EdW 12 1997.pdf
(
8343 KB
)
Pobierz
Projekty AVT
P
r
osty tor
osty tor
podczerwieni aktywnej
podczerwieni aktywnej
dalekiego zasięgu
dalekiego zasięgu
2178
część I
Nie słabnie zainteresowanie wszel−
kiego typu urządzeniami wykorzystują−
cymi promieniowanie podczerwone.
W EdW przedstawiliśmy już kilka ukła−
dów wykorzystujących podczerwień,
a listy czytelników przynaglają nas do
przedstawienia kolejnych.
W niniejszym artykule przedstawio−
no układ toru podczerwieni dalekiego
zasięgu, umożliwiający stworzenie ba−
riery o zasięgu 50m i większym. Uwa−
ga! Tak duży zasiięg uzyskano bez ja−
kiichkollwiiek soczewek czy iinnych ukłła−
dów optycznych.. Co ciekawe, suma−
ryczny pobór prądu przez nadajnik i od−
biornik wynosi mniej niż 10mA, z cze−
go ponad 90% pobiera nadajnik.
Artykuł pokazuje, w jaki sposób można
uzyskać bardzo duży zasięg przy minimal−
nym poborze prądu. Zawarte w nim wia−
domości będą wielką pomocą dla osób
chcących samodzielnie zaprojektować
podobny układ według własnych potrzeb.
Przedstawiany układ przeznaczony
jest głównie do celów eksperymental−
nych, ale może także znaleźć praktyczne
zastosowania. Każdy, kto interesuje się
wykorzystaniem promieniowania pod−
czerwonego, powinien wykonać oraz
praktycznie przebadać opisany dalej pros−
ty i tani układ.
nym wykorzystaniu parametrów nowo−
czesnych podzespołów.
W opisywanym układzie zastosowano
dobrze znany scalony odbiornik podczer−
wieni TFMS5360 oraz wysokosprawną
diodę podczerwoną o wąskim kącie świe−
cenia. Ich właściwe wykorzystanie umoż−
liwia osiągnięcie wręcz rewelacyjnych pa−
rametrów łącza. Jednocześnie każda nie−
doróbka mści się dotkliwie i znacznie
zmniejsza zasięg. Ponieważ chodzi
o „wyduszenie” ze wspomnianych pod−
zespołów wszystkich ich możliwości, ko−
nieczne jest zapoznanie się z głównymi
parametrami. Bez ich zrozumienia nie
można zaprojektować (i prawdopodobnie
wykonać) dobrego łącza podczerwieni.
W przypadku diody nadawczej podsta−
wowe znaczenie mają dwie sprawy:
– kąt świecenia diod
– maksymalny dopuszczalny prąd impul−
sowy.
W przypadku odbiornika podstawowe
znaczenie ma częstotliwość impulsów
oraz długość fali świetlnej.
Wtabellii 1podano podstawowe paramet−
ry diod nadawczych TSIP5201 i TSIP5202 fir−
my Telefunken (koncern Temic).
Tabela 1
Podstawowe parametry diiod TSIIP520X::
Dopuszczalne
napięcie wsteczne: 7 V
Prąd przewodzenia: 150 mA
Szczytowy prąd przewodzenia
(tp /T=0,5, tp =100µs): 300 mA
Niepowtarzalny prąd przewodzenia
(tp =100µs):
Zasada działania
Wykonanie dobrego łącza podczer−
wieni było niegdyś bardzo trudnym za−
daniem. Aby uzyskać duży zasięg, trze−
ba było stosować soczewki. Oczywiście
regulacja zestawu składającego się z na−
dajnika, odbiornika i współpracujących
z nimi dwóch soczewek była bardzo
trudna lub wręcz niemożliwa do wyko−
nania, ze względu na niewidzialne pro−
mieniowanie.
Obecnie wykonanie łącza, czy też ba−
riery podczerwieni aktywnej o zasięgu
20...30m bez jakichkolwiek soczewek nie
stanowi żadnego problemu. Przy odrobi−
nie staranności można uzyskać zasięg
znacznie przekraczający 50m. Wszystko
to jest możliwe dzięki zastosowaniu i peł−
3 A
Moc strat:
210 mW
Maksymalna
temperatura złącza:
100°C
Rezystancja
termiczna Rthja:
350 K/W
Kąt świecenia:
±17 stopni
Długość fali
promieniowania:
925 nm
Czas włączania
i wyłączania: 500...800 ns
Natężenie promieniowania
(IF =100mA, tp =20ms):
TSIP5200:
40 mW/sr
Kluczem do sukcesu są parametry za−
równo nadajnika, jak i odbiornika.
TSIP5201:
50 mW/sr
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/98
11
Projekty AVT
Ryyss.. 1.. Chaarraakktterryyssttyykkii diiod naadaawcczzyycch TSIIP520X
Na rysunku 1 pokazano kluczowe cha−
rakterystyki tych diod. Rysunek 1a poka−
zuje charakterystykę promieniowania.
Jak widać, światło emitowane jest w po−
staci stosunkowo wąskiego stożka. Dzię−
ki zmniejszeniu kąta stożka promieniowa−
nia uzyskuje się kilku−, a nawet kilkuna−
stokrotne zwiększenie natężenia promie−
niowania w porównaniu z „klasycznymi”
diodami, o kącie świecenia ±25...±40 .
Bardzo ważne informacje zawiera rysu−
nek 1b. Pokazuje on, że przy zastosowaniu
impulsowej pracy diody, możliwa jest pra−
ca przy prądach znacznie większych niż no−
minalny prąd przewodzenia (który zwykle
wynosi 100...150mA). Przykładowo, przy
współczynniku wypełnienia tp/T = 0,01
i czasie impulsu 0,1 milisekundy, wartość
prądu podczas impulsu może wynieść 2A!
W prezentowanym układzie współczynnik
wypełnienia jest jeszcze mniejszy, a czas
impulsu – krótszy, można więc pracować
przy prądzie o wartości 3A! Nikomu chyba
nie trzeba tłumaczyć, że ze wzrostem prą−
du rośnie także natężenie promieniowania,
a tym samym zasięg łącza. Przykładowo
w katalogach zazwyczaj podaje się natęże−
nie przy prądzie 100mA. Omawiane diody
przy prądzie przewodzenia równym 1,5A
i czasie impulsu równym 100µs zapewnia−
ją natężenie promieniowania:
TSIP5200: 240...520 mW/sr
TSIP5201: 360...650 mW/sr
Rysunek 1c pokazuje zależność napię−
cia i prądu przewodzenia – jak widać, przy
prądzie 3A spadek napięcia na diodzie
wyniesie około 2,5V. Jest to potrzebne
do oszacowania wartości rezystora sze−
regowego ograniczającego prąd diody.
Rysunek 1 pokazuje charakterystyki
diod TSIP520X. W ofercie firmy Telefun−
ken (Temic) można znaleźć kilka innych
diod o zbliżonych parametrach, które
również można stosować w opisywanym
urządzeniu:
TSUS5200
W tabellii 2 podano kluczowe paramet−
ry kilku diod produkowanych przez firmę
Siemens.
Również tu najważniejszym paramet−
rem jest natężenie promieniowania, wy−
rażone w miliwatach na steradian
(mW/sr). Warto zauważyć, że duże natę−
żenie promieniowania uzyskuje się tylko
przy małych kątach świecenia – cała moc
skoncentrowana jest wówczas w małym
stożku promieniowania. Dla porównania
w tabeli zamieszczono dane popularnej
diody LD271, która ma znacznie większy
kąt rozsyłu światła (±25 ), a tym samym
małe natężenie (tylko 10mW/sr).Jak wi−
dać z przedstawionych danych, zasięg łą−
cza podczerwieni będzie zależeć głównie
od kąta promieniowania diody (oraz
szczytowej wartości prądu). Aby uzyskać
zasięg kilkudziesięciu metrów, w opisy−
wanym układzie koniecznie trzeba zasto−
sować diodę o jak najwęższym kącie –
jak widać z tabel, nadaje się tutaj wiele
typów diod. W żadnym przypadku nie na−
dają się tu jednak popularne diody od pi−
lotów zdalnego sterowania, ponieważ
z reguły mają one szeroki kąt świecenia.
Przy zastosowaniu takiej „zwykłej diody
od pilota nie ma co liczyć na uzyskanie za−
sięgu rzędu 50m.
Drugim kluczowym czynnikiem jest
zastosowanie dobrego odbiornika. Aby
maksymalnie uprościć konstrukcję za−
stosowano typowy scalony odbiornik
podczerwieni TFMS5360. Czytelnicy
EdW sporo już o tym układzie wiedzą.
Układ TFMS5360 zawiera w sobie foto−
diodę, wzmacniacz, filtr i inne obwody,
dzięki którym nie reaguje na przypadko−
we sygnały podczerwieni, a tylko na
przebiegi o określonej częstotliwości.
Dwie środkowe cyfry oznaczenia podają
tę częstotliwość (w kilohercach) – układ
TFMS5360 reaguje jedynie na impulsy
promieniowania podczerwonego o częs−
totliwości powtarzania 36kHz. Rysunek
2a pokazuje, że już niewielkie odchyłki
od częstotliwości nominalnej radykalnie
Tabela 2
Typ
Kąt [°°]]
mW//sr
µs
nm
Obudowa
LD271L
25
10,00
1,0
950
5−mm−LED
LD274
10
50,00
1,0
950
5−mm−LED
LD274−2
10
50,00
1,0
950
5−mm−LED
LD274−3
10
80,00
1,0
950
5−mm−LED
SFH400
6
20,00
1,0
950
TO−18
SFH400−2
6
20,00
1,0
950
TO−18
SFH400−3
6
32,00
1,0
950
TO−18
SFH400−4
6
50,00
1,0
950
TO−18
SFH401
15
16,00
1,0
950
TO−18
SFH401−3
15
16,00
1,0
950
TO−18
SFH401−4
15
25,00
1,0
950
TO−18
SFH415
17
16,00
0,5
950
5−mm−LED
SFH415−T
17
25,00
0,5
950
5−mm−LED
SFH415−U
17
40,00
0,5
950
5−mm−LED
SFH416−R
28
10,00
0,5
950
5−mm−LED
SFH480−2
6
40,00
0,6
880
TO−18
SFH480−3
6
63,00
0,6
880
TO−18
SFH481
15
“”
880
TO−18
SFH481−1
15
10,00
0,6
880
TO−18
15°
20mW/sr
SFH481−2
15
16,00
0,6
880
TO−18
(przy 100mA)
TSUS5201
SFH481−3
15
25,00
0,6
880
TO−18
SFH484
8
50,00
0,6
880
5−mm−LED
15°
20mW/sr
SFH484−1
8
50,00
0,6
880
5−mm−LED
TSUS5202
15°
20mW/sr
TSIL5200
10
60mW/sr
12
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/98
Projekty AVT
Ryyss.. 2.. Chaarraakktterryyssttyykkii odbiiorrniikkaa TFMS5360
zmniejszają czułość. Jak wynika z rysun−
ku 2a już odchyłka o 10% od częstotli−
wości środkowej daje ponad dwukrotne
zmniejszenie czułości. Do tego dochodzi
jeszcze nieunikniona tolerancja związana
z rozrzutami produkcyjnymi – należy li−
czyć się z odchyłkami częstotliwości
środkowej rzędu do 5%. Biorąc to pod
uwagę, należy zapewnić właściwą, sta−
bilną częstotliwość impulsów wysyła−
nych z nadajnika. O czułości i stabilności
parametrów decydować więc będzie
stabilność częstotliwości generatora im−
pulsów 36kHz w nadajniku.
Drugą sprawą, którą należy wziąć pod
uwagę jest długość fali promieniowania.
Niektóre diody (np. LD274) promieniują
światło podczerwone o długości fali
950nm, czyli dokładnie w zakresie naj−
większej czułości odbiornika. Opisywane
diody TSIP520X wytwarzają promienio−
wanie o długości fali 925nm. Jak widać
z rysunku 2b niewiele zmniejsza to czu−
łość odbiornika – tylko o około 5%. Ale
już zastosowanie diod nadawczych, wy−
twarzających promieniowanie o długości
870nm (np. TSHA520X), dałoby zmniej−
szenie czułości odbiornika o około 50%.
