Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Signalübertragung IR LED -> Photodiode


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von Q127 (Gast)


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Ich möchte ein digitales Signal über ca 1-2 cm optisch übertragen, ich 
habe dazu eine IR-LED LD271 
https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Osram%20PDFs/LD_271L,H,LH.pdf 
und eine IR-Photodiode SFH203FA 
https://media.osram.info/media/resource/hires/osram-dam-2495942/SFH%20203%20FA.pdf 
genommen, letztere weil sie praktisch nur im IR-Bereich empfindlich ist, 
um Störungen durch sichtbares Licht zu vermeiden.

Leider wird das Signal ziemlich verfälscht, sodass es auf der 
Empfangsseite nicht auswertbar ist. Es ist übrigens egal, ob ich die 
Verbindung mit einem undurchsichtigen Röhrchen abschirme oder nicht.

Wie kann ich die übertragung verbessern, ein herkömmlicher Optokoppler 
kommt übrigens nicht infrage, weil die Verbindung an dieser Stelle 
trennbar sein muss.

von c-hater (Gast)


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Q127 schrieb:

> Leider wird das Signal ziemlich verfälscht

Ja, sieht grausam aus. Zeig' die verwendete Schaltung!

von Gerald K. (geku)


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Die Lösung bei Infrarot Fernbedienungen siebt so aus, dass die Daten in 
moduliert Form verschickt werden. Das Trägersignal hat meist eine 
Frequenz von 38kHz. Zur Demodulation gibt es schon integrierte Lösungen. 
Siebe Beilage.


Für eine schnellere Datenübertravung muss eine entsprechend höhere 
Trägerfrequenz verwendet werden.


Die Modulation bietet den Vorteil Tageslicht und andere Störungen heraus 
zu filtern.

von Q127 (Gast)


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c-hater schrieb:
> Ja, sieht grausam aus. Zeig' die verwendete Schaltung!

siehe Anlage

Gerald K. schrieb:
> Die Lösung bei Infrarot Fernbedienungen siebt so aus,

Kommt aus Geschwindigkeitsgründen nicht in Frage. Die Daten sind RS232 
(hier noch 9600 Bd, später schneller), da sind die TSOP zu langsam.

von Mario M. (thelonging)


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Photodiode im Leerlauf. Die Sperrschichtkapazität wird nur langsam 
entladen. Also Lastwiderstand parallel schalten oder gleich 
Transimpedanzverstärker nutzen.

von MaWin (Gast)


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Sendediode verkehrt rum drinn!

von Falk B. (falk)


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Q127 schrieb:
> c-hater schrieb:
>> Ja, sieht grausam aus. Zeig' die verwendete Schaltung!
>
> siehe Anlage

Deine Skizze ist unvollständig, das kann so nicht gehen. Außerdem ist 
eine Photodiode bei 1-2cm Entfernung nicht die optimale Wahl. Nimm einen 
Phototransistor, dann braucht man auch keinen Verstärker, nur den 
passenden Arbeitswiderstand.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Lichtsensor_/_Helligkeitssensor

> Gerald K. schrieb:
>> Die Lösung bei Infrarot Fernbedienungen siebt so aus,
>
> Kommt aus Geschwindigkeitsgründen nicht in Frage. Die Daten sind RS232
> (hier noch 9600 Bd, später schneller), da sind die TSOP zu langsam.

Wis schnell soll es denn werden? Klar kann man mit der richtigen 
Schaltung auch Dutzenden Mbit/s übertragen, aber als Anfänger sollte man 
erst mal klein anfangen. Nimm einen Phototransistor, 2-10k 
Arbeitswiderstand und probiere. Damit kann man direkt auf dein 
Mikrocontrollereingang gehen. Wenn man die Sendediode passend 
verschaltet, fällt auch die Invertierung des Signals raus.

von Herman Kokoschka (Gast)


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Wenn der Arbeitspunkt der Empfangsdiode mal richtig eingestellt ist z.B. 
mit Widerständen, dann kann das schon klappen.

Die jetzige Schaltung ist ziemlich daneben, wie schon geschrieben wurde.
Die Diode hängt ziemlich nin der Luft und kann sich schlecht entladen,
daher die schusseligen Flanken. Da stimmt nix.

Das invertieren kannst Du auch per Software im Controller machen,
auf 2-3cm brauchst Du bei korrekter Schaltung das Signal nicht erst über 
einen Op zu verstärken.

von Gerald K. (geku)


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MaWin schrieb:
> Sendediode verkehrt rum drinn!

Ich glaube der TO hat sie hier nur falsch eingezeichnet. Würde sonst 
überhaupt zu einem Signal kommen?

Um hohe Frequenzen empfangen zu können müssen Lastwiderstände sehr klein 
sein.

Ich würde die Leuchtdiode mit einem Rechteckgenerator ansteuern und am 
Fototransistor oder an der Fotodiode mit verschiedenen Lastwiderständen 
experimentieren.

Der Eingangswiderstand des Oszilloskops ist viel zu hoch!

Die Frequenz des Rechteckgenerator kann auf die 
Übertrangungsgeschwindigkeit eingestellt werden.

Es kann auch mit einem Pseudozufallszahlengenerator eingespeist werden 
und das Ausgangssignal am Fototransistor oder an der Fotodiode als 
Augendiagramm bewertet werden.

https://de.m.wikipedia.org/wiki/Augendiagramm

von Gerald K. (geku)


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Falk B. schrieb:
> Nimm einen Phototransistor, dann braucht man auch keinen Verstärker, nur
> den passenden Arbeitswiderstand.

Dieser wird so niederohmig sein, dass ein Verstärker notwendig sein wird 
um Logikpegel überhaupt zu erreichen.

Einen Modulation hätte den Vorteil, dass diese Verstärkung 
geichstromfrei sein kann und nachgeregelt werden könnte. Das ist 
speziell bei verschieden Entfernungen und Winkel  notwendig.

von Wolfgang (Gast)


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Gerald K. schrieb:
> Das ist speziell bei verschieden Entfernungen und Winkel  notwendig.

Gelesen?

Q127 schrieb:
> ca 1-2 cm

Bei hält sich die Variabilität von Entfernungen und Winkel in engen 
Grenzen

von Gerald K. (geku)


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Wolfgang schrieb:
> Gelesen?

Q127 schrieb:
> Wie kann ich die übertragung verbessern, ein herkömmlicher Optokoppler
> kommt übrigens nicht infrage, weil die Verbindung an dieser Stelle
> trennbar sein muss.

Ich habe für meinen Eigenbau meiner Fernbedienung einige Zeit herum 
experimentiert.

10cm können ausreichen, das die Mudulation verloren geht und nur mehr 
das Hüllkurvensignal sichtbar ist.  Auch der Winkel Komponenten auf der 
optischen Achse spielt ein Rolle.

von Q127 (Gast)


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MaWin schrieb:
> Sendediode verkehrt rum drinn!

Sendediode verkehrt rum gezeichnet ... :(

Ich habe mal div. Widerstände parallel zur Empfansdiode gezeichnet, mit 
10k sieht das einigermassen aus, siehe Anlage.

Nächste Frage: gibt es so etwas ggf. fix und fertig, IR-Empfänger (IR 
>800 nm), OPAMP und Logik-Ausgang in einem Chip (ggf. open Collector), 
das würde mir die Arbeit sehr erleichtern. Ich habe bisher immer nur die 
TSOPs ,mit 38kHz und 56kHz für Fernbedienungen gefunden, die nützen mir 
ja nichts.

von Joachim B. (jar)


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Q127 schrieb:
> Nächste Frage: gibt es so etwas ggf. fix und fertig,

IRDA, war doch genau mal dafür gemacht!
https://de.wikipedia.org/wiki/Infrared_Data_Association
Ebay-Artikel Nr. 372801395656

https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/631.html

: Bearbeitet durch User
von Witzbold (Gast)


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> gibt es so etwas ggf. fix und fertig

Nennt sich IRDA-Transceiver.
Fuer optimale Funktion sollte der Sender und der Empfaenger
wie der Name schon vermuten laesst, IRDA unterstuetzen.

Beitrag #6395444 wurde vom Autor gelöscht.
von Q127 (Gast)


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Witzbold schrieb:
> Nennt sich IRDA-Transceiver.

Das ist aber ein anderes Protokoll als aus dem µC herauskommt, das kann 
ich nicht ändern. Ich bräuchte etwas, was HO ausgibt, wenn IR-Licht 
>800nm mit einer bestimmten Lichtstärke vorhanden ist und was LO 
ausgibt, wenn die IR-Lichtstärke unter einer bestimmten Schwelle liegt, 
meinetwegen auch invertiert.

Ich habe mir mal die TEMT10x0 angesehen 
https://www.mouser.de/datasheet/2/427/temt1000-1766922.pdf, der SFH300FA 
https://media.osram.info/media/resource/hires/osram-dam-2495947/SFH%20300%20FA.pdf 
sieht auch gut aus, wäre das was für mich?

von Q127 (Gast)


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Q127 schrieb:
> ich nicht ändern. Ich bräuchte etwas, was HO ausgibt, wenn IR-Licht

Muss natürlich HI heissen ...

von Gerald K. (geku)


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Q127 schrieb:
> wäre das was für mich?

TEMT10x0

Turn-on time VS = 5 V, IC = 5 mA, RL = 100 : ton 2.0 μs
Turn-off time VS = 5 V, IC = 5 mA, RL = 100 : toff 2.3 μs
Cut-off frequency VS = 5 V, IC = 5 mA, RL = 100 : fc 180 kHz

SFH 300 FA

Rise and fall time VCCI = 5 V, IC = 1 mA, RL = 1 kΩ : tr, tf 10 µs (typ)

Man kann die beiden Phototransistoren schwer vergleichen weil die 
Ströme unterschiedlich sind., aber ein Verhältnis des Stroms von 1 : 5 
ergibt ebenfalls einen Verhältnis von 1 : 5 für Anstiegs und 
Abfallzeiten.


FOTODIODEN

=============

BPW 21

Rise and fall time VR = 5 V, RL = 1 kΩ, λ = 550 nm : tr, tf 1.5 µs

BPW 34

Rise and fall time VR = 5 V, RL = 50 Ω, λ = 850 nm, IP = 800 µs : tr, tf 
0.02 µs

Welche Geschwindigkeit wird tatsächlich benötigt?

: Bearbeitet durch User
von Q127 (Gast)


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Gerald K. schrieb:
> Welche Geschwindigkeit wird tatsächlich benötigt?

bis zu 1152000 Bd, ist aber noch sooo wichtig, ggf. komme ich auch mit 
weniger klar.

Ich werde mir mal mit einem µC einen Rechteck-Generator programmieren 
und ein paar Photo-Transistoren besorgen, ich vermute mal, dass ich da 
mit dem geringsten Aufwand weiterkomme.

Danke an alle.

von Tiramisu (Gast)


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Es gab mal ein fertiges Produkt von Sharp namens "CE-IR2"
als dummer Konverter eines RS232-Signals auf 455kHz-IR-Basis
mit einer ~1m Reichweite bei 9.6kBaud, tatsaechlich bis zu
38.4kBaud halbduplex.
Der Konverter war dann auch mit der Apple Newton IR-Kommunikation
auf der physikalischen Schicht (im Sinne der OSI-Layer) kompatibel.

von Didi S. (kokisan2000)


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Hallo Q127,

Datenübertragung in dem Geschwindigkeitsbereich und bei dem Abstand ist 
sehr einfach, wenn Du ein paar Regeln beachtest ....

Emitter:
- kannst Du direkt mit Vorwiderstand am µC anschliessen und bis 
maximalen Strom am µC Pin betreiben. Benötigst Du mehr Sendeleistung, 
dann schalte einige Pins parallel, oder besser Du setzt einen 
Schalttransistor zwischen µC Pin und IRED
- Wellenlänge entweder um 850nm oder 940nm - egal, aber passend zur 
Empfangscharakteristik des Empfängers
- Du hast mehr Intensität auf der optischen Achse, wenn Du einen Emitter 
mit schmalerer Winkel Halbwertsbreite verwendest. Aber je kleiner der 
Winkel, desto stabiler muss der Aufbau sein, sonst strahlst Du leicht am 
Empfänger vorbei.

Empfänger
- ob Photodiode oder Phototransistor ist bei der gewünschten 
Geschwindigkeit fast egal. Phototransistor ist mit Vorwidertand 
einfacher zu betreiben, da Du gleich ein Spannugssignal erhälst, was mit 
einem µC ausgelesen werden kann
- wenn Du Fremdlicht im Aufbau hast, bitte Empfänger mit Filter 
verwenden.
- eine Photodiode generiert Ladungsträger. Wenn Du die PD ohne BIAS 
Spannung betreibst, fliessen die Ladungsträger sehr langsam ab und 
liefern die exponentiellen "Schwänze" wie in Deinem Oszi Bild; daher 
Photodioden mit BIAS Spannung betreiben und auf einen Lastwiderstand 
parallel zur PD arbeiten
- Die Geschwindigkeit der Photodiode mit Lastwiderstand ist RC begrenzt, 
daher Lastwiderstand nicht zu groß werden lassen (<20 kOhm), sonst wird 
die Sache wieder langsam und Deine Signale verlaufen
- Schaltung mit TIA - beste Lösung, aber hier nicht notwendig

IrDA:
- Unfug für Deine Applikation. IrDA Bauteile sind für 
Übertragungsstrecken von bis zu 1m ausgelegt, aber nur dann, wenn Du das 
IrDA Protokoll fähst. Für Deine Anwendung etwas übetrieben.

Remote Control Bauteile wie TSOPxxxx:
- Kannst Du schon verwenden, allerdings sind die Bauteile für hohe 
Reichweiten konzipiert und erreichen nicht die 115.2 kBaud wie von Dir 
benötigt. Den Sender musst Du mit der passenden Trägerfrequenz 
(30-40KHz) inklusive dem Nutzsignal programmieren, am Empfänger 
(TSOPxxxx) kommt dann das Nutzsignal als Sapnnungspegel heraus. Die 
Trägerfrequenz wird bereits im TSOP herausgefiltert.

Wenn Du Applikationsbeispiele benötigst, schreibe mir bitte eine PN.

Gruß
Didi

von Thomas O. (kosmos)


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willst du die optische Übertragung nur wegen der galvanischen Trennung?
Wenn ja könntest du auch einfach einen Optokoppler nehmen HP ist da gut 
aufgestellt mit schnellen Optokopplern.

Zu deiner Ansteuerung der LED. Du betreibst diese mit bestenfalls 5mA.

Du solltest einen Transistor und Kondensator nehmen und den Widerstand 
massiv verkleinern. Dies ist auch der Grund warum man einen Träger nimmt 
weil man dann die LEDs richtig kräftig pulsen kann, was mit "Dauerstrom" 
(lange High Impulse) nicht geht.

Im Datenblatt Seite 5 findest du etwas zu der möglichen Pulsweite, Strom 
und Frequenz.

ps. ich hatte früher immer die LD274-3 in Verwendung. Zur LD271 hat die 
Faktor 7-8 mehr Strahlstärke und der Abstrahlwinkel beträgt nur 10° 
statt 25°.

Den Träger kannst du auch einfach mittels NE555 oder µC machen
https://www.changpuak.ch/electronics/quickhacktoolsandsmallprojects/IR-GhettoBlaster/DS1Z_QuickPrint9.png

Und für den Empfang wurden dir ja schon fertige Module genannt. Die 
Spucken dann ein saubere Signal aus, siehe
https://www.changpuak.ch/electronics/quickhacktoolsandsmallprojects/IR-GhettoBlaster/DS1Z_QuickPrint9.png

von unüblich (Gast)


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Q127 schrieb:
> ... bis zu 1152000 Bd ...

Hast du dich da vielleicht um einen Faktor 10 vertan?

von Gerald K. (geku)


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Q127 schrieb:
> Ich werde mir mal mit einem µC einen Rechteck-Generator programmieren

Am besten ein 8 Bit Port runterzählen (port- -). Dann hat man 8 
Ausgänge, die jeweils die halbe Frequenz zum Vorgänger aufweisen. So 
kann durch bloses Umrangieren der Portpins die Frequenz um den Faktor 2 
bis 256 varieren.

: Bearbeitet durch User
von Joachim B. (jar)


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Thomas O. schrieb:
> willst du die optische Übertragung nur wegen der galvanischen Trennung?

das weiss nur der TO und schweigt, ich verstehe er will es nach extern!
Intern gäbe es genug Optokoppler die bis 4M können!

von ...-. (Gast)


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Joachim B. schrieb:
> Thomas O. schrieb:
>> willst du die optische Übertragung nur wegen der galvanischen Trennung?
>
> das weiss nur der TO und schweigt, ich verstehe er will es nach extern!
> Intern gäbe es genug Optokoppler die bis 4M können!

Das steht schon im 1. Post des TO:

Q127 schrieb:
> ein herkömmlicher Optokoppler
> kommt übrigens nicht infrage, weil die Verbindung an dieser Stelle
> trennbar sein muss.

------------------------------------------------------------------------ 
---

Thomas O. schrieb:
> ps. ich hatte früher immer die LD274-3 in Verwendung. Zur LD271 hat die
> Faktor 7-8 mehr Strahlstärke und der Abstrahlwinkel beträgt nur 10°
> statt 25°.

Bei 1-2 cm Übertragungsstrecke (siehe 1. Post des TO) dürfte das 
unerheblich sein.

von Thomas O. (kosmos)


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Ja wollte es nur mal sagen falls er später mal mehr will und eh noch 
welche bestellen muss.

von Witzbold (Gast)


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> IrDA:
> - Unfug für Deine Applikation. IrDA Bauteile sind für
> Übertragungsstrecken von bis zu 1m ausgelegt, aber nur dann, wenn Du das
> IrDA Protokoll fähst. Für Deine Anwendung etwas übetrieben.

Das er ein Signal optisch uebertragen will oder muss, hat der
TO doch bestimmt schon von Anfang an gewusst.
Bei IRDA-tauglichen Schnittstellen, muss man eigentlich nur
ein Bit setzen, um IRDA zu aktivieren.
Zum Senden haette auch eine normale IR-Diode gereicht.
Das Gekasper mit Fotodioden und Fototransistoren haette
er sich mit einem IRDA-Transceiver, nur fuer RX jedenfalls
sparen koennen.
Unfug war es, ein "normales" serielles Protokoll da
einzusetzen.


> Intern gäbe es genug Optokoppler die bis 4M können!

Er kann ja einen durchsaegen...

von Gerald K. (geku)


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Witzbold schrieb:
> Er kann ja einen durchsaegen...

Er muss nur aufpassen, dass er dabei die Photonen nicht verletzt;)

von Joachim B. (jar)


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...-. schrieb:
> Das steht schon im 1. Post des TO:
>
> Q127 schrieb:
>> ein herkömmlicher Optokoppler
>> kommt übrigens nicht infrage, weil die Verbindung an dieser Stelle
>> trennbar sein muss.

nun ja ist auch trennbar wenn ich den DIP 4/6/8 Optokoppler ziehe oder 
per Schalter totlege, also so klar ist das nun nicht.

von Didi S. (kokisan2000)


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Hallo Witzbold,

im Prinzip hast Du Recht. Heute gibt es quasi nur noch IrDA SIR Bauteile 
auf dem Markt. Diese kann man mit µC mit IrDA Interface leicht 
programmieren. Da IrDA aber seit Jahren ausdesignt wird, wird per 
Hardware diese Schnittstelle nur noch selten unterstützt. Ohne 
Hardwareunterstüzung wird es heikel, da IrDA mit 3/16 Pulsbreiten 
arbeitet. Man kann das Protokoll selber programieren, aber einfacher ist 
es dann schon ein TOIM an der RS232 Schnittstelle zu setzen.

https://www.vishay.com/docs/82503/interfac.pdf

Aber für 115.2 KBaud Datenübertragung auf 2cm ist das mit Kanonen auf 
Spatzen geschossen - mal abgesehen vom Preis der Komponenten.

Ich bleibe bei meiner Einschätzung. Über diese kurze Distanz und dieser 
niedrigen Geschwindigkeit ist eine Übetragung mit PD/PT simpel und 
effektiv. Das habe ich beruflich schon zigmal realisiert.

von Wolfgang (Gast)


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Didi S. schrieb:
> Aber für 115.2 KBaud Datenübertragung

Der TO schrieb etwas von über einem Megabaud (oder er kann nicht 
zählen). Vielleicht meldet er sich doch noch mal wieder ...

Q127 schrieb:
> bis zu 1152000 Bd

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


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Transimpedanzverstärker:
https://iludis.de/?page_id=57
https://www.techniker-forum.de/thema/verstaerker-fuer-fotodiode.58864/
(pdf von ti.com darin suchen)

Q127 schrieb:
> siehe Anlage

Nach der Anlagenqualität vermutlich einen ungeeigneten Typ als OP 
verwendet und im Layout noch viele parasitäre Kapazitäten im 
IR-Empfangsteil.

Damit die Flanken der Sendediode besser werden, gibt es auch noch die 
Ergänzung eines RC-Gliedes über dem Vorwiderstand. Nach dem Oszi-Bild 
sollte sowas nicht notwendig sein.

von Hans W. (Firma: Dipl.-Ing. Johann Maximilian W) (hans-)


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Ich hab sowas vor einigen Jahren mal gezaubert... aber mit grünen 
LEDs... IR wäre zu teuer gewesen weil zusätzliches Bauteil und 
zusätzlicher Lichtleiter.

Betreib die Empfangsdiode in Sperrichtung vorgespannt!
Dann wird sie praktisch eine modulierte Stromquelle und du hast mit 
einem Transimpedanz Verstärker einfaches Spiel...

Übrigens, damit das so einfach auch wirklich funktioniert musst du 
DC-Frei senden.

Ich habe das mit einem 9-bit UART gelöst. Einfach einmal normal und 
einmal invertiert gesendet. Das 9. Bit hat mir gesagt welche Wörter beim 
Empfangen zu verwerfen waren.

Die 115200 waren eigentlich nicht wirklich ein Problem... zu meiner 
Überraschung.

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