Инфракрасный прием и передача

Инфракрасный светодиодОбычно мы рассматриваем светодиоды как эффективные визуальные элементы. Однако стоит помнить, что с помощью света также можно передавать информацию на расстояние.

Лучшее решение для этой задачи — это, например, ИК-светодиоды, то есть те светодиоды, которые работают в невидимом для человека инфракрасном диапазоне.

В этой статье мы обсудим назначение инфракрасных светодиодов. Однако в ходе практических экспериментов, мы сосредоточимся на встроенном инфракрасном приемнике, благодаря которому, мы построим тестер для дистанционного управления RTV.

Что нужно знать об инфракрасном спектре?

Инфракрасный спектр — это небольшая часть электромагнитного излучения, которую, к сожалению, наш глаз не может увидеть. Длина волны инфракрасного излучения больше длины волны красного света, т.е., имеет более низкую частоту.

Отсюда и название — инфракрасный означает, находиться под красным.
Электромагнитный спектр
Электромагнитный спектр — деление по длине волны

Инфракрасные волны находятся между микроволнами и видимым светом, а это очень широкий диапазон. По этой причине они были разделены на три основные группы:

  • ближний инфракрасный — от 700 нм до 1 мкм,
  • короткий или средний инфракрасный — от 1 мкм до 15 мкм,
  • дальний инфракрасный — от 15 мкм до 1 мм.
Разделение спектра
Разделение на видимый свет и инфракрасный

В ближней и средней инфракрасной области, оптические волокна используются для передачи данных на большие расстояния. Длинное инфракрасное излучение и дальняя его часть, используются для «отдачи тепла» — такой свет используется, например, в инфракрасных обогревателях.

ИК-связь

Для связи можно использовать инфракрасный порт. В связи с этим стоит пояснить еще одну концепцию, которая может быть для некоторых новой. Передача в контексте коммуникации — это передача информации между двумя устройствами. Чаще всего это сообщение представляет собой последовательность нулей и единиц, понятную получателю.

Пример трансляции — управление телевизором с помощью специального пульта ДУ. После нажатия кнопки, пульт передает на телевизор последовательность из нескольких битов (нулей и единиц). Приемник обнаруживает соответствующую последовательность импульсов, интерпретирует ее и выполняет запрошенную задачу.

Этот стандарт связи чрезвычайно удобен, поэтому он также очень активно используется любителями электроники. Обычный пульт от телевизора может быстро стать, например, контроллером для нашего робота, созданного на основе Arduino.

Что может служить ИК-передатчиком?

Чаще всего, для передачи, используются специальные светодиоды или лазеры. Для наших задач, то есть передачи по воздуху на короткие расстояния, используются ИК-светодиоды, то есть те, которые излучают инфракрасный свет. Они дешевы, компактны и просты в использовании.

Передающие (ИК) диоды работают так же, как и обычные светодиоды, которые мы рассмотрели в наших ранних статьях. Единственное отличие — это «кристалл», излучающий свет. Конечно, все это делается для того, чтобы у него была правильная длина волны. К тому же, благодаря свойствам человеческого глаза, работа этого диода для нас невидима.

ИК-светодиоды чаще всего выпускаются в двух вариантах: с прозрачной или темной (черный / темно-синий) линзой. Цвет линзы совершенно не имеет значения, темная линза не является препятствием для инфракрасного излучения. Кроме того, как и обычные светодиоды, они выпускаются в корпусах разного диаметра, например 3 и 5 мм.

Различные ИК-светодиоды
Различные цвета линз ИК-светодиодов

Конкретная информация об ИК-диоде содержится в документации производителя, которую можно найти по символу диода — к сожалению, он нигде не отмечен на корпусе. Обозначение стоит поискать на сайте продавца, хотя оно не всегда указано.

В случае светодиодов этого типа стоит проверить такие параметры, как:

  • длина излучаемой волны,
  • максимальная продолжительная мощность,
  • максимальный продолжительный ток (порядка нескольких десятков миллиампер),
  • максимальный ток в импульсе (даже более 2 ампер),
  • рабочее напряжение,
  • угол освещения,
  • размер корпуса.