Przykładowo dioda TSHA5203 ma natę−
żenie promieniowania 65mW/sr. Ale
wskutek innej długości fali czułość od−
biornika jest mniejsza i sytuacja jest taka,
jak przy zastosowaniu diody nadawczej
o długości fali 950nm i natężeniu
32,5mW/sr.
Wymienione wcześniej diody nadaw−
cze mają długość fali promieniowania
przypadającą w zakresie największej
czułości.
Istotnym parametrem odbiornika jest
niewrażliwość na sygnały zakłócające,
zwłaszcza na stałe promieniowanie tła.
Odbiorniki TFMS wyposażone są w czar−
ny filtr, przepuszczający tylko promienio−
wanie podczerwone, a nie przepuszczają−
cy światła widzialnego. Ale w grę wcho−
dzi jeszcze stałe promieniowanie pod−
czerwone. Może ono pochodzić ze słoń−
ca, z żarówek, czy podobnych źródeł. Im−
pulsy promieniowania o częstotliwości
36kHz są więc prawie zawsze nałożone
na stałe promieniowanie tła. Rysunek 2c
pokazuje, jak zmienia się czułość na im−
pulsy w zależności od tego stałego pro−
mieniowania tła. Jak widać czułość
znacznie się zmniejsza przy wzroście te−
go stałego promieniowania. Na rysunku
2 nie pokazano charakterystyki czułości
kątowej (przestrzennej) odbiornika. Wy−
starczy wiedzieć, że odbiornik „patrzy”
bardzo szeroko, mniej więcej ±55 od osi
(obszar największej czułości zaznaczony
jest fioletowymi strzałkami na rysunku
wstępnym).
Jeśli tak, to aby zapobiec utracie czu−
łości pod wpływem „obcego” promienio−
wania podczerwonego (słońca, lamp), na−
leży ograniczyć kąt widzenia odbiornika.
Odbiornik powinien „widzieć” nadajnik,
a poza tym... jak najmniej. W najprost−
szym przypadku do ograniczenia pola wi−
dzenia wystarczy rurka o niewielkiej śred−
nicy i odpowiedniej długości.
Czytelnik uzbrojony w powyższe dane
mógłby już próbować budować układ na−
dajnika i odbiornika. Ale konieczne są dal−
sze informacje.
Wyjaśnienia wymaga sprawa impul−
sów. Spora rzesza elektroników się na
tym nacięła. Wydaje im się, że już wszys−
tko wiedzą o odbiornikach TFMS5XX0.
Tymczasem tych, którzy tylko pobieżnie
przejrzeli informacje katalogowe czeka
przykra niespodzianka. Pierwszy rzut oka
na blokowy schemat wewnętrzny (rysu−
nek 3a) sugeruje, że po pojawieniu się
impulsów promieniowania o właściwej
częstotliwości (36kHz), na wyjściu powi−
nien na stałe pojawić się stan niski. Tak
jednak nie jest. Układy rodziny TFMS
przeznaczone są do odbioru sygnałów
z pilotów zdalnego sterowania, a takie
sygnały nie są ciągłe – są to „paczki im−
pulsów”. Aby odbiornik prawidłowo dzia−
łał, taka paczka impulsów musi być prze−
dzielona przerwą. Ilustruje to rysunek 3b.
„Paczka” zawierająca przynajmniej kil−
kanaście impulsów ma czas trwania
tpi. Według zaleceń producenta czas tpi
nie powinien być krótszy niż 400µs. Bio−
rąc pod uwagę, że impulsy o częstotli−
wości 36kHz mają okres równy 27,7µs,
w każdej paczce nie powinno być mniej
niż 15 impulsów. Jeśli będzie ich mniej,
to układ może nieprawidłowo reagować
na pobudzenie. A jeśli będzie ich więcej?
To akurat nic nie przeszkadza, pod warun−
kiem, że czas trwania paczki impulsów
tpi jest krótszy od czasu przerwy. Ściślej
biorąc, dla prawidłowej pracy odbiornika
czas powtarzania, oznaczony na rysunku
3b literą T, powinien być przynajmniej 2,5
raza dłuższy niż czas tpi.
W praktyce czas przerwy może być,
i często jest, bardzo długi. Na rysunku 3b
zaznaczono, że czas tpi może być krótszy
niż 1ms (np. 400µs), natomiast czas po−
wtarzania paczek impulsów może być
wielokrotnie większy – na przykład 10ms.
Ryyss.. 3.. Scchemaatt bllokkowyy ii prrzzebiiegii
odbiiorrniikkaa TFMS5360
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/98
13
Projekty AVT
Nic nie stoi na przeszkodzie, aby czas po−
wtarzania paczek był jeszcze dłuższy.
Rysunek 3c pokazuje sygnał na wy−
jściu odbiornika – jak widać, impuls wy−
jściowy jest równy czasowi trwania pacz−
ki z dokładnością do 150µs (byleby tylko
czas tpi nie był krótszy niż 400µs).
Do omówienia pozostał jeszcze rysu−
nek 4 przedstawiający typowe warunki
pracy odbiornika. Diody nadawcze w pilo−
cie wysyłają szereg paczek impulsów
o czasie trwania i czasie przerwy rzędu
600µs. Dla częstotliwości 36kHz każda
paczka składa się z 30 impulsów.
W praktyce czas trwania „paczki”
i przerwy między paczkami nie jest rów−
ny 600µs – różnice długości niosą zako−
dowaną informację cyfrową.
Po nadaniu grupy paczek w czasie
mniejszym niż 10ms następuje dłuższa
przerwa i następna grupa paczek zosta−
nie nadana dopiero po 60ms (o ile klawisz
w pilocie jest ciągle naciśnięty).
Tak mniej więcej pracuje pilot, a na
wyjściu odbiornika TFMS występuje
przebieg podobny, jak pokazano na dole
rysunku 4. Czasy Ton i Toff odpowiadają
czasowi trwania paczki impulsów oraz
przerwy między paczkami.
Tak pracuje typowy system zdalnego
sterowania z pilotem.
Natomiast opisywany tor podczerwie−
ni pracuje w trochę innym rytmie. Tu rów−
nież nadajnik wysyła paczki impulsów za−
wierające około 18 impulsów o częstotli−
wości 36kHz (co daje czas trwania paczki
równą 500µs). Tym razem czas powtarza−
nia paczek jest dużo, dużo większy niż
czas trwania paczki i wynosi około
100ms. Na wyjściu odbiornika TFMS po−
jawi się więc ciąg ujemnych impulsów
o czasie trwania około 0,5ms i czasie po−
wtarzania około 100ms. Przebiegi w ukła−
dzie prezentowanego toru aktywnej pod−
czerwieni pokazuje rysunek 5.
Dzięki tak małemu współczynnikowi
wypełnienia można radykalnie zmniej−
szyć średni pobór prądu, nie tracąc przy
tym wcale zasięgu. Przykładowo, jeśli na−
wet impulsy prądu diody nadawczej LED
miałyby natężenie 3A, to przy podanych
czasach, na każde 100ms, dioda będzie
świecić tylko przez 250µs. Daje to stosu−
nek czasów 0,25 / 100 = 0,0025. Prąd po−
bierany przez diodę nadawczą wyniesie
więc 3A x 0,0025 = 0,0075A = 7,5mA!
Tylko 7,5mA bez jakiejkolwiek straty
czułości! Wynik wręcz rewelacyjny!
Skąd jednak te 100ms? Dlaczego nie
przedłużyć czasu powtarzania do 1 se−
kundy, zmniejszając tym samym pobór
prądu do wartości mniejszej niż 1mA?
Otóż te 100ms wzięło się z prostego
rozumowania. Jeśli przykładowo tor miał−
można zwiększyć z podanych 10Hz
(100ms) do na przykład 25Hz (40ms).
Przy pracy układu w systemie alarmo−
wym powstają jednak dwa poważne
problemy:
– kwestia fałszywych alarmów
– problem „oszukiwania” systemu za
pomocą obcego nadajnika.
Łatwo sobie wyobrazić sytuację,
w której przelatująca mucha trafiła właś−
nie na moment wysyłania paczki impul−
sów (tylko 0,5ms) i zasłaniając wiązkę
spowodowała alarm. Aby uniknąć mnóst−
wa fałszywych alarmów (ale niestety nie
wszystkich, bo rzeczona złośliwa mucha
może np. zechcieć spacerować po po−
wierzchni diody nadawczej) trzeba wpro−
wadzić obwód, który wywoływałby alarm
dopiero przy braku nie jednego, lecz
dwóch impulsów (lub jeszcze większej
ich liczby). Tu nie można przesadzić –
ewentualnie trzeba też zwiększać częs−
totliwość nadawania paczek impulsów,
bo zbyt duże opóźnienie uniemożliwiłoby
wykrycie szybko idącego człowieka.
Łatwo też wyobrazić sobie sytuację,
w której przemyślny włamywacz unie−
szkodliwi tor podczerwieni, świecąc za
pomocą dowolnego pilota w odbiornik.
Jeśli układ miałby kiedykolwiek praco−
wać w systemie alarmowym, powinien
zawierać obwody, które chroniłyby
przed takim sabotażem i wywoływały
alarm w przypadku wykrycia „obcej”
sekwencji paczek impulsów. Sposobów
realizacji obu wyżej podanych postula−
tów jest mnóstwo. W prezentowanym
układzie zrealizowano je w bardzo pros−
ty sposób.
Szczegółowy opis układu przedsta−
wiony zostanie w EdW 2/98.
Ryyss.. 4.. Tyypowe prrzzebiiegii w syyssttemiie
zzdaallnego stterrowaaniiaa
by służyć jak bariera w systemie alarmo−
wym, to częstotliwość powtarzania pa−
czek powinna być tak dobrana, by nawet
szybko idący człowiek przeciął ją na czas,
w którym pojawi się przynajmniej dwie
paczki. Te dwie paczki nie zostaną ode−
brane przez odbiornik i zostanie wywoła−
ny alarm. Jeśli czas miedzy kolejnymi
paczkami byłby zbyt długi, wtedy prze−
chodzący człowiek po prostu nie zostałby
zauważony – najprawdopodobniej prze−
szedłby w przerwie między paczkami.
Wartość 100ms wydaje się tu wystar−
czająca – oczywiście w przypadku stoso−
wania urządzenia w systemie alarmo−
wym częstotliwość powtarzania paczek
Piiotr Góreckii
Zbiigniiew Orłłowskii
Ryyss.. 5.. Prrzzebiiegii czzaassowe w opiissyy−
waanyym ukkłłaadzziie
14
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/98
Projekty AVT
rokiem pojawił się przy okazji nauki pro−
jektowania płytek przy pomocy programu
Easytrax. W samej rzeczy! Jest to rzeczy−
wiście tamten układ, tylko nieco zmodyfi−
kowany.
Tu maleńka dygresja: wszystkim zgłę−
biającym tajniki programów do rysowania
schematów i projektowania płytek moż−
na zwrócić uwagę, że wcześniej podany
schemat nie zawierał dławików – ich
obecność na schemacie mogłaby spowo−
dować zamieszanie w przypadku auto−
matycznego generowania tzw. netlisty –
chodzi o to, że z programy do rysowania
Opis układu
Schemat ideowy nadajnika i odbiorni−
ka pokazany jest na rysunku 6. Stali Czy−
telnicy EdW zapewne ze zdziwieniem
rozpoznali schemat, który przed ponad
Rys. 6. Schemat ideowy
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/98
15
Plik z chomika:
andrelis
Inne pliki z tego folderu:
EdW 01 1997.pdf
(12975 KB)
EdW 02 1997.pdf
(13218 KB)
EdW 03 1997.pdf
(14876 KB)
EdW 04 1997.pdf
(9031 KB)
EdW 05 1997.pdf
(9586 KB)
Inne foldery tego chomika:
1996
1998
1999
2000
2001
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin