壓就無法驅動LED燈，因此我們利用基本的焦耳神偷電路來改良，將原本1.5V的電源先串接1~2條二極體降低電壓到1~1.2V(不接也可以，聲音會小一點)，再將電源端的電路串聯上音源，之後就利用焦耳神偷電路升壓驅動LED，這樣也可以達到和擴大機相同的效果，卻省去了擴大機的不便，接收端同樣用太陽能板接收再用擴大機放大，或直接將太陽能板連接一般的耳機也可以，但聲音很小聲，效果不佳。
這樣的改良讓裝置更加的精簡，在教學上也可以達到電晶體電路練習的目的，但還是沒有解決外界光源的影響。

參考資料
利用焦耳神偷改良發射端
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/07/blog-post_17.html

(四) 導入紅外光當作發射端光源，解決可見光的影響
因為發射端以LED當作光源，接收端以太陽能板當作光的接受器，因此外界可見光的干擾一定無法避免，除非外界光為不閃爍的太陽光或白熾光，不然就是改變發射端的光源，因此嘗試將可見光LED換成紅外光LED，外界的光源就不會干擾接收器的運作了。

參考資料
發射端改為紅外光
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/11/blog-post_13.html

(五) 完全不需擴大機版本
原本紅外光LED選擇是照明用的，雖然光強度較高，但需要3V以上的驅動電壓，因此還是需要靠焦耳神偷電路才行，後來嘗試使用遙控器用的IR，驅動電壓只要1.5V，因此直接將手機的音訊連接在電晶體的B極，直接用1.5V的電源就可以驅動紅外光LED，也不需要再利用焦耳神偷的升壓電路了。
接收端的部分原本利用太陽能板接收，因為產生的電流量小，因此還是需要擴大機，但配合發射端的紅外光光源，將接收端的太陽能板更換為紅外光接收器，同樣再利用一個電晶體電路放大，就可以直接在C、E端連上耳機直接聽到傳輸的聲音，效果又好又便捷。
也可以在紅外光接收器的前端再放一個透鏡，可以再將紅外光集中，聲音更大，傳輸距離也更遠。
 

參考資料
1.免擴大機的IR接收器
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/11/blog-post_13.html
2. 免擴大機的IR接收器集成裝置
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/11/ir_25.html
http://l0930984547.blogspot.tw/2017/11/ir_27.html

(六) 電磁感應與光傳輸二合一
最早曾經利用電磁感應的方式來當作傳輸的方法，其實基本原理是很類似的，光傳輸是將聲音訊號轉變為光訊號，電磁感應的方式則是將聲音號變成磁訊號，這兩者的交集就是霍爾傳感器，因此將這兩個合一，就更完美了!!

參考資料
1. 電磁無線傳輸
https://l0930984547.blogspot.com/2011/01/blog-post_2644.html
2.霍爾_電磁無線傳輸與光傳輸二合一
https://l0930984547.blogspot.com/2018/07/blog-post_27.html

四、結語
在整個教具的發展過程中，其實對我而言就是一個極具參考價值的探究歷程，從一開始的仿作，並從中發現需要改良之處，逐步針對問題的原理來思考解決方法，不躁進也沒有時程表，在實作過程中不斷學習一些新知識與技巧，這樣的歷程往往會讓人有很強烈的成就感，而這些過程中的小小成就感就是驅使前進的唯一動力，當老師親身體驗了這些感動，便會願意逐步將這些探究與實作的歷程加入自己的教學中，每次教育改革成功的關鍵往往不是政策或方向如何制定，而是老師本身是否願意去嘗試新的教學方法，而這些教學方法通常不是在師培過程中學習到的，因此老師本身的高峰經驗便決定了是否願意嘗試的關鍵。探究與實作結合了學術與應用的最高境界，如果有更多老師願意去嘗試，相信這次的教育改革會是最接近成功的一次！