Практическое использование передающих диодов отличается от светодиодов тем, что они обычно имеют импульсное питание. Передача происходит миганием с частотой несколько десятков килогерцовых импульсов с заполнением всего на несколько процентов. Проще говоря, вместо того, чтобы постоянно гореть, мы мигаем диодом очень быстро — таким образом, чтобы время свечения было намного короче, чем при выключенном диоде.

Конечно, речь идет об автоматически генерируемом сигнале, который очень и очень быстро «мигает» светодиодом (например, 36 000 раз в секунду) — мы разберемся с этим позже в этой статье. 

Благодаря этому, этот элемент не успеет перегреться при питании от более высокого тока. На практике мы получаем короткие, но очень сильные световые импульсы, которых достаточно для передачи данных на расстояние. Вот почему пульт от телевизора имеет такой хороший диапазон — сильный луч света легко отражается, например, от стен и потолка и попадает в приемник.

Управление ИК-диодом
Пример управления ИК-диодом

Параметры примерного ИК-диода могут выглядеть так:

  • длина волны: 940 нм,
  • максимальная продолжительная мощность: 100 мВт,
  • максимальный продолжительный ток: 20 мА,
  • прямое напряжение: 1,6 В,
  • угол луча: 20 °,
  • размер корпуса: 5 мм.

Исходя из информации в статье описывающей, что такое мощность, можно быстро подсчитать, что подключение диода к источнику постоянного питания позволит току проходить через него не более чем:

I макс = P макс / U f = 100 мВт / 1,6 В = 62,5 мА

Однако это теоретические значения, потому что в этом случае 100 мВт — это максимальная мощность, которая может излучаться на этом диоде (с учетом, например, прочности ножек, структуры диода и его соединений). Он не обязательно должен совпадать с другими максимальными параметрами диода. Вы всегда должны внимательно изучать каталожные заметки о том или ином элементе.

Как мы уже упоминали, передающие диоды рассчитаны на импульсный режим работы, в отличие от рассмотренных ранее диодов, которые обычно работают в непрерывном режиме. Предположим, что рабочий цикл составляет 10%, что является обычным значением.

Это означает, что светодиод горит 10% времени и не горит 90% времени.

Тогда допустимый ток в импульсе будет:

I max_imp = P max / (U f ⋅ k f ) = 100 мВт / (1,6 В 10%) = 625 мА

Более сильный ток означает большую интенсивность света. Мы хотим, чтобы наш пульт от телевизора работал практически из любой точки комнаты.

Такие расчеты следует рассматривать как приблизительные, поскольку для точных расчетов, необходима вольт-амперная характеристика, которую немногие производители предоставляют в своей документации. Тем не менее, на практике, такой оценки очень часто бывает достаточно.

Практический тест ИК-диода?

Мы рассмотрим использование ИК-диода в одной из следующих наших статей, потому что для того, чтобы сделать это правильно, нам нужно собрать определенную схему. Однако в рамках данного теста вы можете подключить такой диод к источнику питания — как обычный светодиод, например, через резистор 1 кОм.

Схема тестера ИК-диодов
Схема простого тестера ИК-диодов

На практике такая система может выглядеть так:

Схема на макетной платеИК-диод на практике
Схема на макетной платеИК-диод на практике

Если схема правильно собрана, то после включения питания… ничего не произойдет. То есть, диод будет светить, но невооруженным глазом мы этого не увидим. Однако мы можем видеть, что диод горит, когда мы посмотрим на него, например, используя цифровую камеру на телефоне или веб-камеру, встроенную в ноутбук.

В некоторые цифровые камеры могут быть встроены специальные фильтры, чтобы вы не видели инфракрасное излучение.
ИК-светодиод светитНе видно свечение ИК-светодиода
ИК-светодиод светит — видно через цифровую камеруНе видно свечение ИК-светодиода через цифровую камеру с установленным  фильтром

Направив объектив телефона прямо на диод, вы должны увидеть, что светодиод светится фиолетовым светом. Камера видит инфракрасный свет, в отличие от человеческого глаза.

Этот же метод можно использовать, например, для проверки того, работает ли пульт дистанционного управления от телевизора (то есть, действительно ли он отправляет данные).

