СТАТЬЯ не ЗАКОНЧЕНА
Наверняка, многие уже слышали о так называемых TSOP -сенсорах. Давайте попробуем поближе познакомиться с ними, разобраться как их подключать и как использовать.
Немного истории.
Уже в 1960-ых годах начали появляться первые бытовые приборы, телевизоры и радиоприёмники, с управлением на расстоянии. Сначала управление происходило по проводам, затем появлялись пульты со световым или ультразвуковым управлением. Это были уже первые "настоящие" беспроводные пульты дистаннционного управления. Но из-за звуковых или световых помех телевизор мог сам включаться или переключать каналы.
С появлением недорогих светодиодов Инфра-Красного излучения в 1970-ых годах появлиась возможность передавать сигналы с помощью невидимого для человека инфра-красного (ИК) света. А использование модулированных
ИК-сигналов позволило достичь очень выскокой помехозащищённости и увеличить количество передаваемых команд.
В качестве принимающего элемента ИК-излучения применяется обычно ИК-фотодиод или ИК-фототранзистор. Сигнал с такого фотоэлемента необходимо усилить и демодулировать .
Так как фотодиод, усилитель и демодулятор являются неотъемлимой частью ИК-приёмника, эти детали стали объединять в одном корпусе. Сам корпус изготавливают из пластмассы, которая пропускает ИК-лучи. Так со времением получился хорошо всем известный TSOP приёмник инфракрасных сигналов, который применяется в 99% всей бытовой аппаратуры для дистанционного управления.
Разновидности TSOP-приёмников.
Так как интегральные ИК-приёмники выпускались в разные "эпохи" и разными фирмами, существует и множество их внешних видов. Основные типы корпусов изображены на Рис. 2.
Рис. 2. Типы корпусов ИК-приёмников.
1)
ИК-приёмник фирмы SHARP. Обозначение GP1Uxxx
. Внутри жестяной оболочки находится небольшая печатная плата с ИК-фотодиодом и микросхемой. Такой фотоприёмник можно встретить на платах старых телевизоров и видеомагнитофонов.
2)
В этом корпусе ИК-приёмники встречается наиболее часто. Выпускались ещё в середине 199x годах фирмой Telefunken с обозначением TFMSxxx
. Сейчас выпускаются среди прочих фиромой Vishai и имеют обозначение TSOP1xxx
.
3)
ИК-приёмник в уменьшенном корпусе. Маркируется как TSOP48xx
, ILOP48xx
, TK18xx
.
4)
Очень редко встречающийся корпус ИК-приёмника. Ранее выпускался фирмой Sanyo . Обозначается как SPS440
-x.
5)
ИК-фотоприёмник в SMD корпусе фирмы Vishai . Обозначение: TSOP62xx
.
("x" в обозначениях означает цифру или букву.)
Рис. 3. Распиновка, вид снизу.
Распиновку каждого типа TSOP, как обычно, можно посмотреть в соответствующей на конкретную марку ИК-приёмника.
Обратите внимание, что ИК-приёмники под номерами 2 и 3 имеют разную распиновку! (Рис. 3):
Vo
- ножка выхода ИК-приёмника.
GND
- общий вывод (минус источника питания).
Vs
- вывод плюса напряжения питания, обычно от 4,5 до 5,5 вольт.
Принцип работы.
Рис. 4. Блок-схема TSOP.
Упрощённая блок-схема TSOP-приёмника приведена на Рис. 4. В качестве выходного элемента внутри TSOP используется обычный N-P-N транзистор. В неактивном состоянии транзистор закрыт, и на ножке Vo присутствует слабый уровень высокого напряжения (лог. "1"). При появлении в чувствительной зоне TSOP инфракрасного излучения с "основной" частотой этот транзистор открывается и выходная ножка Vo принимает низкий уровень сигнала (лог. "0").
"Основная" частота - это частота импульсов инфра-красного излучения (света), которую отфильтровывает внутренний демодулятор TSOP. Эта частота обычно равна 36, 38, 40 кГц, но может быть и другой, об этом необходимо справиться в даташите на конкретный тип TSOP-приёмника. Для повышения помехоустойчивости ИК-канала связи, применяется модулированная передача ИК-света. Временны
е харрактеристики модуляции для помехозащитной передачи приведены в даташите на конкретный TSOP-приёмник. Но в большинстве случаев достаточно придерживаться простых правил:
Рис. 5. Принцип передачи импульсов.
1) минимальное количество импульсов в пачке - 15
2) максимальное количество импульсов в пачке - 50
3) минимальное время между пачками - 15*T
4) частота импульсов в пачке должна соответствовать основной частоте TSOP-приёмника
5) светодиод должен быть с длиной волны = 950 nm.
"T"
- период "основной" частоты TSOP-приёмника.
Регулируя в некоторых пределах длину пачки импульсов, можно передавать двоичные сигналы. Длинный импульс на выходе TSOP-приёмника может означать "единицу", а короткий - "нуль" (Рис. 5). Таким образом при соблюдении правил модуляции дальность передачи цифровых сигналов на прямой видимости между светодиодом и TSOP-приёмником может достигать 10-20 метров. Скорость передачи не большая, около 1200 бит в секунду, в зависимости от применённого TSOP-приёмника.
Использование TSOP в качестве сенсора.
TSOP-приёмники можно использовать в качестве друх типов сенсоров:
В обоих случаях необходимо применять светонепроницаемые тубусы, которые будут ограничивать пучёк ИК-лучей в нежелательных направлениях.
Инфра-Карсный спектр света, так же как и видимый свет, подчиняется законам оптики:
-
излучение может отражается от различных поверхностей
-
интенсивность излучения уменьшается с увеличением расстояния от источника
Эти две оссобенности и используются для построения так называемых "ИК-бамперов" - безконтактных сенсоров обнаружения препятствий. Что бы исключить ложные срабатывания или ложные не
срабатывания таких бамперов необходимо излучать пачки импульсов, как и при передаче комманд пультом управления.
Генерировать пачки импульсов можно с помощью обычных логических микросхем или с момощью микроконтроллера. Если в конструкции используются несколько сенсоров на основе TSOP-приёмников или несколько излучающих диодов, следует предусмотреть избирательный опрос "срабатывания" датчика. Такая избирательность достигается проверкой срабатывания TSOP-приёмника только в тот момент, когда передаётся только для него предназначенная пачка ИК-импульсов, или сразу же после
её передачи.
Расстояние срабатывание ИК-бампера на основе TSOP-приёмника можно регулировать тремя способами:
1)
изменяя основную частоту импульсов ИК-излучения,
2)
изменяя скважность основной частоты импульсов ИК-света
3)
изменяя ток через ИК-светодиод.
Выбор способа определяется удобством использования в конкретной схеме ИК-бампера.
У безконтактных бамперов на основе TSOP-приёмников есть существенный недостаток: расстояние "срабатывания" такого бампера сильно зависит от цвета и шероховатости отражающей поверхности предмета. Но очень низкая цена TSOP-приёмников и простота их использования представляют большой интерес для начинающих электронщиков для постройки разнообразных сенсоров.
В телевизионной, бытовой, медицинской техники и другой аппаратуре широкое распространение получили ИК-приемники инфракрасного излучения. Их можно увидеть почти в любом виде электронной техники, управляют ими с помощью пульта дистанционного управления.
Обычно, микросборка ИК-приемника имеет от трех выводов. Один является общим и подсоединяется к минусу питания GND , другой к плюсу V s , а третий является выходом принимаемого сигнала Out .
В отличие от стандартного ИК фотодиода, ИК-приемник способен не только принимать, но еще и обрабатывать инфракрасный сигнал, в виде импульсов фиксированной частоты и заданной длительности. Это защищает устройство от ложных срабатываний, от фонового излучения и помехам со стороны других бытовых приборов, излучающих в ИК диапазоне. Достаточно сильные помехи для приемника могут создавать люминесцентные энергосберегающие лампы со схемой электронного балласта.
Микросборка типичного ИК-приемника излучения включает: PIN-фотодиод, регулируемый усилитель, полосовой фильтр, амплитудный детектор, интегрирующий фильтр, пороговое устройство, выходной транзистор
PIN-фотодиод из семейства фотодиодов, у которого между областями n и p создана еще одна область из собственного полупроводника (i-область) – это по сути прослойка из чистого полупроводника без примесей. Именно она придаёт PIN-диоду его особенные свойства. В нормальном состоянии ток через PIN-фотодиод не идет, так как в схему он подсоединен в обратном направлении. Когда под действием внешнего ИК излучения в i-области генерируются электронно-дырочные пары, то через диод начинает течь ток. Который потом идет на регулируемый усилитель.
Затем сигнал с усилителя следует на полосовой фильтр, защищающий от помех в ИК диапазоне. Полосовой фильтр настроен на строго фиксированную частоту. Обычно применяются фильтры, настроенные на частоту 30; 33; 36; 36,7; 38; 40; 56 и 455 килогерц. Для того, чтобы излучаемый ПДУ сигнал принимался ИК -приемником, он должен быть модулирован той же частотой, на которую настроен фильтр.
После фильтра сигнал поступает на амплитудный детектор и интегрирующий фильтр. Последний необходим для блокирования коротких одиночных всплесков сигнала, могущих появиться от помехам. Далее сигнал идет на пороговое устройство и выходной транзистор. Для устойчивой работы коэффициент усиления усилителя настраивается системой автоматической регулировки усиления (АРУ).
Корпуса ИК-модулей изготавливаются специальной формы способствующей фокусировке принимаемого излучения на чувствительную поверхность фотоэлемента. Материал корпуса пропускает излучение с строго определенной длиной волны от 830 до 1100 нм. Таким образом, в устройстве задействован оптический фильтр. Для защиты внутренних элементов от воздействия внешних эл. полей используется электростатический экран.
Ниже рассмотрим работу схемы ИК приемника, которую можно использовать во многих радиолюбительских разработках.
Существуют различные виды и схемы ИК приемников в зависимости от длины волны длины волны, напряжения, пакета передаваемых данных и т.п.
При использовании схемы в комбинации инфракрасного передатчика и приемника длина волны приемника обязательно должна совпадать с длиной волны ИК передатчика. Рассмотрим одну из таких схем.
Схема состоит из ИК-фототранзистора, диода, полевого транзистора, потенциометра и светодиода. Когда фототранзистор получает какое-либо инфракрасное излучение, через него идет ток и полевой транзистор включается. Далее, загорается светодиод, вместо которого может быть подключена и другая нагрузка. Потенциометр используется для управления чувствительностью фототранзистора.
Проверка ИК-Приемника |
Так как приемник ИК-сигналов является специализированной микросборкой, то для того, чтобы убедиться в ее работоспособности требуется подать на микросхему напряжение питания, обычно это 5 вольт. Потребляемый ток при этом будет около 0,4 – 1,5 мА.
Если на приемник не поступает сигнал, то в паузах между пачками импульсов напряжение на его выходе практически соответствует напряжению питания. Его между GND и выводом выхода сигнала можно измерить с помощью любого цифрового мультиметра. Также рекомендуется замерить потребляемый микросхемой ток. Если он превышает типовой (см. справочник), то скорее всего микросхема дефектная.
Итак, перед началом теста модуля обязательно определяем цоколевку его выводов. Обычно эту информацию легко найти, в нашем мегасправочнике даташитов по электронике. Скачать его вы можете кликнув на рисунок справа.
Проведем проверку на микросхеме TSOP31236 ее распиновка соответствует рисунку выше. Плюсовой вывод от самодельного блока питания подключаем к плюсовому выводу ИК-модуля (Vs), минус – к выводу GND. А третий вывод OUT подсоединяем к плюсовому щупу мультиметра. Минусовой щуп подсоединяем к общему проводу GND. Мультиметр переключаем в режим напряжения DC на 20 V.
Как только на фотодиод ИК-микросборки начнут поступать пачки инфракрасных импульсов от , то напряжение на его выходе будет падат на несколько сотен милливольт. При этом будет хорошо заметно, как на экране мультиметра значение снизиться с 5,03 вольт до 4,57. Если отпустим кнопку ПДУ, то на экране вновь отобразиться 5 вольт.
Как видим, приемник ИК излучения правильно реагирует на сигнал с пульта. Значит модуль исправен. Аналогичным образом можно проверить любые модули в интегральном исполнении.
Представляем несложный проект по созданию ИК барьера дальнего действия - до 5 метров. Устройство также может быть использовано как датчик приближения или пересечения. Инфракрасный барьер имеет выход на реле, что позволяет подключить его к любому устройству с электрическим питанием (лампа, мотор, сигналка и т.д.). Высокая мощность передатчика и чувствительность приемника позволяют покрыть расстояния до 4 метров, а также использования в качестве датчика отражатель до дистанции 1 метр.
Схема передатчика ИК
Барьер имеет два модуля: один передатчик, а другой - приемник. Передатчик использует классический, на микросхеме 555, который работает как генератор импульсов. Эти импульсы транзистор BC327 усиливает и подаёт на инфракрасные светодиоды.
Передача импульсов имеет два преимущества. Первое: приемник, с помощью фильтров, может выделить сигнал передатчика на фоне помех. Второе: если импульсы краткие, то можно применить большую мощность светодиодов в излучателях, без риска сжечь их, и таким образом, получая больший радиус действия. Со значениями деталей, указанными на схеме, частота передачи будет 1,3 кГц и импульсы будут иметь длительность 25 мкс. А периоды молчания будут 750 мкс. Соотношение 1 к 30.
В печатной плате предусмотрена возможность подключить сразу 3 светодиода ИК-порт. Но можно подключить только один светодиод, два или три. Если не подключать все светодиоды - нужно паять перемычки из куска провода вместо светодиодов. Сопротивление токоограничения светодиодов 10 ом. Можно его повысить, если требуется уменьшить выходную мощность излучения.
Схема приёмника ИК
Схема приемника более сложная по сравнению с передатчиком и использует в основе ОУ LM324 - это операционный усилитель. Слабый ИК сигнал, который поступает на фототранзистор, усилит и отфильтрует первый элемент операционного усилителя, а затем вновь усилится и скорректируется через второй элемент ОУ и диоды 1N914.
Дальность работы охранного барьера зависит от мощности и концентрации инфракрасного света, производимого светодиодами, и может варьироваться от 1 метра до 5. Для получения большей мощности света необходимо установить все три инфракрасных светодиода и использовать модели с очень узким углом излучения, например, SFH4511. Если нет возможности, могут быть использовать более распространенные СД, как, например LD271, LD274 или любой другой ИК-светодиод для пульта от ТВ. Фототранзистор тут использован типа SFH309, но и другие типы подойдут.
Заметим, что схема не имеет памяти (реле срабатывает только в момент, когда прерывается барьер) и когда человек проходит дальше - реле отключается. Так что при использовании модуля в составе самодельного охранного устройства, нужно добавить возможность удержания его на некоторое время.
В бытовой радиоэлектронной аппаратуре получили широкое применение интегральные приёмники инфракрасного излучения. По-другому их ещё называют ИК-модулями.
Их можно обнаружить в любом электронном приборе, управлять которым можно с помощью пульта дистанционного управления.
Вот, например, ИК-приёмник на печатной плате телевизора.
Несмотря на кажущуюся простоту данного электронного компонента – это специализированная интегральная схема, предназначенная для приёма инфракрасного сигнала от пультов дистанционного управления (ДУ). Как правило, ИК-приёмник имеет не менее 3-х выводов. Один вывод является общим и подключается к минусу «-» питания (GND ), другой служит плюсовым «+» выводом (Vs ), а третий выходом принимаемого сигнала (Out ).
В отличие от обычного инфракрасного фотодиода, ИК-приёмник может принимать и обрабатывать инфракрасный сигнал, представляющий собой ИК-импульсы фиксированной частоты и определённой длительности – пачки импульсов. Это технологическое решение избавляет от случайных срабатываний, которые могут быть вызваны фоновым излучением и помехами со стороны других приборов, излучающих в инфракрасном диапазоне.
Например, сильные помехи для приёмника ИК-сигналов могут создавать люминесцентные осветительные лампы с электронным балластом . Понятно, что использовать ИК-приёмник взамен обычного ИК-фотодиода не получиться, ведь ИК-модуль является специализированной микросхемой, заточенной под определённые нужды.
Для того чтобы понять принцип работы ИК-модуля разберёмся более детально в его устройстве с помощью структурной схемы.
Микросхема приёмника ИК-излучения включает:
PIN-фотодиод
Регулируемый усилитель
Полосовой фильтр
Амплитудный детектор
Интегрирующий фильтр
Пороговое устройство
PIN-фотодиод – это разновидность фотодиода, у которого между областями n и p расположена область из собственного полупроводника (i-область ). Область собственного полупроводника – это по сути прослойка из чистого полупроводника без внесённых в него примесей. Именно этот слой и придаёт PIN-диоду его особенные свойства. К слову сказать, PIN-диоды (не фотодиоды) активно применяются в СВЧ электронике. Взгляните на свой мобильный телефон, в нём также используется PIN-диод.
Но, вернёмся к PIN-фотодиоду. В обычном состоянии ток через PIN-фотодиод не протекает, так как в схему он включен в обратном направлении (в так называемом обратном смещении). Так как под действием внешнего инфракрасного излучения в i-области возникают электронно-дырочные пары, то в результате через диод начинает протекать ток. Этот ток затем преобразуется в напряжение и поступает на регулируемый усилитель .
Далее сигнал с регулируемого усилителя поступает на полосовой фильтр . Он служит защитой от помех. Полосовой фильтр настроен на определённую частоту. Так в ИК-приёмниках в основном используются полосовые фильтры, настроенные на частоту 30; 33; 36; 36,7; 38; 40; 56 и 455 килогерц. Чтобы излучаемый пультом ДУ сигнал мог быть принят ИК-приёмником, он должен быть модулирован такой же частотой, на которую настроен полосовой фильтр ИК-приёмника. Вот так, например, выглядит модулированный сигнал от излучающего инфракрасного диода (см. рисунок).
А вот так выглядит сигнал на выходе ИК-приёмника.
Стоит отметить, что избирательность полосового фильтра невелика. Поэтому ИК-модуль с фильтром на 30 килогерц вполне может принимать сигнал частотой 36,7 килогерц и более. Правда, при этом расстояние уверенного приёма заметно снижается.
После того, как сигнал прошёл через полосовой фильтр, он поступает на амплитудный детектор и интегрирующий фильтр . Интегрирующий фильтр необходим для подавления коротких одиночных всплесков сигнала, которые могут быть вызваны помехами. Далее сигнал поступает на пороговое устройство , а затем на выходной транзистор .
Для устойчивой работы приёмника коэффициент усиления регулируемого усилителя контролируется системой автоматической регулировки усиления (АРУ ). Поскольку полезный сигнал представляет собой пачку импульсов определённой длительности, то из-за инерционности АРУ сигнал успевает пройти через тракт усиления и остальные узлы схемы.
В случае, когда длительность пачки импульсов чрезмерна система АРУ срабатывает, и приёмник перестаёт принимать сигнал. Такая ситуация может возникнуть, когда ИК-приёмник засвечен люминесцентной лампой с электронным балластом, который работает на частотах 30 – 50 килогерц. В таком случае промодулированное инфракрасное излучение паров ртути лампы может пройти защитный полосовой фильтр фотоприёмника и вызвать срабатывание АРУ. Естественно, при этом чувствительность ИК-приёмника падает.
Поэтому не стоит удивляться, когда фотоприёмник телевизора плохо принимает команды от пульта ДУ. Возможно, ему просто мешает засветка люминесцентных ламп.
Автоматическая регулировка порога (АРП ) выполняет аналогичную функцию, что и АРУ, управляя порогом срабатывания порогового устройства. АРП выставляет уровень порога срабатывания таким образом, чтобы уменьшить число ложных импульсов на выходе модуля. При отсутствии полезного сигнала число ложных импульсов может достигать 15-ти в минуту.
Форма корпуса ИК-модуля способствует фокусировке принимаемого излучения на чувствительную поверхность фотодиода. Материал же корпуса пропускает излучение с длиной волны от 830 до 1100 нм. Таким образом, в устройстве реализован оптический фильтр. Для защиты элементов приёмника от воздействия внешних электрических полей в модуле установлен электростатический экран. На фотографии показаны ИК-модули марки HS0038A2 и TSOP2236 . Для сравнения рядом показаны обычные ИК-фотодиоды КДФ-111В и ФД-265 .
ИК-приёмники
Как проверить исправность ИК-приёмника?
Поскольку приёмник ИК-сигналов является специализированной микросхемой, то для того, чтобы достоверно проверить её исправность необходимо подать на микросхему напряжение питания. Например, номинальное напряжение питания для «высоковольтных» ИК-модулей серии TSOP22 составляет 5 вольт. Потребляемый ток составляет единицы миллиампер (0,4 – 1,5 мА). При подключении питания к модулю стоит учитывать цоколёвку.
В состоянии, когда на приёмник не подаётся сигнал, а также в паузах между пачками импульсов напряжение на его выходе (без нагрузки) практически равно напряжению питания. Выходное напряжение между общим выводом (GND) и выводом выхода сигнала можно замерить с помощью цифрового мультиметра . Также можно замерить потребляемый модулем ток. Если ток потребления превышает типовой, то скорее всего модуль неисправен.
О том, как проверить исправность ИК-приёмника с помощью блока питания , мультиметра и пульта ДУ читайте .
Как видим, приёмники ИК-сигналов, используемые в системах дистанционного управления по инфракрасному каналу, имеют достаточно изощрённое устройство. Данные фотоприёмники часто используют в своих самодельных устройствах любители микроконтроллерной техники.
Приемник ИК — команд пульта дистанционного управления для управления бытовой техникой может быть легко сделан с применением десятичного счетчика CD4017, таймера NE555 и инфракрасного приемника TSOP1738.
Используя эту схема ИК приемника, можно с легкостью управлять своей бытовой техникой с помощью пульта от телевизора, DVD-плеера или же с помощью схемы ПДУ описанного в конце статьи.
Схема ИК приемника для дистанционного управления
Выводы 1 и 2 ик-приемника TSOP1738 используются для его питания. Резистор R1 и конденсатор C1 предназначены для стабильной работы и подавления различных помех по цепи питания.
Когда ИК лучи на частоте 38 кГц падает на ИК-приемник TSOP1738, на его выходе 3 появляется низкий уровень напряжения, при исчезновении ик-лучей вновь появляется высокий уровень. Этот отрицательный импульс усиливается транзистором Q1, который передает усиленный частотный сигнал на вход десятичного счетчика CD4017. Выводы счетчика 16 и 8 предназначены для питания его. Вывод 13 подключен к земле, разрешая тем самым его работу.
Выход Q2 (4 контакт) подключен к выводу сброса (15 контакт), чтобы сделать работу CD4017 в режиме бистабильного мультивибратора. В время первого импульса на Q0 появляется лог1, второй синхросигнал вызывает появление лог1 на Q1 (Q0 становится низким), а на третий сигнал опять выводит на Q0 лог 1 (Q2 подключен к MR, поэтому третий тактовый сигнал сбрасывает счетчик).
Давайте предположим, счетчик совершил сброс (Q0 высокий уровень, а остальные низкий). При нажатии на кнопку ПДУ, тактовый сигнал воздействует на счетчик, что приводит к появлению высокого уровня на Q1. Таким образом, LED D1 светится, транзистор Q2 включается и активируется реле.
Когда вновь нажимают кнопку ПДУ, на выводе Q0 появляется лог 1, реле отключается и LED D2 загорается. LED D1 указывает, когда прибор включен и LED D2 указывает, когда прибор выключен.
Вы можете использовать свой пульт от телевизора для управления или собрать отдельный на по приведенной ниже схеме.
