Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Kurs elektroniki II – #7 – scalone odbiorniki podczerwieni

Elektronika 08.03.2016 Futrzaczek

KursElektroniki2_7Do tej pory diody świecące (LED) traktowaliśmy jako elementy sygnalizacyjne. Były one prostą formą komunikacji z otoczeniem.

Należy jednak pamiętać, że za pomocą światła możemy przenosić skomplikowane informacje na odległość. W tym zadaniu najlepiej sprawdza się niewidoczna dla człowieka podczerwień, której poświęcona została ta część kursu elektroniki.

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

» Pokaż/ukryj cały spis treści «

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Podczerwień (ang. infrared, IR), to niewielki fragment widma fal elektromagnetycznych, którego nasze oko nie jest w stanie zobaczyć. Długość fali podczerwonej jest większa od długości fali światła czerwonego, czyli ma mniejszą częstotliwość.

Stąd właśnie pochodzi nazwa – podczerwień.

Przedstawia to poniższy rysunek:

Widmo fal elektromagnetycznych.

Fale podczerwone znajdują się między mikrofalami, a światłem widzialnym, czyli w bardzo szerokim zakresie. Z tego powodu, zostały podzielone na trzy główne grupy:

  1. bliska podczerwień: od 700nm do 1μm,
  2. krótka, średnia i długa podczerwień: od 1μm do 15μm,
  3. daleka podczerwień: od 15μm do 1mm.

Widmo fal elektromagnetycznych.

Bliska podczerwień jest słabo tłumiona przez atmosferę, dlatego dobrze nadaje się do prowadzenia transmisji w powietrzu. W obszarze krótkiej i średniej podczerwieni pracują światłowody, służące do przesyłu danych.

Z kolei, długa podczerwień i część dalekiej transportuje ciepło. Ten podział jest umowny i zależny od konkretnego zastosowania, ale pozwala zgrubnie ocenić, czym będziemy się zajmować.

Od tej pory, w artykule będzie mowa jedynie o bliskiej podczerwieni.

Tak jak zostało wspomniane podczerwień może być wykorzystywana do komunikacji. W związku z tym warto wyjaśnić jeszcze jedno pojęcie. Transmisja polega na przesłaniu informacji między dwoma urządzeniami. Najczęściej wiadomość ta ma postać ciągu zer i jedynek, zrozumiałych dla odbiornika.

Dodatkowe, uzupełniające wiadomości do tej części kursu znajdziesz w artykułach:

Przykładem transmisji jest obsługa telewizora za pomocą pilota. Po wciśnięciu przycisku, pilot transmituje do telewizora ciąg kilkunastu bitów. Odbiornik wykrywa odpowiedni ciąg impulsów, interpretuje go i wykonuje żądane zadanie.

Zestaw elementów do przeprowadzenia ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Elementy konieczne do wykonania ćwiczeń zebrane zostały w gotowe zestawy, które można nabyć w Botlandzie. W wygodnym kuferku znajdziecie ponad 160 części elektronicznych!


Kup w Botlandzie »

Co może być nadajnikiem?

Najczęściej, do nadawania służą specjalne diody świecące lub lasery. Do naszych zastosowań, czyli transmisji w powietrzu na niewielkich dystansach, wykorzystuje się jedynie LEDy. Są one tanie, niewielkie oraz proste w użyciu.

Informacje na temat działania diod świecących zawarto
w 6 części kursu elektroniki (poziom 1).

Diody nadawcze (IR), bo tak są określane, również funkcjonują w ten sam sposób. Różnią się kryształem emitującym światło. Oczywiście wszystko po to, aby miało ono odpowiednią długość fali. Obudowy są najczęściej przezroczyste lub – rzadziej – czarne lub niebieskie.

Ciemna soczewka nie stanowi jednak przeszkody dla podczerwieni.

Czasami w Internecie można spotkać stwierdzenie, że diody nadawcze z ciemną obudową są słabsze. Jest to mit. Ciemny kolor soczewki dla podczerwieni jest „przezroczysty”.

Konkretne informacja na temat diody poznamy sprawdzając jej podstawowe parametry (do znalezienia w dokumentacji). W przypadku nadajników IR warto sprawdzić:

  • długość emitowanej fali,
  • maksymalna moc ciągła,
  • maksymalny prąd ciągły (rzędu kilkudziesięciu miliamperów),
  • maksymalny prąd w impulsie (rzędu nawet amperów),
  • napięcie pracy,
  • kąt świecenia,
  • rozmiar obudowy.

Wykorzystanie diod nadawczych różni się od świecących tym, że zasilamy je w sposób impulsowy. Nadawanie odbywa się poprzez miganie z częstotliwością rzędu kilkudziesięciu kiloherców, impulsami o wypełnieniu rzędu zaledwie kilku procent.

Pozwala to na intensywne błyskanie, bez ryzyka przegrzania struktury.

Parametry przykładowej diody IR mogą wyglądać np. tak:

  • długość emitowanej fali: 940nm,
  • maksymalna moc ciągła: 100mW,
  • maksymalny prąd ciągły: 20mA,
  • napięcie przewodzenia: max 1,6V,
  • kąt świecenia: 20°,
  • rozmiar obudowy: 5 mm.

Podłączenie diody do prądu stałego pozwoli na przepuszczenie przez nią prądu nie większego niż:

Imax = Pmax/Uf  = 100mW/1,6V = 62,5mA

Diody nadawcze przystosowane są do pracy impulsowej, w przeciwieństwie do wcześniej omawianych diod święcących, które najczęściej pracują w trybie ciągłym. Załóżmy, że wypełnienie impulsów wynosi 10%, co jest wartością często spotykaną.

Oznacza to, że przez 10% czasu dioda świeci, a przez 90% jest wyłączona.

Wówczas, dopuszczalny prąd w impulsie wyniesie:

Ipmax = Pmax / (Uf ⋅ kf) = 100mW / (1,6V ⋅ 10%) = 625mA

Większy prąd przekłada się na większą intensywność świecenia. To jest główny powód, dla którego opłaca się zasilać diody impulsowo. Chcemy, aby nasz pilot do TV działał praktycznie z każdego miejsca w pokoju. Nikt nie będzie przykładał go np. na 10 cm przed odbiornik.

Powyższe obliczenia należy traktować jako oszacowanie, ponieważ do dokładnych obliczeń potrzebna jest charakterystyka prądowo-napięciowa, którą w dokumentacji zamieszcza niewielu producentów. Niemniej jednak, w praktyce okazuje się ono wystarczające.

Wykorzystaniem diody IR zajmiemy się jeszcze w kolejnych artykułach. Teraz skupmy się na scalonych odbiornika podczerwieni. Dzięki temu możliwe będzie przetestowanie domowych pilotów!

Scalone odbiorniki podczerwieni

W sprzedaży można spotkać dwie główne grupy elementów czułych na promienie podczerwone: fotodiody i fototranzystory. Ich zastosowanie w realizacji toru transmisyjnego jest jednak bardzo trudne. Dlatego omówię scalony odbiornik podczerwieni na przykładzie układu TSOP31236, dołączonego do zestawu. Poniżej widoczne jest zdjęcie czujnika:

tsop_3

Scalone odbiorniki mają nieprzezroczyste (dla światła widzialnego) obudowy, aby uodpornić się na zakłócenia. W ich wnętrzu znajduje się struktura, której schemat blokowy widoczny jest poniżej:

Schemat blokowy układu TSOP31236. Źródło: dokumentacja producenta.

Nie musisz zagłębiać się teraz w budowę wewnętrzną takiego odbiornika. Dla zainteresowanych na końcu artykułu znajduje się opis poszczególnych bloków.

Odbiornik podczerwieni w praktyce

Tym razem zbudujemy prosty układ, który pozwoli na testowanie większości pilotów sprzętu RTV. Celem tego ćwiczenia jest zbudowania urządzenia, które będzie świeciło (migało) LEDem „w rytm” odebranego sygnału z pilota od TV lub innego domowego sprzętu.

Elementy potrzebne do wykonania tego ćwiczenia:

  • płytka stykowa i przewody połączeniowe,
  • koszyk na baterie 4xAA,
  • scalony odbiornik podczerwieni TSOP31236,
  • rezystor 10kΩ,
  • rezystor 1kΩ,
  • rezystor 100Ω,
  • kondensator 220μF,
  • kondensator 100nF,
  • dioda 1N4148,
  • dioda świecąca np. zielona.

Przed rozpoczęciem pracy z nowym układem zawsze trzeba sprawdzić opis wyjść, który znaleźć można w nocie katalogowej. Jak widać na poniższym zrzucie ekranu interesujące nas dane są na samym początku dokumentacji:

Jak znaleźć notę katalogową? Najprościej wpisz w Google hasło: „XXXX datasheet” podstawiając za XXXX symbol dowolnego układu.

Fragment noty katalogowej odbiornika podczerwieni TSOP31236.

Fragment noty katalogowej odbiornika podczerwieni TSOP31236.

Patrząc od przodu, po lewej pierwsza jest masa, środkowa nóżka to dodatnie zasilanie, a skrajne prawe wyprowadzenie to wyjście naszego odbiornika.

Powyżej wymienione elementy należy podłączyć zgodnie z poniższym schematem. Pamiętaj o prawidłowej polaryzacji kondensatora elektrolitycznego oraz o właściwym podłączeniu odbiornika! Opis działania tego układu zamieszczony jest niżej.

Schemat testera pilotów.

Schemat testera pilotów.

W moim przypadku układ po zmontowaniu wyglądał następująco:

tsop_1

Dioda 1N4148, włączona szeregowo w zasilanie, obniża napięcie z baterii o ok. 0,7V. Było to konieczne, ponieważ producent nie dopuszcza zasilania odbiornika napięciem wyższym niż 5,5V.

Z kolei, pakiet świeżych baterii 1,5 V zapewnia napięcie 6 V lub nieco wyższe. Jedna dioda z powodzeniem wystarcza do jego redukcji. Dzięki temu zabiegowi nie musieliśmy korzystać ze stabilizatora napięcia.

Rezystor 10kΩ zapewnia stały przepływ prądu przez diodę, przez co napięcie zasilające odbiornik nie zależy w dużym stopniu od prądu pobieranego przez układ.

tsop_2

Włącz zasilanie i celuj w stronę odbiornika pilotem np. od TV, wysyłając różne komendy. Dla niektórych pilotów odbiornik będzie bardzo czuły (odbierze transmisję z dużego dystansu). Czasem może być konieczne przysunięcie pilota na małą odległość. Jak myślisz, dlaczego? Opisz swoje przemyślenia w komentarzu!

Działanie układu w praktyce widoczne jest na poniższym filmie. Zwróć uwagę na fioletowy punkt migający na obudowie pilota – to właśnie dioda IR, której światło rejestrowane jest przez aparaty cyfrowe.

Czerwona dioda świeci tylko wtedy, gdy wciskamy przycisk na pilocie. Jak widać zasięg mojego pilota jest na tyle duży, że odbiornik zauważa transmisję nawet, gdy święcę za jego plecami. Światło emitowane przez diodę IR wychodzi z pilota, odbija się od przeszkód i wraca do odbiornika.

Zasada działania TSOP31236

Zgodnie z wcześniejszą zapowiedzią wracamy do omówienia schematu blokowego odbiornika TSOP31236 – tym razem skupimy się na każdym elemencie.

Elementem odbiorczym jest fotodioda PIN, czyli odpowiednio zbudowana dioda półprzewodnikowa z odsłoniętą strukturą. Włącza się ją w polaryzacji zaporowej, przez co prąd przez nią nie płynie. Padający foton uderza w tę strukturę i generuje nośnik prądu elektrycznego, umożliwiając chwilowy przepływ prądu. Impulsy prądu z fotodiody są odbierane przez wzmacniacz wstępny.

Na jego wyjściu znajduje się wzmocniony sygnał elektryczny, proporcjonalny do natężenia światła odbieranego przez diodę.

Sygnał ten trafia na wzmacniacz o automatycznie regulowanym wzmocnieniu (AGCAutomatic Gain Control). Filtr pasmowoprzepustowy (ang. Band-pass filter) wycina z odbieranego sygnału tylko tę częstotliwość, do której odbiornik jest dostosowany. Tutaj jest to 36kHz.

Dwie cyfry, umieszczone na końcu symbolu scalonego odbiornika podczerwieni, najczęściej określają częstotliwość (w kHz) z jaką układ ten współpracuje. W naszym przypadku: TSOP31236 oznacza 36kHz.

Ponownie wzmocniony i odfiltrowany sygnał, służy dwóm celom. Po pierwsze, trafia na demodulator, gdzie impulsy o żądanej częstotliwości są zamieniane na ciągły sygnał stały. Chcąc wysłać impuls trwający np. sekundę, musimy go zamienić na jednosekundowy ciąg impulsów o częstotliwości 36kHz. Demodulacja jest procesem odwrotnym i pozwala odtworzyć pierwotną postać sygnału.

Modulacja fali podczerwonej znaną częstotliwością pozwala odbiornikowi odróżnić ją od zakłóceń lub innych źródeł światła np. od migających świetlówek.

Po drugie, amplituda wychodzącego z filtru sygnału stanowi dla regulowanego wzmacniacza informację, jakie wzmocnienie ma ustawić. Jest to klasyczny układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym: jeżeli sygnał na wyjściu jest zbyt silny, wzmocnienie maleje. Jeżeli zaś jest słaby, wzmocnienie jest zwiększane. Pozwala to na pracę odbiornika zarówno przy świeceniu diodą nadawczą wprost na niego, jak i oświetlając go światłem odbitym np. od ściany.

Wyjście obsługuje tranzystor bipolarny, który wchodzi w stan nasycenia po wykryciu fali. Oznacza to, że odebranie jest sygnalizowane niskim stanem logicznym. W stanie spoczynku, na wyjściu panuje stan wysoki, co zapewnia rezystor 30kΩ.

Przez kolektor tego tranzystora może płynąć prąd o wartości nieprzekraczającej 5mA, niekiedy 10mA. Zatem bezpośrednie sterowanie np. przekaźnikiem nie jest możliwe.

Podstawowe parametry odbiornika dołączonego do zestawu:

  • długość fali odbieranej: 950nm,
  • częstotliwość środkowa filtru: 36kHz,
  • napięcie zasilania: 2,5 – 5,5V,
  • pobierany prąd: 0,3-0,45mA,
  • maksymalny prąd płynący przez wyjście: 5mA.

Producenci wypuścili dwa rodzaje scalonym odbiorników. Jeden, taki jak omawiany TSOP31236, sygnalizuje na swoim wyjściu fakt odebrania fali o zadanej częstotliwości tak długo, jak długo ona trwa. Drugi zaś rodzaj, jest w stanie wypuścić impuls o długości kilku milisekund, nawet jeśli dioda nadawcza pracuje wielokrotnie dłużej. Kolejny impuls wystąpi po wyłączeniu i ponownym załączeniu nadawania.

Kupując odbiornik do konkretnego zastosowania, zawsze należy sprawdzić,
czy ta właściwość nie będzie przeszkodą!

Niestety, lub na szczęście, żaden element nie jest idealny. Każdy scalony odbiornik będzie reagował na inną długość fali świetlnej, jak i na inną częstotliwość nośną, ale jego czułość będzie niższa. Przedstawiają to wykresy zaczerpnięte z noty katalogowej:

Przykładowo, kiedy w nadajniku umieścimy diodę nadawczą, która emituje falę o długości 850nm, czułość wyniesie jedynie 30% tej, którą uzyskalibyśmy stosując analogiczną diodę na 950nm. To samo dotyczy częstotliwości impulsów zasilających diodę: jeżeli z nominalnych 36kHz spadnie ona np. do 34,2kHz, czyli o 5%, to czułość spadnie do 70% nominalnej wartości.

Większość scalonych odbiorników wymaga filtracji napięcia zasilającego. W nocie katalogowej można znaleźć taki schemat:

Typowy schemat aplikacyjny.

Typowy schemat aplikacyjny scalonego odbiornika podczerwieni.

Niektórzy są przekonani, że jeżeli zastosują dobrą stabilizację i filtrację napięcia zasilającego cały układ, to mogą śmiało zapomnieć o tych dodatkowych elementach.

Jest to poważny błąd! Z moich doświadczeń wynika, że pominięcie tych elementów powoduje całkowity brak reakcji odbiornika lub działanie bardzo chaotyczne.

Podsumowanie

Podczerwień, pomimo prostoty użycia i niskich cen komponentów nadawczo/odbiorczych, ma główną wadę: wymaga widoczności nadajnika i odbiornika.

To jest jeden z powodów, dla którego IrDA, czyli system bezprzewodowej transmisji danych oparty na podczerwieni, został bezpowrotnie porzucony. Wyparły go technologie wykorzystujące fale radiowe, jak Bluetooth i WiFi. Niemniej jednak, w prostych zastosowaniach podczerwień nadal ma zastosowanie, dlatego warto ją znać.

» Pokaż/ukryj cały spis treści «

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Nie chcesz przeoczyć kolejnych części kursu? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych artykułach!

Autor: Michał (futrzaczek) Kurzela
Redakcja, zdjęcia, wideo: Damian (Treker) Szymański

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

wn2001

18:01, 09.03.2016

#1

Świetny artykuł, tylko kiedy klikam "Różne zastosowania podczerwieni – przegląd rozwiązań" otwiera się strona http://forbot.pl/blog/artykuly/programowanie/jak-przystosowac-domowego-pilota-wlasnych-celow-id1223, a chyba powinna ta http://forbot.pl/blog/artykuly/teoria/rozne-zastosowania-podczerwieni-przeglad-rozwiazan-id7868

Treker
Administrator

18:12, 09.03.2016

#2

wn2001, faktycznie - wielkie dzięki za uwagę. Poprawione!

mroyec

22:34, 10.03.2016

#3

Wkradł się chyba błąd w opisie - wysterowanie przekażnika prądem 5mA raczej jest niemożliwe. Pozdrawiam

Treker
Administrator

22:41, 10.03.2016

#4

mroyec, w artykule jest napisane:

Cytat:

Zatem bezpośrednie sterowanie np. przekaźnikiem nie jest niemożliwe.

Chyba, że mówisz o innym fragmencie :)?

mroyec

22:48, 10.03.2016

#5

Nie rozumiem chyba, skoro coś nie jest niemożliwe to oznacza to ze jest możliwe, a wysterowanie przekażnika tak małym prądem raczej jest niemożliwe,,czy jak?

Treker
Administrator

22:51, 10.03.2016

#6

mroyec, no tak racja - tak to jest jak się szybko czyta, o jedno "nie" za dużo. Oczywiście poprawię i przepraszam za zamieszanie :)

mroyec

23:08, 10.03.2016

#7

Nie żebym się czepiał..chodziło mi o to że ktoś może się tym sugerować, ogólnie to odwalasz kawał dobrej roboty.. PS. Nie potrafię tak wkleić czyjegoś tekstu z podświetleniem żeby było wiadomo o co komon , przepraszam za zamieszanie. Pozdrawiam

patrykgie5

22:09, 05.01.2017

#8

Cześć. Mam takie pytanie: zrobiłem układ zgodnie ze zdjęciem i schematem a i tak nie działa mi tak jak na filmie. Próbowałem wszystkich możliwości ale dalej jest coś nie tak, tzn u mnie dioda nie reaguje na pilot tylko cały czas świeci albo po podłączeniu zasilania mrugnie i w ogóle nie świeci. Jestem początkujący po pierwszym kursie elektroniki. Stąd moje pytanie co zrobiłem nie tak? Czy może być przyczyną to że użyłem innego odbiornika (używam TSOP4836) lub mniejszego napięcia(4,5 V) ale bez diody zmniejszającej napięcie ? Z góry dzięki :->

Treker
Administrator

22:13, 05.01.2017

#9

patrykgie5, no to zgodnie ze zdjęciem i schematem, czy jednak z innymi elementami? W przypadku większości problemów z kursami, gdy ktoś deklaruje zbudowanie identycznego układu okazuje się jednak, że zrobił go inaczej ;)

woitaseczq

15:37, 20.02.2017

#10

Hej !

Mam pytanie co do istoty wpięcia tego rezystora 10k. Piszesz tam, ze wpinamy go aby zapewnić stały przepływ prądu przez diodę - chodzi tylko o to, żeby "sztucznie" znaleźć się w danym punkcie przewodzenia diody na charakterystyce prądowo-napięciowej? Czyli aby zmiany poboru prądu wiązały się z niewielką zmianą napięcia odkładanego na diodzie? Jeżeli tak, to po co robimy taki zabieg, skoro maksymalny prąd na wyjściu odbiornika to zaledwie 5mA i spokojnie mieścimy się w "widełkach" zasilania odbiornika ?

Układ bez tego rezystora zdawał się pracować identycznie

Dołączam link z charakterystyką prądowo-napięciową z 1 części kursu, gdzie tematem były diody

http://www.forbot.pl/forum/upload_img/obrazki/IMG_58aafc344beb15302.png

Z góry dzięki za odp ! :)

Treker
Administrator

18:53, 27.02.2017

#11

woitaseczq, witam na forum :) Poniżej umieszczam odpowiedź na Twoje pytanie (bezpośrednio od autora kursu):

Nie mamy zagwarantowanego minimalnego poboru prądu przez odbiornik TSOP. Mogłoby nastąpić takie zdarzenie, że przy świeżych bateriach oraz minimalnym poborze, napięcie na zaciskach TSOPa byłoby przekroczone (max 5,5V), co mogłoby doprowadzić do niestabilnej pracy. Dlatego lepiej jest wymusić jakiś prąd płynący przez diodę, aby mieć pewność, że spadek napięcia na niej jest dostatecznie wysoki. Dalszy wzrost poboru prądu nie spowoduje drastycznego spadku napięcia.

Zobacz powyższe komentarze na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.