Podczerwień i jej zastosowania w elektronice

Zapewne wiesz, że światło widzialne dla człowieka stanowi zaledwie wąski skrawek widma fal elektromagnetycznych. Ludzkie oko jest w stanie rozróżniać światło w kolorach od czerwieni do fioletu, czyli – patrząc z punktu fizyki – fale o długości od około 400 nm do około 750 nm (w zależności od źródła informacji, można spotkać się z zakresami od 380 nm do nawet 800 nm). Światło o mniejszej długości fali – poniżej 380 nm – to ultrafiolet (inaczej zwany nadfioletem), którego fotony, z uwagi na wyższą energię, mogą niekorzystnie wpływać na organizmy żywe – wykazują pośrednie działanie rakotwórcze dla skóry człowieka, mogą też uszkadzać siatkówkę oka. Z kolei po drugiej stronie pasma widzialnego znajduje się podczerwień – są to fale „świetlne” o długości powyżej ok. 750 nm, niskoenergetyczne i – dzięki temu – znacznie bezpieczniejsze dla człowieka.

Zarówno ultrafiolet, jak i podczerwień, są z zasady całkowicie niewidoczne dla człowieka – dlatego właśnie podczerwień jest chętnie stosowana m.in. w oświetlaczach kamer do monitoringu. Zastosowanie stosunkowo silnego promiennika podczerwieni pozwala na „widzenie” w nocy w zasięgu od kilku metrów do nawet kilkudziesięciu metrów. Być może zauważyłeś, że niektóre kamery są w całkowitej ciemności lekko widoczne – diody „żarzą się” słabym, czerwonawym światłem. Nie oznacza to jednak, że widzisz podczerwień – diody zastosowane w oświetlaczach „zahaczają” bowiem także o krańce pasma widzialnego, dlatego w niektórych przypadkach jesteśmy w stanie zlokalizować oświetlacz podczerwieni w ciemnych pomieszczeniach.

Podczerwień jest także chętnie wykorzystywana w czujnikach odległości (tzw. transoptorach odbiciowych), stosowanych także jako czujniki białego/czarnego podłoża w robotach typu line follower (podążających po czarnej linii na białym podłożu) oraz robotach sumo (w celu wykrywania brzegu ringu, tzw. dojo). W tego typu czujnikach nadajnik podczerwieni stanowi niewielka dioda IR (ang. Infra Red) małej mocy, zaś odbiornikiem jest najczęściej fototranzystor, rzadziej fotodioda. Czym zatem charakteryzują się scalone odbiorniki podczerwieni?

Scalone odbiorniki podczerwieni – zasada działania

Scalony odbiornik podczerwieni ma znacznie bardziej złożoną strukturę wewnętrzną, niż zwykła, prosta fotodioda. Schemat blokowy takiego układu scalonego przedstawia rysunek (rys. 16832, https://botland.com.pl/pl/index.php?controller=attachment&id_attachment=1371). Jak widzisz, oprócz fotodiody typu PIN, zawiera on także wzmacniacz wejściowy (Input), układ automatycznej kontroli wzmocnienia (AGC), filtr pasmowo-przepustowy (BandPass), demodulator oraz tranzystor wyjściowy. Zadaniem przedwzmacniacza i układu AGC jest dostosowanie poziomu sygnału do odpowiedniego zakresu, który wystarczy do wykrycia obecności właściwego sygnału. Ale jakie właściwości – oprócz odpowiedniej amplitudy – ma taki „właściwy sygnał”, na który odbiornik ma zareagować?

Odpowiedź znajdujemy w filtrze pasmowo-przepustowym. Odbiorniki podczerwieni (np. TSOP31236) są dostosowane do odbioru tylko impulsów podczerwieni o określonej częstotliwości. Oświetlając taki element w sposób ciągły (np. diodą IR podłączoną do baterii przez rezystor), nie uzyskasz reakcji na wyjściu. Odpowiedź pojawi się dopiero wtedy, gdy „światło” podczerwone będzie zmodulowane (kluczowane) sygnałem o częstotliwości odpowiedniej dla danego rodzaju odbiornika. Układy z serii TSOP312xx mogą pracować z impulsami o częstotliwości określonej (w kilohercach) przez ostatnie dwie cyfry oznaczenia modelu danego układu. Przykładowo, wspomniany już TSOP31236 reaguje tylko na wiązkę podczerwieni o częstotliwości 36 kHz.

Filtry optyczne

Przeglądając ofertę scalonych odbiorników podczerwieni, zwrócisz uwagę na fakt, że wszystkie te układy montowane są w czarnych, plastikowych obudowach. Nie jest to przypadek – specjalne, czarne tworzywo, jest w stanie przepuszczać prawie wyłącznie fale z zakresu podczerwieni, blokując (nie dopuszczając do powierzchni fotodiody) światło widzialne czy UV. Jak widzisz, mamy tutaj do czynienia z podwójną filtracją: elektroniczną (filtr pasmowo-przepustowy) oraz optyczną (filtr optyczny w obudowie). Dzięki temu odbiorniki podczerwieni są prawie nieczułe zarówno na zakłócenia spowodowane zmianami oświetlenia zewnętrznego, jak i na paczki impulsów podczerwieni o częstotliwości niezgodnej z zastosowanym filtrem. Czy oznacza to jednak, że odbiorników podczerwieni nie da się zakłócić?

Scalone odbiorniki podczerwieni a lampy fluorescencyjne

Istotnym źródłem zaburzeń, które mogłyby sprawić problemy z działaniem odbiorników podczerwieni (tak też zdarzało się wiele lat temu, gdy odbiorniki dopiero wchodziły na rynek) są lampy fluorescencyjne (popularnie zwane jarzeniówkami). Ich zasada działania powoduje, że są źródłem impulsów świetlnych o dość wysokiej częstotliwości, co mogłoby wpływać na działanie odbiorników podczerwieni. Dlatego też w układach tych stosowane jest dodatkowe zabezpieczenie, oprócz modulacji impulsów o określonej częstotliwości (np. 36 kHz) konieczne jest także zapewnienie, że impulsy nie będą nadawane w sposób ciągły, ale z przerwami. Nota katalogowa opisywanego przez nas przykładowego odbiornika podaje, że paczki impulsów powinny mieć długość od 10 do 70 impulsów, a przerwa pomiędzy paczkami powinna wynosić co najmniej 14 cykli. W przeciwnym razie odbiornik na chwilę „zablokuje się” i nie będzie poprawnie odbierał padającej nań wiązki podczerwieni. Przykładowy, poprawnie zmodulowany przebieg, przedstawia poniższy rysunek. (tutaj fig. 3 z datasheet’a) W przypadku, gdy odbiornik podczerwieni jest wykorzystywany do zdalnego sterowania określonym urządzeniem, spełnienie ww. wymogów nie jest trudne – zarówno popularny kod RC5, stosowany w wielu pilotach do sprzętu AV, jak i wiele innych protokołów transmisji (stosowanych m.in. przez firmy Sony, Sharp czy Toshiba) – jest zgodny z tą specyfikacją.

Inne zastosowania scalonych odbiorników podczerwieni

Jak wspomnieliśmy na początku artykułu, scalone odbiorniki podczerwieni doskonale sprawdzają się także w innych zastosowaniach. Jednym z nich jest optyczny „radar” – czujnik przeszkód, świetnie nadający się np. dla małego robota mobilnego. Aby taki czujnik zbudować, wystarczy zastosować odbiornik podczerwieni oraz nadajnik, złożony z diody LED IR, tranzystora kluczującego oraz podwójnego generatora, którego pierwszy stopień generuje falę nośną (np. 36 kHz), a drugi – moduluje ją w celu uzyskania paczek impulsów o odpowiedniej długości. Przykładowy schemat takiego układu przedstawia poniższy rysunek (tutaj jakiś przykładowy nadajnik).

Zasada działania „radaru podczerwieni” jest banalnie prosta – przeszkoda, która pojawi się w polu „widzenia” odbiornika, spowoduje odbicie (i częściowe rozproszenie) wiązki podczerwieni, padającej nań z diody IR. Jeżeli sygnał będzie wystarczająco silny, scalony odbiornik podczerwieni zareaguje na impulsy, generując na wyjściu stan niski (poprzez otwarcie tranzystora wyjściowego). W tego typu aplikacjach należy zapewnić odpowiednią przegrodę pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, gdyż w przeciwnym wypadku sygnał z diody może padać bezpośrednio na odbiornik, co spowoduje ciągłą aktywację wyjścia, niezależnie od obecności przeszkody w pobliżu czujnika. Warto dodać, że najprostszą metodą izolacji jest założenie na obudowę diody LED IR krótkiego kawałka rurki termokurczliwej (najlepiej czarnej), która dodatkowo ukierunkuje wiązkę. (tutaj przykładowe zdjęcie takiego „radaru”)

Innym zastosowaniem scalonych odbiorników podczerwieni, niejako odwrotnym do poprzednio przedstawionego, jest bariera optyczna. Od strony elektronicznej układ taki ma dokładnie taką samą konstrukcję, jak czujnik zbliżeniowy. Różnica polega natomiast na ułożeniu względem siebie diody i odbiornika – w przypadku bariery obydwa elementy powinny być ustawione dokładnie naprzeciw siebie, co pozwoli na wykrywanie przerwania wiązki podczerwieni. Bariery optyczne są chętnie stosowane np. do wykrywania osób przechodzących przez drzwi lub specjalną bramkę – zastosowanie systemu podczerwieni zamiast powszechnie używanych w tym celu laserów jest znacznie bezpieczniejsze dla użytkowników, a także np. zwierząt domowych – na pewno masz już kilka ciekawych pomysłów na zastosowanie takiego układu w praktyce.

Jeżeli pojawi się potrzeba sprawdzenia, czy nadajnik generuje wiązkę podczerwieni, możesz posiłkować się starą, dobrą metodą, chętnie stosowaną przez praktyków – skierowanie diody podczerwieni na kamerę smartfona lub w kierunku obiektywu aparatu fotograficznego powoduje pojawienie się na ekranie urządzenia fioletowej, jasnej plamki. To nie przypadek – kamery cyfrowe właśnie w taki sposób odbierają światło z zakresu tzw. bliskiej podczerwieni (tj. podczerwieni leżącej tuż obok widma światła widzialnego).