Как было сказано ранее, мы еще вернемся к теме использования ИК-светодиодов. Однако сначала нам нужно узнать, среди прочего, про интегрированные инфракрасные приемники.

Интегрированные инфракрасные приемники

В продаже есть две основные группы элементов, чувствительных к инфракрасным лучам: фотодиоды и фототранзисторы. Интересно то, что оба этих элемента обычно выглядят так же, как обычные светодиоды. Так что будьте осторожны, не перепутайте их, так как визуально отличить их практически невозможно.

Однако использование этих основных элементов, при реализации тракта передачи, довольно затруднительно из-за помех со стороны окружающей среды. Поэтому производители электронных компонентов создали так называемые интегрированные инфракрасные приемники. Семейство приемников TSOP — это элементы, с которыми сталкивался почти каждый инженер- электронщик. Один из них находится в микросхеме TSOP31236.

TSOP31236 - инфракрасный приемник
TSOP31236 — инфракрасный приемник

Интегрированные инфракрасные приемники имеют специальные, полностью закрытые непрозрачные корпуса, но инфракрасное излучение без проблем проникает через такой корпус. Это одна из обработок, которые делают этот элемент устойчивым к помехам.

Внутри этого инфракрасного приемника находится довольно сложная схема, отвечающая за прием, фильтрацию и декодирование сигнала. Ниже приведена блок-схема из технической документации, показывающая (более или менее), что содержится в этом элементе.

Блок-схема системы TSOP31236
Блок-схема TSOP31236

К счастью, нам не нужно вдаваться в подробности его структуры — любознательный найдет описание этих блоков позже в этой статье. Теперь стоит отметить, что внутри у нас есть приемный диод (который обозначен стрелками, ведущими к диоду, а не снаружи, как в случае светоизлучающих диодов), транзистор и ряд «схем», которые декодируют сигнал и проверяет его правильность.

Инфракрасный приемник на практике

На этот раз мы построим простую схему, которая позволит вам протестировать большинство пультов RTV. Цель этой практической работы — построить устройство, которое будет светить (мигать) светодиодом «в ритме» принимаемого сигнала от пульта ДУ телевизора или другого домашнего оборудования.

Предметы, необходимые для выполнения этой работы:

  • 1 × интегрированный инфракрасный приемник TSOP31236,
  • Резистор 1 × 10 кОм,
  • Резистор 1 × 1 кОм,
  • Резистор 1 × 100 Ом,
  • 1 × 220 мкФ конденсатор,
  • Конденсатор 1 × 100 нФ,
  • 1 × 1N4148 диод,
  • 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
  • Батарея 4 × AA,
  • 1 × блок для 4 батареек АА,
  • 1 × макетная плата,
  • комплект соединительных проводов,
  • 1 × пульт для любого оборудования RTV (например, телевизор, приставка).

Перед началом работы с новой схемой всегда проверяйте описание выходов (ножек), которое можно найти в примечании к каталогу (и примечание можно легко найти, введя «TSOP31236 datasheet» в поисковой строке Google). Как видно на скриншоте, интересующие нас данные находятся в самом начале этого документа.

Выдержка из спецификации TSOP31236
Выдержка из спецификации инфракрасного приемника TSOP31236

Если смотреть спереди: слева сначала земля, средняя ножка — это положительный источник питания, а крайний правый вывод — это выход нашего приемника.

Соединяем все элементы согласно схеме ниже. Конечно, не забудьте правильно подключить электролитический конденсатор, диод и ТСОП. Диод D1 и резистор R1 тоже могут быть незначительной неожиданностью — задумайтесь на мгновение об их задаче, и ответ можно найти под фотографией готовой схемы.

Схема ДУ телевизора
Схема тестера ДУ телевизора на базе TSOP

Эта схема в собранном виде может выглядеть так:

Схема ДУ на макетной платеTSOP31236 на практике
Схема ДУ телевизора на макетной платеСхема TSOP31236 на практике

Для чего нужен диод 1N4148?

Диод 1N4148, включенный последовательно с блоком питания, снижает напряжение аккумулятора примерно на 0,7 В. Это было необходимо потому, что производитель не разрешает запитывать приемник напряжением выше 5,5 В. В блоке, четыре новых 1,5 В. аккумуляторов обеспечивают напряжение 6 В или чуть выше). Так что пришлось как-то «снизить» напряжение. Достаточно одного выпрямительного диода (собственно того падения напряжения, которое он создает). Благодаря этой процедуре нам не пришлось использовать стабилизатор напряжения или импульсный преобразователь.

Для чего нужен дополнительный резистор?

В свою очередь, резистор R1 (10 кОм) обеспечивает постоянный ток через выпрямительный диод, так что напряжение, подаваемое на приемник, не зависит в значительной степени от тока, потребляемого схемой. Ток, потребляемый этой схемой, сильно различается. Если светодиод не горит, TSOP31236 потребляет менее 1 мА. При включенном светодиоде потребление увеличивается на ~ 4 мА (немного, но все равно в 4 раза больше).

Диод D1 использовался в качестве редуктора напряжения питания, но для того, чтобы действовать в этой роли, через него должен протекать «значительный» ток, чтобы на нем могло образоваться напряжение ~ 0,7 В. Важно отметить, что он должен выполнять эту функцию должным образом (все время работы), даже когда TSOP ожидает ИК-сигнала, то есть при низком энергопотреблении.

Что такое «значительный ток»? Это спорный вопрос. Он нигде не определен и зависит в основном от параметров кремниевого диода и температуры окружающей среды. Здесь мы предположили, что дополнительная нагрузка диода с током около 0,5 мА от резистора R1 будет постоянно обеспечивать «значительный ток». В результате на D1 всегда будет требоваться падение напряжения около 0,7 Вольт.

Без этого резистора схема тоже должна работать, но это более безопасное решение!

Работа пульта-тестера на практике

Пришло время протестировать наш пульт-тестер. Включаем питание, берем пульт от телевизора и наводим его прямо на TSOP, а именно на выпуклую часть корпуса. Для некоторых пультов приемник будет очень чувствительным (он будет принимать передачу с большого расстояния). Иногда может возникнуть необходимость переместить пульт дистанционного управления на небольшое расстояние — это связано с созданием определенного стандарта дистанционного управления и связи.

Кстати, стоит обратить внимание на фиолетовую точку на корпусе пульта ДУ — это ИК-диод, свечение которого зафиксировала цифровая камера (включите камеру). Красный светодиод загорается только при нажатии кнопки на пульте дистанционного управления. Обратите внимание, дальность действия нашего пульта дистанционного управления настолько велика, что приемник заметит передачу, даже если мы его спрячем за своей спиной. Свет, излучаемый ИК-диодом, выходит из пульта дистанционного управления, отражается от препятствий и возвращается к приемнику.

Работа тестера
Работа пульта-тестера

Принцип работы TSOP31236

Как ранее и обещали, мы возвращаемся к блок-схеме нашего интегрированного ИК-приемника, то есть к микросхеме TSOP31236 — на этот раз мы сосредоточимся на каждом элементе.

Слева: принимающий элемент — это так называемый PIN-фотодиод, т.е. полупроводниковый диод соответствующей конструкции с открытой структурой. Получается поляризованный барьер, поэтому ток через него не течет. Падающий свет (фотоны) попадает в его структуру и генерирует носители электрического тока, позволяя току течь лишь на мгновение.

Эти крошечные импульсы тока, с фотодиода, улавливаются предусилителем. На его выходе усиливается электрический сигнал, пропорциональный интенсивности принимаемого света.

Блок-схема TSOP31236
Блок-схема TSOP31236

Предварительно усиленный сигнал поступает в блок АРУ (автоматическая регулировка усиления), то есть на усилитель с автоматически регулируемым усилением. Затем сигнал поступает на фильтр, который вырезает из него только частоту, для которой построена схема. В данном случае это 36 кГц. Этот фильтр называется полосовым фильтром.

Две цифры, в конце обозначения номера ИК-приемника, чаще всего определяют частоту (в кГц), с которой работает схема (например, TSOP312 36 означает 36 кГц ).

Повторно усиленный и отфильтрованный сигнал сначала попадает в демодулятор, в котором импульсы нужной частоты преобразуются в непрерывный постоянный сигнал. Поэтому, если мы хотим получить 1-секундный импульс, мы должны отправить его в виде односекундной последовательности импульсов с частотой 36 кГц. Демодуляция — это обратный процесс, который позволяет воссоздать исходную форму сигнала.

Модуляция инфракрасной волны известной частоты позволяет приемнику отличать ее от помех или других источников света, например, от мигающих люминесцентных ламп.

Далее, амплитуда сигнала, поступающего из фильтра сигналов, сообщает регулируемому усилителю, какой коэффициент усиления следует установить. Это макет с так называемой отрицательной обратной связью — при слишком сильном выходном сигнале коэффициент усиления уменьшается; если он слабый, усиление увеличивается. Это позволяет приемнику работать как со светящимся прямо на него излучающим диодом, так и со светом, отраженным, например, от стены.

На выходе работает биполярный транзистор, который переходит в насыщение при обнаружении волны. Это означает, что получение сигнала происходит с логическим низким состоянием на выходе. В состоянии покоя выход высокий, что обеспечивается резистором 30 кОм. Поэтому светодиод подключается к выходу схемы с катодом — светодиод горит, когда TSOP получает сигнал, а его выход низкий (логический ноль, земля).

Через коллектор этого транзистора может протекать ток 5-10 мА. Таким образом, прямое управление, например, через реле невозможно (кроме как через дополнительный транзистор).

Основные параметры ресивера:

  • полученная длина волны: 950 нм,
  • центральная частота фильтра: 36 кГц,
  • напряжение питания: 2,5-5,5 В,
  • потребление тока: 0,3–0,45 мА,
  • максимальный ток, протекающий через выход: 5 мА.

К сожалению или к счастью, ни один элемент не идеален. Каждый интегрированный приемник будет реагировать на разную длину волны света и разную частоту, но его чувствительность будет ниже. Это представлено в таблицах, взятых из примечания к каталогу.

Связь между чувствительностью и частотойСвязь между чувствительностью и длиной волны
Связь между чувствительностью и частотой несущей волныСвязь между чувствительностью и длиной волны света

Например: когда мы помещаем передающий диод в передатчик, который излучает длину волны 850 нм, чувствительность будет только 30% от той, которая была бы получена при использовании аналогичного диода на 950 нм. То же самое относится и к частоте импульсов, управляющих диодом: если она упадет с номинальных 36 кГц до, например, 34,2 кГц, то есть на 5% , чувствительность упадет до 70% от номинального значения.

Большинство встроенных приемников требуют фильтрации питающего напряжения. Следующую диаграмму можно найти в примечании к каталогу. Некоторые убеждены, что если применить хорошую стабилизацию и фильтрацию напряжения, питающего всю схему, об этих дополнительных элементах можно смело забыть.

Это серьезная ошибка! Отсутствие этих элементов вызовет полное отсутствие реакции приемника или очень хаотичную работу схемы.
Схема применения интегрированного инфракрасного приемника
Типовая схема применения интегрированного инфракрасного приемника

Также стоит помнить, что производители предлагают два типа интегрированных приемников. Один из таких, как TSOP31236, обсуждаемый здесь, то есть схема, которая сигнализирует на своем выходе о факте приема волны с заданной частотой, пока она длится. Второй тип способен излучать импульс длительностью несколько миллисекунд, даже если передающий диод работает во много раз дольше. Следующий импульс произойдет после выключения и повторного включения передачи.

Приобретая ИС ИК-приемника для конкретного проекта, всегда проверяйте, не будет ли эта функция помехой!

Вывод

Инфракрасный порт, несмотря на простоту использования и невысокую стоимость компонентов приемопередатчика, имеет серьезный недостаток: он требует, чтобы передатчик и приемник были видны (невозможно передать информацию, например, через стену). Это одна из причин отказа от инфракрасной схемы передачи данных IrDA. На смену ему пришли технологии, использующие радиоволны (включая Bluetooth и Wi-Fi).

Тем не менее, когда нет препятствий, инфракрасный порт по-прежнему имеет множество применений, так что знайте это! Более того, одно из его преимуществ — способность отскакивать от стен. Благодаря этому свойству, инфракрасный порт можно использовать, например, для построения датчика препятствий.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий