Автор: Шрайбер. Г.
Теги: электротехника радиоаппаратура (радиоэлектронная аппаратура) радиотехника электричество
ISBN: 5-94074-019-7
Год: 2003
Текст
В ПОМОЩЬ РАДИОЛЮБИТЕЛЮ
Г0;).'Л<1!1 Hlp'l’/iqj
Инфракрасные лучи
в электронике
Практические схемы И К излучателей и приемных
устройств, активных и пассивных датчиков
ISBN
5-94074-019-7
785940
Herrmann Schreiber
LES INFRAROUGES
EN ELECTRONIQUE
DUNOD
EISF
EDITIONS TECHNIQUES ET SCIENTIFIQUES FRANCHISES
В помощь радиолюбителю
Герман Шрайбер
ИНФРАКРАСНЫЕ ЛУЧИ
В ЭЛЕКТРОНИКЕ
Москва, 2003
УДК 621.384.3
ББК 32.844-я92
Ш85
Ш85 Шрайбер Г.
Инфракрасные лучи в электронике: Пер. с фр. - М.: ДМК Пресс,
2001. - 240 с.: ил. (В помощь радиолюбителю).
ISBN 5-94074-019-7
В книге известного французского автора рассматриваются
физические процессы формирования, излучения и приема опти-
ческих сигналов, принципы построения ИК обнаружителей
и приемных устройств. Приведены примеры построения этих
устройств - простые и конкретные схемные реализации, в ко-
торых могут использоваться доступные элементы. Схемы соби-
раются как в лаборатории, так и в домашних условиях.
Книга предназначена для инженерно-технических работни-
ков, специализирующихся в области оптических измеритель-
ных систем.
ISBN 2-10-023995-3 (фр.)
ISBN 5-94074-019-7 (рус.)
© DUNOD, Paris
© Перевод на русский язык,
оформление ДМК Пресс, 2001
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..........................................9
Особенности невидимого излучения ....................11
Частота, цвет свечения и длина волны ..............12
Переход от механических колебаний к электромагнитным.13
Спектр инфракрасного излучения ....................14
Солнце и инфракрасные лучи ........................18
Использование инфракрасного излучения .............19
Спектры источников излучения ........................21
Оптические характеристики инфракрасных лучей ......22
Излучающие диоды ИК диапазона .......................25
Технические особенности светодиодов ...............26
Понятие КПД (световой отдачи)......................28
Электрические характеристики светодиода ...........29
Импульсный режим питания ..........................32
Обеспечение питанием нескольких светодиодов .......33
Энергетические параметры излучения.................34
Угловое поле ......................................36
Спектральные характеристики светодиодов ...........39
Параметры распространенных светодиодов
различных производителей ..........................41
Приемники ИК диапазона..................................51
Фоторезисторы ........................................52
Фотодиоды............................................ 54
Фототранзисторы ......................................56
Предельные электрические характеристики
фотополупроводников................................. 59
Вычисление излучения, полученного фотоприемником .....60
Чувствительность к излучению .........................63
Распространенные типы фотодиодов и фототранзисторов .63
Пироэлектрические приемники ..........................73
Пример пироэлектрического детектора PID 11 (Siemens) .74
Простые и сдвоенные датчики...........................76
Линзы Френеля.........................................78
Распространенные типы пироэлектрических приемников ...80
6
ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
4 Простые опыты 85 Экспериментальная схема 86 Опыты по оценке диаграмм направленности и КПД 87 Опыты по фильтрации 88 Отражение и рефракция 90 Опыты с фоторезистором 91
5 Барьеры и системы сигнализации 93 Барьеры с непрерывным излучением 94 Барьеры на модулированном инфракрасном излучении 98 Барьер активного типа 104 Свет для гостей 109 Звуковое устройство предупреждения о приближении нарушителя к объекту 112 Устройство автоматического включения света и колокольного пёрезвона ИЗ
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117 Базовая схема для пироэлектрического приемника PID11 118 Пироэлектрические приемники с адаптером на полевом транзисторе 119 Автоматическое управление освещением 121 Датчики обнаружения нарушителя 125 Индикатор уровня жидкости 128
Передача аудиочастот с помощью AM излучения .........135
Простой передатчик с прямой модуляцией ...........136
Приемник с прямой демодуляцией....................138
Передатчик, управляемый от микрофона .............139
Радиоретранслятор .............................. 140
Передатчик на модулированной поднесущей ..........142
Приемник, настраиваемый с помощью активных фильтров .... 148
Приемник, настраиваемый с помощью пассивных фильтров 151
Проведение экспериментов .........................156
Передача аудиочастот с помощью ЧМ .................159
Особенности частотной модуляции .................160
Принцип действия передатчика.....................162
Предусилитель в схеме передатчика ............. 162
Частотный модулятор............ t...............164
Выходной каскад и каскад питания ................165
Принцип действия ЧМ приемника....................168
СОДЕРЖАНИЕ 7
Фотодиод с активной нагрузкой....................170
Избирательный усилитель..........................170
Демодуляция ЧМ сигнала посредством фазовой цепи .171
НЧ усилители приемника ..........................172
Исполнение схемы приемника ......................174
Проведение экспериментов ...................... 176
Восьмиканальное дистанционное управление ...........170
Кодирование при помощи импульсной последовательности .180
Схема передачи ...................................182
Схема приема .....................................185
Экспериментальные цепи и цепь прямой нагрузки.....188
Управляющие цепи на симисторах
и цепь питания без использования трансформатора...190
Чередование команд...........................'....193
Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств.197
Кодирование программ .............................198
Схема передачи ................................. 199
Код передачи ................................... 200
Предусилитель в схеме приема .....................203
Декодер в схеме приема............................205
Аналоговые команды ...............................209
Возможности расширения ...........................209
11 Другие приложения ...................................211
Встроенный усилитель с фотодиодом .............. 212
Быстродействующий коммутатор
для передачи данных на частотах до 1 МГц .........213
Компенсация воздействия окружающего света ........214
Барьер на закрытом контуре .......................215
Регулируемая скважность и последовательность импульсов .218
Особенности демодуляции ........................ 221
Запоминание направления движения..................223
Барьер прямого/обратного счета....................224
Полоснозаграждающий фильтр на 100 Гц .............227
> Секретные коды ...................................228
Передатчики секретного кода ......................232
Приемники для секретного кода....................’234
Безопасность кода .............................. 236
ВВЕДЕНИЕ
НЕВИДИМОЕ, НЕСЛЫШИМОЕ, НЕОСЯЗАЕМОЕ...
Электроника - взаимодействие заряженных частиц (электронов,
ионов) с электромагнитными полями, на котором основана работа
электронных приборов и устройств, - не воспринимается ни одним
из наших органов чувств. Она позволяет управлять механизмами по-
средством невидимой для глаза связи, дает службам безопасности
возможность вести незаметное наблюдение, выполнять неакустичес-
кую передачу звуков на огромные расстояния.
Однако применение традиционных электронных приборов для
промышленных и потребительских нужд имеет некоторые ограниче-
ния. С помощью таких устройств почти не удается осуществлять до-
статочно направленную передачу сигнала на короткие расстояния,
чтобы не создавать помехи в окружающей среде. Сигналы переда-
ются только посредством антенн, которые не могут быть невидимы-
ми, а наблюдение обеспечивается лишь при использовании дорого-
стоящих радаров.
Разрешить эти проблемы помогло появление электронных прибо-
ров нового поколения, действующих в диапазоне инфракрасного из-
лучения, которое лишь совсем недавно научились рационально ис-
пользовать.
В книге не только приводятся некоторые примеры применения
инфракрасного излучения, но и объясняется его природа, устройство
использующих его приборов, а также способы обнаружения этого не-
видимого излучения путем простых экспериментов, которые может
провести даже человек, никогда ранее не занимавшийся электрони-
кой. Эти эксперименты призваны стимулировать дальнейшее изуче-
ние электроники и, в частности, ее использование в оптических при-
борах ИК диапазона.
ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ
Некоторые из рассмотренных схем содержат симисторы для управ-
ления цепями, которые питаются напрямую от сети 200 В. Таким об-
разом, все схемы подключены к штепсельному соединению, несмот-
ря на то что некоторые могут включаться через трансформатор.
В связи с тем, что в некоторых точках схемы, особенно между всей
схемой и «землей», имеются высокие напряжения, необходимо прини-
мать соответствующие меры предосторожности. Во время проведения
10 ВВЕДЕНИЕ
экспериментов разделительный трансформатор, имеющий на пер-
вичной и вторичной обмотке 220 В, позволяет преодолеть разность
напряжений по отношению к «земле*. Такой трансформатор необхо-
дим в случае проведения измерений со схемой при помощи аппара-
туры, заземление которой соединено с землей посредством штепсель-
ного соединения на трех проводниках. Необходимо помнить и о том,
что под напряжением находится не только схема, но и подключаемые
к ней устройства.
Во избежание случайного контакта необходимо размещать симис-
торные цепи в корпусах (предпочтительно изолированных). Для штеп-
сельных соединений и коннекторов рекомендуется использовать без-
опасные в обращении модели.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 ОСОБЕННОСТИ НЕВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Частота, цвет свечения и длина волны 12 Переход от механических колебаний к электромагнитным 13 Спектр инфракрасного излучения л 14 Солнце и инфракрасные лучи 18 Использование инфракрасного излучения 19 Спектры источников излучения 21 Оптические характеристики инфракрасных лучей 22
2 Излучающие диоды И К диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
12
ОСОБЕННОСТИ НЕВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Инфракрасное излучение не принадлежит ни к обнаруживаемым
с помощью антенны волнам, ни к диапазону видимого света. Поэто-
му изучение его особых характеристик поможет понять, в каких об-
ластях, уже освоенных современной техникой, оно применимо, а так-
же позволит выявить не реализованные пока возможности.
ЧАСТОТА, ЦВЕТ СВЕЧЕНИЯ И ДЛИНА ВОЛНЫ
Электромагнитные волны, к которым принадлежит инфракрасное
излучение, можно сравнить с волнами, возникающими на поверхно-
сти воды. Длина волны определяется как расстояние между верши-
нами двух волн, следующих друг за другом. Для измерения длины
волны в данном случае можно воспользоваться линейкой. Другая ве-
личина, характеризующая волны, - частота. Для того чтобы изме-
рить частоту волн на поверхности воды, достаточно оставаться все
время на одном месте и считать количество вершин волн, возника-
ющих в течение одной секунды или минуты.
Но нас интересуют электромагнитные волны, которые перемеща-
ются со скоростью света, равной почти 300000 км/с. Они гораздо
сложнее, так как имеют отношение одновременно и к электричеству,
и к магнетизму, и к энергии, и к веществу.
Благодаря своей специфической длине электромагнитная волна
может распространяться в вакууме или в изолирующем веществе.
Кроме того, она способна проходить по двухпроводным линиям.
Для лучшего понимания, что такое частота и длина волны, рассмот-
рим пример, изображенный на рис. 1.1. Электромагнитная волна,
проходящая в паре проводов, является не чем иным, как переменным
током, для создания которого можно использовать данную схему.
В нее входит потенциометр Р, подключенный к двум батарейкам та-
ким образом, чтобы ток в проводе а мог быть либо положительным,
либо отрицательным по отношению к току в проводе Ь.
Если переключать потенциометр со скоростью, при которой дви-
жок совершает в секунду полный проход (от одного крайнего поло-
жения до другого и обратно), можно произвести переменный ток
с частотой 1 Гц (герц - величина, обозначающая количество циклов
в секунду), то есть «волну», которую неподвижный наблюдатель ви-
дит проходящей один раз в секунду через вершину + (плюс) или
впадину - (минус). Поскольку волна, образованная таким способом,
ПЕРЕХОД ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ К ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ
13
распространяется по проводу со ско-
ростью около 300000 км/с, то ее «дли-
на» составляет 300000 км, так как за
секунду совершается один полный
проход (туда и обратно). Если длина
провода ab (рис. 1.1) равна 300000 км
(приблизительно семи окружностям
Земли), то лампочка загорится только
через секунду после первого движе-
ния в одном направлении, совершае-
мого с помощью потенциометра Р.
а
Рис. /. /. Простейший пример
перехода от электрического тока
к электромагнитному излучению
Если переключать потенциометр со скоростью, при которой совер-
шается 50 полных проходов в секунду, то можно получить перемен-
ный ток с частотой 50 Гц, в том виде, в котором его обеспечивает
трансформатор, подключенный к штепсельному разъему. Тогда дли-
на волны будет равняться 6000 км.
Но при переключении потенциометра 162000 раз в секунду по-
лучают частоту 162 кГц (1 килогерц = 1000 герц), равную частоте
вещания France Inter в Аллуи (Allouis). Если исключить лампочку
из схемы на рис. 1.1, подключить провод b к заземлению, а провод
а - к антенне, получится передатчик, теоретически способный за-
глушить находящийся поблизости приемник, настроенный на France
Inter, длина волны которой составляет X = С / f = 300000 / 162 = 1852 м.
ПЕРЕХОД ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
К ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ
Теоретически можно постепенно достичь частоты 1 МГц (1 мегагерц =
= 1000 килогерц) и даже 1 ГГц (1 гигагерц = 1000 мегагерц). Рис. 1.2
отчетливо показывает, что происходит на этих частотах, коммента-
рии здесь излишни.
А можно ли пойти еще дальше, увеличив частоту до 1 ТГц1?
Даже если наделить потенциометр (рис. 1.1) всеми возможными тех-
ническими характеристиками, это совершенно исключено. Действи-
тельно, при каждом переключении движок потенциометра должен
1 1 терагерц = 1000 гигагерц.
14
ОСОБЕННОСТИ НЕВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
смещаться на несколько сантиметров, например на 5 см за один пол-
ный проход. Таким образом, для создания тока частотой 10 ГГц дви-
жок должен за одну секунду 10 000 000 000 раз совершить переме-
щение на 5 см, то есть двигаться со скоростью 500000 км/с, что
превышает скорость света. Для увеличения частоты необходимо
уменьшить размеры источника излучения. Однако даже теоре-
тически частота переменного тока может быть не более нескольких
гигагерц, так как, согласно теории относительности, не существует
скорости перемещения, превосходящей скорость света. Это справед-
ливо даже в том случае, если источник действует не на основе ме-
ханического процесса, а посредством перемещения электронов (что
имеет место в настоящем передатчике), поскольку электроны тоже не
могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света.
Таким образом, мы приближаемся к обсуждению области спектра
инфракрасного излучения (рис. 1.2), спектральный диапазон которо-
го зависит от размера источника - он должен быть значительно мень-
ше миллиметра. За ним идет очень небольшая область диапазона ви-
димого света, где каждый цвет определяется своей частотой (от 390
до 790 ТГц) и длиной волны (от 380 до 770 нм). В этом случае источ-
ник должен быть настолько малым, что становится невидимым. Так,
в осветительной лампочке источниками света в конечном счете яв-
ляются атомы нити накаливания.
Диаметр атома составляет многие сотни пикометра (1 пм = 1/1000 нм).
Однако в шкале величин, где микрометр (мкм) составляет 1/1000 мм,
нанометр (нм) - 1/1000 мкм, пикометр (пм) - 1/1000 нм, а фемто-
метр (фм) - 1/1000 пм, диаметр атома не является настолько малым,
так как составляет многие сотни пикометра. Для того чтобы получить
рентгеновское, гамма- или космическое излучение, можно рассчиты-
вать только на элементарные частицы материи, такие как электроны.
СПЕКТР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Шкала электромагнитных колебаний, изображенная на рис. 1.2, по-
казывает, что область инфракрасного излучения самая большая. Тем
не менее в технике этот вид излучения используется намного реже,
чем излучения более низких частот.
Диапазон инфракрасного излучения делится на три поддиапазона:
ближний, средний и дальний. К среднему поддиапазону относится
«тепловое излучение», которое ощущается, например, при приближе-
нии руки к паяльнику или куску льда.
СПЕКТР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
15
о
Е
Радио
Люксембурга
France Inter
(164kHz)
~~ АВиоционные
маяки
Телеграфия
Передатчики
СЕВ
Радио-
набигаиия
Е
Е
Е
Полоса
телевизионных
частот
см-
Чостоты
радиолюбителей
Радио — FM
Полоса
телевизионных
частот tn_
Радио-
телефония
~ - А (80т) Е-
R (75т) '2
| R (60т)
Е
<о R (49т)
§ А (40т) о
„ R (41т) "
R (31т)
R (25т)
А (20т)
R (19т)
R (16т) о.
А (15т) 10
R (13т)
R (11т)
А (10т) Е
Полоса § *
морских
частот
А (160т)
F rance
Culture
(864kHz)
Международный
сигнал о помощи
(SOS) 500kHz
Телеграфия
300kHz 500 1mHz 2 5 ЮтНг 20 50 ЮОтНг 200
Рис. 1.2. Спектр электромагнитных волн. Слышимые звуки, которые также появляются
в этом спектре, принадлежат ему только в том случае, если передаются
по электрической линии или посредством телефонной связи (1 из 2}
16
ОСОБЕННОСТИ НЕВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ДециметроВые Волны । Сантиметровые Волны । Миллиметровые Волны
Красный,
оранжевый, о -
желтый,
зеленый,
синий,
фиоле-
товый
Жесткое рентгеновское излучение Гомма-излучение и космическое излучение
Е
Е
Рис. 1.2. Спектр электромагнитных волн. Слышимые звуки, которые также появляются
в этом спектре, принадлежат ему только в том случае, если передаются
по электрической линии или посредством телефонной связи (2 из 2)
СПЕКТР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
17
График, представленный на рис. 1.3, иллюстрирует этот феномен. Тем-
пературы указаны в градусах Кельвина, то есть по отношению к абсо-
лютному нулю, который соответствует -273 °C.
Следовательно, показатель 300 °К на кривой обозначает темпера-
туру +27 °C, которая лишь приблизительно соответствует средней
температуре окружающей среды в обитаемых частях планеты. Как
известно, все в природе обладает инфракрасным излучением. Мак-
симум излучения такого фона попадает на длину волны 10 мкм. Че-
ловеческий организм настолько привык к этому излучению, что не
реагирует на него. Нервные окончания сигнализируют лишь о таких
перепадах, как температура паяльника или куска льда, о чем говори-
лось выше.
При повышении температуры тела интенсивность излучения по-
вышается одновременно с частотой, то есть длина волны уменьшает-
ся по мере приближения к области диапазона видимого света. Так,
при нагревании до 1000 °К тело раскаляется и излучает в ИК диа-
пазоне (см. рис. 1.3 и рис. 1.2). А при 5900 °К, температуре солнеч-
ной поверхности, максимум излучения лежит в диапазоне видимого
света.
Существуют приемные устройства на антимониде индия, способные
измерять температуру излучения на расстоянии многих километров
Длино болни, мкм
Рис. 1.3. Спектр излучения тела при различных температурах
2-637
18
ОСОБЕННОСТИ НЕВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
с точностью до 0,1 °C. С помощью таких приемников можно получить
«тепловое изображение», каждая точка которого имеет собственную
температуру. Так как это «тепловое изображение» совершенно не за-
висит от видимого света, его можно видеть и ночью благодаря тому,
что излучательная способность, например, куста отличается от излу-
чательной способности скалы. С еще большим успехом данный способ
позволяет регистрировать тепловое излучение, исходящее от челове-
ка или машины, мотор которой разогревает часть кузова. Искус-
ственные спутники также могут принимать и передавать тепловые
изображения, что помогает при изучении природных ландшафтов,
сельскохозяйственных насаждений и даже подземных месторожде-
ний. Кстати, туман мешает прохождению И К излучения меньше, чем
видимому свету.
СОЛНЦЕ И ИНФРАКРАСНЫЕ ЛУЧИ
Всем известно, что солнце греет. Это объясняется тем, что выделя-
емая им энергия при поглощении телом трансформируется в тепло,
и лишь небольшая ее часть отражается от тела человека. Хотя доля
лучистого потока ИК области спектра солнечного излучения доста-
точно велика, полностью это инфракрасное излучение не доходит до
Земли: частично оно поглощается атмосферой.
Рис. 1.4 показывает, что такое поглощение является селективным.
Солнечное излучение на некоторых длинах волн (1,2,1,6,2,2,4 мкм)
практически полностью доходит до Земли, в то время как излучение
на других длинах волн почти целиком поглощается. Таким образом,
в атмосфере существуют своеобразные «окна», позволяющие радио-
астрономам регистрировать шумы, приходящие от некоторых звезд
и галактик.
Диапазон видимого света одновременно соответствует и максималь-
ному уровню солнечного излучения, и максимальной прозрачности
атмосферы. По-видимому, на Земле живые организмы, обладающие
зрением, ориентированы на эти два максимума. В другой солнечной
системе существа могут быть способны воспринимать инфракрасные
или ультрафиолетовые лучи из-за того, что атмосфера их планеты
поглощает излучение звезды как раз в диапазоне, который являет-
ся «окном прозрачности» для светового потока на Земле, либо
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
19
Длина болни, мкм
Рис. 1.4. В диапазоне ИК излучения земная атмосфера избирательно поглощает
излучаемый солнцем лучистый поток
интенсивность излучения этой звезды в видимом для нас спектре
очень мала. В последнем случае с подобными существами нельзя
говорить о цвете. Кроме того, инопланетянам может показаться, что
на Земле совершенно темно.
Особенности поглощения инфракрасных лучей некоторыми газа-
ми нашли очень важное применение, в частности при измерении сте-
пени загрязнения воздуха. Достаточно измерить прозрачность возду-
ха на некоторых длинах волн ИК излучения, чтобы определить не
только уровень загрязнения, но и его природу.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Из графика, представленного на рис. 1.2, видно, что ближний поддиа-
пазон (область видимого света) меньше любого другого поддиапазона
области ИК излучения. Тем не менее эта наиболее широко использу-
емая область лучше всего подходит для проведения эксперименталь-
ных исследований в быту, а также для создания любительских элек-
тронных устройств. Однако экспериментирование с ИК излучением
требует больших материальных затрат. Например, фоторезистор,
максимальная чувствительность которого соответствует максималь-
ной длине волны излучения нагретого паяльника, стоит довольно
дорого.
Для среднего поддиапазона ИК области спектра (особенно для
волн длиной от 6 до 15 мкм) разработаны относительно дешевые дат-
чики, нашедшие применение в промышленной и потребительской
сферах. Они называются оптическими обнаружителями пассивного
20
ОСОБЕННОСТИ НЕВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
типа с пироэлектрическим приемником, поскольку работают с естест-
венным излучением и только принимают его, в отличие от активных
датчиков, работающих в паре с оптическим излучателем. Датчики,
способные обнаружить человека по его тепловому излучению, ис-
пользуются в устройствах сигнализации, автоматического включе-
ния освещения и в иных приборах с дистанционным управлением.
Ниже будет показано, что такие приборы являются «датчиками с бы-
стрым восстановлением», то есть могут как реагировать на изме-
нения интенсивности излучения, так и запоминать их, даже проис-
ходящие в течение 1 с.
По очень доступной цене изготавливаются также излучатели
ближнего инфракрасного излучения, например светодиоды, позволя-
ющие передавать достаточно большой объем информации, и прием-
ники излучения - фотодиоды и фототранзисторы. С помощью кар-
манного фонарика можно азбукой Морзе передавать до трех знаков
в секунду, что соответствует потоку информации в 3 бит/с. Компью-
тер способен обрабатывать поток информации, больший по крайней
мере в 1000 раз. Для того чтобы фонарик мог передавать подобные
потоки информации, его лампочка должна переключаться с большой
частотой, и свет от нее должен приниматьря фоточувствительным
устройством. Проблема состоит в том, что нить накаливания лам-
почки фонарика не перестает гореть при отключении тока, так как
для охлаждения ей необходимо несколько миллисекунд. Поэтому
передача информации посредством лампы накаливания возможна
только до 100 знаков в секунду. Однако существуют быстродейству-
ющие полупроводниковые лазеры, которые способны передавать ин-
формацию при включении и выключении их с частотой миллиард
раз в секунду. Кроме того, есть и приемники лучистого потока (ла-
винные фотодиоды), способные принимать информацию с такой
частотой. Примером высокоскоростной линии связи, в которой ис-
пользуются полупроводниковые лазеры и лавинные фотодиоды, яв-
ляется волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Она состоит из
стекловолоконного кабеля диаметром 0,13 мм с малыми потерями,
по которому распространяется лучистый поток от устройства его пе-
редачи (лазера) к устройству приема (фотодиоду). Данные устрой-
ства устанавливаются на концах стекловолоконного кабеля. В насто-
ящее время по ВОЛС без промежуточного усиления передаются
большие объемы информации на расстояния в десятки и даже сотни
СПЕКТРЫ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
21
километров. На ее основе одновременно обеспечивается передача
либо 12 телевизионных каналов, либо связь по более 15000 телефон-
ных линий.
ИК излучение обладает большими возможностями для передачи
информации. Чтобы лучше это понять, можно представить радиоте-
левизионный приемник, работающий на всех частотах, заключенных
между очень длинными и дециметровыми волнами с разрешающей
способностью в 1 см. Для такого приемника число принимаемых ка-
налов может составлять несколько тысяч. Теперь представим, что
необходимо изготовить оптический приемник с минимальными
требованиями к излучателю, работающему в видимой области спек-
тра. Какой же должна быть его разрешающая способность? Два
километра. Действительно, область видимого света - это диапазон
приблизительно между 200 и 400 ТГц, то есть в 200000 раз больший,
чем диапазон 1 ГГц, в котором работает радиотелевизионный при-
емник.
СПЕКТРЫ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Большинство источников искусственного освещения обладает доста-
точно интенсивным инфракрасным излучением. На рис. 1.5 приведе-
ны сравнительные характеристики спектральной чувствительности
пяти источников освещения, где:
INC - лампа накаливания;
МС - ртутная лампа;
FL - флуоресцентная лампа;
LA - полупроводниковый лазер;
LED - светодиод ИК диапазона.
Из трех предложенных для сравнения источников освещения
(INC, МС, FL) только ртутная лампа практически не обладает ИК
излучением. Это также распространяется на некоторые флуоресцент-
ные лампы. Для них типичной является кривая FL, изображенная на
рис. 1.5.
В то время как эти источники света имеют достаточно широкие
спектры, рабочий спектральный диапазон полупроводниковых ис-
точников (полупроводникового лазера и светодиода) значитель-
но уже.
22
ОСОБЕННОСТИ НЕВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рис. 1.5. Спектральные характеристики некоторых источников излучения
в сравнении с кривой спектральной чувствительности человеческого глаза
и кремниевого фототранзистора
Для сравнения на рис. 1.5 изображены штриховыми линиями кри-
вые спектральной чувствительности двух «приемников»: человечес-
кого глаза (OEIL) и кремниевого фототранзистора (РНТ). Из этого
видно, что кремниевый фототранзистор имеет достаточно низкую
чувствительность к диапазону видимого света.
Напротив, максимум его спектральной чувствительности почти
идеально совпадает с максимумом излучения светодиода ИК диапа-
зона. Таким образом, речь здесь идет о двух компонентах, очень хо-
рошо сочетающихся друг с другом и образующих пару: излучатель-
светодиод и приемник на кремниевом фототранзисторе. Кроме того,
они имеют низкую стоимость, в отличие от пар на основе значительно
более дорогого полупроводникового лазера и лавинного фотодиода.
Поэтому в книге основное внимание будет уделено светодиодам и крем-
ниевым фотоприемникам.
ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ
Максимум спектральной чувствительности вышеупомянутых полу-
проводниковых приемников приходится на длины волн между 0,8
ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ
23
и 1 мкм, то есть очень близко к диапазону видимого света, вследствие
чего к этим волнам вполне применимы законы оптики. Поэтому мож-
но сконцентрировать ИК излучение с помощью линзы (из стекла или
пластмассы) или параболического зеркала. Для того чтобы рассчи-
тать оптическую систему, следует принять, что фокусное расстояние
линзы для ближнего ИК излучения является таким же, как и для ви-
димого света.
Однако при разговоре о цвете сходство между лучистым потоком
видимого света и инфракрасным излучением исчезает. Поверхность,
которая кажется человеческому глазу светлой, может быть и хоро-
шим отражателем инфракрасных лучей, и достаточно плохим. И на-
оборот, все, что является для человеческого зрения темным, хорошо
отражает инфракрасные лучи, воспринимаемые приемниками.
Эти замечания также относятся к оптической фильтрации. Так,
достаточно закрасить черным фломастером лист прозрачной пласт-
массы, и он станет практически непроницаемым для видимого света.
И все же лучи, исходящие от светодиода ИК диапазона, способны
пройти через такой закрашенный лист. По этому принципу устроены
криминалистические приборы, с помощью которых можно читать
в ИК лучах густо замазанный текст или холст художника. Таким об-
разом было проведено немало искусствоведческих и криминалисти-
ческих экспертиз, разгадавших загадки века. Эта тема выходит за
рамки книги, но ИК лучи помогают и в криминалистике.
В главе 4 будет рассказано о том, как можно очень простым спосо-
бом сделать фильтр, отсекающий диапазон видимого света и пропус-
кающий исключительно инфракрасные лучи.
Существуют фотоприемники со встроенными фильтрами, польза
от которых, однако, невелика, так как окружающее излучение, исхо-
дящее от солнца или ламп накаливания, содержит также и инфра-
красную составляющую, которая попадает в рабочий спектральный
диапазон светодиода.
Разделение все же возможно, поскольку фоновое излучение по-
чти непрерывно, в то время как излучение светодиодов в большин-
стве случаев является импульсным с частотой более 1000 Гц. При при-
еме достаточно настроить схему на частоту следования импульсов
24 ОСОБЕННОСТИ НЕВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
или модуляции для того, чтобы отделить непрерывное фоновое из-
лучение от сигнала, несущего полезную информацию. Такой инфор-
мацией, например, может служить сигнал, возникающий в момент
прерывания нарушителем невидимой оптической связи между из-
лучателем и приемником в системе охранной сигнализации.
Методы фильтрации и модуляции будут более детально рассмот-
рены в опытах, описанных ниже.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА Технические особенности светодиодов 26 Понятие КПД (световой отдачи) 28 Электрические характеристики светодиода 29 Импульсный режим питания < 32 Обеспечение питанием нескольких светодиодов 33 Энергетические параметры излучения 34 Угловое поле 36 Спектральные характеристики светодиодов 39 Параметры распространенных светодиодов различных производителей 41
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
26
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫИК ДИАПАЗОНА
Как было показано в предыдущей главе, светодиоды И К диапазона -
это элементы, наиболее часто применяемые в электронике благодаря
своей невысокой стоимости, отсутствию видимого излучения, хоро-
шей адаптации к существующим фотоприемникам для совместной
работы с ними, а также благодаря модуляции излучения с высокой
частотой, обеспечивающей четкое разделение полезных и фоновых
сигналов.
На самом деле правильнее называть эти диоды не светодиодами,
а излучающими диодами ИК диапазона. Однако слово «светодиод»,
прочно вошедшее в обиход, в дальнейшем будет использоваться в тех
случаях, когда речь идет об ИК излучении, если не будет указано
иное.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СВЕТОДИОДОВ
Наряду со светодиодами ИК диапазона существуют и другие, испус-
кающие видимый свет различных цветов. Они используются в ка-
честве индикаторных светодиодов, для отображения (индикации)
цифр, букв, знаков, например в карманных калькуляторах.
Все светодиоды используют полупроводники на основе галлия.
Чаще всего это арсенид галлия (GaAs) или фосфид галлия (GaP).
Состав полупроводника обычно обозначается химической формулой.
Например, GaAsP - галлий-мышьяк-фосфор.
Такие полупроводники имеют общие характеристики с применя-
емыми в транзисторах, на основе кремния. Так, полупроводники
в чистом виде практически являются изоляторами. Но если подоб-
ный полупроводник легировать небольшим количеством некоторых
химических элементов, можно получить полупроводник с селектив-
ной проводимостью. С помощью упомянутого легирования внутри
одного и того же объема можно создать зоны Р (положительной про-
водимости) и зоны N (отрицательной проводимости). Обозначение
N+ говорит о том, что легирование было особенно сильным.
Легирующими примесями, чаще всего используемыми в светодио-
дах, являются кремний (Si), азот (N), цинк (Zn), хром (Сг). Напри-
мер, GaAs : Si - арсенид галлия с примесью кремния.
На рис. 2.1 показаны принципы действия некоторых типов свето-
диодов. Они проводят ток при подключении положительного полю-
са источника электрического тока к металлизированному покрытию,
ведущему к P-области, и отрицательного полюса - к области N+. При
ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СВЕТОДИОДОВ
27
пересечении р-n перехода электронам приходится преодолевать не-
которое «сопротивление», так называемый потенциальный барьер.
Прохождение тока через р-n переход вызывает рассеяние энергии,
которое при применении обычных полупроводников (транзисторов,
диодов) сопровождается выделением тепла, а при использовании све-
тодиодов часть энергии преобразуется в лучистый поток. Благодаря
тому, что эти полупроводники относительно прозрачны для лучисто-
го потока, некоторую его часть удается использовать В существу-
ющих излучателях более 10% подводимой электрической энергии
можно выделить в виде излучения. Остальная энергия превращается
в тепло.
В случае применения диода GaAsP (красный цвет свечения), изоб-
раженного на рис. 2.1а слева, р-n переход находится на расстоянии
от 2 до 4 мкм от полупроводниковой поверхности. Свет излучается
P-областью не направленно, а в разные стороны, хотя при этом теря-
ется большая его часть, которую поглощает полупроводник.
У диода GaP со свечением области зеленого цвета (рис. 2.16,
в центре) КПД более низкий, так как в лом случае лучистому по-
току приходится преодолевать еще бблыи\ ю P-область (толщиной
20-50 мкм).
Излучающий диод GaAs диапазона 11К (рис. 2.1в, справа), напро-
тив, обладает высоким КПД, что обусловлено использованием иде-
ально прозрачного материала. При этом P-область, через которую вы-
ходит основная часть рассеиваемого тепла, можно расположить
таким образом, чтобы это тепло выводилось через широкую метал-
лизированную плоскость. Кроме того, данная плоскость служит зер-
калом, отражающим рассеянные лучи по направлению к выходному
отверстию излучателя.
I" । Полупроводник
|.। Оксид
Рис. 2.1. Принцип действия некоторых типов светодиодов (Siemens)
Металлизированный слой
28
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
Получаемый цвет свечения (спектральный диапазон) зависит от
материала полупроводника, легирующих примесей и технологии из-
готовления. Так, например, для получения оранжевого цвета свече-
ния можно разместить арсенид галлия GaAs на фосфиде галлия GaP.
На рис. 2.2 представлены спектральные характеристики светодиодов
распространенных типов, заимствованные из документации Tele-
funken electronic.
Рис. 2.2. Спектральная характеристика светодиодов,
излучающих видимый свет или инфракрасные лучи (Telefunken electronic)
Для сравнения на графике показана спектральная характеристика
фотоприемника на кремнии, представленная кривой 1 (фотоприем-
ник с фильтром для видимого света) и кривой 2 (без фильтра), а так-
же спектральная характеристика излучения солнечной поверхности
(кривая 6). Помимо этого изображена характеристика человеческого
глаза, а для солнечного спектра приведены даже две кривые: гладкая,
показывающая, какие лучи испускает солнце, и извилистая - с учетом
потерь в атмосфере. В предыдущей главе (рис. 1.4) феномен погло-
щения ужё упоминался, но для значительно более широкого диапа-
зона длин волн.
ПОНЯТИЕ КПД (СВЕТОВОЙ ОТДАЧИ)
КПД светодиода тем ниже, чем короче длина излучаемой волны. Так,
самыми яркими «цветными» светодиодами являются красные, не-
смотря на то, что они излучают волны такой длины, к которой чело-
веческий глаз не слишком восприимчив. Максимум чувствительнос-
ти человеческого глаза приходится на оранжевый цвет - вот почему
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОДИОДА
29
оранжевые светодиоды часто кажутся ярко сияющими. Светодиоды
синего цвета (GaN) в настоящее время массово не производятся, так
как их КПД очень низок, а изготовление чрезвычайно сложно.
КПД светодиодов ИК диапазона может достигать 10% для ряда
очень дорогих опытных образцов и около 5% - для светодиодов мас-
сового применения, что превышает КПД лампы накаливания
в диапазоне видимого света, но меньше, чем ее КПД в ИК диапазоне.
Однако КПД лампы накаливания во многом зависит от питающего
напряжения, а значит, и от срока ее службы: для того чтобы обыкно-
венная осветительная лампочка проработала один год, необходимо
уменьшить питающее напряжение по крайней мере на 30%, но при
этом в значительной степени снижается ее КПД и яркость свечения.
Срок службы светодиода практически не ограничен, так как яркость
его излучения уменьшается на 50% только по истечении 100000 ч
(более 11 лет) непрерывной работы.
В дополнение к вышесказанному следует отметить, что светодиод
ИК диапазона имеет значительное преимущество перед лампой на-
каливания: его излучения незаметны для человека, и это особенно
важно для устройств наблюдения. Тем же достоинством обладает
и ультразвуковое излучение, которое используется в ультразвуковых
датчиках, применяемых в целях охраны. От датчиков на светодиодах
ИК диапазона они отличаются большей стоимостью, сложностью
в настройке и более низкой помехоустойчивостью. Подробно ультра-
звуковое излучение в данной книге не рассматривается, поскольку
оно имеет другую природу.
Главное преимущество светодиодов И К диапазона заключается
в возможности модуляции испускаемого ими излучения. Действи-
тельно, прерывание лучистого потока с большой частотой позволяет
различать источники, излучающие на одной длине волны.
Достаточно легко отличить излучение собственного источника от
излучения окружающих осветительных приборов, так как свет, ис-
пускаемый лампами накаливания, которые питаются переменным
током, модулируется частотой сети питания, а она ниже частоты по-
сылки импульсов светодиодом.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОДИОДА
Лампочка карманного фонарика работает непосредственно от батарей-
ки при условии, что ее напряжение питания соответствует напряжению
30
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
батарейки. В случае со светодиодом все сложнее. Производитель
использует в документации термин «прямое напряжение» (Up Vf) -
напряжение на выводах светодиода, которое необходимо для нор-
мального режима работы. Оно лежит в пределах 1,1-1,6 В для свето-
диода ИК диапазона и 1,4-2 В для диода, излучающего в области
видимого света. Тем не менее попытка подключения светодиода на-
прямую к батарейке на 1,5 В может закончиться очень плохо. Дело
в том, что светодиод относится к полупроводниковым диодам, кото-
рые никогда не подключаются напрямую к батарейке, поскольку при
прохождении тока диод нагревается и требует для продолжения ра-
боты увеличения тока (температурный эффект). Этот дополнитель-
ный ток еще больше разогревает диод.
Для поддержания светодиода в рабочем состоянии требуется все
больший ток. Процесс лавинообразного увеличения тока неизбежно
приводит к разрушению полупроводника в течение нескольких мил-
лисекунд.
Рис. 2.3. Прямое напряжение на выводах светодиода в большой степени
зависит от температуры, в малой - от прямого тока lf
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОДИОДА
31
На рис. 2.3 показана зависимость прямого напряжения диода Vf
при заданном токе If от температуры Тс полупроводника для свето-
диода ИК диапазона со средними характеристиками.
На графике можно увидеть, насколько быстро растет ток If при
повышении прикладываемого прямого напряжения Up; заметно так-
же, что работа светодиода при напряжении более 1,5 В может приве-
сти к перегрузке по току (кривая быстрого подъема) и, соответствен-
но, к выходу светодиода из строя.
Для обеспечения правильного режима питания светодиода необ-
ходимо ограничить проходящий через него ток, для чего между све-
тодиодом и источником достаточно поставить токоограничительный
резистор R, как показано на схеме (рис. 2.4).
Напряжение, которое падает на этом резисторе, значительно боль-
ше, чем Vf Поскольку в данном примере предполагается, что Vf - 1 В,
а напряжение источника питания - Vs, то на выводах резистора R раз-
ность напряжений VR =Vs - Vf = 4,5 - 1 = 3,5 В. Поскольку светодиоду
требуется ток If = 50 мА, то по закону Ома сопротивление резистора
должно составить R = 3,5 В / 50 мА = 70 Ом. Если нет уверенности
в стабильности величины напряжения Vf - например, когда в дей-
ствительности оно составляет 1,3 В вместо 1 В, - достаточно выпол-
нить вычисление в обратном порядке, чтобы убедиться, что разница
в 30% при увеличении Vf приведет к изменению If менее чем на 10%.
В этом случае ток If уменьшится с 50 до 45,7 мА. Таким образом,
в схеме, приведенной на рис. 2.4, осуществляется автоматическая ре-
1улировка тока If
Результаты вычислений для тока
If = 15 мА, который проходит через
светодиод красного цвета свечения
в пластмассовом корпусе, можно
использовать для выбора элемен-
тов схемы (рис. 2.4). При включе-
нии светодиода осуществляется пра-
вильная настройка схемы. Меньшая
стоимость излучающего диода крас-
ного цвета свечения является важ-
ным преимуществом по сравнению
со светодиодом ИК диапазона.
1г = 50тА
R
VS=4,5V
Светодиод 5?*
VF = 1V
Рис. 2.4. Типовая схема подключения
светодиода. Резистор R служит
для ограничения тока 1Г Светодиод
обозначается символом диода
с двумя стрелками «излучения»
32
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ ПИТАНИЯ
Из схемы, изображенной на рис. 2.4, и характеристик, приведен-
ных ниже в табл. 2.1, следует, что величина тока If является наибо-
лее важной из характеристик диода, которые необходимо учиты-
вать.
В действительности мощность рассеяния на диоде Рт (макси-
мальная мощность, при которой не наступит тепловой пробой дио-
да) при прохождении If должна быть меньше Pf e Uf х 1р и прямой
ток If не может превышать разрешенного производителем значения.
При вычислении If принимая разность потенциалов Vf “ 1 В, эле-
менты схемы следует выбирать таким образом, чтобы колебания
тока If не превышали допустимых значений. Другой важной пре-
дельной электрической характеристикой является максимальное
значение Ifm, но эта величина используется только в том случае, ког-
да светодиод работает в импульсном режиме. При работе в данном
режиме питание на него поступает лишь в течение малого времени,
например десяти микросекунд, после чего светодиод остается в покое
в течение интервала времени, достаточного для того, чтобы средний
ток не мог превысить значение If
В некоторых приложениях, описанных ниже, получают моду-
лированное излучение светодиода при его включении и выключе-
нии от источника питания, каждое из которых длится, например,
1 мс. При этих условиях максимальный ток при включении со-
ставляет 2If.
В импульсном режиме или при питании переменным током свето-
диод может в определенные моменты находиться под отрицательным
напряжением, как если бы его подключали в обратном направлении
по отношению к указанному на схеме (рис. 2.4). Это может привести
R
Светодиод til S
Рис. 2.5. Параллельно
светодиоду в обратной
полярности включается
кремниевый диод
к его пробою, так как светодиоды обычно
выдерживают обратное напряжение, не пре-
вышающее нескольких вольт. Если такая
опасность и существует, то с ней легко спра-
виться. Для этого достаточно, как показано
на рис. 2.5, подключить кремниевый вы-
прямляющий диод параллельно светодиоду,
в обратной полярности к нему.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПИТАНИЕМ НЕСКОЛЬКИХ СВЕТОДИОДОВ
33
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПИТАНИЕМ НЕСКОЛЬКИХ СВЕТОДИОДОВ
Как показано в приведенных ниже таблицах электрических харак-
теристик светодиодов (табл. 2.1-2.5), последние изготавливаются
в расчете на токи 1р не превышающие несколько десятков или сотен
миллиампер в связц с невозможностью рассеивать корпусом свето-
диода мощность больше предельно допустимой.
Но для рассеяния относительно большой мощности можно устано-
вить в схему ряд последовательно соединенных светодиодов с одним
источником питания (рис. 2.6).
По аналогии с рассуждениями для схе-
мы, представленной на рис. 2.4 (было при-
нято, что Vs = 4,5 В для питания одного
светодиода), в данном случае можно счи-
тать V = 4,5 В х 4 = 18 В, так как рас-
сматривается совместная работа четырех
Светодиод 1 S
Светодиод 2 5
Светодиод 3 3
Светодиод 4 5
R
Рис. 2.6. Обесценение питанием
светодиодов и желательно при той же ста- нескольких светодиодов с одним
бильности получить требуемое значение токоограничительным
т сопротивлением
тока
Часто менее важно требование стабильности величины тока If,
чем постоянство величины напряжения питания. Компромисс
в данном случае возможен, если при вычислении тока использо-
вать реальное значение для напряжения Vf = 1,3 В. Для схемы,
представленной на рис. 2.6, напряжение питания Vs определится
как 4 х Vf = = 5,2 В + VR. Вместо источника питания 18 В можно
использовать Vs - 9 В, если 3,8 В выделить на резисторе R. Если
необходимо получить If = 100 мА, следует взять сопротивление R = 3,8 /
/ 0,1 = 38 Ом. Этот метод применим только в том случае, если на-
пряжение не подвержено изменениям. Действительно, если допу-
стить, что это напряжение может уменьшиться до Vs = 8 В, ток бу-
дет не больше If = 2,8 В / 38 Ом - 74 мА, то есть потери составят
более 25%. Таким образом, с помощью четырех светодиодов мож-
но достичь той же мощности излучения, что и при трех светодио-
дах с постоянным питанием 9 В.
Если необходимо обеспечить питанием большое число светодиодов
при относительно низком или нестабильном напряжении V, может быть
использована последовательно-параллельная схема включения светоди-
одов, представленная на рис. 2.7, где каждая ее ветвь рассчитывается
3-637
34
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
5k 5k -<?
5k Sk
Рис. 2.7
Последовательно-
параллельное включение
светодиодов
аналогично электрической цепи в схеме, изоб-
раженной на рис. 2.6.
В любом случае, чем больше падение на-
пряжения на резисторе R, тем менее излуча-
тельная способность светодиодов подвержена
влиянию температурного режима работы свето-
диодов и колебаниям напряжения питания Vg.
Значит, необходимо выделить на резисторе R
достаточно большую мощность. Этим объяс-
няется тот факт, что КПД использования све-
тодиода в приведенных схемах значительно ниже паспортного значе-
ния КПД.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
При свечении светодиода определенной силы света возникает неко-
торое излучение или поток излучения - Фе, величина которого изме-
ряется в ваттах (Вт). В зависимости от конструкции корпуса или при
наличии линзы значительную часть общего излучаемого потока Фе,
удается выделить в виде полезного лучистого потока Фо, величина
которого также измеряется в ваттах. Одни изготовители указывают
Фе, другие Фо, что, конечно, не упрощает их использование.
Однако наибольший интерес для потребителя представляет энер-
гетическая сила света, которую можно обнаружить, если встать пря-
мо напротив излучающего диода. Эта сила излучения зависит,
с одной стороны, от потока излучения (Феили Фо), а с другой сторо-
ны, от концентрации излучения, достигнутой, например, с помощью
линзы, которой может быть снабжен корпус в некотором угловом
поле.
На примерах, приведенных на рис. 2.8-2.10, иллюстрируется рас-
пространение потока излучения в виде «лепестков» диаграмм направ-
ленности для трех светодиодов, изготовленных Telefunken electronic.
Диаграмма, представленная на рис. 2.8, относится к имеющему плос-
кое окно светодиоду, боковое излучение в котором ограничивается
корпусом.
Ограничив диаграмму направленности по уровню 0,51еге1 (относи-
тельной силы излучения), получим угловое поле 40°. Таким обра-
зом можно определить «ширину 0 диаграммы направленности по
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
35
половинной мощности», которая для рассматриваемого примера со-
ставит 0 - 80°. Некоторые производители указывают в сопровождаю-
щей документации «полуугол при половинной силе излучения 0/2».
При изучении подобной документации всегда необходимо проверять,
о каком угле идет речь.
На рис. 2.9 в качестве примера приведена диаграмма направлен-
ности светодиода, линза которого позволяет получить угол излуче-
ния 30°, между тем как в случае, представленном на рис. 2.10, этот
угол составляет 10°. Светодиоды указанных выше типов обычно ис-
пользуются в стационарных устройствах (например, в оптических ба-
рьерах). Светодиоды с диаграммой направленности, изображенной на
рис. 2.9, могут использоваться в устройствах, определяющих присут-
ствие человека в поле зрения оптической системы по отраженному им
излучению, или для передачи команд управления неподвижному ап-
парату (допустим, телевизору) с помощью пульта дистанционного уп-
равления. В подобных устройствах может быть применен и светодиод,
диаграмма направленности которого изображена на рис. 2.8. Светодиоды
Рис. 2.8. Диаграмма
направленности излучения
светодиода с плоским окном
Рис. 2.9. Излучение можно
сконцентрировать за счет снабжения
корпуса светодиода линзой
36
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
О 10’
0.2 0 0,2
Рис. 2.10. Диаграмма,
соответствующая углу 10°
при половинной силе излучения
этого типа (с плоским стеклом) мо-
гут использоваться совместно со
сложными оптическими системами,
позволяющими сконцентрировать
лучистый поток в узких угловых
ПОЛЯХ.
В любом случае очевидно, что сила
излучения 1е, которое можно обна-
ружить, если встать на оптической
оси светодиода, значительно больше
у светодиода, снабженного оптичес-
кой системой (рис. 2.10), чем у све-
тодиода без нее (рис. 2.8). Так как не
все производители указывают силу
излучения 1е, можно рассчитать ее
по следующей формуле:
1е = Фо / 2л (1 - cos 0,5 0).
(Определения Фо и q были даны
выше.)
В общем случае сила излучения определяется по формуле:
I = с1Ф / d(0
и выражается в ваттах на стерадиан (Вт/ср или мВт/ср). В следу-
ющем параграфе будут даны некоторые комментарии по этому поводу.
УГЛОВОЕ ПОЛЕ
Поскольку излучение распространяется не направленно, изучать его
следует не только на плоскости, но и в пространстве. Именно этой
цели служит рис. 2.11, заимствованный у Siemens и позволяющий по-
нять, что представляет собой угловое поле (по другой терминоло-
гии - телесный угол излучения). Примем радиус изображенной на
рис. 2.11 сферы равным 1 м, тогда сферический сегмент, расположен-
ный справа, будет иметь площадь F = R2 = 1 м2. Пространственный
угол для этого частного случая будет определяться конусом, соеди-
няющим центр сферы с окружностью Е Пространственный угол, вы-
ражаемый в стерадианах (ср), соответствует определению этой едини-
цы измерения в тех случаях, когда F = R2. Следовательно, говоря, что
УГЛОВОЕ ПОЛЕ
37
пространственный угол о0 = 1 ср (стерадиан), имеют в виду, что рассмат-
риваемая площадь на поверхности сферы равна квадрату ее радиуса.
Если речь здесь идет о поверхности, имеющей сферические очер-
тания, угол при вершине конуса (который определяет Qo = 1 ср) ра-
вен а= 32,8°, это объясняется тригонометрическими соотношениями.
Однако понятие пространственного угла распространяется не
только на сферический сегмент, но и на любой участок, выделенный
на поверхности сферы, например для поверхности, изображенной на
рис. 2.11. Таким образом, поверхность сложной формы со, изображен-
ная на рисунке слева, может также соответствовать пространствен-
ному углу в 1 ср, если площадь этой поверхности со равна 1 м2. В этом
случае пространственный угол составлен из совокупности радиусов,
соединяющих центр сферы с периметром поверхности S.
Если диаграмму направленности, изображенная на рис. 2-10, очень
узка, то реально оценить энергетическую силу излучения можно
только при ее измерении в пределах углового поля, в котором 1е
Рис. 2.11. Понятие пространственного угла применимо
к участкам поверхности сферы, имеющим любую форму
38
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
может считаться постоянной. Возвращаясь к пространственному изоб-
ражению (рис. 2.11), нужно выбрать совсем небольшую поверхность,
ограниченную малым пространственным углом dco и перпендикулярную
оптической оси светодиода. Тогда внутри пространственного угла dco
будет сконцентрирован некоторый лучистый поток 6Ф (или 6ФО).
При этом сила излучения будет определяться соотношением бФ/dco,
то есть отношением лучистого потока, прошедшего через достаточно
малую поверхность, ограниченную пространственным углом (при усло-
вии, что поток в нем является постоянным), к величине этого угла.
Еще раз обратимся к понятию пространственного угла. На рис. 2Д2
показан пространственный угол для освещенности Е, которая выра-
жается в ваттах на квадратный метр (Вт/м2или мВт/м2).
Рис* 2.12. Освещенность Е поверхности зависит от силы излучения
источника I и от расстояния R между излучателем
и облученной поверхностью
Фоточувствительная поверхность приемника излучения заданной
площади (например, фототранзистора) воспринимает лучистый поток.
Для источника с узкой диаграммой направленности эту освещенность
можно рассчитать по формуле Е = I / R2, где I = 1е является силой из-
лучения источника, a R - расстоянием между источником и приемни-
ком. Формула Е = Ф / F, связывающая лучистый поток Ф и площадь
облученной поверхности F, на которую падает этот поток, справедлива
только при использовании ненаправленного источника излучения.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОДИОДОВ 39
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕТОДИОДОВ
Кроме упомянутых выше характеристик, в частности Фе, Фо, 1е и 0, про-
изводители светодиодов указывают длину волны излучения, кото-
рая составляет около 950 нм для наиболее распространенных типов
светодиодов ИК диапазона. Эта характеристика обычно представле-
на в виде кривой, отображающей спектральное распределение лучис-
того потока. На рис. 2.13 (взят из документации Telefunken electronic)
показана типичная кривая спектральной излучательной способнос-
ти, характерная для всех светодиодов ИК диапазона.
Последнее справедливо и для кривой, изображенной на рис. 2.14,
которая уточняет зависимость максимума спектрального распреде-
ления светодиода Лтах, то есть длины волны светового излучения при
максимуме спектральной характеристики светодиода, от температу-
ры. Для обычных приложений такие изменения длины волны не
имеют практического значения, поскольку они слабо зависят от тем-
пературы.
Рис. 2..13. Зависимость
лучистого потока Фе от длины волны
peek ~ (^и)
Рис. 2.14. Зависимость Л от Т.
так А
40
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
•С
Рис. 2.15. Для заданного прямого тока /,
мощность излучения Ро тем больше,
чем ниже температура Тс, при которой
работает светодиод
If, А
Рис. 2.16. Оптимальная
световая отдача Г) светодиода
приходится на определенное
значение прямого тока lf
Интенсивность излучения, отн. ед.
Рис. 2.17. «Линейное» отображение
диаграммы направленности излучения
светодиода
Рис. 2.18. Миниатюрный светодиод
в прозрачном корпусе
(Texas Instruments)
ПАРАМЕТРЫ РАСПРОСТРАНЕННЫХ СВЕТОДИОДОВ 4±
Следующие графики, взятые из документации Texas Instruments
(рис. 2.15), показывают, что мощность излучения Ро светодиода,
прямо пропорциональная лучистому потоку Ро (= Фо), также зави-
сит от температуры (но в большей степени). Данные, приведенные
на рис. 2.16, позволяют констатировать, что световая отдача Т| све-
тодиода имеет максимальное значение при некотором прямом токе If
На рис. 2.17 показано, что диаграмма направленности светодиода
может быть представлена иначе, чем на рис. 2.8-2.10. Тем не менее
очевидно, что речь идет о светодиоде, ширина диаграммы направлен-
ности которого по половинной мощности составляет 35°. На рис. 2.18
изображен светодиод в миниатюрном исполнении в прозрачном кор-
пусе производства Texas Instruments.
ПАРАМЕТРЫ РАСПРОСТРАНЕННЫХ СВЕТОДИОДОВ
РАЗЛИЧНЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ
В табл. 2.1-2.5 в алфавитном порядке (по названию марки произво-
дителя) представлены некоторые типы светодиодов ИК диапазона,
сгрупированные по возможностям их применения, которые будут
описаны ниже. В таблицах использованы характеристики, определе-
ния которым были даны ранее:
If - максимально допустимый постоянный прямой ток;
Ifin - максимально допустимый импульсный прямой ток (длитель-
ностью импульса <10 мкс);
Фе - поток излучения, полученный при If = Ifm;
Фо - поток излучения на выходе, полученный при If = Ifin;
Ie - сила излучения, полученная при If = Ifin;
0 - угол раскрыва диаграммы направленности излучения при
половинной силе излучения.
В таблицах приняты следующие обозначения:
1* Импульсный режим.
2* Затемненная серая оболочка.
3* ТО 18 с радиатором..
4* Время спада и нарастания - 10 нс.
5* Длина волны ж- 880 нм, время спада и нарастания - 150 нс.
6* Длина волны - 830 нм, время спада и нарастания - 30 нс.
42
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫИК ДИАПАЗОНА
Таблица 2.1. Фирмы Asea Hafo, TRW
«Ч-r п*** I Предел if- знача мА • 1ьные НИЯ . *2 «!»*** Характер» >мВт/ср ЮТИКИ мА А - • Г Ч ; .
1 А 48В 25
100 - 2 100 20 ME
1 А48С 32
1 А 104 100 - 6 20 100 - ME
1 А119 500 - 30 50 500 - 3
ОР130 1
ОР131 3
100 10 100 18 МС
ОР132 4
ОР133 5
OP 130-133W Идентично ОР .130-133 50 МС
ОР160 16
50 3 0,5 20 PD
OP160W 85
ОР161 50 3 0,5 20 18 PF
ОР231 8
ОР232 100 10 10 100 18 МС 5*
ОР233 12
OP231-233W Идентично ОР 231-233 50 МС 5*
ОР260 50 3 1 20 16 PD 5*
ОР290 5 3,6 20 50 PD
ОР 291 2 3,6 20 50 PD
150 5*
ОР292 1 3,6 20 50 PD
ОР293 2 18 100 60 PC
ОР295 5 3,6 20 15 PD
ОР296 2 3,6 20 15 PD
150 5*
ОР297 1 3,6 20 15 PD
ОР 298 2 18 100 25 PC
ПАРАМЕТРЫРАСПРОСТРАНЕННЫХ СВЕТОДИОДОВ
43
Таблица 2.2. Фирма Temic
Предельные значения'. liii * • ‘Г . • • • ’ * •* $
мА~ ' Г Ф„ йВт мВт/ср * град?/ / * у',* ж
СОХ 18 А 0,15-0,3
60 1 1 20 150 РА 1*. 2*
CQX18B >0,25
CQX19 250 10 20 40 250 40 МА
CQX46 15 10 (>5) 50 РВ
100 2,5 100 2*
CQX47 25 33 35/55 PH
CQX48A >1
60 3 5 50 50 РА
СОХ 48 В >2
CQY36N >0,7 80
100 2,5 5 50 PH
CQY37N >2,2 25
TSCA6000 100 2,5 20 120 (>70) 100 8 PC
TSHA 4400 20 20
100 2 100 40 РВ
TSHA 4401 24 30
TSHA 5200 14 >280
TSHA 5201 18 360-520
100 2,5 1500 25 PC 1*, 5*
TSHA 5202 22 480-640
TSHA 5500 14 >140
TSHA 5501 18 180-260
100 2,5 1500 40 PC 1*. 5*
TSHA 5502 22 240-320
TSHA 5503 25 >300
TSHA 6200-6203 За исключением формы соединений идентично TSHA 5200-5203 и TSHA 5500-5503
TSHA 6500-6503
TSHF5400 100 1 25 30 (>20) 100 48 PC
TSIP4400 22 (>12)
100 2 100 40 РВ
44
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
Таблица 2.2. Фирма Temic (окончание)
Ж Предельные значения Характеристики Тип корпуса Примеча- *^ЙИЯ'' ”
Л?-' ии, А мВт/ср мА град.
TSIP4401 25 (>16)
TSIP5200 22 (>20)
150 3 100 34 PC
TSIP 5201 25 (>30)
TSIP7600 22 8-15
150 3 100 60 PC
TSIP7601 25 12-20
TSSA4500 100 2 22 23 100 40 PI
Таблица 2.3. Фирма Temic
Тип Предельные значения Характеристики Тип корпуса Примеча* НИЯ
h. мА Кт, А-' Фе, мВт Л, V мВт/ср мА 9, град.
TSTA7100 30 10 ME
TSTA7200 100 2,5 18 19 100 30 ME 5*
TSTA7500 6 80 мс
TSTS7100 >10
TSTS7101 >12,5
250 2,5 8 100 10 ME
TSTS7102 >20
TSTS7103 >32
TSTS7200 >4
TSTS7201 >6,3
250 2,5 8 100 30 ME
TSTS 7202 >10
TSTS7203 >16
TSTS7300 >4
TSTS7301 6,3-12,5
250 2,5 7 100 24 MB
TSTS7302 10-20
ПАРАМЕТРЫ РАСПРОСТРАНЕННЫХ СВЕТОДИОДОВ
45
Таблица 2.3. Фирма Temic (окончание)
Тип Предельные значения Характеристики Тип корпуса Примеча- ния
мА А Ф„ мВт мВт/ср И», мА е, град..
TSTS7500 >1,25
TSTS7501 >1,6
250 2,5 8 100 МС
TSTS7502 >2,5
TSTS7503 >4
TSUS 3400 100 2,5 10 10 (>5) 100 50 РВ
TSUS4300 100 2 13 18 100 32 РВ
TSUS4400 100 2 13 17 (>7) 100 36 РВ
TSUS5200 11 85
TSUS 5201 150 2,5 11 120 1500 35 PC 1*
TSUS 5202 15 >170
TSUS 5400 11 60
TSUS 5401 150 2,5 11 85 1500 50 PC 1*
TSUS 5402 15 >120
V194 Р >1,5
V394PI >2.5
V394PII 250 2,5 10 >4 100 80 МС
V 394 Pill >6,3
V394PIV >10
Таблица 2.4. Фирма Philips
Тип ШИМ| Предельные . значения Характеристики Тип корпуса Примеча- ния
I., мА м . •т, А Ф«, мВт 1., мВт/ср С мА 0. град.
CQW58A- 1 >1
60 1 1 20 30 РВ 6*
CQW58A-2 >3
CQW89A >9
CQW89A- 1 130 2,5 8 >12 100 48 PC 6*
CQW89A-2 >15
46
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
Таблица 2.4. Фирма Philips (окончание)
CQW89B ^Предельные- ОШаЧениЯ.^ - > Характеристики' Тип корпуса PD * с Примечав у • Нйя: ; ‘»*v 6*
130 2,5 Ф^МВТ мВт/ср' Нт.’ ДМА’-’ град.' 24
8 >20 100
CQY11 В 0,064 70
30 0,2 - 20 МН
CQY11 С 1,25 ~10
CQY49B 0,5 80
100 1 - 50 МН
CQY49C 5 15
CQY50 >0,16 >0,18
100 0,5 20 35 MD
CQY52 >0,4 >0,45
CQY58A >2
CQY58A-1 50 0,2 1 >1 20 40 РВ
CQY58A-2 >3
CQY89A >9
CQY89A-1 130 1 10 >12 100 80 РЕ
CQY89A-2 >15
CQY90A 100 1 21 >15 100 120
Таблица 2.5. Фирма Siemens
.'Предельные значения Характера стики Й1||ИИв ; Тип корпуса •^ж Примеча- ния
.Ук', м Ня» £-3^'-"'^ Фв, мВт мВт/ср кмА;" / вЛ- град.
IRL80 А 60 >0,4 60
- 1,5 20 р|
IRL81 А 100 1 50
Ш 242/II 13 4-8
250 5 100 80 МВ
ID 242/III 16 >6,3
LD271.L 12 15(>10)
130 3,5 100 50 РЕ 2*
ПАРАМЕТРЫ РАСПРОСТРАНЕННЫХ СВЕТОДИОДОВ
47
Таблица 2.5. Фирма Siemens (окончание)
Предельные значения' i Характеристики , . ЯВ11Н1! • Тип./ корпуса Примеча- НИЯ -
If» - ' мА Wm, А Ф„ мВт ' мВт/ср - IU. мА * е.‘ ПИД-
LD 271 Н, HL 16 >16
LD 274 100 3 13 60 (>30) 100 20 РЕ 2*
SFH 400/11 5,5 20-40 12
SFH 400/111 7 >32 12
SFH 401/11 5,5 10-20 30
300 3 100 МС
SFH 401/111 7 >16 30
SFH 402/11 5,5 2,5-5 80
SFH 402/111 7 >4 80
SFH409 100 3 14 15 (>6) 100 40 PD
SFH415 35
100 3 22 100 PC 2*
SFH416 56
SFH 480 50 (>25) 12
SFH481 200 2,5 10 20 (>10) 100 40 РЕ 5*
SFH482 6(>3) 60
SFH483 1-3,2
SFH483-L 200 2,5 23 1-2 100 46 МС
SFH483-M 1,6-3,2
SFH484 100 (>50) 16
SFH485 100 2,5 20 40 (>16) 100 40 РЕ 5*
SFH485P 6(>3) 80
SFH487 30 (>12) 40
100 2,5 20 100 PD 5*
SFH487P 4(>2) 135
48
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
Формы металлических корпусов (М) представлены на рис. 2.19.
Модификации корпусов МВ и МС имеют два вывода, обозначен-
ные буквами А (анод - положительный электрод) и К (катод - от-
рицательный электрод). Модификации корпусов ME и МН имеют
третий средний вывод, который не соединяется с другими электро-
дами.
Рис. 2.20 показывает формы пластмассовых (Р) корпусов. Мак-
симально допустимая температура эксплуатации и хранения равна
для пластмассовых корпусов приблизительно 80 °C, а для металли-
ческих - от 100 до 120 °C.
Спектр излучения имеет максимум на длине волны 950 нм, а па-
дение прямого напряжения составляет Vf = 1,3 В, если в колонке
«примечания» нет особых указаний. Приведенные выше кривые со-
ответствуют различным температурным зависимостям, а время ком-
мутации (время нарастания излучения tr и время спада излучения tf)
составляет 500 нс. Собственная емкость указанных диодов лежит
в диапазоне от 50 пФ (для маломощной модели в пластмассовом кор-
пусе) до 600 пФ (для светодиода в металлическом корпусе).
Рис. 2.19. Металлические корпуса диодов из табл. 2.1-2.5
ПАРАМЕТРЫ РАСПРОСТРАНЕННЫХ СВЕТОДИОДОВ
49
4-637
Рис. 2.20. Примеры пластмассовых корпусов диодов, указанных в табл. 2.1—2.5
50
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИК ДИАПАЗОНА
Таблица 2.6. Основные энергетические и фотометрические характеристики
светодиодов
Величина Определение Энергетическая Величина Визуальная Величина
Обозначение Единица Обозначение Единица
Поток излучения S Общая мощность, • излучаемая источником 0. Ватт Вт 0V Люмен лм
Сила излучения Мощность S _ излучения д —1 на единицу телесного угла и O|Q Вт»ср Кандела кд= =лм*ср
Яркость 1 Е = KL Сила излучения на единицу мощности - 1е ' Sapp Вт* ср"* -2 »М = _!м_ av Sapp кд » м~2'
Осве- щенность Мощность Ч'_ ^~7 принятого у излучения р / на единицу площади Е = -& ' Sr Вт»м~2 F ~ -^L Sr -2 лм*м=лк
* Оптическую яркость можно также выразить в футах. При таких условиях для
ламбертовского источника будет справедливо следующее равенство: 1 фут - 3,42 кд/м2
(выдержка из документации Philips).
be
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды И К диапазона 25
3 ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА Фоторезисторы Фотодиоды Фототранзисторы Предельные электрические характеристики фотополупроводников Вычисление излучения, полученного фотоприемником Чувствительность к излучению Распространенные типы фотодиодов и фототранзисторов Пироэлектрические приемники Пример пироэлектрического детектора PID 11 Простые и сдвоенные датчики Линзы Френеля Распространенные типы пироэлектрических приемников 52 54 56 59 60 63 63 73 74 76 78 80
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
52
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
В электронике инфракрасное излучение наиболее широко приме-
няется в фотоприемниках, где величина тока изменяется в зависи-
мости от степени облучения их чувствительного слоя. Речь здесь
идет преимущественно о фоторезисторах, фотодиодах и фототран-
зисторах.
Кроме Того, существуют фоточувствительные устройства, которые
преобразуют оптическое излучение непосредственно в электричес-
кую энергию. Однако такие давно разработанные и широко извест-
ные устройства, как фото- или солнечные батареи, не представляют
интереса для приложений, которые описываются в настоящем изда-
нии: основным предназначением батарей промышленного изготовле-
ния является производство электроэнергии.
Пироэлектрические датчики тоже превращают излучение в элект-
рический ток. Конечйо, он ничтожно мал, как и излучение, которое
способен регистрировать такой датчик (например, излучение челове-
ческого тела, температура которого отличается от температуры окру-
жающей среды всего на несколько градусов). Характеристики датчи-
ков рассматриваются в конце данной главы, а об их применении речь
пойдет в главе 6.
ФОТОРЕЗИСТОРЫ
Уже само название этого устройства говорит о том, что его электри-
ческое сопротивление уменьшается под действием облучения его чув-
ствительного слоя при увеличении освещенности. Принцип работы
показан на рис. 3.1. Фоторезистор PR при облучении чувствительно-
го слоя в заданных пределах изменяет свое сопротивление и ток
базы 1ь транзистора.
Если этот транзистор имеет, например, коэффициент усиления ба-
зового тока b = 100, ток коллектора 1с усилится по сравнению
с током базы 1ьв 100 раз. Коллекторной нагрузкой, согласно схеме на
рис. 3.1, является обмотка реле, которая
Рис. 3.1. Ток, проходящий
через фоторезистор,
после усиления транзистором
может включать реле
своими контактами управляет работой бо-
лее мощных силовых цепей, например
включает или выключает елочную гир-
лянду. Таким образом, при облучении со-
противление резистора PR становится до-
статочно низким, увеличивая ток базы 1ь.
За счет большого значения b ток кол-
лектора Г увеличится и будет соответст-
вовать току который сможет, допустим,
ФОТОРЕЗИСТОРЫ
53
запустить реле. Подобным способом можно использовать фоторези-
стор для включения тиристора, симистора и т.д. сразу или после уси-
ления.
В продаже встречаются сернисто-кадмиевые (CdS) и селено-кад-
миевые (CdSe) фоторезисторы, а также их разновидность - сернисто-
селенокадмиевые. На рис. 3.2 приведены кривые их относительной
спектральной чувствительности.
Речь идет о типах RPY 64, RPY 63 и RPY 60 (Siemens), перечис-
ленных в порядке возрастания длины волны, на которую приходится
максимум чувствительности. Кривые для других типов, имеющих тот
же химический состав, аналогичны. Можно отметить, что в ИК диапа-
зоне относительная спектральная чувствительность этих фоторезисто-
ров достаточно низка. Несмотря на более узкий рабочий спёктральный
диапазон, наиболее эффективными являются селено-кадциевые фо-
торезисторы.
При резком изменении освещенности фоторезистора его сопро-
тивление изменяется плавно, с определенной задержкой, которая
составляет несколько миллисекунд при сильной освещенности, но
может превысить секунду при очень слабой освещенности. Хотя фо-
торезисторы позволяют проводить очень интересные эксперименты
в области И К излучений, их исполь-
зование сводится к весьма простым
приложениям.
Фоторезисторы имеют очень высо-
кую чувствительность к изменениям
освещенности. В качестве примера на
рис. 3.3 показано изменение сопро-
тивления RPY 60 (CdSe) в зависимо-
сти от уровня освещенности, которая
выражается в люксах (лк).
Ниже будет показано, как можно
сравнить эту фотометрическую еди-
ницу с понятиями излучения, часто
применяемыми для ИК диапазона. Обе
кривые, представленные на рис. 3.3,
Рис. 3.2. Значения относительной
спектральной чувствительности
для фоторезисторов
разных типов
характеризуют диапазон предельных
значений сопротивлений.
Среди разнообразных фототран-
зисторов самыми перспективными
54
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
являются типы LDR 05 и LDR 07, от-
личающиеся друг от друга только кор-
пусом (производитель - компания
RTC), благодаря своим характеристи-
кам и относительно малой цене. Их
сопротивление, составляющее более
10 МОм при затемнении, падает при-
близительно до 8 кОм при освещенно-
сти в 50 лк.
Кроме того, существуют сернисто-
свинцовые фоторезисторы для ви-
димой области спектра, максимальная
спектральная чувствительность кото-
рых приходится на диапазон длин волн
0,3-0,5 мкм. Эти разновидности так-
же подходят для совместной работы
с излучающими светодиодами ИК диа-
пазона, максимум спектральной ха-
рактеристики которых приходится на
Рис. 3.3. График предельных
значений величин сопротивлений
фоторезистора в зависимости
от освещенности
длину волны 0,95 мкм. К сожалению, фоторезисторы такого типа труд-
но найти в продаже, так как изготавливают их небольшими партиями,
вследствие чего цена остается достаточно высокой. Вряд ли в бли-
жайшее время произойдут какие-либо изменения, поскольку суще-
ствуют высококачественные фотодиоды и фототранзисторы ИК диа-
пазона, вполне доступные по цене.
ФОТОДИОДЫ
Каждый кремниевый диод, по сути, уже является фотодиодом. До-
статочно слегка стереть черную краску, обычно защищающую от света
некоторые диоды, изготовленные в стеклянном корпусе, чтобы полу-
чить фотодиод, подходящий для проведения экспериментов по схе-
ме, показанной на рис. 3.4. Схематическое изображение фотодиода
отличается от изображения светодиода только направлением стрелок,
то есть фотодиод «принимает» излучение от светодиода.
Здесь фотодиод PD включается в обратном направлении по срав-
нению со схемой на рис. 2.4, то есть положительный полюс источника
питания соединен с катодом К. При затемнении диод проводит очень
малый ток - около 1 нА - который, однако, может превысить 1 мА,
если засветить фотодиод.
ФОТОДИОДЫ
55
Рис. 3.4. Схема включения
Из рис. 3.5 видно, что внутри фотодиода
(как и внутри выпрямляющего диода и свето-
диода) можно обнаружить P-область и N-об-
ласть. В фотодиоде падающий свет высвобож-
дает носители зарядов в зоне потенциального
барьера, который образуется под воздействи-
ем прикладываемого напряжения.
При обратной полярности включения между областями Р и N
возникает потенциальный барьер, изолирующий их друг от друга.
Проникая в полупроводниковый слой, свет создает положительные
и отрицательные заряды. Поскольку диод включен в обратном направ-
лении (анод под отрицательным напряжением), а противоположные
заряды притягиваются, то к аноду идут положительные заряды, а к ка-
тоду - отрицательные.
Естественно, свет создает эти заряды и в случае, если к диоду не под-
ведено напряжение. Тогда на выводах диода появляется разность по-
тенциалов, и он работает как миниатюрная фотобатарейка. Кстати,
солнечные батареи являются не чем иным, как кремниевыми диода-
ми с очень большой поверхностью чувствительного слоя.
При обратном включении, проиллюстрированном на рис. 3.4, фо-
тоэлектрический ток строго пропорционален освещенности, что по-
зволяет использовать фотодиоды для измерения яркости, а также для
приложений, связанных с передачей сигналов (например, звуковых),
когда требуется высокий уровень линейности.
Падающий сбет Контактная
площадка анода
Зона Р+ (анад)
Зона
объемного
заряда
Зона N прободимости
Зона N+ прободимости
Металлизированный слой (катод)
Рис. 3.5. Структура фотодиода
56
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Технология изготовления этих фотодиодов мало влияет на их спек-
тральную чувствительность, максимальное значение которой всегда ле-
жит в пределах 0,8-0,9 мкм. Эта область длин волн, в частности, совпа-
дает со спектральной излучательной способностью светодиодов ИК
диапазона, максимум чувствительности которых обычно приходится
приблизительно на 0,95 мкм. Соответствие значительно меньше при ис-
пользовании германиевых диодов, наибольшее значение спектральной
чувствительности которых соответствует длине волны 1,5 мкм.
ФОТОТРАНЗИСТОРЫ
Из схемы, приведенной на рис. 3.4, видно, что PD - не единственный
диод, который функционирует при обратном включении. Действи-
тельно, транзистор, используемый в этой схеме, содержит два р-п
перехода (Б-Э и К-Б), образованные двумя эквивалентными диода-
ми, из которых один (К-Б) включен обратно. Если осветить полу-
проводниковый кристалл транзистора, то можно получить высоко-
чувствительный приемник, схема включения которого приведена на
рис. 3.6. Здесь показано, что фототранзистор (РТ) в принципе не нуж-
дается в выводе базы.
На рис. 3.7 в упрощенном виде приведена структура кремниевого
п-p-n планарного фототранзистора. При облучении чувствительно-
го слоя фототранзистора в переходе база-коллектор возрастает сила
тока. Высвобождая электрические заряды в P-области базы, пада-
ющий свет вызывает ток базы, который создает усиленный в 0 раз ток
коллектора 1с.
Как и диод, каждый транзистор является фоточувствительным
элементом; именно поэтому транзисторы, также как и интегральные
схемы, покрывают непрозрачным материалом, если только не поме-
щают в металлический корпус. В последнем случае достаточно выре-
зать отверстие в корпусе, чтобы преобразовать маломощный тран-
зистор в мощнейший фототранзистор. Так
или иначе, удаление защитного слоя может
привести к сокращению срока службы тран-
зистора. Напротив, настоящий фототранзис-
тор разработан для оптимального приема све-
Рис. 3.6. При достаточной та и часто обладает линзой для концентрации
освещенности падающего света.
фототранзистор может Фотодиод, показанный на рис. 3.6, представ-
включить реле ляет собой диод «коллектор-база», который
ФОТОТРАНЗИСТОРЫ
57
Падающий едет
Контактная
Контактная
Металлизированная контактная площадка коллектора
Рис. 3.7. Структура фототранзистора
включен в прямом направлении плюсом (анодом'* к положительно-
му полюсу источника питания; на рис. 3.4 он, напротив, включен ка-
тодом к положительному полюсу источника питания и анодом к базе.
С точки зрения чувствительности к свету это различие не имеет боль-
шого значения. Но оно начинает играть роль в формировании частот-
ной характеристики, так как фотодиод на рис. 3.4 имеет собственную
емкость, которой нельзя пренебречь.
Поскольку диод коллекторно-базового перехода подключен
анодом к плюсу источника питания через коллекторную нагрузку
(обмотку реле) - см. рис. 3.6, - при таком включении увеличивается
коэффициент усиления по току транзистора. Таким образом, исполь-
зование фототранзистора целесообразно при работе на частотах пе-
реключения (модуляции падающего света), не превосходящих 100 кГц.
Фотодиод может работать на частотах в сотни мегагерц.
Последнее справедливо для большинства устройств, кроме случаев
использования фотодиода совместно с реле, поскольку на таких час-
тотах в цепи коллектора применяют резистор или цепь, настроенные
на определенную частоту.
Существуют фототранзисторы, которые содержат только выводы
коллектора и эмиттера. В других случаях база также доступна через
третий вывод. Базу используют очень редко, поскольку это приводит
к снижению чувствительности. При необходимости вывод базы мож-
но применять в схеме настройки, выполненной таким образом, что-
бы фототранзистор одинаково реагировал на разные лучистые по-
токи. Кроме того, фототранзистор можно вывести из рабочего
режима, подведя к базе достаточно большой ток, который приведет
58
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Рис. 3.8. Зависимость тока
коллектора от освещенности
к ее перенасыщению. Цри наличии
выводов только базы и коллектора
можно использовать фототранзистор
в качестве фотодиода, благодаря чему,
как было показано, улучшается час-
тотная характеристика.
Существуют фототранзисторы, об-
ладающие относительно высоким уси-
лением по току. Так, например, Siemens
указывает для некоторых типов ко-
эффициент усиления по току в диа-
пазоне от 200 до 800. Речь здесь идет
о средних значениях, потому что уси-
ление по току меняется не только от
одного образца к другому, но и в зависимости от тока и напряжения
на коллекторе. Поскольку это отражается на чувствительности к све-
ту, характеристика чувствительности фототранзистора значительно
менее линейна, чем аналогичная характеристика фотодиода. В каче-
стве примера на рис. 3.8 приводится график (для продукции компа-
нии Texas Instruments) зависимости тока коллектора от полученного
излучения для различных значений напряжения на коллекторе Vce.
Видно, что в фототранзисторе процесс преобразования света в ток не
всегда является линейным.
В данном случае применяется упоминавшееся в предыдущей главе
понятие освещенности, некоторые уточнения которого будут даны ниже.
Из-за изменений усиления по току увеличивается нелинейность
фотоэлектрического преобразования, которая более ярко выражена
в схеме Дарлингтона на фототранзисторах. Это устройство объеди-
няет в одном корпусе два транзистора (рис. 3.9), где фототранзистор
РТ используется для управления базой Т.
Рис. 3.9. Схема
Дарлингтона
на фототранзисторах
По уже названным причинам частотная
характеристика схемы Дарлингтона будет
еще хуже, чем у фототранзистора, поэтому
ее не рекомендуется использовать на час-
тотах выше 10 кГц. Однако эта схема яв-
ляется очень чувствительным и простым
в использовании датчиком, что позволяет
с успехом использовать ее в устройствах
подсчета предметов, например в системах
обеспечения безопасности и т.д.
VR> В
Рис. 3.10. Емкость фотодиода
в зависит от прикладываемого
обратного напряжения
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПОЛУПРОВОДНИКОВ 59
ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ФОТОПОЛУПРОВОДНИКОВ
Наиболее важной предельной величиной для всех фотоприемников
является максимальное обратное напряжение, которое они могут вы-
держать в рабочем режиме. Это напряжение составляет около 100 В
для фоторезисторов наиболее распространенных типов, но существу-
ют и другие типы, которые выдерживают обратные напряжения до
350 В, вследствие чего позволяется питать их от сети 220 В.
Что касается фотодиодов, то допустимое обратное напряжение
обычно ограничено 30 В, хотя разработаны модели, выдерживающие
100 и даже 200 В. Использование столь высоких напряжений позволя-
ет последовательно включить фотодиод и высокоомный (в сотни ки-
лоом) резистор. Если ток диода будет изменяться в больших пределах
под воздействием света, то на выводах резистора можно получить от-
носительно высокое изменение напряжения. Поскольку на практике
использование повышенных напряжений небезопасно для человека,
предпочтение отдается напряжениям питания до 60 В и дополнитель-
ному усилению с помощью усилителя.
При работе с модулированным излу-
чением на повышенной частоте пред-
почтительно иметь на выводах фото-
диода напряжение, составляющее, по
крайней мере, 10 В, поскольку емкость
значительно увеличивается при малых его
значениях. На рис. 3.10 показана зави-
симость емкости фотодиода Ц от об-
ратного напряжения Vr для модели
BPW 41 (Telefunkelectronic).
Эта зависимость проявляется и для
перехода база-коллектор фототранзи-
стора. Поэтому фототранзисторы так-
же не используют при очень малых
рабочих напряжениях, если требуется
работать с частотами модуляции выше
10 кГц.
Полупроводник может быть разру-
шен не только избыточным обратным напряжением, но и слишком
высоким током, который приводит к рассеянию мощности выше
60
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Рис. 3.11
Фототранзисторы
всегда используются
в схеме
с резисторами Я
предельно допустимой. Эти параметры важны для
фоторезисторов, питающихся высоким напряже-
нием. Предельное значение мощности рассеяния
для наиболее распространенных типов составля-
ет несколько сотен милливатт.
Для фотодиодов и фототранзисторов всегда
существует возможность выбора сопротивле-
ния нагрузки R] таким образом, чтобы полнос-
тью была исключена перегрузка по току. В при-
мере, приведенном на рис. 3.11, используется
сопротивление Rj - 1 кОм.
Если средний фотоэлектрический ток (ток коллектора) составля-
ет 1 мА, он определяет падение напряжения на резисторе R! в 2 В.
Когда на фототранзистор РТ поступает модулированное излучение,
упомянутое напряжение изменяется, и с коллекторной нагрузки R,
эти изменения передаются через конденсатор С на электрический
фильтр или на усилительный каскад. При возникновении случайной,
очень сильной засветки фототранзистор ведет себя как короткозамк-
нутая цепь, но и тогда ток коллектора не может быть выше тока, опре-
деляемого только сопротивлением коллекторной нагрузки R, по фор-
муле Ома V^/Rj = 5 мА. Также отметим, что мощность, рассеиваемая
на транзисторе, остается всегда меньше 13 мВт, если брать значения,
приведенные в схеме на рис. 3.11. Необязательно обращать внимание
на предельно допустимые значения тока и мощности рассеяния, так
как никогдй не возникает необходимость использования очень низ-
ких значений сопротивления нагрузки Rj и слишком высокого напря-
жения питания V .
сс
ВЫЧИСЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ,
ПОЛУЧЕННОГО ФОТОПРИЕМНИКОМ
В предыдущей главе было показано, что светодиод ИК диапазона об-
ладает энергетической светимостью около 10 мВт/м2. Учитывая
определение пространственного угла, на расстоянии 1 м от источни-
ка получают освещенность Ее = 10 мВт/м2, которую можно выражать
и в микроваттах на квадратный сантиметр. Поскольку освещенность
обратно пропорциональна квадрату расстояния, на расстоянии
ВЫЧИСЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, ПОЛУЧЕННОГО ФОТОПРИЕМНИКОМ
61
2 м наблюдается 250 нВт/см2, на 3 м - 111 нВт/см2, на 10 м - 10 нВт/см2
и т.д.
Однако чувствительная поверхность фотодиода или фототранзис-
тора часто имеет площадь около 1 мм2. На эту площадь падает в 100
раз меньше лучистого потока, чем на 1 см2; следовательно, на рассто-
янии 10 м от такого светодиода с его помощью можно получить не
более 0,1 нВт лучистого потока при условии, что приемник и излуча-
тель расположены на одной оси.
Можно улучшить чувствительность датчика, снабдив его линзой.
Если поверхность линзы имеет площадь 1 см2 и способна сконцент-
рировать получаемое излучение на чувствительной поверхности дат-
чика (1 мм2), можно увеличить принимаемый лучистый поток в 100
раз. Кроме того, отметим, что подобная линза позволяет получить ту
же мощность, что и в предыдущем случае, но на расстоянии большем
в десять раз.
Однако все эти выводы справедливы только в том случае, если
спектральная чувствительность фотоприемника и спектральная излу-
чательная способность светодиода полностью совпадают. На рис. 3.12
показано, что это соответствие достаточно хорошо подтверждается на
примере фототранзистора (или фотодиода) РТ и светодиода на арсе-
ниде галлия (GaAs). На самом деле светодиод излучает только на
длинах волн, при которых чувствительность фотоприемника макси-
мальна, то есть рассчитана с допуском ±10%.
При сравнении чувствительности фототранзистора РТ к излуче-
ниям светодиода ИК диапазона и лампы накаливания (А1, рис. 3.12)
можно констатировать, что большая часть излученного лампой све-
тового потока соответствует длинам волн, для которых чувствитель-
ность фотоприемника очень мала. Так, чтобы получить одинаковую
освещенность на чувствительном слое фотоприемника РТ, лампа на-
каливания должна излучить мощность в два-три раза большую, чем
светодиод на GaAs.
Обычно световой поток от лампы накаливания выражается в люк-
сах. Но он является не чем иным, как фотометрической величиной
мощности света, подобно тому как поток излучения, измеряемый
в ваттах, является энергетической величиной мощности излучения.
Если йоток излучения падает на поверхность, например, площадью 1 см2,
он также может быть выражен в милливаттах на квадратный сантиметр.
62
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Рис. 3.12. Благодаря своей спектральной характеристике фототранзистор
воспринимает лучистый поток от светодиода на GaAs в два-три раза лучше,
чем от лампы накаливания (А1), в отличие от фоторезистора (CdSe),
который лучше адаптируется к лампе
В случае нагрева нити лампы накаливания до 2856 вК световой по-
ток 1000 лк идентичен потоку излучения в 4,75 мВт/см2. Если при об-
лучении фототранзистора светом лампы накаливания получить на его
чувствительной площадке такой световой поток, а затем, сохраняя его
уровень, подать на фототранзистор излучение от светодиода ИК диа-
пазона, ток на коллекторе будет во втором случае вдвое-втрое выше,
чем в первом, за счет разных спектров источников излучения, один
из которых не адаптирован к фототранзистору.
Для многочисленных фотодиодов и фототранзисторов, успешно
используемых в области И К диапазона, производители обозначают
чувствительность светового потока в люксах. Вышеприведенные ука-
зания позволяют, таким образом, провести лишь приблизительное
преобразование чувствительности для потока излучения, измеренно-
го в милливаттах на квадратный сантиметр. Если, например, изгото-
витель пишет, что ток коллектора фототранзистора равный 1 мА со-
ответствует освещенности 1000 лк (измерение провели с помощью
лампы накаливания), можно сказать, что такой же ток получают во
время освещения фототранзистора светодиодом на GaAs при осве-
щенности потоком излучения чувствительного слоя, лежащим в диа-
пазоне 1,5-2,5 мВт/см2.
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ ФОТОДИОДОВ И ФОТОТРАНЗИСТОРОВ 63
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ К ИЗЛУЧЕНИЮ
Как видно из таблиц, приведенных ниже, производители по-разному
обозначают чувствительность.
С научной точки зрения, самый точный способ - обозначение от-
ношения величин электрического тока в фотодиоде и лучистого по-
тока, который вызывает этот ток. В предыдущем разделе показано,
как можно определить величину лучистого потока в зависимости
от площади чувствительной поверхности фотоприемника. Если
при энергетической величине лучистого потока, например, в 1 мкВт
фотодиод проводит ток 0,5 мкА, его чувствительность составит
0,5 мкА/мкВт в 0,5 A/Вт. Использование такого обозначения (А/Вт)
возможно только в том случае, когда известны параметры чувстви-
тельной поверхности светодиода. Учитывая тип излучения, применя-
емого для измерения, при необходимости нужно провести преобра-
зование согласно вышеизложенным соображениям.
Можно обойтись и без знания параметров чувствительного слоя
приемника, задавая чувствительность в зависимости не от лучистого
потока, а от освещенности. Таким образом, можно получить ток кол-
лектора фототранзистора, облучаемого с поверхностной плотностью
потока излучения 5 мВт/см2. Однако необходимо учитывать приро-
ду излучения, как было сказано выше.
Также можно определить ток коллектора, который возникает
в транзисторе при освещенности его чувствительного слоя равной
1000 лк. Но можно прибегнуть и к дифференцированному обозначе-
нию в микроамперах на люкс, которое показывает, на сколько мик-
роампер изменяется ток коллектора фототранзйстора, когда осве-
щенность изменяется на 1 лк, например от 1000 до 1001 лк. В обоих
случаях необходимо провести преобразование так, как было показа-
но выше, если предусматривается использование источника с широким
спектром излучения при работе в ИК диапазоне.
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ ФОТОДИОДОВ
И ФОТОТРАНЗИСТОРОВ
В данном разделе описаны типы корпусов для фотодиодов и фото-
транзисторов. Корпусы бывают металлические (рис. 3.13) и пласт-
массовые (рис. 3.14).
64
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Рис. 3.13. Металлические корпусы для фотодиодов
и фототранзисторов
В табл. 3.1-3.5 указаны основные характеристики нескольких наи-
более распространенных типов фотодиодов и фототранзисторов из-
вестных производителей.
В первой колонке уточняется, о каком типе фотоприемника идет
речь: о фотодиоде (DI), фототранзисторе (TR) или схеме Дарлингто-
на на фототранзисторах (DA). В колонке Vceo дается максимальное
обратное напряжение перехода коллектор-эмиттер для транзистора
или обратное максимальное напряжение для диода.
В соответствии с соображениями, приведенными в двух предыду-
щих разделах, чувствительность обозначается либо при освещении
чувствительной площадки лампой накаливания (колонка «Видимый
свет»), либо при ее облучении светодиодом на GaAs (колонка «Излу-
чение ИК диапазона»).
Знать площадь чувствительной поверхности необходимо только
в том случае, если обозначение чувствительности приводится в ампе-
рах на ватт. Что касается пространственного угла 0, информация, от-
носящаяся к светодиодам, справедлива и для фотоприемников. Часто
величина этого угла не указывается для типов, не имеющих встроен-
ных линз (плоское стекло), так как фотоприемники часто использу-
ются с внешними линзами.
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ ФОТОДИОДОВ И ФОТОТРАНЗИСТОРОВ
65
5 -637
Рис. 3.14. Пластмассовые корпусы для фотодиодов и фототранзисторов
66
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Таблица 3.1. Фирма Temic
1 ? * » и
.1 DI И Вшш (. 1000 лк?
ВР 104 32 0,075 0,045 7,5 120 PI
DI BPV 10 F(1*) 60 0,5 A/V 30 PC
TR BPV 11 F(1*) 70 9(>3) 30 PF
BPV 22 NF (1*) 0,085
DI 60 120 PD
BPV 23 NF (1*) 0,065
TR BPW13A 0,3 0,1
TR BPW13B 32 0,45 0,15 80 MA
BPW13C 1 0,3
TR BPW14A 3 1
TR BPW14B 32 4,5 1.5 25 MA
TR BPW14C 10 3
TR BPW16N 0,4 0,14 80
32 PG
TR BPW17N 3 1 25
DI BPW20 10 0,033 7,5 100 MB
DI BPW24 50 0,075 0,042 0,64 40 MD
DI BPW34 32 0,05 0,05 7,5 120 PI
TR BPW39A 1 0,3 130 PB
TR BPW32B 32 2 0,6 130 PB
TR BPW40 6 2 40 PC
DI BPW41 (1*) 32 40 мкА 7,5 130 PD
TR BPW42 32 3 1 80 PE
DI BPW43 32 0,015 0,08 0,25 50 PC
DI BPW46 32 0,085 0,05 (>0,03) 7,5 130 PJ
TR BPW47 70 1 0,32-1,6 80 MA
Примечание.
1. С фильтром И К диапазона.
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ ФОТОДИОДОВ И ФОТОТРАНЗИСТОРОВ
67
Таблица 3.1. Фирма Temic (продолжение)
Технология Тип Vcao Max, в, ОШ Чувствительность Фоточувстви- тельная ' поверхность, мм2 Телес- ный угол Корпус
Видимый. свет, мкА/лк, * при 1000 лк Излучение ИК диапазона lD, мкА, при 1 мВт/см2
DI BPW75(1*) 32 0,048 7,5 130 РА
TR PBW76 70 >1 >0,6 80 MD
TR BPW77 70 >15 >7,5 15 МА
TR BPW78A 6 2
32 50 PD
TR BPW78B 12 4
DI BPW82 (1*) PH
DI BPW83 (1*) 32 0,045 7,5 130 PJ
DI BPW84(1*) РА
TR BPW85A >0,8
TR BPW85B 70 6 >1,5 50 РЕ
' TR BPW85C >3
TR BPW96A • >1,5
TR BPW96B 70 >2,5 40 PC
TR BPW96C >4,5
ВРХ38 >1 80
TR 70 МА
TR 70 МА
ВРХ43 >1,6 30
DA ВРХ99 32 30 мА/100лк или 0,3 мВт/см2 25 МА
DI S153P 50 0,085 0,05 7,5 100 МВ
TR S252P >1,5
Примечания:
1. Значения для ВР 103, умноженные на 10.
2. С фильтром, подавляющим дневной свет.
3. Значения для ВР 103, умноженные на 2,5.
4. Длительность отклика 30 нс.
5. Значения для ВР 103, умноженные на 7,8.
68
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Таблица 3.1. Фирма Temic (окончание)
Технология Тип Мах,] Чувствительность Фоточувстви- тельная , поверхность, ммг Телес- ный угол корпус
Видимый свет, мкА/лк при 1000 лк Излучение ИК диапазона lDl мкА, при 1 мВт/см2
TR S253P 45 >0,75 25 МА
TR S254P >3
TR S 289 Р (1*) 40 >12 60 РЕ
TR TEFT4300 (1*) 70 3,2 (>0,8) 60 РЕ
Таблица 3.2. Фирма Siemens
Технология Тип V *сео Мах, V Чувствительность Фоточувстви- тельная поверхность, ММ2 , ’ -V Телесный угол в, град. 118»^ I Корпус
Видимый свет, мкА/лк при 1000 лк Излучение ИК диапазона 1D, мкА, при 1 мВт/см2
TR ВР 103/11 0,25-0,5 125-250
TR ВР 103/111 50 0,4-0,8 200,400 0,12 110 МА
TR BP 103/IV 0,63 320-640
TR ВР 103 B/II-IV 35 1* Г 0,12 50 PC
DI ВР 104 (2*) 20 0,7 A/W 5 120 PI
DI BPW34 0,62 A/W
32 0,08 7,3 120 PI
DI BPW34 F (2*) 50
TR BPW38/II-IV 3* 3*
50 0,68 80 МА
TR BPX43/II-IV 1* 1*
DI ВРХ60 0,07 0,5 A/W
32 7,3 110 MB
DI ВРХ61 0,07 0,62 A/W
DI ВРХ65 (4) 50 0,01 0,55 A/W 1 80 MD
DI ВРХ90 0,5 A/W
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ ФОТОДИОДОВ И ФОТОТРАНЗИСТОРОВ
69
Таблица 3.2. Фирма Siemens (продолжение)
Технология Тип Vco Max, V Чувствительность Фоточувстви- тельная поверхность, мм2 Телесный уголО, град. Корпус
Видимый свет, мкА/лк при 1000 лк' Излучение ИК диапазона lD> мкА, при 1 мВт/см2
32 0,045 5 120 PI
DI ВРХ90 К (2*) 26
TR BPY62/II...IV 32 5* 5* 0,12 16 МА
TR LPT80 А 30 0,4 80 PD
DI SFH 205, 206 (2*) 50
20 7,3 140 PJ
DI SFH206 K 0,08
DI SFH217
30 0,01 1 120 PC
DI SFH 217 F(2*) 6
DI SFH 219 7 0,07 0,5 A/V 1 120 MD
DI SFH 225 (2*) 20 0,034 4,8 120 PH
SFH 229
DI 20 0,028 0,3 34 РЕ
SFH 229 F (2*) 0,02
DI SFH 230 (2*) 52
20 7,3 120 РА
DI SFH F 230 (2*) 48
SFH 302 - 2 1,75 0,8-1,6
SFH 302 - 3 2,8 0,12-2,5
TR SFH 302-4 50 4,5 2-4 0,68 80 МА
SFH 302 - 5 7,1 3,2-6,4
SFH 302 - 6 9,5 >2,5
TR SFH 303 13 (>4)
50 0,3 40 PC
TR SFH 303 F (2*) 4 (>1,6) мА
TR SFH 309 5 (>1,6)
35 4 (>1 мА) 0,05 32 РЕ
70
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Таблица 3.2. Фирма Siemens (окончание)
^/Технология Vo Max, AY » Чувствительность Фоточувстви- • тельная поверхность; ' • Телесный . уголО, ' град. \ . Корпус
Видимый '* свет, ‘ мкА/лк при .1000 лк. , *ЙЙчяй‘*ж<йЗ Излучение ИК - .диапазона * 10, мкА, при 1 мВт/см2
TR SFH 309 F(2*) 1,3 (>0,4)
TR SFH317 1,8 (>0,5)
50 0,3 120 PF
TR SFH 317 F (2*) 200 (>100)
Таблица 3.3. Фирма Philips
Чувствительность
Технология *Дип ... '-Vol Мах, Худ Видимый свет 1е или 10 (мА) при * 1000 лк = 4,75 .V мВт/см2 Освещен- ность 10или1е (мА) при 1 мВт/см2 Фоточувстви- тельная поверхность, мм2 Телесный уголО, град. Корпус
TR BPV23 50 6(>2) 20 PD
TR ВРИ 22 А-1 50 1,5-8 20 PG
TR ВРИ 22 А-II 50 5-25 20 PG
DI ВРИ 50 32 0,045 5 120 PD
TR ВРХ25 13 (>5) 15
32 МА
TR ВРХ29 0,8 (>0,25) 65
DI ВРХ61 35 0,035
0,07 6,75 110 МВ
DI ВРХ61 Р 70 0,07
TR BPX72D 0,85-2
30 0,1 120 МА
TR ВРХ72Е 1,4-3
TR BPX95C-I 3-15
30 1 35 PC
TR BPX95C-II >10
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ ФОТОДИОДОВ И ФОТОТРАНЗИСТОРОВ
71
Таблица 3.4. Фирма TRW
Технология 1>Тип . илг или max, V " Ток •; ’ 'Лилии, мА гг Поверхностная плотность потока излучения, . мВт/см2 Телесный угол 0». град. J Корпус
TR ОР500 >4 20 18
TR OP500SLD 10-24 20 18
TR OP500SLC 17-35 20 18
TR OP500SLB 30 25-50 20 18 PG
TR OP500SLA >40 20 18
TR OP500SR >0,08 0,13 18
TR OP500W >0,5 20 90
TR ОР501 Идентично OP 500..., за исключением сложных соединений
TR OP508F 30 >0,5 20 120 PD
DA ОР530 15 >5 0,5 18 PG
DA OP538F 15 >1 1 120 PD
TR ОР593 >1 1,5 120 PG
30
TR ОР598 >2,5 40 PG
TR ОР800 >0,5 25
TR OP800W >0,3 80
TR ОР801 0,5-3 25
TR ОР801 W 0,5-3 80
TR ОР802 30 2-5 5 25 МА
TR OP802W >2,5 80
TR ОР803 4-8 25
TR ОР804 7-22 25
TR ОР805 >15 25
DA ОР830 15 >15 0,5 25 МА
DI ОР913 >0,12 10
32 5 МВ
DI OP913W >0,04 30
72
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Таблица 3.5. Фирмы Asea Hafo, Motorola
Технология Тип VRunw Vc« Max, В Сила тока l0 или Ie, мА Энергетическая сила света, - мВт/см2 Телесный угол 6, град. Корпус
TR 2 В 50 В >6
30 1 18 МА
TR 2B50C >12
TR 2B50FB >0,6
30 1 80 МА
TR 2 В 50 FC >1,2
TR 2В95В >6
40 1 18 МА
TR 2В95С >12
DA 6 В 82 60 50 1 МА
MRD 300 8
TR 50 5 МА
MRD 310 3,5
MRD 360 20
DA 40 0,5 МА
MRD 370 10
MRD 500 0,009
DI 100 5 MD
MRD 510 0,002
TR MRD 701 30 0,5 0,5 PD
DA MRD 711 60 25 0,5 PD
MRD 3050 >0,1
MRD 3051 >0,2
TR MRD 3054 30 >0,5 5 МА
MRD 3055 >1,5
MRD 3060 >2
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ
73
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ
Пироэлектрические приемники реагируют на изменения температу-
ры, а значит и на изменения освещенности чувствительного слоя,
которые обусловлены, в часности, появлением человека в угловом
поле оптической системы фотоприемника. Для того чтобы пироэлек-
трический приемник среагировал, необходимо, чтобы температура
человека отличалась от температуры окружающей среды, причем для
опознавания достаточно разницы в 5 °C.
Чувствительным элементом датчика, преобразующего температу-
ру (неэлектрическую величину) в заряд (электрическую величину),
является пироэлектрический элемент - приемник. Поэтому подоб-
ные устройства часто называют датчиками с пироэлектрическими
приемниками или пассивными ИК датчиками. Термин «пассивный
датчик» подчеркивает наличие лишь приемника теплового излуче-
ния и отсутствие необходимости в искусственном цсточнике излуче-
ния. Почти все пироэлектрические приемники, встречающиеся в про-
даже, имеют на входе усилитель.
Датчики с пироэлектрическими приемниками используются в сис-
темах сигнализации, для автоматического управления освещением,
открывания дверей, кранов, включения сушилок для рук, наблюде-
ния за скотом и птицей, а также для остановки работы машин в слу-
чае возникновения опасности для человека.
В таких приборах могут использоваться разные материалы (на
базе титана, тантала или полимеров), что не отражено в документа-
ции производителей. Но это несущественно, так как свойства различ-
ных приемников во многом похожи. Пироэлектрические приемники
способны работать в широком спектральном диапазоне: от ультра-
фиолетовых волн до волн длиной 0,3 мм. Наиболее часто в датчиках
вышеуказанных типов используется оптический диапазон 6-15 мкм.
Как правило, спектр рабочих длин волн ограничивается путем уста-
новки оптического фильтра перед пироэлектрическим приемником,
который ведет себя как конденсатор, заряжающийся менее чем на
1 мВ при изменении температуры чувствительного слоя под воздей-
ствием падающего света. Поскольку необходимо, чтобы это измене-
ние происходило как можно быстрее, чувствительные элементы из-
готавливают в виде очень тонких пластин или пленок. Тем не менее
требуется несколько десятых долей секунды для того, чтобы выходное
74
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
напряжение приемника достигло максимального значения после из-
менения температуры. В действительности напряжение конденсато-
ра никогда не достигает теоретического максимума, так как конден-
сатор разряжается из-за проводимости своего диэлектрика. Таким
образом, изменение температуры запоминается лишь на несколько
секунд.
ПРИМЕР ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДЕТЕКТОРА PID 11
(SIEMENS)
Пироэлектрические приемники в силу инерционности отличаются
значительным временем задержки по сравнению с другими приемни-
ками, о которых говорилось выше. Для примера на рис. 3.15 показан
характер выходного импульса пироэлектрического приемника PID 11
(Siemens).
Известно, что использование зарядов, составляющих доли милли-
вольта и накопленных на малых емкостях, вызывает серьезные труд-
ности при изоляции и защите от помех. Поэтому все пироэлектри-
ческие приемники, которые можно встретить в продаже, содержат
в своем корпусе усилитель с высоким входным сопротивлением.
В случае применения PID 11 напряжение питания такого усили-
теля может колебаться в диапазоне 4-12 В при оптимальном напря-
жении питания 4,5 В. При питании от источника 4,5 В усилитель по-
требляет 0,4 мА и обладает выходным сопротивлением 2 кОм. При
Рис. 3.15. Характер напряжения на выходе приемника PID 11
при резком изменении температуры объекта, находящегося в поле его зрения
ПРИМЕР ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДЕТЕКТОРА PID 11 75
размещении предмета площадью 30x40 см с температурой, на 5 °C
превышающей температуру окружающей среды, на расстоянии 1,5 м
от приемника усиление его усилителя по напряжению таково, что на
выходе PID И получают импульс с амплитудой 1,1 В.
Высокий КПД будет достигнут только в том случае, если распо-
ложить перед чувствительной площадкой приемника оптическую
систему, например линзы Френеля, о которых будет рассказано в сле-
дующем разделе. Площадь входного зрачка оптической системы со-
ставляет несколько квадратных сантиметров; в результате размеры
приемного блока увеличиваются. На рис. 3.16 приведены эти разме-
ры, а также расположение выводов.
Напряжение питания подается между входом, обозначенным на ри-
сунке Vop, и «землей». VQ представляет собой выходное напряжение,
a Vre| (используется редко) - опорное напряжение равное 0,5 (V - 0,6 В).
Оптическая система определяет угловое поле, сформированное уг-
лами ±7° в горизонтальной плоскости и ±9° - в вертикальной. Благо-
даря такой диаграмме направленности PID 11 можно использовать
на расстоянии многих метров от объекта, который необходимо опо-
знать по его излучению.
Дальность действия понимается как зависимость выходного на-
пряжения приемника от расстояния, на котором в угловое поле оп-
тической системы попадает человек (рис.-3.17).
График построен для температуры окружающей среды 22 °C. Ес-
тественно, результат эксперимента во многом зависит от экраниру-
ющих свойств одежды человека, проходящего перед обнаружителем.
’Земля
Рис. 3.16. Передняя сторона и сторона выводов
детектора PID 11. Высота корпуса составляет 35 мм
76
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Рис. 3.17. Зависимость выходного напряжения приемника PID 11
от расстояния при появлении человека в угловом поле обнаружителя
ПРОСТЫЕ И СДВОЕННЫЕ ДАТЧИКИ
Наряду с относительно сложными элементами, Такими как пироэлек-
трический датчик PID И, объединяющий в одном корпусе оптичес-
кую систему, приемник и усилитель, существуют и другие элементы,
более простые и зачастую более удобные в применении.
Рис. 3.18 иллюстрирует простейшее устройство: пироэлектричес-
кий приемник изображен в виде конденсатора, вместе с нелинейным
элементом и полевым транзистором.
Нелинейный элемент - варистор - защищает входные цепи при-
емника, предотвращая возникновение случайной перегрузки или эф-
фекта перенасыщения при очень сильных колебаниях температуры.
Такое устройство должно отслеживать изменение средней темпе-
ратуры поверхности на несколько градусов при ее дистанционном
измерении. Изменение температуры поверхности чувствительного
элемента очень мало. Другими словами, малейший поток воздуха, до-
стигающий открытой поверхности чувствительного элемента, может
оказать такое же воздействие, как и тепловое излучение человека.
Во избежание помех, вызывающих ложные тревоги, применяют
сдвоенные последовательно включенные элементы, имеющие обрат-
ную полярность, как показано на рис.,3.19, или соединенные паралель-
но (рис. 3.20). Такое включение элементов называют дифференциаль-
ным. Потоки воздуха и другие природные явления, обладающие
сходным действием (облака, закрывающие солнце; капли дождя, сте-
кающие по стеклу), одинаково воздействуют на оба элемента, причем
сигналы помех взаимно компенсируются.
ПРОСТЫЕ И СДВОЕННЫЕ ДАТЧИКИ 77
Другой способ уменьшения помех при попадании человека в угло-
вое поле приемника заключается в том, чтобы снабдить приемник
оптической системой, фокусирующей тепловое излучение на одном
из двух чувствительных элементов. Эти элементы обычно имеют пря-
моугольную форму (например, 2x1 мм). Приближение нагретого
объекта приводит к накоплению зарядов «плюс-минус» на первом
элементе и «минус-плюс» - на втором. За счет инерционности по-
следовательно включенных датчиков две последовательности «плюс»
складываются; при этом возникает амплитуда в два раза большая, чем
в случае применения одного элемента.
Однако это не означает, что два последовательно включенных при-
емника всегда имеют преимущество перед двумя включенными па-
раллельно, имеющими меньший тепловой шум и форму амплитуды,
близкую к импульсной, что позволяет вести отсчет импульсов. Такой
приемник идентифицирует человека в своем угловом поле только
в случае, если в течение заданного промежутка времени принято не-
сколько импульсов (например, три). Это повышает помехоустойчи-
вость.
Конечно, вышесказанное справедливо при условии, если оба при-
емника размещены не вертикально, а горизонтально, и оптика фик-
сирует человека действительно там, где он находится. Поскольку
при наблюдениях за обширными пространством оптическая система,
включающая в себя небольшое количество линз, может вызвать про-
блемы, для этой цели используют многоканальную, состоящую из
десяти и более линз и увеличивающую вероятность обнаружения
человека в охраняемом пространстве в п раз (п - количество линз).
Этот метод сравним с барьерами многократного отражения, которые
будут рассматриваться ниже. Многоканальная система обнаружения
пассивного типа позволяет отследить нарушителя, который ползет по
полу или излучение которого хорошо экранировано теплой одеждой.
Рис. 3.18. Простейший
пироэлектрический
приемник
Рис. 3.20. Датчик с двумя
параллельно включенными
элементами
Рис. 3.19. Датчик с двумя
последовательно
включенными элементами
78
приемники ик диапазона
Кроме того, не следует пренебрегать «зимним феноменом». Он со-
стоит в том, что приемник включается, реагируя на низкую темпера-
туру одежды, когда тепло одетый человек входит с холода в нагретую
комнату.
ЛИНЗЫ ФРЕНЕЛЯ
Оптические системы, о которых шла речь выше, представляют собой
плоские линзы из пластмассы (полиэтилена), имеющие концентри-
ческие насечки и известные, прежде всего, по рекламным сувенирам.
Их преимущество заключается не только в небольшом весе и малых
размерах, но и в ограниченном поглощении излучения за счет малой
толщины.
Достаточно прозрачные для ИК Излучения материалы, использу-
емые для изготовления линз, слишком дороги для разрабатываемых
приложений.
Стоит подчеркнуть, что оконное стекло недостаточно прозрачно
для среднего ИК излучения. Если поставить стеклянную заслонку
перед каминным огнем, то окажется, что через нее прекрасно видно
пламя, в то время как поднесенная к ней рука значительно меньше
оЩущает тепло.
Рис. 3.21 показывает, что оптическая система на линзах Френеля
(тип FL 2512/2, Heimann - Siemens) состоит из множества элемен-
тов (в данном случае одиннадцати), каждый из которых имеет свою
концентрическую линзу.
Для увеличения эффективности приема теплового излучения не-
обходимо расположить чувствительный элемент приемника в общем
фокусе всех одиннадцати линз оптической системы так, как изобра-
жено на рис. 3.22.
На рис. 3.23 приведены три вертикальных угловых поля с выбо-
ром наклона оптической оси для ведения наблюдения начиная с вы-
соты 2,30 м, установленной с учетом максимального роста человека.
На диаграмме направленности в горизонтальной плоскости (рис. 3.24)
показано, что оптика характеризуется пятью относительно узкими
угловыми полями. Они расположены в вертикальной плоскости.
Комбинируя эти две диаграммы в пространстве, можно заметить,
что описанная система обладает, по крайней мере, пятнадцатью точ-
ками нацеливания.
ЛИНЗЫ ФРЕНЕЛЯ
79
Существует множество вариантов исполнения оптических сис-
тем: формирующие угловые поля в трех измерениях - объемные,
в двух измерениях - поверхностные, в одном - лучевые. Так как ко-
личество формируемых лучей конечно, для трех измерений форми-
руется неполный объем; подобные оптические системы Называют
квазиобъемнь!ми. Обычно производители пироэлектрических при-
емников поставляют их вместе с оптическими системами в зависи-
мости от заказа. Например, делая заказ приемника в компании RTC,
для получения подходящей линзы достаточно добавить к его обозна-
чению буквы FL.
Рис. 3.21. Эта оптическая система
представляет собой
пластмассовую пластину,
содержащую 11 линз Френеля
Рис. 3.22. Чувствительный элемент
приемника должен быть расположен
в общем фокусе линз
оптической системы
Рис. 3.23. Оптимальное расположение приемника,
ведущего наблюдение за жилой комнатой
80
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Рис. 3.24. Диаграмма направленности для оптической системы
с пятью узкими угловыми полями лепестков в горизонтальной плоскости
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ
Кроме характеристик рассмотренного выше приемника PID И
в табл. 3.6 и 3.7 приведены характеристики некоторых других типов
пироэлектрических приемников.
В колонке «Расположение» указано число элементов (1 или 2) и тип
их включения (S - последовательное, Р - параллельное), в следующей
колонке - размеры (площадь) каждого элемента в миллиметрах.
Характеристика шума представлена как максимальное пиковое
значение для большинства образцов, каждый из которых тестировал-
ся в течение одной минуты.
В колонке «Среднее значение мощности» приводится среднее зна-
чение лучистого потока, эквивалентного шуму (нановатты на герц).
Измерения проводились на частоте срыва колебаний излучения 10 Гц
(1 Гц для продукции Heimann - Siemens) и при рабочей частоте 1 Гц.
Чем ниже эта величина, тем лучше соотношение сигнал/шум.
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ
81
Таблица 3.6. Пироэлектрические детекторы Heimann - Siemens
gllll 'гРазмейэы^ элементов; ВЖ /Шум/ Среднее значение Ллощйостй^ нВт/^ЙЦ>ЛРи i ni * ** *** \ г* * »: /• :VC; несть*,
LHi 802/806 1 2x2 <50 0,7 2300 MY/MZ
LHi 804/808 1 2x1 <50 0,29 4700 MY/MZ
LHi 804/808TC 2P* 2x1 <50 0,89 4200 MY/MZ
LHi 841/845 2S 2x1 <50 0,64 2100 MY/MZ
LHi844/848 2S 2x1 <50 0,71 3000 MY/MZ
LHi 854/858 2S 2x1 <50 0,89 4200 MY/MZ
LHi944/948 2P 2x1 <40 0,33 1900 MY/MZ
LHi 954/958 2P 2x1 <40 0,35 3500 MY/MZ
LHi 1058 2P 2x1 6000 0,6 1,2x106 MZ
Примечания:
1. Один из двух элементов, защищенный от излучения, служит для тем-
пературной компенсации.
2. Стандартная оптическая полоса пропускания 8-14 мкм. По заказу мо-
гут быть изготовлены приемники с другими спектральными характери-
стиками (2-14 мкм; 2-35 мкм; 4,6-4,75 мкм; 3,5-5,1 мкм; 3,5-8 мкм).
3. Угловое поле составляет, по крайней мере, 116° для всех указанных
типов.
4. LHi 1058 содержит встроенный усилитель, двухполярное напряжение
питания которого может колебаться от ±2 до ±9 В. Все другие типы пи-
роэлектрических приемников имеют полевой транзистор на входе, и их
однополярное напряжение питания может быть от 3 до 15 В (оптималь-
ный показатель около 5 В).
5. LHi 841/845 обозначает два эквивалентных типа LHi 841 и LHi 845, кото-
рые отличаются друг от друга только своими корпусами: MY (плоский) -
для первого типа, MZ (обычный) - для второго.
6-637
82
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
Выходной сигнал указан в виде пикового значения, полученно-
го при освещенности в 25 мкВт/см2 и частоте срыва колебаний
1 Гц.
Чувствительность дана в вольтах на выходе, деленных на ватты,
при длине волны 10 мкм и частоте срыва 10 Гц (1 Гц для продукции
Heimann - Siemens). На практике чувствительность измеряют в зна-
чениях, эквивалентных вольтам на ватты - мкВ/мкВт. В последней
колонке указано условное обозначение типа корпуса.
Таблица 3.7. Пироэлектрические приемники RTC
* 'У,-* Располо- жение. \\Раз- меры элемен-т ов (мм) Шум4. .(мкВ) . Среднее значение ‘.мощности:, (нВт/дТц), при 10 Гц", ' Выход- • ной сигнал (мкВ) ".‘Чувстви-. тельность’ (В/Вт)при 10 Корпус •X «* J
KRX10 2S 2x1 <45 >570 PZ
KRX11 2S 2x1 <65 >570 PZ
RPW100 2S 2x1 <45 >570 MZ
RPY97 2S 2x1 <50 2,5 >95 MZ
RPY100 1 2x1 <45 2,5 460 >100 MZ
RPY101 1 2x1,5 <45 3,8 460 >65 MZ
RPY102 1 2x2 <45 5 460 >50 MZ
RPY107 1 2x1 <45 3 385 >90 MZ
RPY109 1 2x2 <45 6 385 >45 MZ
Примечания:
1. Угловое поле составляет 100° для всех типов, кроме RPY 97, для кото-
рого эта величина равняется 130°.
2. Оптическая полоса пропускания лежит в диапазоне 6,5-14 мкм для
всех типов, кроме RPY 107 и RPY 109, у которых соответствующий
диапазон составляет 1-15 мкм.
3. Пироэлектрические приемники всех типов имеют на входе предусилитель,
собранный на полевом транзисторе. Его активная межэлектродная про-
водимость равна 1,3 мА/В.
4. Оптимальное напряжение питания составляет 5 В.
5. Допустимый диапазон изменений напряжений питания для всех типов
приемников 3-10 В.
РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ТИПЫ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИЕМНИКОВ
83
Следует отметить, что приемники различных производителей
обычно незначительно отличаются по своим характеристикам. Так,
например, графики зависимости, приведенные на рис. 3.25 и 3.26 для
LHi 944 и RPY 97 соответственно, похожи.
Напротив, величины чувствительности, указанные в таблицах, на-
ходятся в отношении 1:20, так как одна определяется как типичное
Рис. 3.25. Зависимость чувствительности от частоты срыва колебаний (LHi 944)
Рис. 3.26. Зависимость чувствительности от частоты срыва колебаний (RPY 97)
84
ПРИЕМНИКИ ИК ДИАПАЗОНА
значение при 1 Гц (табл. 3.6), а другая - как минимальное значение
при 10 Гц (табл. 3.7).
Формы корпусов изображены на рис. 3.27. Тип металлических кор-
пусов - ТО 39.
PZ МУ
Рис. 3.27. Виды корпусов пироэлектрических приемников.
Корпусы Р изготовлены из пластмассы, М- из металла
MZ
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды И К диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ
Экспериментальная схема 86
Опыты по оценке диаграмм
направленности и КПД 87
Опыты по фильтрации 88
Отражение и рефракция 90
Опыты с фоторезистором 91
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционноеуправление 179
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
86
ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ
Проведение экспериментов - наилучший способ знакомства с новы-
ми техническими разработками, особенно если для этого требуется
минимальное количество элементов, как, например, при использова-
нии излучения ИК диапазона.
В частности, для реализации схемы фильтрации излучения дос-
таточно иметь в распоряжении общедоступные средства: неболь-
шую пластину из прозрачной пластмассы, кусок кальки и черный
маркер.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СХЕМА
Для проведения первых экспериментов используется светодиод ИК
диапазона и фототранзистор. Ток коллектора 1с фототранзистора соз-
дается при облучении его световым потоком светодиода.
В расчете на оптимальное выявление эффекта ориентации пред-
почтение отдается приборам с узкими диаграммами направленности,
таким как CQX48, CQY37, LD271 для светодиода и ВР103, BPW22,
BPW96, ВРХ25 для фототранзистора.
Чтобы светодиод и фототранзистор независимо размещались на
рабочем столе, предусмотрено их раздельное питание, хотя вполне
допустимо и питание от одной батарейки.
Оба прибора нужно расположить на
EEj [)--------(] твердой подставке строго горизонталь-
но, друг против друга, на одной оси
Рис. 4.1. Схема расположения (рИс. 4.1). Очевидно, что ток коллекто-
элементов т ,
ра 1с фототранзистора будет зависеть
от ИК излучения, поступающего от светодиода. Ориентацию прибо-
ров во время опыта можно слегка изменить при помощи небольших
кусков кальки, подложив их с той или другой стороны так, чтобы
была возможность наклонить их вверх или вниз.
Работу проводят при естественном освещении, не прибегая к за-
темнению. Можно оценить величину тока коллектора 1с фототранзи-
стора при засветке его внешним источником (естественное освеще-
ние), если сначала собрать только цепь приема. Ток коллектора,
измеряемый микроамперметром, в этом случае должен быть менее
2 мкА.
ОПЫТЫ ПО ОЦЕНКЕ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ И КПД
87
47й 0.5W
4,5V
Pht f 4,5V
_____У
Рис. 4.2. Схема, использующая светодиод
ИК диапазона и фототранзистор
ОПЫТЫ ПО ОЦЕНКЕ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ И КПД
Размещая схемы, изображенные на рис. 4.2, на дистанции около 10 см
друг от друга, постепенно изменяют их взаимное расположение для того,
чтобы увеличить ток коллекто-
ра 1с фототранзистора. Когда
этот ток достигает 100 мкА, рас-
стояние увеличивают и вновь
начинают настройку. В конце
опытов получают ток 1с = 100 мкА
на дистанции 15-30 см.
Если теперь уменьшить рас-
стояние ровно вдвое, можно проверить справедливость закона квад-
рата расстояния, в соответствии с которым ток коллектора 1с должен
возрасти в четыре раза. Практически он достигнет величины 600 мкА,
поскольку при уменьшении расстояния увеличиваются световой по-
ток и коэффициент усиления фототранзистора, а вместе с ними воз-
растает и величина 1с.
Чтобы провести сравнение с другим источником излучения, лучше
использовать небольшую лампочку с линзой, питающуюся от батарей-
ки на 1,3 или 1,5 В. Такая лампа потребляет мощность приблизительно
равную той, что требовалась свето-
диоду ИК диапазона в предыдущем
опыте. Кроме того, лампочка также
излучает в ограниченном угловом
поле. Если обеспечить ей питание
в соответствии с рис. 4.3, можно по-
вторить предыдущий эксперимент.
Такое излучение позволяет по-
крыть расстояния того же порядка,
что и во время опыта со светодиодом
И К диапазона. Однако стеклянная колба лампочки рассеивает лучис-
тый поток. Наличие примесей в стекле также приводит к искажению
диаграммы направленности излучения. В этом случае для получения
оптимального согласования требуется настройка. Необходима она еще
и потому, что у различных образцов излучателей пространственное по-
ложение максимумов излучения неодинаково.
470 0.5W
4,5V
Лампочка
1,3 или 1,5V
Рис. 4.3. Предпочтение отдается
лампочке, которая потребляет
мощность, идентичную потребляемой
излучателем в схеме на рис. 4.2
88
ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ
В отсутствие лампы указанного типа рассмотренный опыт мож-
но провести с помощью лампочки от карманного фонаря. При этом
лампочку без линзы можно сравнить с излучающим диодом, не об-
ладающим узкой диаграммой направленности. Следует учитывать
возможную разницу характеристик излучения лампочки и свето-
диода при изменении величины питающего напряжения. Также
можно констатировать, что отклонение тока питания от номиналь-
ного значения в опыте с лампочкой приводит к большему измене-
нию потока излучения, чем в случае использования диода ИК ди-
апазона.
ОПЫТЫ ПО ФИЛЬТРАЦИИ
Для проведения следующего эксперимента необходимо подгото-
вить два «фильтра». В качестве первого можно использовать лист
из прозрачного материала (например, кусок целлофана, сигаретную
упаковку, нейлоновые файлы, пластмассовую линейку) размером не
менее 2x5 см. У одного края этого прозрачного предмета черным
маркером рисуется круг диаметром приблизительно 1 см, причем
наносится несколько слоев красителя до тех пор, пока поверхность
полностью не перестанет пропускать видимый свет. Затем такую же
операцию проделывают со вторым «фильтром» - листом кальки
того же размера.
Повторяя опыт по схеме, изображенной на рис. 4.2 (расстояние
между излучателем и приемником выбирается так, чтобы ток коллек-
тора при оптимальной настройке был равен 100 мкА), на пути про-
хождения излучения ставят необработанный участок прозрачного
листа. Значение тока 1с уменьшится приблизительно со 100 до 90
мкА. Такой эффект обусловлен в основном отражением от поверхно-
сти листа, а не поглощением. В этом можно убедиться, если поэкспе-
риментировать с прозрачными листами или пластинами различной
толщины.
Теперь, поместив обработанную часть фильтра непосредственно
перед фототранзистором, можно наблюдать дополнительную потерю,
составляющую 10% (1с » 80 мкА). При размещении фильтра прямо
перед излучающим диодом ток коллектора 1с становится равным
70 мкА.
ОПЫТЫ ПО ФИЛЬ ТРАЦИИ
89
Разница объясняется тем, что
область, закрашенная маркером, не
однородна. Таким образом, поверх-
ность фильтра не является плоской
и возникает эффект линзы, кото-
рый можно наблюдать, если кис-
точкой нанести на ровное стекло
прозрачный лак. Изображение, ко-
торое получено при помощи обра-
ботанного таким способом стекла,
в определенной степени деформи-
ровано. Другими словами, имеет
Источник
Рассеянное
излучение
Направленное
излучение
Фильтр
Рис. 4.4. Фильтр вызывает эффект
рассеяния, если его поверхности
не идеально плоские
место рассеянное излучение, как
показано на рис. 4.4.
Аналогичного эффекта можно добиться, используя и необработан-
ный материал, если он не идеально прозрачен.
Опыт с прозрачным фильтром может быть повторен при замене све-
тодиода ИК диапазона лампочкой, как показано на рис. 4.3. В этом слу-
чае фильтр пропускает только до 60% излучения. Это значит, что он
поглощает видимую часть излучения, пропуская только ИК лучи, ис-
пускаемые лампочкой.
Благодаря шероховатой поверхности калька способна рассеивать
свет, но если обработать ее с помощью маркера, то неровности запол-
нятся, и она станет более гладкой. Там, где бумага с виду кажется про-
зрачной, прохождение инфракрасного излучения будет затруднено,
а через зачерненные места лучи пройдут свободно.
При работе с парой светодиод-фототранзистор можно наблюдать,
как величина тока 1с устанавливается на уровне 25% от начального
значения, если перед фототранзистором поместить обработанную
часть фильтра, и лишь 10% - в противном случае.
Если же поместить фильтр перед светодиодом, данное соотноше-
ние составит 10% и 4%. При использовании лампочки разница будет
значительно меньшей.
Естественно, этот эксперимент можно провести, применяя и дру-
гие источники (например, лампу дневного света, флуоресцентную
лампу, свечу и т.д.). Также допустимо воспользоваться иными типа-
ми фильтров. Например, чернила и маркер черного цвета на глаз
90
ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ
очень похожи, однако чернила поглощают инфракрасное излучение
так же, как и видимый свет.
ОТРАЖЕНИЕ И РЕФРАКЦИЯ
Свет карманного фонаря отражается от белой стены гораздо лучше,
чем от темной поверхности. Но то, что человеческий глаз воспри-
нимает как светлое, не обязательно является таковым для светоди-
ода, и наоборот. В этом можно убедиться на опыте, суть которого
заключается в наблюдении излучения, отраженного от поверхнос-
ти (белой или цветной бумаги, матового или блестящего листа и т.п.) -
см. рис. 4.5.
Используя некоторые типы белой бумаги, с трудом удается полу-
чить ток 1с в несколько микроампер, когда бумага находится на рас-
стоянии нескольких сантиметров от фонаря. Излучение других ис-
точников позволяет покрывать многие десятки сантиметров, хотя
измерение расстояний в значительной степени зависит от коэффи-
циента отражения поверхности. Осо-
бенно тщательно следует подойти к во-
просу настройки, поскольку требуется
перемещать три объекта.
Та же тщательность при настройке
необходима для любого другого экс-
перимента с использованием линз.
Дальность действия может быть увели-
чена, если снабдить излучатель и при-
емник оптическими системами. Их
использование в опыте будет особен-
но интересным, если применялись из-
лучатель и приемник с плоскими ок-
нами.
В опытах можно использовать опи-
санные выше фильтры. Если располо-
жить излучатель и приемник на рас-
стоянии 1 м друг от друга, а перед фототранзистором поместить
линзу диаметром 5 см с фокусным расстоянием 5-6 см, то ток 1с
увеличится в 100 раз. Можно приблизительно определить на глаз
Светодиод
Фототранзистор Отражающая
поверхность
Рис. 4.5. Опыт с отражением,
позволяющий изучить эффект
барьера различной природы
ОПЫТЫ С ФОТОРЕЗИСТОРОМ
91
направление излучения, если смотреть с места, где впоследствии бу-
дет расположен излучающий диод, и поместить линзу таким образом,
чтобы фотодиод был увеличен максимально. Подобным образом
можно провести эксперимент с параболическим отражателем, в кото-
ром излучатель будет ориентирован на его дно. Изменяя параметры
излучающей и приемной оптических систем, можно добиться увели-
чения радиуса действия оптоэлектронной связи между парой излуча-
тель-фотоприемник в сто раз.
ОПЫТЫ С ФОТОРЕЗИСТОРОМ
При использовании фоторезистора в качестве приемника (рис. 4.6)
в цепь питания следует включить токоограничительный резистор R
3300 I
Рис. 4.6. Схема,
использующая
фоторезистор
в качестве приемника
излучения
(с сопротивлением от 200 до 500 Ом) для того,
чтобы избежать его перегрузки по току, которая
может возникнуть от мощной внешней засветки
(прямой солнечный свет, свет от фар автомоби-
ля и Т.Д.).
Действительно, чувствительность фоторезис-
тора (распространенных типов LDR03, LDR04,
LDR05, LDR07 и им подобных) к видимому све-
ту значительно выше, чем у фототранзистора.
Таким образом, в условиях освещенности окру-
жающей среды, описанных выше, получают ток
фоторезистора порядка 500 мкА, то есть в 200
или 300 раз выше, чем 1с фототранзистора.
При помощи схемы включения излучателя, изображенной на рис. 4.1,
можно попробовать удвоить этот ток, добавляя к естественному осве-
щению инфракрасное излучение, для чего необходимо уменьшить рас-
стояние между излучателем и приемником приблизительно на 5 см.
Чувствительность фоторезистора к инфракрасному излучению в этом
случае окажется весьма слабой.
Аналогичный результат может быть получен при применении схе-
мы излучателя на лампочке, включенной по схеме, которая показана
на рис. 4.3. Теперь ток I удваивается уже на расстоянии 30 см между
излучателем и приемником.
Конечно, приведенные значения для различных опытов даны толь-
ко для определения порядка величин, и их существенные отклонения
92 ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ
могут наблюдаться в зависимости от производственных допусков,
а также от условий проведения экспериментов. Интересно было бы
провести эксперименты с другими комбинациями источников, при-
емников и оптических систем.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды ИК диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ Барьеры с непрерывным излучением 94 Барьеры на модулированном инфракрасном излучении 98 Барьер активного типа 104 Свет для гостей 109 Звуковое устройство предупреждения о приближении нарушителя к объекту 112 Устройство автоматического включения света и звука 113
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
94
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
Устройства подобного рода наиболее широко используются в системах
сигнализации, которые включаются при прерывании луча инфра-
красного излучения между излучателем и приемником (оптические
обнаружители активного типа) или служат для обнаружения отражен-
ного излучения, например от одежды человека, приближающегося
к приемнику (оптические обнаружители пассивного типа). В момент
срабатывания эти системы сигнализации могут зключить либо сире-
ну, либо свет, позволяющий имитировать присутствие человека в пус-
том помещении. Схемы последнего типа были описаны вгкниге
«Presence Electronique contre le Vol» («Системы электронной защи-
ты»), изданной французским издательством ETSE Разумеется, барье-
ры и обнаружители могут использоваться и в промышленности, напри-
мер для подсчета предметов, проходящих перед «электронным глазом».
БАРЬЕРЫ С НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Оптический барьер представляет собой излучатель и приемник излуче-
ния, расположенные друг против друга, допустим, на двух стенах кори-
дора. При нахождении в угловом поле приемной оптической системы
объекта или человека поток излучения, поступающий на вход приемни-
ка, прерывается, что и приводит к включению устройства предупрежде-
ния, сигнала тревоги, освещения, эскалатора, счетчика предметов и т.п.
Такой барьер тем проще реализовать, чем слабее окружающее осве-
щение. В темном коридоре, к примеру, фотоэлектрический ток покоя
имеет величину не более 1 мкА. Тогда функционирование барьера
обеспечивается при рабочем токе 10 мкА, что позволяет вести обзор
на расстоянии более 1 м при усло-
вии оптимальной настройки опти-
о 5^ ческих систем.
На рис. 5.1 приведена схема излу-
LD271 чателя ИК диапазона, которая ис-
Рис. 5. /. Излучатель непрерывного
инфракрасного излучения
пользуется для упомянутых выше
приложений и питается от сети.
Элементы схемы, изображенной
на рис. 5.1:
• трансформатор напряжения питания 6 В, 0,3 А;
• выпрямитель (4x1 N 4001 или готовый мост);
• электролитический конденсатор 1000 мкФ, 10 В;
• резистор 56 Ом, 0,5 Вт;
• диод ИК диапазона LD 271, CQY 37 или любые эквивалентные.
БАРЬЕРЫ С НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
95
Чтобы увеличить радиус действия излучателя и количество И К
лучей (то есть иметь возможность установить приемник на большем
расстоянии от излучателя без ухудшения параметров приемника),
можно последовательно включить в излучателе несколько светоди-
одов, используя резистор R1 = 33 Ом той же мощности рассеяния
(0,5 Вт) в схеме с тремя светодиодами или резистор сопротивлением
22 Ом в случае использования четырех светодиодов. Эти значения
сопротивлений следует умножить на 2 или 2,5 цри использовании
светодиодов в пластмассовом корпусе, мощность рассеяния которых
меньше, и ограничении их прямого тока до значений не более 50 или
40 мА соответственно.
На рис. 5.2 приведена схема приемника. При прерывании луча из-
лучения фототранзистор вводит в действие триггер, который, в свою
очередь, включает симистор, управляющий лампочкой или сиреной
сигнализации. В простых случаях достаточно заменить нагрузку
в коллекторной цепи транзистора ТЗ (симистор, лампа с питанием от
220 В, резистор R4) лампочкой на 8 В, 0,05 А. На рис. 5.3 показано,
как собрать такой приемник на макетной плате «veroboard», если уста-
новить три резистора вертикально (в виде шпильки для волос).
На стандартной макетной плате «veroboard» имеется не более 24
печатных дорожек с 37 отверстиями на каждой из них. Для размеще-
ния на плате схемы отрезается ножом нужное количество полос
и отверстий.
Рис. 5.2. Приемник для барьера непрерывного излучения,
адаптированный к излучателю, изображенному на рис. 5.1
96
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
.Элементы схемы, изображенной на рис. 5.2 и 5.3 (приемник ИК
диапазона непрерывного излучения с использованием симистора):
• R1: 100 кОм;
• R2: 2,2 МОм;
• R3: 4,7 кОм;
• R4: 100 кОм, 0,3 Вт;
• Т1: фототранзистор ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или эквива-
лентные;
• Т2: ВС 548 или ВС 238;
• ТЗ: 2 N 2219, ВС 140-16 или ВС 635;
• симистор на 220 В и при минимальном токе в 2 А;
• выпрямитель (4x1 N 4001 или готовая мостовая схема);
• электролитический конденсатор 2200 мкФ, 10 В;
• лампочка на 220 В;
• трансформатор для источника питания 6 В, 0,3 А.
В таком виде приемник легко разместить в небольшой трубке из
черного картона, которая защитит его от случайного попадания окру-
жающего бокового света. Можно использовать любой симистор на
питание
Рис. 5.3. Схема печатной платы для приемника, изображенного на рис. 5.2.
Размеры платы 65x15 мм
БАРЬЕРЫ С НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
97
220 В переменного напряжения при минимальном токе в 2 А (16469
RCA, TIC 226 D, ТС 0440, Т46 В7 или эквивалентные). Радиатор для
симистора необходим только в схеме управления мощностью, превы-
шающей 100 Вт. При питании от выпрямителя можно выбрать лю-
бой другой тип симистора на напряжение 30 В и ток 0,2 А. Источник
питания схемы, изображенной на рис. 5.2, обладает достаточно боль-
шой выходной мощностью и может питать также цепь излучения (ре-
зистор R и светодиод на рис. 5.1), если только это не вызовет проблем
с монтажом.
Схема на рис. 5.4 является дополнением устройства, показанйого
на рис. 5.2, так как питание поступает на нагрузку (лампочка горит)
при оптимальном согласовании оптических систем.
Элементы схемы, изображенной на рис. 5.4 (фототранзистор ИК
диапазона):
• R1: 1МОм;
• R2: 2,2 МОм;
• R3: 10 кОм;
• R4: 56 Ом, 0,5 Вт;
• Т1: фототранзистор ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или эквива-
лентные;
• Т2: ВС 548 или ВС 238;
• ТЗ: 2 N 2219, ВС 140-6 или ВС 635;
• светодиод ИК диапазона LD 271, CQY 37, CQW 89 В или экви-
валентный;
• источник питания, аналогичный изображенному на рис. 5.2.
Такое устройство можно использо-
вать для обнаружения предметов при
отражении излучения от блестящих
поверхностей (например, от кузова
автомобиля), если внешнее освеще-
ние достаточно слабо. В противном
случае следует применять один из
описанных ниже приборов, работаю-
щих на модулированном инфракрас-
ном излучении. На рис. 5.5 пред-
ставлено аналогичное устройство на
560 0.5W
Рис. 5.4. Лампочка загорается,
когда на фототранзистор
поступает сильное излучение
7 -637
98
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
интегральной схеме NE 555, которое используется в качестве тригге-
ра и предназначено для замены схемы, представленной на рис. 5.2.
Элементы схемы, изображенной на рис. 5.5:
• Rl: 1 МОм;
• Т1: фототранзистор ВР 103,
BPW 14 В, BPW 22 А или эк-
вивалентные;
• интегральная схема NE 555;
• источник питания, идентичный
изображенному на рис. 5.2.
Питание на нагрузку поступает,
когда фототранзистор находится
в затемненном состоянии. Если тре-
буется противоположное действие,
достаточно поменять местами тран-
зистор Т1 с резистором R1.
Рис. 5.5. Приемник ИК диапазона
на ИС NE 555
БАРЬЕРЫ НА МОДУЛИРОВАННОМ
ИНФРАКРАСНОМ ИЗЛУЧЕНИИ
Надежность работы оптического барьера с непрерывным спектром
излучения зависит от внешнего освещения. Однако инфракрасное
излучение можно модулировать с частотой от 1000 до 3000 Гц, то есть
прерывать его с очень высокой скоростью (от 1000 до 3000 раз в се-
кунду). В приемнике следует предусмотреть избирательную цепь,
выделяющую модулированный «сигнал» барьера, который фототран-
зистор трансформирует в переменное напряжение на фоне непрерыв-
ного освещения от внешних источников.
На рис. 5.6 приведена схема излучателя модулированного излуче-
ния ИК диапазона.
Элементы схемы, изображенной на рис. 5.6:
• С1: 10 нФ, пленочный;
• С2: 220 мкФ, 15 В;
• R1: 22 кОм;
• R2: 33 кОм, подстроечный;
БАРЬЕРЫ НА МОДУЛИРОВАННОМ ИНФРАКРАСНОМ ИЗЛУЧЕНИИ 99
• R3: 4,7 кОм;
• диоды ИК диапазона LD271, CQY 37, CQW 89 В или эквива-
лентные;
• выпрямитель (4x1 N 4001 или готовый мост);
• трансформатор для источника питания 6 В, 0,3 А;
• интегральная схема NE 555.
Здесь в качестве мультивибратора, генерирующего импульсы из-
лучения, используется интегральная схема NE 555. Частота мульти-
вибратора может регулироваться с помощью резистора R2 путем со-
гласования частот излучателя и приемника. Схема, представленная
на рис. 5.6, имеет дополнительный выход, который используется для
синхронизации между собой излучателя и приемника, о чем будет
сказано ниже.
Можно увеличить КПД приемника при помощи последовательно-
го или последовательно-параллельного включений большого числа
светодиодов, как об этом было написано в главе 2. Однако практи-
чески не имеет смысла строить излучатель (рис. 5.6) на интеграль-
ной схеме, так как число элементов невелико. Достаточно собрать
устройство в корпусе малых размеров.
Рис. 5.6. Излучатель модулированного сигнала И К диапазона,
позволяющий при приеме различать полезное излучение и окружающий фон
100
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
Схема соответствующего приемника представлена на рис. 5.7.
Элементы схемы, изображенной на рис. 5.7-5.Э (приемное устрой-
ство оптического барьера для модулированного сигнала):
• Cl: 1 нФ, керамический или пленочный;
• С2: 22 мкФ, 15 В, электролитический;
• СЗ: 100 нФ, пленочный;
• С4: 22 мкФ, 15 В, электролитический;
• С5: 22 нФ, пленочный;
• С6: 100 нФ, пленочный;
• С7: 2,2 мкФ, 25 В, электролитический (предпочтительно танта-
ловый);
• D1 - D5: 1 N 4148, 1 N 914 или эквивалентные;
• R1: 10 кОм;
• R2: 330 кОм;
• R3: 470 кОм;
• R4: 2,7 кОм;
• R6: 330 кОм;
• R7, R8: 2,2 кОм;
• R9: 47 кОм;
• R10, R11: 4,7 МОм;
Можно использовать любой симистор на 250 В
переменного напряжения, 4 А (или больше).
Радиатор применяется только для управления нагрузками от 100 Вт
Рис. 5.7. Избирательный приемник для оптическою барьера. Лампочка,
которой управляет симистор, может быть заменена сиреной сигнализации
БАРЬЕРЫ НА МОДУЛИРОВАННОМ ИНФРАКРАСНОМ ИЗЛУЧЕНИИ/О/
• R12: 2,2 кОм;
• R13: 1 кОм;
• R14: 220 Ом, 0,5 Вт;
• Т1: фототранзистор ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или эквива-
лентные;
• Т2: 2 N 2219, ВС 140-16 или ВС 635;
• симистор на 220 В и минимум 2 А. Без радиатора, для лампочки
мощностью до 100 Вт;
• сдвоенный операционный усилитель МС 1458 или двойной - 741.
Схема работает на сдвоенном операционном усилителе типа
1458. Для снижения уровня шума транзистор Т1 получает питание
через делитель. Первый операционный усилитель используется
как активный полосовой фильтр с резонансной частотой близкой
к 2 кГц.
После демодуляции огибающей переменного сигнала с помощью
диодов DI, D3 приступают к ее ограничению на диоде D2, а затем
к усилению постоянной составляющей. С помощью конденсатора С 7
диодов D4, D5 формируют сигнал расширения, то есть временную за-
держку, которая позволяет симистору оставаться во включенном со-
стоянии несколько десятков секунд при каждом, даже кратковремен-
ном пересечении человеком линии прямой видимости (оптической
связи) между излучателем и приемником. Это может быть особенно
полезно при подаче сигнала включения света в момент пересечения
человеком линии оптической связи. Длительность сигнала расшире-
ния меняется емкостью конденсатора С7: каждая микрофарада соот-
ветствует выдержке от 5 до 15 с.
При изготовлении приемника, схема которого показана на рис. 5.8,
были использованы элементы достаточно больших размеров.
Допустимо сэкономить место, установив малогабаритные резисто-
ры с мощностью рассеивания 0,1 Вт, за исключением R14 (0,5 Вт).
Применяя также электролитические танталовые конденсаторы ка-
пельного типа, можно прийти к варианту, изображенному на рис. 5.9, -
более компактному и легко реализуемому.
Регулировка состоит в настройке излучателя на рабочую часто-
ту приемника. Для определения переменной составляющей сигна-
ла на выходе первого каскада усиления (вывод 7 конденсатора С1)
102
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
используются электронно-лучевой осциллограф и милливольтметр
НЧ. Выбирается такая дальность действия между излучателем и при-
емником, при которой перегрузка в приемнике невозможна. Согла-
сование считается полным, когда на выходе приемника получен мак-
симальный неискаженный сигнал.
Ориентируясь исключительно на срабатывание симистора, можно вы-
полнить настройку излучателя, учитывая, что на заданном расстоянии
чувствительность будет тем больше, чем сильнее допустимое рассо-
гласование. Во время этой операции предполагается временное
Рис. 5.8. Приемник на элементах без использования ИС
БАРЬЕРЫ НА МОДУЛИРОВАННОМ ИНФРАКРАСНОМ ИЗЛУЧЕНИИ 103
исключение конденсатора С7 из схемы, для того чтобы не мешала
временная задержка, которую вызывает этот элемент при каждом
срабатывании симистора. Во время настройки необходимо также ис-
ключить любое фоновое излучение от объектов, находящихся побли-
зости.
Кроме того, схемы, изображенные на рис. 5.6 и 5.7, могут быть ис-
пользованы для оптического барьера, работающего по отраженному
излучению. Их можно установить на одной стороне коридора, полу-
чая отраженный сигнал от противоположной стороны. Однако рас-
стояние между излучателем и приемником должно быть достаточно
большим (приблизительно 1 м), чтобы отражение от одежды челове-
ка, пересекающего барьер, легко распознавалось.
Рис. 5.9. Печатная плата для приемника, изображенного на рис. 5.7,
с элементами меньшего размера. Размеры 35x75 мм
104
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
БАРЬЕР АКТИВНОГО ТИПА
Для того чтобы незаметно пересечь оптический барьер, достаточно
под ним проползти. Разумеется, это невозможно сделать, если про-
изводитель предусмотрел либо несколько барьеров, расположенных
один над другим, либо барьер, использующий многократные отраже-
ния (как показано на рис. 5.10), который можно установить в кори-
доре или в дверном проеме.
В таком случае нарушитель теоретически может «обмануть» барь-
ер, появившись возле него с достаточно мощным излучателем мо-
дулированного в широком спектре сигнала, даже если неизвестна
частота модуляции. Во избежание риска применяется синхрониза-
ция, представляющая собой дополнительную связь между излуча-
телем и приемником с помощью кабеля.
Это позволяет приемнику сравнивать приходящие на него по оп-
тическому каналу и по электрическому кабелю сигналы по частоте
и даже по фазе. Подобная процедура обработки сигналов приводит
Рис. 5.10. С помощью мощного
излучателя и чувствительного
приемника можно создать барьер
с многократными отражениями,
который нельзя пересечь,
к увеличению избирательности по-
лезного сигнала (полученного от на-
рушителя), что позволяет дополни-
тельно обеспечить хорошую защиту
от помех, вызываемых окружающим
освещением. Таким образом, появля-
ется возможность увеличивать даль-
ность действия таких барьеров по
сравнению с барьерами, выполнен-
ными по описанным выше схемам.
Излучатель, схема которого пред-
ставлена на рис. 5.6, может быть
модифицирован путем введения до-
полнительного (синхронизирующе-
го) выхода. С помощью армирован-
ного кабеля этот выход подключают
ни проползая под ним,
ни перепрыгивая через него
к соответствующему входу прием-
ника, схема которого приведена на
рис. 5.11.
Элементы схемы, изображенной на рис. 5.11 и 5.12 (приемное
устройство барьера для синхронной демодуляции):
• Cl: 1 нФ, керамический или пленочный;
• С2: 100 нФ, пленочный;
БАРЬЕР АКТИВНОГО ТИПА
105
• СЗ: 22 нФ, пленочный;
• С4: 15 мкФ, 20 В, электролитический;
• С5: 10 мкф, 20 В, танталовый;
• С6: 1 мкФ, 20 В, электролитический или танталовый;
• С7: 10 нФ, пленочный;
• ' DI, D2:1 N 4148 или эквивалентные;
• R1: 150 кОм;
• R2: 130 кОм;
• R3: 330 кОм;
• R4: 470 кОм;
• R5:150 Ом;
• R6: 330 кОм;
• R7: 270 Ом;
• R8: 56 кОм;
• R9: 10 МОм;
• R10: 150 кОм;
• R11: 2,2 кОм;
• R12, R13: 100 кОм;
• R14: подстроечный резистор 47 Ом;
• R15: 2,2 кОм;
• R16: 2,2 МОм;
• R17: 2,2 кОм;
• R18: 1 кОм;
• R19: 220 Ом, 0,5 Вт;
• Т1: фототранзистор ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или экви-
валентные;
• Т2: НЧ 245 В или 2 N 3819;
• ТЗ: 2 N 2218, ВС 140-16, ВС 211 или ВС 635;
• симистор на 220 В и.минимум 2 А без радиатора для лампочки
мощностью до 100 Вт;
• сдвоенный операционный усилитель МС 1458 (двойной 741).
Основное отличие от схемы, изображенной на рис. 5.7, заключается
в замене диодов, с помощью которых осуществляется демодуляция,
полевым транзистором Т2, используемым в качестве «прерывателя»
и управляемым непосредственно излучателем. Дополнительно при-
емник предусматривает настройку чувствительности, осуществля-
емую резистором R14. Тонкая настройка с помощью R14 обеспечива-
ет максимальное приближение к уровню сигнала помехи, зависящего
от величины фона освещения.
106
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
Можно использовать любой задонный симистор
но 250 В переменного напряжения, 4 А (или больше).
Родиотор применяется только для управления нагрузками от 100 Вт
* величину могут бить изменены
см. текст — в особых случаях
BF 245 2N3819
Симистор
Рис. 5.11. Приемник, использующий синхронную демодуляцию,
для барьера с многократными отражениями или для барьера,
действующего на больших расстояниях
Некоторые элементы, выделенные на рисунке кружками, по-
зволяют в случае необходимости проводить модификацию схемы. Так,
если исключить резистор R1 и принять сопротивление R2 - 10 кОм,
можно получить устойчивую защиту от окружающего света. Такое
устройство используется, например, для защиты наружной двери
(входной или балконной). При этом применяются либо единичное
отражение, либо множественные, образующиеся между двумя кося-
ками двери или между порогом и верхней частью дверного проема.
В любом случае необходимо исключить прямую или переотраженную
солнечную засветку. Для того чтобы свести к минимуму влияние
окружающего света, необходимо провести очень тщательную на-
стройку излучающей и приемной оптических систем.
Кроме того, требуется отрегулировать чувствительность приемни-
ка на минимальное входное воздействие, допустимое с точки зрения
безопасности работы. Внутри помещения можно также применить
сопротивление R2 = 100 кОм, исключив резистор R1, если отраже-
ние берется от стены, на которую не падает солнце. В этом случае чув-
ствительность увеличивается, что очень полезно при использовании
БАРЬЕР АКТИВНОГО ТИПА
107
Рис. 5.12. Печатная плата приемника барьера
с использованием синхронной демодуляции. Размеры 55x58 мм
108
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
многократных отражений. Интересен также случай, когда барьер сам
реагирует на попытку ослепить его при помощи сильного освещения.
Это возможно, если полевой транзистор Т1 будет переходить в ре-
жим насыщения, как только окружающее освещение превысит опре-
деленный уровень. Для этого следует взять R1 = 150 кОм, а в каче-
стве R2 использовать переменный резистор 2,2 МОм. При настройке
сопротивление этого резистора подбирают экспериментальным пу-
тем в соответствии с уровнем окружающего фона. Уровень сигнала
определяет рабочий порог.
Фильтрация демодулированного сигнала осуществляется с помо-
щью конденсатора С6. Помехи, которые могут вызываться сильным
окружающим освещением, будут тем менее значимы, чем больше
емкость конденсатора С6. Тем не менее конденсатор задерживает
реакцию триггера. Поэтому емкость С6 можно увеличить, по край-
ней мере, до 10 мкФ в устройстве охраны двери, перед которой на-
рушитель вынужден остановиться хотя бы на несколько секунд.
При установке устройства в коридоре, который можно пересечь бе-
гом, возможны ошибки при обнаружении нарушителя из-за слиш-
ком сильной фильтрации, Мешающей барьеру среагировать на него.
Однако в схеме предусмотрена цепь временной задержки, благо-
даря которой устройство действует в течение нескольких десятков
секунд, даже при очень кратком возбуждении. Время задержки этой
цепи определяет конденсатор С8. Продолжительность задержки со-
ставляет от 10 до 20 с на каждую микрофараду конденсатора С8. Ве-
личина емкости этого конденсатора может значительно изменяться.
В схеме, представленной на рис. 5.11, симистор управляет лампоч-
кой. Если же предпочтение отдается звуковой, а не световой сигна-
лизации, лампочку можно заменить сиреной тревоги.
На рис. 5.12 приведена топология печатной платы приемника оп-
тического барьера.
Для настройки излучателя нужно действовать в соответствии
с приведенными выше указаниями (максимальный уровень сигнала
измеряется на выходе 7 конденсатора С1). Во время регулировки
чувствительности приемника (с помощью резистора R14) следует
временно установить емкость С8 100 нФ, чтобы исключить задерж-
ки после каждой операции. Настройка ведется при максимально воз-
можном в нормальных условиях работы фоновом освещении. Затем
в момент, когда срабатывает исполнительное устройство (симистор)
оптического барьера, R14 регулируют таким образом, чтобы при на-
стройке не приближаться к пределу, за которым помехи начинают
СВЕТ ДЛЯ ГОСТЕЙ
109
провоцировать несвоевременные включения симистора, вызывая
ложные тревоги датчика. После этого, прекратив прерывания барьера,
приступают к настройке оптических систем, следя, чтобы симистор
оставался надежно заблокированным в состоянии покоя.
СВЕТ ДЛЯ ГОСТЕЙ
Хотя отражение излучения от гладкой стены гораздо сильнее отра-
жения от тела или одежды человека, рассмотренный метод позволя-
ет определить момент приближения человека к охраняемому объек-
ту даже при расстоянии более 1 м между ними. Поэтому описанные
выше устройства (например, излучатель, схема которого представ-
лена на рис. 5.6, и приемник, собранный по схеме, изображенной на
рис. 5.13) можно использовать для автоматического зажигания света
перед входом в дом при появлении человека.
Элементы схем, изображенных на рис. 5.13 и 5.14 (оптический об-
наружитель с широким угловым полем):
• Cl: 1 нФ, керамический или пленочный;
• С2: 100 нФ, пленочный;
• СЗ: 22 нФ, пленочный;
• С4: 50 мкФ, 20 В, электролитический;
• С5: 10 мкФ, 20 В, танталовый;
• С6:1 мкФ, 20 В, электролитический или танталовый;
• С7: 10 нФ, пленочный;
• С9: 1 мкФ, электролитический;
• DI: 1N4148;
• R1:150 кОм;
• R2: 10 кОм;
• R3: 330 кОм;
• R4: 470 кОм;
• R5: 150 Ом;
• R6: 56 кОм;
• R7: 270 Ом;
• R8: 56 кОм;
• R9: 10 МОм;
• R10: 150 кОм;
• R11:2,2 кОм;
• R12, R13: 100 кОм;
• R14: подстроечный резистор 68 Ом;
• R15: 2,2 кОм;
• R16: 10 МОм;
110
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
Рис. 5.13. Схема детектора обнаружения приближения нарушителя
к охраняемому объекту, использующего синхронную демодуляцию.
Модификация схемы приемника барьера, изображенной на рис. 5.11
• R17: 2,2 кОм;
• R18: 1 кОм;
• R19: 220 Ом, 0,5 Вт;
• Т1: фототранзистор ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или эквива-
лентные;
• Т2: НЧ 245 В или 2 N 3818;
• ТЗ: 2 N 2218, ВС 140-16, ВС 211 или ВС 635;
• симистор на 220 В и минимум 2 А. Без радиатора, для лампочки
мощностью до 100 Вт;
• сдвоенный операционный усилитель МС 1458 (двойной 741).
Так же, как и в устройстве, изображенном на рис. 5.11, в приемни-
ке производится синхронная демодуляция. Различие состоит в об-
ратной полярности входов 2 и 3 интегральной схемы. Схема приема,
которая будет использована и в двух следующих приложениях,
отделяется штриховой линией от выходного блока, включающего
в себя транзистор и симистор. В отличие от приемника, рассмотрен-
ного ранее (рис. 5.11), симистор здесь активируется при обнаруже-
нии излучения фототранзистором.
Что касается выделенных на схеме элементов, то для них спра-
ведливо замечание, которое относилось к схеме, изображенной на
рис. 5.11, с учетом того, что теперь сильное освещение может при-
вести к перенасыщению входного каскада. Можно сделать так, чтобы
СВЕТ ДЛЯ ГОСТЕЙ
111
Рис. 5.14. Печатная плата приемника оптического обнаружителя
с широким угловым полем, использующего синхронную демодуляцию
устройство работало только ночью. Для этого достаточно взять сопро-
тивление R1 = 150 кОм (постоянное) и R2 = 2,2 МОм (переменное)
и, изменяя величину последнего, установить порог освещенности, за
которым схема более не переключается.
112
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
Как и в предыдущем случае, в данном устройстве предусмотре-
на задержка, составляющая приблизительно 30 с на 1 мкФ конден-
сатора С8.
Для оптического барьера, как правило, используются оптические
системы с узкими угловыми полями, то есть с узкой диаграммой на-
правленности. Однако в ряде случаев может возникнуть необходи-
мость в оптическом обнаружителе, излучающая и приемная системы
которого обладают согласованными широкими угловыми полями.
Для этого в качестве излучающего блока применяется большое коли-
чество диодов со сложной оптической системой, формирующих не-
сколько И К лучей, а в качестве приемного блока - фототранзистор
с большим углом раскрыва.
На рис. 5.14 представлена печатная плата приемника такого устрой-
ства. Изображенный оптический обнаружитель применяется совмест-
но с излучателем, показанным на рис. 5.6. Радиус действия приемника
может составлять несколько метров. Размеры те же, что и для устрой-
ства, приведенного на рис. 5.12.
Замечания, которые были сделаны относительно схемы, изобра-
женной на рис. 5.11, остаются справедливыми и в случае подстрой-
ки. Необходимо только учитывать, что теперь симистор активирует-
ся в присутствии излучения.
ЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ
О ПРИБЛИЖЕНИИ НАРУШИТЕЛЯ К ОБЪЕКТУ
Принцип обнаружения с помощью оптического датчика активного типа,
работающего на отраженном излучении И К диапазона, может быть
использован для предупреждения (например, звуком) о приближении
Г ромкокоВоритель,
импенданс от 20 до 100 Ом
' ВС548
R21
47к0
R20
1,5к0
В0135
О
9...12V
Питание
общее
со схемой
рис. 5.11
Работоет В импульсном
режиме, родиотор не требуется
qj От передатчика
ИК излучения
Рис. 5.15. Модификация схемы,
представленной на рис. 5.13.
человека к дому. Можно внутри ав-
томобиля расположить устройство,
которое будет сигнализировать о на-
хождении поблизости человека или
какого-либо препятствия. Конечно,
в обоих случаях радиус действия
будет зависеть от природы отража-
ющей поверхности.
Так как необходимо не управлять
нагрузкой, а подавать сигнал, вмес-
то правой части ранее рассмотрен-
ной схемы (рис. 5.13) используется
изображенная на рис. 5.5. Симистор
УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ СВЕТА
113
и его нагрузка заменены выходным усилителем, выход которого мо-
жет быть подключен к громкоговорителю, производящему резкий
звук при попадании в угловое поле приемной оптической системы
объекта (препятствия или человека).
Элементы этой схемы:
• резисторы: 1,5 кОм и 47 кОм;
• транзисторы: ВС 548 В и BD 135 или эквивалентные;
• громкоговоритель сопротивлением от 20 до 100 Ом.
Схема служит для воспроизведения в громкоговорителе резкого
звука при помощи мультивибратора излучающего блока, который ра-
ботает на частоте, близкой к 2 кГц. Как только фототранзистор полу-
чает отраженное излучение, через громкоговоритель передается сиг-
нал той же частоты.
УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ СВЕТА
И КОЛОКОЛЬНОГО ПЕРЕЗВОНА
Для того чтобы сделать гостям приятный сюрприз, например вклю-
чить колокольный перезвон и зажечь ночью внешнее освещение,
можно использовать оптический обнаружитель активного типа.
Схема, представленная на рис. 5.16, также является дополнением
к схеме приёмника, приведенной на рис. 5.13.
Элементы схем, изображенных на рис. 5.16 и 5.17 (колокольный
перезвон и освещение):
• С9: 200 нФ, танталовый, или 220 нФ, пленочный;
• СЮ: 4,7 мкФ, 20 В, электролитический;
• D2: 1 N 4148 или эквивалентные;
• Phr: фоторезистор LDR 03 или LDR 05;
• R20: 220 Ом, 0,5 Вт;
• R21: 4,7 МОм;
• R22: 2,7 кОм;.
• R23: 4,7 МОм;
• R24: 220 Ом, 0,5 Вт;
• две интегральные схемы NE 555;
• два симистора на 220 В и минимум 2 А. Работают без радиатора
для лампочки мощностью до 100 Вт.
Однако в данном случае временная задержка не требуется, поэто-
му из схемы на рис. 5.13 можно исключить следующие элементы:
диод D1, конденсатор С8, резистор R16. В качестве переключателей
используются две интегральные схемы NE 555, первая из которых
8-637
114
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
Пербичноя обмотка
тронссрормотора звонко
АО
-О О-
Может использоваться
любой заданный симистор
220V
25...100W
-О
220V~
Симистор 2
— на 220 В переменного ~~
напряжения и минимум 4 А
П R22
Ц 2,7к0
На радиоторе,
если управляет
нагрузками более
100 Вт мощности
ИК излучения
Рис. 5.16. Дополнение к схеме оптического обнаружителя
включает устройство колокольного перезвона, уже установленное
в помещении. Устройство издает первый звук при нажатии и второй
при отпускании кнопки звонка. Это двойное действие обеспечивает-
ся ИС CI 2 при формировании выходного сигнала (посредством С9
и R21), поступающего с оптического обнаружителя.
Временная задержка составляет приблизительно 2 с. Для случаев,
когда не совсем удобно управлять устройством колокольного пере-
звона при питании его через понижающий трансформатор, преду-
смотрено непосредственное управление переключателем ИС CI 2,
если в распоряжении имеется устройство перезвона, которому можно
обеспечить питание напрямую (от 9 до 12 В постоянного напряжения)
при токе потребления не более 150 мА. Достаточно подключить его
между входами 3 и 8 ИС CI2, исключив резистор R 20 и симистор 1.
Свет управляется ИС CI 3 и симистором 2 в момент получения
приемником отраженного от приближающегося человека излучения.
В течение некоторого промежутка времени, продолжительность кото-
рого зависит от величины емкости конденсатора СЮ (3-6 с на 1 мкФ),
свет остается еще включенным, хотя гость уже покинул поле дей-
ствия приемника. При необходимости можно увеличить емкость СЮ
максимум до 50 мкФ.
УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ СВЕТА
.115
Рис. 5.17. Печатная плата, объединяющая схему оптического обнаружителя со схемой,
изображенной на рис. 5.16. Размеры 55x78 мм
Во избежание включения света днем предусматривается исполь-
зование фоторезистора Phr, который совместно с R22 образует дели-
тель. Фоторезистор ориентируется на внешнее световое воздейст-
вие, но так, чтобы на него непосредственно не падал свет от лампочки
116
БАРЬЕРЫ И СИСТЕМЫ СИГНАЛИЗАЦИИ
Рис. 5.18. Пластинка, на которой
крепятся пять последовательно
соединенных излучающих диодов
сигнализации схемы приемника. Если
необходимо, можно увеличить сопро-
тивление R22, что обеспечит работу
устройства только, при минимальной
освещенности (почти в темноте).
В противном случае достаточно зак-
рыть часть принимающей поверхнос-
ти фоторезистора с помощью непро-
зрачной клейкой ленты.
Для управления освещением и днем
и ночью существует более простое
решение, чем исключение фоторе-
зистора из схемы, изображенной на
рис. 5.16. Оно состоит в том, чтобы,
полностью сохранив схему, где уже
предусмотрено устройство управления лампочкой (рис. 5.13), доба-
вить к ней ИС CI 2, конденсатор С9, резисторы R20, R21 и симистор,
•^о есть часть, отвечающую за «колокольный перезвон», как показано
на рис. 5.16.
На печатной плате, приведенной на рис. 5.17, дана топология схемы,
объединяющей те части схем, изображенных на рис. 5.13 и рис. 5.16,
которые следует использовать.
Для настройки достаточно выполнить указания, действующие
в отношении схемы на рис. 5.13.
На рис. 5.18 представлена пластинка, где крепятся пять по-
следовательно соединенных излучающих диодов.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды И К диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА Базовая схема для пироэлектрического приемника PID 11 118 Пироэлектрические приемники с адаптером на полевом транзисторе 119 Автоматическое управление освещением 121 Датчики обнаружения нарушителя 125 Индикатор уровня жидкости 128
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
118
Пироэлектрические приемники, рассмотренные в главе 3, могут ис-
пользоваться (без применения излучателей ИК диапазона) для непо-
средственного обнаружения объектов, температура которых на не-
сколько градусов отличается от температуры окружающей среды.
Работа с этими приемниками имеет некоторые особенности, так как
подобные устройства способны запоминать преобразованное входное
воздействие, вызванное изменением температуры объекта, с времен-
ной задержкой длительностью около одной секунды.
Схемы приложений, представленные ниже, были заимствованы из
технических инструкций производителей пироэлектрических прием-
ников: Siemens для PID 11, RTC для других типов приемников.
БАЗОВАЯ СХЕМА
ДЛЯ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА PID 11
Схема, приведенная на рис. 6.1, является экспериментальной, так как
лампочка, которой она управляет, горит лишь в течение нескольких
секунд (времени запоминания). Естественно, длительность отклика
тем больше, чем сильнее было воздействие, произведенное на прием-
ник. Это позволяет сравнивать данную схему с описанными в главе 5.
Чтобы управлять освещением или другим прибором в течение за-
данного времени, следует добавить в схему устройство временной
задержки (см. ниже).
Приемник на рис. 6.1 получает питание 5 В (стабилизированное
при помощи трехвыводной микросхемы 78 L 05) с выводов 1 и 2.
Вывод 3 соединен с входом «плюс» операционного маломощного
КМОП усилителя ICL 7611, который используется в качестве
Рис. 6.1. Экспериментальная схема, позволяющая изучить действие
и установть пределы чувствительности пироэлектрического приемника PID 11
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ С АДАПТЕРОМ НА ПТ Ц9
компаратора. Его можно заменить усилителем любого другого типа,
минимальное выходное напряжение которого по отношению к мину-
су питания ниже 0,7 В.
Вход «минус» этого операционного усилителя соединен со сред-
ней точкой потенциометра R2, регулирующего чувствительность.
При смещении ручки настройки в сторону R1 чувствительность
устройства уменьшается. Порог срабатывания вследствие тепловых
фоновых помех, возникающих при локации внешних нагретых фоно-
вых поверхностей, возрастает, что приводит к уменьшению ложных
тревог.
Хотя эта схема не имеет электрического фильтра, она мало чув-
ствительна к помехам, вызываемым, например, лампой накаливания.
Для получения сигнала, подобного тому, который возникает при дви-
жении человека перед приемником на расстоянии 1,5 м, необходимо,
чтобы источник освещения, находящийся в вертикальном положе-
нии под углом 30° к оптической оси приемника, обеспечивал осве-
щенность 800 лк.
При размещении излучателя в горизонтальной плоскости анало-
гичный сигнал сформируется уже при освещенности в 3000 лк. При
том же угле отклонения оптической оси (30°) солнечный свет создает
помеху при освещенности 10000 лк в вертикальной плоскости или
20000 лк - в горизонтальной. Флуоресцентные лампы не оказывают
воздействия на работу пироэлектрического приемника. Для умень-
шения влияния наводок следует установить приемник и операцион-
ный усилитель на одной пластине, подключая их с помощью корот-
ких соединений.
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ
С АДАПТЕРОМ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Универсальные пироэлектрические приемники для согласования
с нагрузкой содержат полевой транзистор (ПТ). В принципе его мож-
но использовать как предусилитель, если соединить с резистором на-
грузки Rl, как показано на рис. 6.2. Проблема в том, что ток стока IDCC
при такой схеме включения транзистора может иметь разброс в от-
ношении 1:8, то есть 12,5% в зависимости от производственного до-
пуска.
Допуск на усиление будет ненамного меньше, что вызовет про-
блемы при серийном производстве рассматриваемого устройства.
Однако схему, изображенную на рис. 6.2, можно использовать для
120
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
индивидуальной работы по компенсации разброса. При этом экспе-
риментальным путем определяется величина сопротивления нагруз-
ки Rt с падением напряжения на нем, равным трети напряжения пи-
тания.
Сложностей с подстройкой можно избежать, если использовать
транзистор с сопротивлением нагрузки в цепи истока, как показано
на рис. 6.3.
При RL = 100 кОм можно получить усиление по току несколько
меньшее единицы, но практически не имеющее разброса тока истока,
являющегося током нагрузки RL.
Для последующего усиления предпочтение отдается малошумя-
щим операционным усилителям, если во время работы отсутствуют
тепловые помехи (перемещение масс воздуха, солнечный свет, осве-
щение и т.д.), которые исключают использование любых устройств
с высокой чувствительностью. Среди операционных усилителей,
подходящих для таких целей, можно назвать NE 5533 А, шумы кото-
рого составляют 30 нВД/Гц при 1 Гц, против 150 нВД/Гц для цА 741.
В любом случае может применяться даже цА 741 или любой иной
не малошумящий усилитель, если перед ним поставить небольшую
схему, изображенную на рис. 6.4.
В ней используется р-п-р транзистор с малым уровнем шумов
(ВВС 559 также подходит). Он включен в цепь положительной об-
ратной связи, которая стабилизирует уровень коэффициента усиле-
ния по напряжению Ку = 4,8. Разброс теперь распространяется
Рис. 6.2. Использование
полевого транзистора
совместно с резистором
нагрузки
Рис. 6.3. Единичное
усиление обладает очень
низким уровнем разброса
тока нагрузки
Рис. 6.4. Выходной
каскад на полевом
транзисторе
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОСВЕЩЕНИЕМ
121
только на выходное напряжение покоя, которое заключается в диа-
пазоне от 1 до 8 В.
Поэтому рекомендуется использовать емкостное соединение на
входе каскада усиления, чтобы передавать на его вход только пере-
менные малые составляющие сигнала с выхода предусилителя. Сле-
дующий каскад усиления на операционном усилителе обеспечит вы-
сокое усиление по напряжению (приблизительно Kt, = 5000 для
применений с высокой чувствительностью). Ниже будет показано,
что в этой цепи предпочтительнее использовать два операционных
усилителя, образующих активный фильтр, полосу пропускания кото-
рого лежит в диапазоне 0,1-2 Гц.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОСВЕЩЕНИЕМ
Пироэлектрический приемник - простое средство для включения ис-
точника света в тех случаях, когда человек входит в комнату, гараж,
поднимается по лестнице, идет по коридору. Чаще всего таким прием-
ником управляет реле времени, которое включается при обнаруже-
нии движущегося человека. Этот принцип особенно широко приме-
няется в проходных помещениях или комнатах (архивах, офисах),
куда часто входят с занятыми руками только для того, чтобы положить
необходимые предметы и выйти. Поскольку включать свет в залах
площадью в сотни квадратных метров (например, в архивах) всякий
раз, когда туда заходит человек, неэкономно, то помещение разбива-
ют на зоны освещения, каждая из которых управляется отдельным
пироэлектрическим приемником.
Разумеется, использование приемника с реле времени в помещени-
ях, где люди работают, читают, смотрят телевизор и т.д. (то есть там,
где они находятся в течение длительного времени), нецелесообразно,
за исключением, быть может, детских комнат (ведь дети часто забы-
вают выключать свет, выходя из комнаты или засыпая). Поэтому наи-
более рациональным является автоматическое зажигание света без
применения реле и выключение его вручную.
Применение пироэлектрического приемника в установке сигнали-
зации и при управлении освещением основано на одном и том же
принципе. Рис. 6.5 показывает, что в обоих случаях за пироэлектри-
ческим датчиком следует усилитель с большим коэффициентом
усиления; он в состоянии обеспечить напряжение, достаточное для
приведения в действие любого из двух компараторов, каждый из
которых настроен на свой порог срабатывания и определяет одно из
122
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
Датчик
--------
Линзы
Френеля
Избирательные
усилители
на 0,З...ЗГц,
Усиление ~4000
Положительный
порог
Компаратор
с эталонными
уробнями
напряжения
Отрицательный
порог
- Логическая
схема
и временная
задержка
—| Реле
Рис. 6.5. Структурная схема приемника,
определяющего направление движения человека
направлений движения человека (к датчику/от датчика). При при-
ближении человека к датчику первый компаратор, с низким порогом,
формирует положительный перепад. Второй компаратор, с высоким
порогом, наоборот, срабатывает от отрицательного перепада при уда-
лении человека от датчика.
Таким образом, оба компаратора, дополняя друг друга, чувстви-
тельны к положительным и отрицательным перепадам напряжения.
Тем не менее они обеспечивают положительный выходной импульс,
когда сигнал на входе одного компаратора станет больше, а на входе
другого - меньше своего входного порогового уровня.
Далее следует логическая схема. Она представляет собой схему
ИЛИ на диодах, в которую входит устройство временной задержки.
Как будет показано ниже, для уменьшения влияния помех можно до-
бавить счетчик, включающий реле времени только в том случае, если
им зарегистрировано минимум импульсов за определенный отрезок
времени.
На рис. 6.6 приведена схема автоматического управления освеще-
нием. Она содержит следующие элементы:
• С1:10 нФ, керамический или пленочный;
• С2: 1 мкФ, 25 В электролитический;
• СЗ: 10 нФ, керамический или пленочный;
• С4: 47 мкФ, 10 В, электролитический;
• С5:150 мкФ, пленочный;
• С6: 4,7 мкФ, 25 В, электролитический;
• С7: 1 мкФ, 25 В, электролитический;
• С8: 22 нФ, пленочный;
• С9: 68 мкФ, электролитический (предпочтение отдается танта-
ловому);
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОСВЕЩЕНИЕМ
123
Рис. 6.6. Схема использования пироэлектрического детектора
• DI, D2, D3: ВА 317 или 1 N 4148;
• IC1: счетверенный операционный усилитель LM 324;
• IC2: сдвоенный одновибратор HEF 4538 или CD 4538 В;
• R1: 56 кОм;
• R2: 100 кОм;
• R3: 3,9 МОм;
• R4: 390 кОм;
• R5: 3,3 кОм;
• R6: 330 кОм;
• R7, R8: 100 кОм;
• R9: 1,5 МОм;
• R10: 39 кОм;
• R11: 10 кОм;
• R12: 39 кОм;
• R13: 100 кОм;
• R14: 2,2 МОм;
• R15: 4,7 МОм;
• R16: 6,8 МОм;
• R17: 10 МОм;
• R18: 1 кОм;
• TR1: ВС 109 или ВС 549 В;
124
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
• реле для коммутации цепи с напряжением в 220 В, с откликом
на 5 В, 50 мА;
• переключатель на пять позиций;
• пироэлектрический приемник.
Учитывая высокий коэффициент усиления усилителя, необходи-
мо обеспечить достаточную фильтрацию напряжения питания пиро-
электрического приемника, которую выполняет цепь R1C2C3. Для
обработки сигнала, показанной на рис. 6.5, используется счетверен-
ный операционный усилитель ICla-ICld (LM 324). Элементы а и b
составляют избирательный усилитель. На рис. 6.7 представлена его
амплитудно-частотная характеристика.
Два других элемента образуют два компаратора с пороговыми уров-
нями, величины которых определяются резисторами RIO, R11 и R12.
Сигналы с выходов компараторов собираются на схеме ИЛИ (эле-
менты DI, D2, R18 схемы на рис. 6.6), запускающей схему временной
задержки на ИС HEF 4538 В (вывод 4), у которой используется один
единственный выход (вывод 6). Всего же в ИС HEF 4538 В два одно-
вибратора, на которых выполняются схемы- временной задержки.
Выводы 7, 9, 10 и 14 не подключаются к элементам схемы.
Когда переключатель временной задержки соединен с резистором
R13, свет остается включенным приблизительно в течение 7 с. В слу-
чае подключения к резисторам с R14 по R17 длительность включе-
ния составляет 2,5, 5,5, 7,5 и И мин соответственно.
Предложенная схема применяется с простым пироэлектрическим
приемникрм без линзы. При этом радиус ее действия составит 2-3 м.
Он может быть увеличен более чем в 3 раза при использовании
Рис. 6.7. АЧХ избирательного
усилителя в схеме, изображенной
на рис. 6.6
сдвоенного детектора, но тогда
совершенно необходимо снабдить
его оптической системой на лин-
зах Френеля так, как она была опи-
сана в главе 3.
На входы питания пироэлектри-
ческого детектора можно подавать
напряжение в пределах 7,7-25 В при
минимальном токе нагрузки 100 мА.
В него встроен трехвыводной ста-
билизатор питания на микросхеме
78L05 и элементах Cl, С2, R1, пред-
ставленный на рис. 6.8.
ДАТЧИКИ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ
125
Элементы схемы, изображенной на рис. 6.8 (схема питания):
• С1: 220 нФ, пленочный;
• С2: 470 нФ, пленочный;
• СЗ: 10 нФ, керамический или пленочный;
• R1: 4,7 кОм;
• схема регулирования: 78 L 05 или аналогичная.
Задачей схемы является выпрямление и фильтрация, в результате
которых на ее выходе поддерживается постоянное напряжение 5 В.
Для того чтобы приемник мог реагировать на все перемещения объ-
екта в жилой комнате, лучше всего расположить его под потолком
недалеко от двери, как показано на рис. 6.9.
T220nF
78L05
Baxog
2 С2 J-
, 470nF'"
-О
5V
-О
Рис. 6.8. Стабилизатор питания,
вырабатывающий постоянное
напряжение 5 В
приемник под потолком комнаты,
освещением которой он управляет
ДАТЧИКИ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ
Основные принципы действия датчика обнаружения нарушителя, авто-
матического управления освещением и устройства сигнализации иден-
тичны. Схема, представленная на рис. 6.10, очень похожа на предыду-
щую (рис. 6.6). Для корректировки инерционности пироэлектрического
детектора необходимо использовать избирательней усилитель с более
высокими коэффициэнтом усиления и предельными частотами усиления.
Однако коэффициент усиления избирательного усилителя в дан-
ном случае выше (66 вместо 55 дБ). Рис. 6.11 показывает, что цен-
тральная часть полосы пропускания соответствует более высокой ча-
стоте, чем в предыдущем случае. Здесь используются избирательный
усилитель с более высокими коэффициентом усиления и предельны-
ми частотами усиления.
Объединяя амплитудно-частотные характеристики усилителя
и пироэлектрического приемника, получают кривую, представленную
126
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
Рис. 6.10. Схема обработки сигнала в датчике обнаружения нарушителя
на рис. 6.12. Она соответствует оптимальной АЧХ при скорости пе-
ремещения нарушителя 0,3-0,6 м/с в угловом поле обнаружителя
в радиусе действия 12 м. При указанной максимальной скорости обна-
ружения нарушителю требуется приблизительно три минуты, чтобы
преодолеть сто метров. Для того чтобы ускользнуть от обнаружите-
ля, находящегося в рабочей зоне, достаточно бежать в десять раз быс-
трее. Следовательно, датчик лучше установить в таком месте, где труд-
но перемещаться с большой скоростью, например за дверью.
Благодаря высокой чувствительности датчика тепловые и электри-
ческие помехи могут привести к ложной тревоге. Их можно избежать за
Рис. 6.11. АЧХ избирательного
усилителя с повышенным
(см. рис. 6.10)
Рис. 6.12. Общая АЧХ приемника,
изображенного на рис. 6.10,
с учетом инерционности датчика
и избирательности усилителя
ДАТЧИКИ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРУШИТЕЛЯ
127
счет того, что движение нарушителя перед приемником, снабженным
многоканальной оптической системой, вызовет в нем множество по-
следовательных импульсов за ограниченный промежуток времени.
В качестве примера на рис. 6.13 приведена схема, которая сраба-
тывает только в том случае, если она зарегистрировала три следу-
ющих друг за другом импульса в течение 10 с.
Элементы схем, изображенных на рис. 6.10 и 6.13 (приемник обна-
ружения нарушителя):
• С1: 22 мкФ, 25 В, электролитический;
• С2: 100 нФ, пленочный;
• СЗ, С4: 10 мкФ, 25 В, электролитический;
• С5: 2,2 нФ, пленочный;
• С6: 1 мкФ, 25 В, электролитический;
• С7: 1 мкФ, пленочный;
• С8: 1 нФ, пленочный;
• DI, D2: ВА 317 или 1N 4148;
• R1: 1,2 МОм;
• R2: 820 кОм;
• R3: 4,7 кОм;
• R4, R5, R6: 120 кОм;
• R7: 3,3 МОм;
• R8: 56 кОм;
• R9: 27 кОм;
• R10, R11:56 кОм;
• R12, R13: 100 кОм;
• R14: 10 МОм;
• счетверенный операционный усилитель LM 324;
• сдвоенный одновибратор КМОП HEF 4538 В или CD 4538В;
• счетчик-декодер КМОП типа HEF 4017 В или CD 4017 В;
• сдвоенный пироэлектрический приемник.
Величина временной задержки определяется резистором R14 и кон-
денсатором С7 одного из двух сдвоенных одновибраторов, которые
содержатся в ИС HEF 4538 В. Включение производится по входно-
му импульсу, который приходит с выхода схемы ИЛИ (катоды D1,
D2, резистор R13) и также подводится к счетчику-декодеру HEF
4017 В, начиная пересчет по положительному фронту импульсов. Через
10 с первый одновибратор включает второй (задержка осуществляется
128
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
Рис. 6.13. Логическая схема приемника
обнаружения нарушителя
при помощи резистора R15 и конденсатора С8), который производит
очень короткий импульс (около 10 мс), служащий для обнуления
счетчика. Таким образом, счетчик может оказаться в позиции 3 толь-
ко при подсчете им трех импульсов в течение 10 с.
Выход схемы, изображенной на рис. 6.13, соответствует позиции 3
счетчика-декодера. Поскольку этот выход остается активным отно-
сительно короткий промежуток времени, то после него предпочти-
тельно поставить одновибратор, фиксирующий длительность сигнала
тревоги исправляющий временным реле, в соответствие с принци-
пом, который был проиллюстрирован на рис. 6.6.
ИНДИКАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
Схема, описанная ниже, показывает, каким образом можно макси-
мально использовать чувствительность пироэлектрического датчика
и контролировать статическую разницу температур при помощи пер-
форированного диска, который должен вращаться перед датчиком.
На практике такая схема может применяться для индикации уров-
ня жидкости в резервуаре большого размера, расположенном на рас-
стоянии 5 м от датчика, при разнице температур окружающего воз-
духа и жидкости, составляющей 1 °C. Кроме того, рассматриваемая
ИНДИКАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
129
система может использоваться для наблюдений за изменением темпе-
ратуры других объектов, например для контроля за тепловыми поте-
рями в различных местах стены или крыши отапливаемого дома
с целью их локализации.
Во избежание резкого снижения высокой чувствительности пиро-
электрического датчика из-за тепловых помех необходимо поместить
всю систему в корпус, предохраняющий ее от потоков воздуха (рис. 6.14).
Для предотвращения нежелательных перемещений масс воздуха
вследствие вращения перфорированного диска его отделяют от пи-
роэлектрического детектора при помощи диафрагмы или размещают
во втором кожухе, имеющем небольшое отверстие.
Скорость вращения диска составляет 2 об/с. Так как он имеет пять
лопастей, то в соответствии с рис. 6.15 получают тактовую частоту
развертки диска 10 Гц.
Чтобы свести к минимуму помехи от усилителей, прибегают к син-
хронному детектированию. Опорный сигнал, требуемый для него, по-
лучают при помощи оптического прерывателя (оптического датчика
с открытым каналом), который располагают в соответствии с рис. 6.14
и 6.15.
Поскольку контролируемый уровень жидкости находится на грани-
це раздела сред «воздух-вода» в допустимых пределах, как показано
Линза Френеля
Рис. 6.14. Для обеспечения наблюдения за статической разницей температур
(уровнями жидкости) перед пироэлектрическим приемником вращается
перфорированный диск
9-637
130
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
Элемента
пироэлектрического
детектора
Положение
оптоэлектронного
переключателя
10Отт
Рис. 6.15. Расположение пироэлектрического приемника
и оптического прерывателя
на рис. 6.14, два элемента пироэлектрического приемника подверга-
ются воздействию различных температур. Тогда детектор фазы обес-
печивает сигнал, который после сравнения с пороговым уровнем ис-
пользуют для управления процессом индикации.
В схеме, представленной на рис. 6.16, за пироэлектрическим при-
емником стоит транзистор р-п-р типа, TR1, обеспечивающий рабо-
ту при оптимальном соотношении сигнал/шум.
Избирательней усилитель (IC2, коэффициент усиления 185 и IC3,
коэффициент усиления 15) адаптирован к тактовой частоте 10 Гц.
Его полоса частот находится в пределах от 7 до 15 Гц. Постоянное вы-
сокоточное опорное напряжение (Ucc / 2 = 3,25 В) операционных уси-
лителей IC2 и IC3 получают с помощью IC1.
Синхронное детектирование обеспечивается с помощью двух допол-
нительных транзисторов TR2 и TR3. По очереди они детектируют (вы-
прямляют) сигналы с резисторов R10 и Rl 1. Общее напряжение, накап-
ливаемое на конденсаторе С6, является результатом выпрямления.
После согласования по сопротивлению при использовании IC4 и IC5
это постоянное напряжение усиливается приблизительно, в 20 раз с по-
мощью IC6.
В дополнение к этому операционный усилитель подавляет синфазное
напряжение помех на выводах конденсатора С6. Тем не менее некоторая
ИНДИКАТОР УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
131
Рис. 6.16. Сигнал, принятый пироэлектрическим приемником,
усиливается до и после синхронизации и сравнивается в компараторе
с двумя пороговыми уровнями
132
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
моторо
Рис. 6.17. Опорный сигнал для синхронизации
получают при помощи перфорированного диска
разбалансировка может иметь место за счет разницы между остаточны-
ми напряжениями транзисторов TR2 и TR3. Ее компенсируют «точно»
при помощи резистора R20 (или «грубо» резисторами R14, R16) таким
образом, что в период покоя (в отсутствие разницы температур между
двумя элементами пироэлектрического детектора) выходное напряже-
ние IC6 точно соответствует центру средней зоны двухпорогового ком-
паратора на IC7, IC8. Величина этого «окна» (ширины средней зоны),
которая определяется величинами резисторов R25 - R29, составляет
±0,125 В. Индикатор (светодиод D3) зажигается, как только входное
напряжение компаратора выходит за пределы «окна». В сумме Кусил по
напряжению цепи усиления-детектирования составляет 13000.
Опорный сигнал обеспечивается схемой, представленной на рис. 6.17.
Элементы схем, изображенных на рис. 6.16 и 6.17 (измеритель
уровня жидкости):
• С1: 2,2 мкФ, 25 В, электролитический;
• С2: 4,7 нФ, пленочный;
• СЗ: 2,2 мкФ, 25 В, электролитический;
• С4: 47 нФ, пленочный;
• С5, С6: 1,5 мкФ, пленочный;
• С7, С8: 2,2 мкФ, 25 В, электролитический;
• С9, СЮ: 15 нФ, пленочный;
• СИ: 1 мкФ, 25 В, электролитический;
ИНДИКАТОР УРОВНЯ жидкости
133
• DI, D2: ВА 317 или 1N 4148;
• IC1, 2, 3: счетверенный операционный усилитель LM 324;
• IC4, IC5: операционный усилитель TL 091;
• IC6, 7, 8: счетверенный операционный усилитель TL 094;
• IC9, 10: сдвоенный операционный усилитель LM 358;
• R1: 56 кОм;
• R2: 10 кОм;
• R3: 2,7 кОм;
• R4, R5: 10 кОм;
• R6: 2,2 МОм;
• R7, R8: 10 кОм;
• R9: 220 кОм;
• R10, R11: 100 кОм;
• R12, R13: 10 кОм;
• R14, R16: подстроечный резистор 100 кОм;
• R15, R17: 1,5 кОм;
• R18, R19: 470 кОм;
• R20: подстроечный резистор 2 кОм;
• R21: 1 кОм;
• R22, R23: 10 МОм;
• R24: 100 кОм;
• R25: 27 кОм;
• R26: 5,6 кОм;
• R27: 2,7 кОм;
• R28: 5,6 кОм;
• R29: 27 кОм;
• R30: 120 Ом;
• R31: 390 Ом;
• TRI: BCY 71 или BCY 559;
• TR2: ВС 109 или ВС 549;
• TR3: BCY 71 или ВС 559;
• оптический датчик с открытым каналом или эквивалентная дис-
кретная цепь.
Оптопара состоит из светодиода ИК диапазона и фотодиода, управ-
ляющего усилителем, за которым следуют триггер Шмитта и выход-
ной каскад. Опорный сигнал с последнего поступает через резисторы
R12 и R13 на базы транзисторов TR2 и TR3. Существуют модули
134
ОПТИЧЕСКИЕ ОБНАРУЖИТЕЛИ ПАССИВНОГО ТИПА
(предлагаемые фирмой Radio Spares 304-560), объединяющие все
элементы, обведенные на рис. 6.17 штриховой линией. Тем не менее
сборка на дискретных элементах достаточно проста. ВО избежание
взаимного влияния рекомендуется обеспечить питание схем, изобра-
женных на рис. 6.16 и 6.17, от отдельных стабилизаторов с выходным
напряжением питания +6,5 В, а также иметь независимый источник пи-
тания мотора перфорированного диска.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды И К диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ Простой передатчик с прямой модуляцией 136 Приемник с прямой демодуляцией 138 Передатчик, управляемый от микрофона 139 Радиоретранслятор 140 Передатчик сигнала ИК диапазона на модулированной поднесущей 142 Приемник, настраиваемый с помощью активных фильтров 148 Приемник, настраиваемый с помощью пассивных фильтров 151 Проведение экспериментов 156
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 Дистанционное управление для аудио-и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
136
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
Для того чтобы передать речь или музыку при помощи излучения И К
диапазона, проще всего использовать амплитудную модуляцию. Од-
нако наилучшего качества передачи и большего радиуса действия
можно добиться посредством применения поднесущей. Она также мо-
жет модулироваться по амплитуде или по частоте. Первый вариант
будет рассмотрен в настоящей главе, второй - в главе 8.
Приложения варьируются от простого демонстрационного приспо-
собления до прибора, осуществляющего связь между двумя соседни-
ми зданиями. В последнем случае эффект направленности позволяет
достичь очень высокого уровня безопасности переговоров, исключаю-
щий прослушивание посторонними людьми. Существуют и другие
приложения с использованием более широкой диаграммы направлен-
ности. Например, передача звукового сопровождения телевизионного
(ТВ) приемника при беспроводной связи на наушники избавляет те-
лезрителя от посторонних шумов, а его домочадцев защищает от зву-
ков ТВ приемника, что особенно актуально в ночное время.
ПРОСТОЙ ПЕРЕДАТЧИК С ПРЯМОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Для осуществления модуляции излучения ИК диапазона достаточно
изменять силу тока излучающего диода в зависимости от звуковых
колебаний речи или музыки.
Рис. 7.1 показывает, что в этих целях следует регулировать с помо-
щью транзистора ток, который поступает на излучающий диод.
Элементы схемы, изображенной на рис. 7.1:
• R1: 2,2 кОм;
• R2: 3,3 кОм;
• R3: 15 кОм;
• R4: 33 Ом;
• транзистор 2N2219 или BSY82;
• диод ИК диапазона LD 271, CQY 37, CQW 89 В или аналогичные.
Для выполнения модуляции в схеме требуется входное напряже-
ние, равное приблизительно 1 Vefp Поскольку номинал входного
сопротивления составляет около 2,5 кОм, то в качестве источника мо-
дуляции может использоваться предусилитель распространенного
типа.
Если необходимо управлять только одним светодиодом, как
в случае, приведенном на рис. 7.1, то КПД излучателя остается весь-
ма низким, так как большая часть мощности, затрачиваемой на его
ПРОСТОЙ ПЕРЕДАТЧИК С ПРЯМОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
137
Можно управлять несколькими
последовательно включенными
светодиодами, см. рис. 7.2 и 7.3
Резистор
оптимизации
настройки
3,
R1 4'
2,2кП
Вход
1 Veff.
о---------
Рис. 7.1. Простейший передатчик
излучения ИК диапазона,
лучистый поток которого модулируется
акустическим сигналом
управление, рассеивается на резис-
торе R4.
Ситуацию можно исправить, ис-
пользуя несколько светодиодов,
включенных последовательно, как
показано на рис. 7.2.
Такое соединение может приме-
няться для светодиодов в металли-
ческом корпусе, при расчете на то,
что ток покоя равен 100 мА в отсут-
ствие модуляции. Однако более
экономичным может оказаться ис-
пользование большего числа диодов
в пластмассовом корпусе при токе
покоя 40 или 50 мА для последова-
тельно-параллельной схемы, представленной на рис. 7.3. Предпочти-
тельно применять типы светодиодов, которые отличаются достаточно
небольшой шириной диаграммы направленности (от 10° до 35°).
Подстроечный резистор R3 из схемы на рис. 7.1 позволяет опти-
мизировать работу излучателя.
Схема практически является транзисторным усилителем НЧ, в кол-
лекторной нагрузке которого светодиод последовательно соединен
с токоограничительным резистором. В отсутствие сигнала на входе
НЧ резистор R4 и светодиод (или свето-
диоды) временно заменяют резистором
на 39 Ом, 1 Вт и калибруют R3 таким
образом, чтобы на транзисторе между
коллектором и эмиттером выделилась
половина напряжения питания. Питание
может обеспечиваться батарейкой боль-
шой емкости или схемой, показанной на
рис. 7.4, которая также подходит для ни-
жеописанного приемника.
Элементы схемы, изображенной на
рис. 7.4:
• трансформатор напряжения питания 6 В, 0,4 А;
• выпрямитель (4xlN4001 или эквивалентный готовый мост);
• электролитический конденсатор на 3300 мкФ, 10 В.
Сбетодиод
QP* б металлическом
Сбетодиод
корпусе
к
П 27
• R4 И 20
Т 15
С 1
Ом
Ом
Ом
для
для
для
2 сбетодиодоб
3
Рис. 7.2. Мощность передачи
может быть увеличена
138
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
I CBemoguog
(WJj, 6 плостмоссобом
корпусе
1 R5=R6=56 Ом
R6 П для 2x2 сВетодиодоб
. Т 39 Ом для 2x3
|С 30 Ом для 2x4
4X1N4001
или подобные,
I
По направлению
к схеме
передачи
и/или приема
________f
Рис. 7.4. Питание для схем передачи
и приема с обычной модуляцией
Рис. 7.3. Последовательно-параллельная
схема для диодов ИК диапазона
в пластмассовом корпусе
ПРИЕМНИК С ПРЯМОЙ ДЕМОДУЛЯЦИЕЙ
Чтобы принять сигнал от передатчика, изображенного на рис. 7.1, до-
статочно иметь фототранзистор, преобразующий колебания вход-
ного лучистого потока в электрические колебания, а для того, чтобы
сделать слышимым сигнал, переданный через небольшой громкогово-
ритель, нужны два каскада усиления. На рис. 7.5 показана схема при-
емника, изготовленного по этому принципу. Радиус действия всего
устройства составляет 3-10 м при использовании лишь одного све-
тодиода в схеме передатчика.
Элементы схемы, изображенной на рис. 7.5:
• С1: 68 пФ (не имеет смысла использовать с фототранзистором
без соединения с его базой);
• С2: 200 нФ, танталовый (или 220 нФ, пленочный);
• СЗ: 22 мкФ, 10 В, электролитический;
• С4: 1 МкФ, 15 В, электролитический;
• С5: 22 нФ, пленочный или керамический;
• R1: 10 МОм;
• R2: 680 кОм;
• R3: 4,7 МОм;
• R4: 1 кОм;
• R5: 8,2 кОм;
• Т1: фототранзистор BPW 77, ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или
эквивалентные им;
• Т2: ВС 548 В или ВС 238 В;
• ТЗ: 2 N 2219, 2 N 1711, ВС 140-16, ВС211 или ВС 635;
• громкоговоритель с входным сопротивлением от 40 до 100 Ом.
Во время монтажа следует обратить внимание на то, чтобы фото-
транзистор не был направлен к окну, так как падающий на него свет
ПЕРЕДАТЧИК, УПРАВЛЯЕМЫЙ ОТ МИКРОФОНА
139
С1
68pF
i/A 6...8V
Питание
Рис. 7.5. Приемник излучения ИК диапазона, модулированного акустическим сигналом
вызовет постоянную засветку. Лампа освещения является источни-
ком еще более сильных помех, потому что, с одной стороны, макси-
мум ее спектра приходится точно на область И К диапазона, а с дру-
гой - к этому ведет модуляция света по сети питания* (100 Гц).
Снижение помех, вызванных постоянным внешним источником све-
та, обеспечивает конденсатор С1, дополнительно подключенный
к базе фототранзистора.
Для оптимизации приема схема приемника содержит подстроеч-
ный резистор R6, который регулируется таким образом, чтобы в ре-
жиме покоя измеряемое постоянное напряжение на выводах громко-
говорителя было приблизительно равно 1/3 напряжения питания.
В качестве источника питания можно использовать либо батарейки,
либо схему, приведенную на рис. 7.4, которая обеспечивает мощность,
достаточную для одновременного питания передатчика и приемника
в случае необходимости.
ПЕРЕДАТЧИК, УПРАВЛЯЕМЫЙ ОТ МИКРОФОНА
Использование передатчика (излучателя), представленного на рис. 7.1,
удобно только в том случае, если имеется в наличии предусилитель,
обеспечивающий на своем выходе напряжение приблизительно в 1 В.
Если такой предусилитель включить в передатчик, получается схе-
ма, приведенная на рис. 7.6. Для модуляции излучения ИК диапазо-
на требуется напряжение в пределах от 5 до 10 мВ.
Такой тип передатчика особенно подходит к микрофону с низким
(около 1 кОм) сопротивлением, например, электродинамического типа.
Для передатчика, изображенного на рис. 7.7, упомянутое входное
сопротивление составит более 100 кОм. В этом случае подойдет мик-
рофон электретного типа, где в качестве предусилителя может быть
140
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
Рис. 7.6. Передатчик с одним каскадом предусиления
Рис. 7.7. Схема передатчика с предусилителем НЧ на интегральной схеме
использована интегральная схема ОУ. При настройке действуют так
же, как и при использовании передатчика, представленного на рис. 7.1.
Подключение нескольких светодиодов, показанное на рис. 7.2 и 7.3,
возможно также и для схем, приведенных на рис. 7.6 и 7.7 (см. следу-
ющий раздел).
РАДИОРЕТРАНСЛЯТОР
Для того чтобы получить простое и вместе с тем постоянно функцио-
нирующее демонстрационное устройство, можно скомбинировать пе-
редатчик излучения ИК диапазона с небольшим приемником радио-
передач, принимающим одну местную радиостанцию.
Элементы схемы, изображенной на рис. 7.6:
• пленочный конденсатор: 1 нФ;
• электролитический конденсатор: 47 мкФ и 4,7 мкФ, 10 В;
РАДИОРЕТРАНСЛЯТОР 14±
• резисторы: 33 Ом (1 Вт), 470 Ом, 2,2 кОм, 3,3 кОм, 220 кОм;
• подстроечный резистор: 15 кОм;
• транзисторы: ВС 548 В (или ВС 238 В), 2 N 2219 (или ВС 140-16);
• диод ИК диапазона LD 271, CQY 37, 89 В или эквивалентные.
Элементы схемы, изображенной на рис. 7.7:
• пленочный конденсатор: 33 нФ;
• электролитические конденсаторы: 2x4,7 мкФ, 10 В;
• резисторы: 33 Ом (1 Вт), 1 кОм, 1,5 кОм, 56 кОм, 270 кОм,
330 кОм;
• подстроечные резисторы: 6,8 кОм и 220 кОм;
• транзистор: 2 N 2219 (или ВС 140-16);
• операционный усилитель рА 741 или TL 081;
• диоды ИК диапазона LD 271, CQY 37, 89 В или эквивалентные.
Л
Из рис. 7.8 видно, что для выполнения функций приема и переда-
чи достаточно трех транзисторов.
В качестве антенны можно использовать ферритовый стержень,
который настраивается при помощи переменного конденсатора на
наиболее мощную местную станцию. Допускается взять оба элемен-
та неработающего приемника. При желании можно самостоятельно
выполнить обмотку ферритового стержня диаметром 10 мм и длиной
10-20 см, для чего следует намотать 60 витков в один слой. Емкость
переменного конденсатора должна быть 200-300 пФ. Для намотки
применяется проволока, состоящая из 20 нитей в шелковой оболочке,
диаметром 0,05 мм каждая. Эти рекомендации относятся только
к диапазону средних и коротких волн, а при работе на длинных вол-
нах указанное число витков необходимо умножить на 3,2.
Приведенные выше рекомендации справедливы и для настройки,
и для использования нескольких светодиодов, и для выбора опти-
мального режима питания.
Поскольку схема ретрансляции не содержит регулировки звука, то
выйти из этого положения можно либо с помощью ориентации ан-
тенны, либо с помощью настройки переменного конденсатора для
оптимизации КПД передачи.
По мере приближения к оптимальной настройке на радиопередат-
чик увеличивается степень модуляции излучателя. Увеличение при
этом модуляции светового потока приводит к увеличению сигнала
приемника ИК диапазона. Однако, начиная с некоторого предела,
существует риск возникновения перемодуляции сигнала передатчи-
ка, что приведет к малоприятному искажению последнего.
142
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
Рис. 7.8. Схема приемника местной радиостанции
и передатчика модулированного излучения ИК диапазона
Элементы схемы, изображенной на рис. 7.8:
• ферритовая антенна с переменным конденсатором;
• танталовый конденсатор: 2x200 нФ (или 2x220 нФ, пленочный);
• электролитические конденсаторы: 4,7 мкФ, 22 мкФ и 47 мкФ,
10 В;
• пленочные конденсаторы: 1 нФ и 4,7 нФ;
• диод: 1N4148 или эквивалентный;
• резисторы: 33 Ом (1 Вт), 270 Ом, 470 Ом, 2,2 кОм, 3,3 кОм, 47 кОм,
220 кОм, 1 МОм;
• подстроечный резистор: 15 кОм;
• транзисторы: BF 594 (или BF 254), ВС 548 В (или ВС 238 В),
2N2219 (или ВС140-16, ВС635, BSY82);
• диод* И К диапазона LD 271, CQY 37,89 В или эквивалентные.
Как и в предыдущем случае, при условии очень точной ориента-
ции можно получить дальность действия между приемником, изоб-
раженным на рис. 7.5, и передатчиком, приведенным на рис. 7.8, от
3 до 10 м. Чтобы помехи не достигли допустимого предела, дальность
действия можно увеличить, если использовать наушники, по крайней
мере, во время работы приемника при относительно низком уровне
мешающего освещения.
ПЕРЕДАТЧИК НА МОДУЛИРОВАННОЙ ПОДНЕСУЩЕЙ
В целях уменьшения вышеперечисленных помех можно прибегнуть
к двойной модуляции. Сначала модулируют поднесущую (приблизи-
тельно 50 кГц) передаваемым сигналом, а затем используют ее для
ПЕРЕДАТЧИК НА МОДУЛИРОВАННОЙ ПОДНЕСУЩЕЙ 143
модуляции излучения светодиодов. На рис. 7.9 показан первый ва-
риант такого передатчика (входное напряжение 0,5 В).
Элементы схемы, изображенной на рис. 7.9:
• С1: 100 нФ, пленочный;
• С2: 470 нФ, 25 В, электролитический или танталовый;
• СЗ: 22 мкФ, 20 В, электролитический;
• С4: 10 нФ, пленочный или керамический;
• С5:1 нФ, пленочный;
• С6: 4,7 мкФ, 20 В, электролитический;
• DI, D2: 1N4148 или эквивалентные им;
• R1: логарифмический потенциометр на 100 кОм;
• R2: 1 МОм, подстроечный;
• R3: 330 кОм;
• R4: 120 кОм;
• R5: 8,2 кОм;
• R6: 1 кОм;
• R7: 470 Ом;
• R8: 1,8 кОм;
• R9: зависит от числа светодиодов (см. текст);
• R10: 6,8 кОм;
• R11: 6,8 кОм, подстроечный;
• R12: 470 Ом;
• R13: 560 Ом;
• Tl, Т2: ВС548В или ВС238В;
• ТЗ: 2N2197 или ВС 140-16 с радиатором-клипсой;
• интегральная схема: NE 555;
Рис. 7.9. Передатчик, работающий при модуляции излучения ИК диапазона
с помощью поднесущей, которая, в свою очередь, модулирована акустическим сигналом
144 ПЕРЕДАЧА А УДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
• диода ИК диапазона: LD 271, CQY 37, CQW 89 В или эквива-
лентные.
Для получения высокой стабильности частоты поднесущей приме-
няется интегральная схема NE 555Р, которая вырабатывает прямо-
угольные импульсы. Они используются для прерывания (через дио-
ды DI, D2) сигнала НЧ, поступающего на базу транзистора ТЗ, после
усиления транзисторами Tl, Т2.
Таким образом может быть получена очень высокая линейность,
исключающая перемодуляцию, если в качестве Т2 использовать ста-
бильный по частоте транзистор, способный вместе с тем работать
в линейном режиме при пиковом значении тока коллектора 400 мА.
Это соответствует четырехкратному току покоя 100 мА, полученно-
му посредством прерываний при скважности импульсов поднесущей,
равной 4.
Кроме транзисторов типа 2N2197, существует множество других
«мезатранзисторов» средней мощности, пригодных для использования
в экспериментах. Очень хорошо работают даже старые типы, например
74ТЗ. Однако в данном случае нельзя использовать маломощный тран-
зистор НЧ в пластмассовом корпусе.
Для подстройки частоты поднесущей передатчик содержит резис-
тор Rl 1, который позволяет осуществлять настройку на частоту при-
емника. Кроме настройки входного уровня громкости, осуществля-
емой с помощью резистора R1, предусмотрена оптимизация выбора
средней рабочей точки с помощью резистора R2. Сначала его сопро-
тивление устанавливают максимальным, а во время проведения экс-
перимента^ изменяют таким образом, чтобы получить максимальную
громкость.
Номинал резистора R9 зависит от числа светодиодов, последова-
тельно соединенных с ним. Если используется один светодиод, эта
величина составит 33 Ом. При добавлении каждого нового светодио-
да она будет уменьшаться на 3,5 Ом. Всего может быть подключено
до семи диодов.
На рис. 7.10 показан второй вариант схемы передатчика. Здесь
низкочастотный вход приблизительно в десять раз чувствительнее,
что обусловлено использованием встроенного усилителя. Коэффици-
ент усйления последнего пропорционален номиналу резистора R5,
и его можно увеличить еще в пять раз, если использовать R5 = 1,5 МОм.
Обоим типам передатчиков не требуется идеально отфильтрован-
ного напряжения питания, если только они не являются очень требо-
вательными с точки зрения остаточной пульсации. Схемы питания,
ПЕРЕДАТЧИК НА МОДУЛИРОВАННОЙ ПОДНЕСУЩЕЙ
145
Рис. 7.10. Вариант построения передатчика с усилителем НЧ сигнала. Схема может
использоваться для передачи радиосигналов на наушники
изображенной на рис. 7.11, должно быть достаточно для предполага-
емой области применения.
Элементы схемы, изображенной на рис. 7.11 (питание для передат-
чика амплитудно-модулированного сигнала):
• трансформатор напряжения питания: 12 В, О,ЗА;
• выпрямитель (4xlN4001 или эквивалентный ему готовый мост);
• электролитический конденсатор: 2200 мкФ, 16 В.
На рис. 7.12 приведена печатная плата, предназначенная для мон-
тажа передатчика, схема которого представлена на рис. 7.10, и схемы
питания, изображенной на рис. 7.11. Эта плата может быть размеще-
на в корпусе типа Teko Р/2 при условии, что фильтрующий конден-
сатор С8 закрепляется на стороне печати. Если выбрать модель хоро-
шего качества на 3,5 ВА, то в подобном корпусе будет достаточно
места и для трансформатора, который вызывает достаточно слабое
нагревание. В этом случае нет необходимости снабжать корпус от-
верстиями для обеспечения его вентиляцией. На металлической
стороне корпуса можно предусмот-
реть коннектор, который соединяют
с помощью провода с усилителем мо-
дулированных сигналов, предназна-
ченных для передачи.
Внешний вид платы с установлен-
ными элементами передатчика ампли-
тудно-модулированных сигналоь дан
на рис. 7.13.
Рис. 7.11. Схема питания
для передатчиков,
представленных на рис. 7.9 и 7.10
10-637
146 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
Элементы схем, изображенных на рис. 7.10 и 7.12 (передатчик ам-
плитудно-модулированного сигнала, входное напряжение 50 мВ):
• Cl, С2: 100 нФ, пленочный;
• СЗ: 1 мкФ, 20 В, электролитический;
• С4: 2,2 мкФ, 20 В, электролитический;
• С5: 10 нФ, пленочный;
• С6: 1 нФ, пленочный;
• СТ. 4,7 мкФ;
• DI, D2; 1N4148 или эквивалентные им;
• R1: логарифмический потенциометр на 100 кОм;
• R2: 470 кОм, подстроечный;
• R3: 270 кОм;
• R4: 330 кОм;
106
Led +С8
-С8
Рис. 7.12. Печатная плата передатчика, представленного на рис. 7.10.
Фильтрующий конденсатор С8 размещается на стороне печати платы
ПЕРЕДАТЧИК НА МОДУЛИРОВАННОЙ ПОДНЕСУЩЕЙ
147
• R5: 270 кОм;
• R6: 4,7 кОм;
• R7: 1,8 кОм;
• R8: 1,8 кОм, сопротивление зависит от числа светодиодов (см.
текст);
• R9: 6,8 кОм;
• R10: 6,8 кОм, подстроечный;
• R11:470 Om;
• R12: 560 Ом;
• Tl: ВС548В или ВС238В;
• Т2: 2N2197 или ВС 140-16 с радиаторюм-клипсой;
• интегральная схема: NE 555;
• операционный усилитель цА741 или TL081CP;
• диод(ы) ИК диапазона: LD 271, CQY 37, CQW 89 В или эквива-
лентные.
Таким образом, коннектор можно подключить также к входу «зву-
ковое сопровождение» телевизора. Передающее устройство (передат-
чик и приемник) позволяет слышать звук от телевизора на расстоя-
нии с помощью наушников, что может быть очень удобно в шумном
помещении. Для такого приложения достаточно всего лишь один раз
настроить уровень входной громкости, a R1 может быть представлен
потенциометром, недосягаемым извне, как показано на схеме разме-
щения элементов.
Для проведения эксперимента предпочтительно поместить пару
люминесцентных диодов на двух жестких проводах, выступающих из
Рис. 7.13. Внешний вид платы с элементами передатчика
амплитудно-модулированного сигнала
148
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
корпуса, которые можно сгибать в соответствии с желаемой ориента-
цией. После определения оптимальной ориентации можно располо-
жить диоды на одной стороне корпуса.
ПРИЕМНИК, НАСТРАИВАЕМЫЙ
С ПОМОЩЬЮ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
Для приема сигнала от передатчика, работающего на модулирован-
ной поднесущей, очень удобно использовать активный фильтр, по-
скольку он заменяет фильтр на катушках индуктивностей.
На рис. 7.14 показана схема такого приемника.
С помощью фототранзистора Т1 полученное излучение преобразу-
ется в электрические сигналы. При желании зарегистрировать отраже-
ния от потолка и стен комнаты лучше всего использовать фототранзи-
стор с широкой диаграммой направленности. При таких условиях
работы дальность действия будет значительно меньше, чем в случае на-
правленной связи, где излучатель и приемник оптопары ориентирова-
ны навстречу друг другу. Еще более высокий КПД можно получить,
если перед фототранзистором поместить линзу. Поскольку концентра-
ция принимаемого излучения осуществляется за счет фототранзисто-
ра, снабженного линзой, то можно использовать модель с широким
угловым полем с тем же успехом, что и более направленную.
Активный фильтр приемника, представленного на рис. 7.14, состо-
ит из Сдвоенного операционного усилителя TL082CP, на входе кото-
рого стоит полевой транзистор для согласования сопротивлений.
ОУ TL082CP также обладает более высокими частотными харак-
теристиками, чем ОУ цА741. Однако активный фильтр не имеет ав-
томатической регулировки усиления (АРУ), что приводит к необхо-
димости размещать элемент этой регулировки (транзистор Т2) перед
фильтром, чтобы не перемодулировать последний в случае приема
сильных сигналов. Расположение, при котором сначала происходит
усиление, а затем селекция, чревато опасностью возникновения пере-
крестной модуляции, вызываемой помехами с частотой 100 Гц (лам-
пы освещения), которые могут быть случайно перехвачены фото-
транзистором.
Элементы схемы, изображенной на рис. 7.14 (приемник амплитуд-
но-модулированных сигналов с использованием активного фильтра):
• конденсаторы пленочные: 330 пФ, 2x470 пФ, 1 нФ, 10 нФ, 22 нФ;
• конденсаторы электролитические на 20 В: 2,2 мкФ, 4,7 мкФ,
3x22 мкФ, 68 мкФ;
ПРИЕМНИК, НАСТРАИВАЕМЫЙ С ПОМОЩЬЮ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
149
Рис. 7.14. Приемник для излучения ИК диапазона, модулированного поднесущей
150
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
• конденсаторы стирофлексные (±2%): 4x360 пФ;
• диоды: 3x1 N 4148;
• потенциометр логарифмический: 100 кОм;
• резисторы ±2%: 2x6,8 кОм, 2x7,5 кОм, 5x10 кОм;
• резисторы ±5%: 120 кОм, 1,8 кОм, 4,7 кОм, 3x10 кОм, 39 кОм,
2x150 кОм, 2x1 МОм;
• Т1: фототранзисторы ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или эквива-
лентные;
• Т2: ВР 594 или НЧ 254;
• ТЗ: ВС 558 А или ВС 308 А;
• Т4, Т5: ВС 548 А или ВС 238 А;
• Тб: ВС 558 А или ВС 308 А;
• сдвоенный операционный усилитель: TL 082 СР;
• сдвоенный прерыватель напряжения питания.
Таким образом, приемник на активных фильтрах значительно бо-
лее чувствителен к подобного рода помехам, чем приемник на пассив-
ных фильтрах, который будет описан ниже.
Активные фильтры требуют использования двенадцати прецизион-
ных элементов (допуск 2% или выше), отмеченных на схеме звездоч-
ками. На самом деле, абсолютная точность имеет не столь большое
значение, то есть можно без труда использовать четыре конденсатора
по 380 пФ, например при условии, что все они имеют один и тот же
номинал с точностью до 2%. Если в наличии имеются прецизионные
элементы, близкие по значению, можно произвести перерасчет фильт-
ров, учитывая, что частота первого задается формулой ft = 1 / (2tcCR1),
второго f2 = 1 / (2ttCR2), а разность между двумя частотами должна
составлять около 6 кГц, и эти частоты должны располагаться в диа-
пазоне между 40 и 70 кГц. Если принять величины, указанные на
рис. 7.14, то частоты настройки составят приблизительно 65 и 59 кГц.
Потенциометры R3 позволяют провести подстройку избирательнос-
ти фильтра. Настройка осуществляется путем подключения ВЧ Гене-
ратора между землей и эмиттером транзистора Т1, а также милливоль-
тметра переменного тока между землей и выходом 1 интегральной
схемы ОУ. Временно соединяя контур АРУ с минусом источника пи-
тания и следя при этом, чтобы напряжение на выходе оставалось все-
гда ниже Veff, калибровкой постепенно осуществляют настройку двух.
потенциометров R3. При этом необходимо получить частотную ха-
рактеристику (выходное напряжение в зависимости от частоты),
близкую к изображенной на рис. 7.15.
ПРИЕМНИК, НАСТРАИВАЕМЫЙ С ПОМОЩЬЮ ПАССИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
151
Частота передатчика должна на-
страиваться на центр этой полосы
пропускания, чего можно добиться
и на слух, подбирая ее по максиму-
му громкости звука.
В схеме, приведенной на рис. 7.14,
после цепи демодуляции (диоды D1,
D2) стоит усилитель НЧ с дополни-
тельной симметрией (транзисторы
с ТЗ до Тб). Такой модели усилите-
Рис. 7.15. Кривая частотной
характеристики фильтра приемника,
представленного на рис. 7.14
ля было отдано предпочтение не для достижения высокой точности
(осуществление которой было бы слишком дорого при таком спосо-
бе передачи), а исключительно для сведения к минимуму потребле-
ния энергии в режиме покоя. Источником питания (+9 В) приемни-
ка на рис. 7.14 являются две батарейки по 4,5 В.
Эксперименты с приемником на активных фильтрах, проведенные
в форме «навесной» схемы, позволили получить превосходную чув-
ствительность, хорошую стабильность и внутреннюю реакцию, кото-
рой можно пренебречь, так как расположение элементов совершенно
не кажется критическим. Однако поскольку иногда мешают помехи
на 100 Гц, а настройка фильтра требует высокого уровня профессио-
нализма, лучше рекомендовать такой приемник только тем, кто спо-
собен разработать схему размещения Самостоятельно.
ПРИЕМНИК, НАСТРАИВАЕМЫЙ
С ПОМОЩЬЮ ПАССИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
Приемник, схема которого изображена на рис. 7.16, а внешний вид
приведен на рис. 7.17, требует только настройки передатчика (R11,
рис. 7.9, или R10, рис. 7.10) на среднюю частоту полосы пропускания.
Для рис. 7.15 она составит (59 + 65) / 2 = 62 кГц.
Кроме того, ему необходимо только два прецизионных элемента,
СЗ и С6, номиналы которых должны различаться максимум на 2%.
Такой номинал должен лежать в диапазоне между 2 и 2,4 нФ при
условии, что используются конденсаторы пленочного, а не керами-
ческого типа. Для катушек можно достичь достаточной точности, ис-
пользуя ферритовые стержни с удельной индуктивностью AL - 250,
на которые наматывается 128 витков покрытой эмалью проволоки
диаметром от 0,12 до 0,15 мм (с отводом на 35 витке) для катушки ин-
дуктивности L1, и 115 витков для катушки L2. В макете использовались
152
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
Рис. 7.16. Для приемника на пассивных фильтрах, представленного на рис. 7.14,
не требуется никакой настройки
ПРИЕМНИК, НАСТРАИВАЕМЫЙ С ПОМОЩЬЮ ПАССИВНЫХ ФИЛЬТРОВ
153
Рис. 7.17. Внешний вид приемника модулированного излучения
катушки производства фирмы Siemens, 14/8, материал N28, хотя при-
годны и катушки других моделей, в частности, большие, при условии,
что схема размещения элементов, приведенная на рис. 7.18, будет
соответствующим образом модифицирована. Если величина AL, ука-
занная на них, будет отличаться от 250, то достаточно будет изменить
число витков, зная, что последнее обратно пропорционально корню
квадратному из числа AL.
Частоты настройки (53 и 59 кГц для экспериментального макета)
могут быть изменены при сохранении разницы между ними в 6 кГц.
Что касается применяемого фототранзистора, то на него распро-
страняются приведенные выше требования. Из схемы видно, что эмит-
тер этого фототранзистора соединен непосредственно с выводом L1.
Элементы схем, изображенных на рис. 7.16 и 7.18 (приемник амп-
литудно-модулированного сигнала на пассивных фильтрах):
• С1: 2,2 мкФ, 10 В, электролитический;
• С2: 220 пФ, керамический;
• СЗ: 2,2 нФ (±2%), стирофлексный;
• С4: 470 нФ, 20 В, электролитический;
• С5: 4,7 нФ, керамический или пленочный;
• С6: 2,2 нФ (±2%), стирофлексный;
• С7: 4,7 нФ, керамический или пленочный;
• С8: 280 пФ, керамический или пленочный;
• С9: 100 нФ, танталовый (или пленочный);
• СЮ: 220 нФ, керамический;
154
ПЕРЕДА ЧА А УДИОЧАСЮТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
100
Рис. 7.18. Печатная плата приемника, приведенного на рис. 7.16,
может быть размещена вместе с батарейкой питания в корпусе Teko Р/2
• СИ: 22 нФ, керамический или пленочный;
• С12: 27 пФ, керамический;
• С13: 4,7 мкФ, электролитический или танталовый;
• С14, С15: 2 мкФ, электролитический;
• DI, D2, D3: 1N4148;
• L1: 4,1 мГн, 35 + 93 витка, проволока с эмалевым покрытием,
диаметром от 0,12 до 0,15 мм, на ферритовом стержне 14/8 мм,
материал N28 или эквивалентный;
ПРИЕМНИК, НАСТРАИВАЕМЫЙ С ПОМОЩЬЮ ПАССИВНЫХ ФИЛЬТРОВ 155
• L2: 3,3 мГн, 115 витков, проволока с эмалевым покрытием, диа-
метром от 0,12 до 0,15 мм, на ферритовом стержне 14/8 мм, ма-
териал N28 или эквивалентный ему;
• Р: логарифмический потенциометр 100 кОм;
• Rl, R2: 27 кОм;
• R3, R4: 4,7 МОм;
• R5: 3,3 кОм;
• R6: 330 Ом;
• R7: 330 кОм;
• R8: 1 МОм;
• R9: 330 кОм;
• R10: 68 кОм;
• R11:100 кОм;
• R12: 1 МОм;
• R13: 330 кОм;
• R14: 820 кОм;
• R15: 150 кОм;
• R16: 1,8 кОм;
• R17, R18: 10 кОм;
• Т1: фототранзисторы ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или эквива-
лентные им;
• Т2: ВС 548 В или ВС 238 В;
• ТЗ, Т4: НЧ 594 В или НЧ 194 В;
• Т5: ВС 558 А или ВС 308 А;
• Тб, Т7: ВС 548 А или ВС 238 А;
• Т8: ВС 558 А или ВС 308 А;
• наушники на 100-600 Ом.
Таким образом, все помехи частотой 100 Гц (от лампочек освеще-
ния) оказываются подавленными при помощи низкого сопротивле-
ния катушки, начиная от входа схемы. Хотя расположение аппарата
в непосредственной близости от упомянутой лампочки и вызовет
шум «падающей воды», как и любое постоянное освещение (напри-
мер, дневной свет), это уже не будет «грохот» 100 Гц, который в по-
добной ситуации воспроизводился бы приемником, представленным
на рис. 7.14.
Усилитель НЧ идентичен показанному на рис. 7.14. Для обеспече-
ния напряжения питания достаточно одной батарейки на 4,5 В. По-
требление тока в режиме покоя составляет не больше 1,5 мА, то есть
в три-четыре раза меньше, чем в случае применения приемника на
156
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
активных фильтрах. При таких условиях работы одной батарейкой
можно пользоваться в течение нескольких месяцев, даже если забы-
вать иногда выключать приемник.
Печатная плата, представленная на рис. 7.18, была разработала для
корпуса Teko Р/2, на дне которого размещают плоскую батарейку на
4,5 В. При этом для размещения платы уже нельзя использовать пазы
на корпусе.
Следовательно, ее надо закрепить параллельно передней стороне
корпуса с помощью двух винтов. Такой способ крепления, кроме все-
го прочего, облегчает соединение с потенциометром и входом наушни-
ков. Для проведения первых экспериментов предпочтительно оставить
фототранзистор выступающим из корпуса, чтобы его легко можно
было ориентировать, сгибая выводы.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Результаты экспериментов во многом зависят от оптимизации пере-
датчика. Для передатчиков, представленных на рис. 7.1, 7.6, 7.7 и 7.8,
оптимизация очень проста, так как она основывается на измерении
постоянного напряжения. Помимо оптимизации, передатчики на
поднесущей (рис. 7.9 и 7.10) имеют также настройку по частоте. Пер-
вая из этих схем работает как кнопка настройки приемника, так что
можно с легкостью провести регулировку на слух. Вторая - позволя-
ет достичь наилучшего компромисса между мощностью и предельно
допустимым искажением, то есть ее выполняют таким образом, что-
бы добиться наиболее четкого и мощного звучания.
Естественно, этого можно достичь только в том случае, если осу-
ществить преднамеренную перемодуляцию передатчика при помощи
более высокого входного напряжения. Для этого следует плавно воз-
действовать на вход (R1), чтобы несколько вывести его за уровень
предельно допустимого искажения, после того как все остальные ре-
гулируемые элементы уже правильно настроены.
Оптимальные условия передачи достигаются, когда работа ведет-
ся по прямой связи, без отражения, на расстоянии нескольких мет-
ров, а излучатель и приемник выставлены точно один напротив дру-
гого.
Таким образом, можно констатировать, что метод обработки сигна-
ла приемника с помощью поднесущей позволяет достичь большего
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
157
радиуса действия, чем при прямой модуляции. Однако это преиму-
щество кажется менее значительным, чем сложность схемы на под-
несущей. Из этого можно сделать вывод, что более эффектив-
ный метод вызывает еще большую сложность в схемотехнике и на-
стройке.
Поскольку КПД отраженного света зависит от состояния отража-
ющей поверхности, передача при помощи отражения (например, от
потолка) часто бывает ненадежной. Однако оценить это состояние на
основании впечатления, которое оставляет отражение видимого све-
та, невозможно. Действительно, излучение ИК диапазона может по-
вести себя совсем по-другому. В принципе, можно косвенно оценить
КПД приемника, представленного на рис. 7.14, как более высокий,
чем у приемника, изображенного на рис. 7.10, по более высокой чув-
ствительности.
Однако высокая чувствительность распространяется как на по-
лезный сигнал, так и на помехи от окружающего освещения, так что
ее преимущества можно по-настоящему использовать только в су-
мерках.
При прямой связи существенной^ увеличения радиуса действия
можно добиться, если увеличить «приемную антенну» или, точнее,
площадь принимающей поверхности. Рис. 7.19 показывает, что для
этого достаточно поставить перед фототранзистором линзу. С помо-
щью установки простой лупы диаметром 5-8 см можно увеличить
дальности действия до 10 м и более, хотя при этом требуется высоко-
точная ориентация.
Кроме того, как показано на рис. 7.20, при применении параболи-
ческого отражателя потребуется использование фототранзистора
с большим угловым полем, который необходимо будет сориентировать
внутрь рефлектора карманного фонарика или фары от автомобиля.
Для определения оптимального рас-
положения фототранзистора можно
временно заменить его светодиодом
диапазона видимого света, который раз-
мещается таким образом, чтобы свет
от него отражался от максимально воз-
можной поверхности отражателя. Тог-
да последний будет виден на большом
расстоянии.
Рис. 7.19. Усиление эффекта
направленности
фотополупроводника
158 •
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ AM ИЗЛУЧЕНИЯ
Рис. 7.20. Использование
параболического отражателя
для концентрации излучения
Аналогично при передаче с использо-
ванием только одного диода, снабженно-
го линзой, помещенной в параболичес-
кий отражатель, можно достичь КПД,
который равен получаемому при исполь-
зовании нескольких излучающих диодов
ИК диапазона. В этом случае также сле-
дует использовать отражатель с широкой
диаграммой направленности.
Естественно, чем большее излучение
концентрируется с помощью линз или
отражателей, тем более точная требуется
ориентация. Но создаваемое при этом пре-
имущество заключается не только в боль-
шем радиусе действия, но и в «скрытой» связи, так как сигнал может
быть получен только тем лицом, которому предназначался.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды И К диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения 135
8 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧМ Особенности частотной модуляции 160 Принцип действия передатчика 162 Предусилитель в схеме передатчика 162 Частотный модулятор 164 Выходной каскад и каскад питания 165 Принцип действия ЧМ приемника 168 ' Фотодиод с активной нагрузкой 170 Избирательный усилитель 170 Демодуляция ЧМ сигнала посредством фазовой цепи 171 НЧ усилители приемника 172 Исполнение схемы приемника 174 Проведение экспериментов 176
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
160 ПЕРЕДА ЧА А УДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Схемы, рассмотренные в предыдущей главе, основаны на принципе
амплитудной йодуляции для передачи информации или сигналов
(речи или музыки). Как было показано, этот метод состоит в измене-
нии амплитуды, то есть силы света (прямого излучения или подне-
сущей), происходящем с большей или меньшей скоростью в зависи-
мости от частоты передаваемого сигнала (низкие или высокие звуки)
и с большей или меньшей глубиной в зависимости от громкости это-
го сигнала.
Для переноса звуковых сигналов при радиопередаче ВЧ сигнала-
ми радиовещательной радиостанции используется хорошо знакомый
радиолюбителям метод частотной модуляции. Такой вид модуляции
более сложно реализовать, но при некоторых условиях он дает луч-
шие результаты, например в отношении линейной характеристики
передачи и защиты от помех.
ОСОБЕННОСТИ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Как следует из названия, частотная модуляция (ЧМ) состоит в том,
чтобы заставить сигнал, то есть передаваемую информацию, воздей-
ствовать уже не на амплитуду, а на частоту несущей или поднесущей.
В результате этого возникают колебания частоты, скорость которых
тем выше, чем выше частота сигнала, и с размахом тем более значи-
мым, чем сильнее громкость сигнала. Под размахом понимают пре-
делы колебаний частоты в килогерцах. Поскольку не представляется
возможным эффективно воздействовать на частоту или на длину вол-
ны излучения диода И К диапазона, следует прибегнуть к помощи
поднесущей. В нижеописанной схеме частота покоя поднесущей, со-
ставляющая приблизительно 50 кГц, воздействует на несущую (на
излучение И К диапазона) посредством импульсов, которые анало-
гичны используемым при амплитудной модуляции.
Это означает, что несущая прерывается с частотой поднесущей, мо-
дулированной звуковой частотой с максимальным размахом ±20 кГц.
Таким образом, частота поднесущей может изменяться в пределах
между 50 - 20 = 30 и 50 + 20 = 70 кГц.
При приеме необходимо учитывать исключительно частотные ко-
лебания, а не амплитудные. Поскольку помехи (шумы) проявляют-
ся в основном в виде амплитудных колебаний, они не влияют на час-
тотную модуляцию. Таким образом можно добиться значительного
улучшения качества передачи.
ОСОБЕННОСТИ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ/6/
Однако такое улучшение не является безусловным. Рис. 8.1 иллю-
стрирует сравнение - неизбежно субъективное, а потому лишь при-
близительное - амплитудной (AM) и частотной (FM) модуляций.
В то время как качество связи первой кривой (AM) понижается
более или менее плавно в зависимости от расстояния между передат-
чиком и приемником, вторая кривая (FM) демонстрирует, при про-
чих равных условиях, значительно более высокое качество связи на
малых и средних расстояниях.
Можно расширить пределы «рентабельности» частотной модуляции,
если доработать схему, то есть усложнить ее. В этом смысле важно ис-
следовать различные шумовые характеристики двух типов модуляции.
В условиях приема, соответствующих точке пересечения кривых
AM и FM на графике, приведенном на рис. 8.2, мощность шума от
помех в обоих случаях одинакова.
Дело обстоит иначе, когда речь идет о спектральной характерис-
тике этого шума. Рис. 8.2 показывает, что при амплитудной модуля-
ции наблюдается «белый шум», то есть сбалансированная смесь всех
частот, входящих в диапазон акустических волн.
Напротив, остаточный шум частотной модуляции имеет гораздо
более высокое звучание, так как в нем преобладают высокие частоты.
Анализируя такой шум с помощью узкополосного фильтра, перестра-
иваемого по частоте, можно заметить, что амплитуда шума пропор-
циональна частоте.
Значительно улучшить качество приема можно, вводя предыска-
жения с помощью низкочастотного фильтра, то есть путем ослабления
высоких частот, которое также перенесется и на полезный сигнал, что
Расстояние передатчик—приемник
Рис. 8.1. Сравнение AM и FM
модуляций
Распределение по частотам
Рис. 8.2. Спектральное распределение
шумов при амплитудной модуляции
линейно, а при частотной -
пропорционально частоте модуляции
Н-637
162 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
снизит «точность воспроизведения»; Во избежание этого необходи-
мо при передаче предварительно усилить высокие частоты. Измене-
ния, которым сигнал НЧ подвергнется при «высокочастотной обработ-
ке», будут в точности компенсированы низкочастотным фильтром,
используемым на приеме для снижения шума.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПЕРЕДАТЧИКА
Из схемы, представленной на рис. 8.3, видно, что передатчик содер-
жит предусилитель НЧ. Входной сигнал, поступающий с микрофо-
на, звукового тракта телевизора или других источников звука, уси-
ливается в нем до уровня амплитуды, достаточной для того, чтобы
запустить модулятор.
Последний является генератором, частота которого зависит от
управляющего напряжения, прикладываемого к нему. По-английски
такая схема называется Voltage controlled oscillator (генератор, управ-
ляемый напряжением, ГУН); аббревиатура VCO часто используется
для такого типа схем.
Как будет показано ниже, ГУН представляет собой релаксацион-
ный генератор, конденсатор которого периодически разряжается
с постоянной времени, пропорциональной мгновенному значению
сигнала модуляции. Так обеспечивается исключительная линейность
процесса модуляции. Кроме того, при этом методе ни для приема, ни
для передачи не нужны катушки индукции, что, несмотря на кажу-
щуюся сложность цепей, облегчает реализацию схемы.
Модулятор запускает мощный каскад, который служит только для
прерывания интенсивности тока питания излучающих диодов ИК
диапазона, в соответствии с частотой сигнала, поступающего с ГУН.
Рис. 8.3. Принцип действия передатчика. Модулятор - это генератор, частота
которого является линейной функцией от управляющего напряжения
ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ В СХЕМЕ ПЕРЕДАТЧИКА
На рис. 8.4 представлена полная схема передатчика частотно-моду-
лированных сигналов. Предусилитель (Кусил по напряжению состав-
ляет 11) выполнен на основе операционного усилителя TL 081. .
ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ В СХЕМЕ ПЕРЕДАТЧИКА
163
Рис. 8.4. Полная схема передатчика. Первый операционный усилитель
служит предусилителем НЧ, а два других входят в состав модулятора частоты
Когда передаваемый сигнал поступает со звукового тракта телеви-
зора, радиоприемника или записывающего устройства, его амплитуды
(от 0,5 до 1 В^) часто хватает для приемлемого предварительного
усиления в два раза. Тогда можно использовать транзисторный пред-
усилитель, изображенный на рис. 8.5. Он включается непосредственно
между двумя штриховыми линиями, обозначенными на рис. 8.4.
Если, напротив, требуется больший коэффициент усиления (запуск
при помощи динамического микрофона), то достаточно выбрать отно-
шение (R5 + R6) / R7, которое равно необходимому усилению. Напри-
мер, при сопротивлении R5 равном 1,5 МОм можно получить коэф-
фициент усиления 100. Максимальная
модуляция передатчика при этом будет
достигнута при действующем входном
напряжении 2,5 В.
В любом случае следует подстроить
входной потенциометр R1 таким образом,
чтобы получить оптимальный размах ам-
плитуды без перемодуляции сильными
сигналами. Подстроечные параметры
будут приведены ниже, в,разделе, по-
священном проведению экспериментов.
Рис. 8.5. Вариант усилителя НЧ
164
ПЕРЕДА ЧА А УДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИ1 /
Элементы схемы, изображенной на рис. 8.5:
• электролитический конденсатор, 470 нФ, 20 В;
• четыре резистора, 3,3 кОм, 10 кОм, 100 кОм и 390 кОм;
• транзистор ВС 548 В или эквивалентный.
ЧАСТОТНЫЙ МОДУЛЯТОР
ОУ А2 (рис. 8.4) используется в качестве триггера Шмитта. Его вход
«минус» соединен с конденсатором С5. Скорость заряда этого кон
денсатора зависит от тока коллектора транзистора Т1, а следователь-
но, и от мгновенного значения сигнала НЧ.
Когда напряжение на выводах С5 достигает порога триггера, он
переключается, а С5 очень быстро разряжается через резистор R16
и диод D1, после чего снова, уже медленнее, заряжается током кол-
лектора транзистора Т1. Таким образом на выводах упомянутого кон-
денсатора получают пилообразный сигнал, частота которого являет-
ся линейной функцией входного сигнала НЧ.
Поскольку с точки зрения увеличения КПД предпочтительно
запускать выходной каскад прямоугольными импульсами, то к С5
подключают также и ОУ АЗ. Этот второй операционный усилитель
применяется в качестве компаратора. Номинал резистора R11 выби-
рается таким образом, чтобы получить выходной симметричный сиг-
нал (скважность составляет около 2).
Так как частота покоя модулятора определяется током коллектора
транзистора Т1, ее можно подстроить с помощью резистора R10.
Ниже будет показано, что эта подстройка ведется на средней частоте
приемника. Поскольку частота покоя зависит также от номинала С5,
рекомендуется использовать один заданный тип с допуском 10%
(пленочный, полистироловый или эквивалентный). Керамический
конденсатор, ток утечки и температурный коэффициент которого
превышают допустимые значения, в данном случае совершенно не-
пригоден.
Элементы R12 и С6 образуют фильтр верхних частот тока и таким
образом обеспечивают предыскажения, о которых упоминалось выше.
Их номиналы были подобраны так, чтобы высокие частоты модуля-
ции (начиная приблизительно с 4 кГц) постепенно давали место раз-
маху, превышающему номинальное значение. Такое предыскажение
достигает 6 дБ на 10 кГц. В данном случае не нужно бояться перемо-
дуляции, потому что в аудиосигнале столь высокие частоты присут-
ствуют только в видр гармоник с амплитудами, которые значительно
ниже амплитуды аудиосигнала.
ВЫХОДНОЙ КАСКАД И КАСКАД ПИТАНИЯ 165
ВЫХОДНОЙ КАСКАД И КАСКАД ПИТАНИЯ
Транзистор Т2 управляет излучающими транзисторами ИК диапазо-
на в соответствии с принципом постоянного тока. Опорное напряже-
ние, которое требуется для такого режима работы, достигается при
помощи порогового напряжения диодов D2 - D4. Таким образом
получают коррекцию температуры, исключающую зависимость от
повышенной температуры окружающей среды.
Поскольку во время соответствующих полупериодов выходное на-
пряжение усилителя АЗ обнуляется не полностью, то диод D5 уста-
навливают через резистор R18 между выходом АЗ и базой Т2. Напря-
жение порога D5 обеспечивает полную блокировку транзистора Т2.
В соответствии с параметрами, принятыми на схеме, среднее зна-
чение тока коллектора Т2 составляет около 120 мА. При применении
излучающих диодов в металлическом корпусе, который выдержива-
ет более высокие токи, можно соответственно уменьшить сопротив-
ление R19 (5,6 или 4,7 Ом); в этом случае предпочтительно свести но-
минал R18 к 1,2 кОм.
На выходе можно использовать пять или шесть последовательно
включенных диодов (разница не имеет значения). В зависимости от
требуемой диаграммы направленности (ДН) излучения обращаются
к диодам, излучающим узкую или широкую ДН либо с использова-
нием линз и рефлекторов для концентрации светового потока, либо
без них. Естественно, радиус действия будет тем меньше, чем шире
ДН излучения. Компромисс можно найти лишь при проведении экс-
периментов.
Было выбрано напряжение питания 12 В, так как эта величина
часто используется в телевизорах, в частности для питания УНЧ зву-
кового тракта, выходной каскад которого должен запускать передат-
чик ИК излучения. Кроме того, во время передачи звука по тракту
ИК диапазона этот усилитель функционирует со сниженной мощно-
стью. Если предусматривается автоматический режим работы, мож-
но обратиться к схеме питания, представленной на рис. 8.6.
На рис. 8.7 изображена печатная плата с размещением радиоэле-
ментов в соответствии со схемами, показанными на рис. 8.4 и 8.6. Ста-
билизатор питания 7812 CV на 12 В устанавливается на небольшой
медной поверхности со стороны печати платы, образуя достаточно
эффективный для предполагаемой области приложения радиатор.
Размеры печатной платы должны быть такими, чтобы она помес-
тилась в корпусе Teko Р/3 вместе с трансформатором. Прерыватель
166
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
7812CV
Рис 8.6. Схема питания на 12 В
для передатчика, представленного
на рис. 8.4
и предохранитель находятся в боко-
вом отделении корпуса, в то время
как входной коннектор, потенцио-
метр громкости звука и два патро-
на, к которым подключаются из-
лучающие диоды, расположены на
металлической плате. Диоды за-
креплены на небольшой пластине,
оканчивающейся жесткими вывода-
ми, которые можно сгибать в соот-
ветствии с выбранной ориентацией.
Элементы схем, изображенных на рис. 8.4, 8.6 и 8.7:
• А1: операционный усилитель TL 081 СР;
• А2 + АЗ: сдвоенный операционный усилитель TL 082 СР;
• С1: 100 нФ, пленочный;
• С2, СЗ, С4: 470 нФ, 20 В, электролитический;
• С5:1,5 нФ, стирофлексный или пленочный (±10%);
• С6:15 нФ, пленочный;
• С7: 22 нФ, керамический или пленочный;
• С8: 330 нФ, пленочный;
• С9: 1000 мкФ, электролитический;
• DI - D5: 1N4148 или эквивалентные им;
• R1: логарифмический потенциометр на 100 или 200 кОм;
• R2:180 кОм;
• R3:820 кОм;
• R4: f МОм;
• R5:15 кОм;
• R6:150 кОм;
• R7: 390 кОм;
• R8:100 кОм
• R9: 1,8 кОм;
• R10: подстроечный, 2,2 кОм;
• R11:100kOm;
• R12: 2,7 кОм;
• R13, R14: 100 кОм;
• R15:56 кОм;
• R16: 470 Ом;
• R17: 27 кОм;
• R18:1,8 кОм;
ВЫХОДНОЙ КАСКАД И КАСКАД ПИТАНИЯ
167
Рис. 8.7. Печатная плата для передатчика (рис. 8.4) и схемы питания (рис. 8.6)
168
ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
• R19: 6,8 Ом;
• Т1: ВС 548 В или эквивалентный;
• Т2: 2N2219 или эквивалентный;
• входной конденсатор НЧ: 100 нФ, 100 В;
• регулятор напряжения 12 В: 7812 CV или эквивалентные;
• трансформатор напряжения питания: 2 раза 12 В, 0,16 А (5 В А);
• диоды ИК диапазона: LD 271, LD 242, CQX 19, CQY 37, CQW
89 В, SFH 484 или подобные.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЧМ ПРИЕМНИКА
Можно сказать, что сложность устройства частотно-модулированно-
го приемника заключается в том, что он использует фазовую цепь
и работает по принципу синхронной демодуляции, при создании ко-
торой не требуются катушки индуктивности. На рис. 8.8 изображена
структурная схема, объясняющая принцип его действия.
С целью увеличения полосы пропускания используется не фото-
транзистор, а фотодиод, имеющий меньшую внутреннюю емкость.
Для получения высокого КПД необходимо, чтобы диод работал
с сопротивлением нагрузки около 100 кОм.
В случае сильной внешней засветки от ламп накаливания суще-
ствует опасность перенасыщения фотодиода или, по крайней мере,
работы с настолько низким остаточным напряжением, что его внут-
ренняя емкость становится чрезмерно большой (см. пояснения на
рис. 3.10). Поэтому обращаются к цепи заряда на активных элемен-
тах - ОУ. Т^к как закон Ома плохо применим к этой цепи, изменение
эквивалентного сопротивления нагрузки и напряжения на ее выво-
дах очень незначительно при изменениях протекающего через нее
тока. Кроме того, такая активная нагрузка отфильтровывает перемен-
ную составляющую (100 Гц) лампы освещения столь эффективно,
что эта проблема становится неактуальной.
В действительности процесс фильтрации усиливается еще больше
за счет избирательного усилителя (рис. 8.8) с коэффициентом усиле-
ния по напряжению около 1000.
При нормальном режиме работы благодаря такому усилению по-
лучают напряжение с полным ограничением, лишенное какой-либо
случайной или паразитной амплитудной модуляции, на выходах дан-
ного усилителя, а также и дополнительного, стоящего перед фазовым
компаратором.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЧМ ПРИЕМНИКА
169
В состав интегральной схемы (CD4046), показанной на рис. 8.9,
входят ГУН, принцип действия которого идентичен принципу дей-
ствия ГУН передатчика, а также упомянутый компаратор. Его зада-
ча - сравнение сигнала своего собственного ГУН с сигналом, посту-
пающим от ГУН передатчика.
До момента синхронизации эти два сигнала будут иметь разные
частоты или, по крайней мере, разные фазы. Основываясь на этих
различиях, компаратор вырабатывает сигнал ошибки, пропорци-
ональный фазе полезного сигнала, который посредством фильтра
нижних частот (ФНЧ) - резистора R и конденсатора С - подводит-
ся к ГУН и быстро запирает ГУН приемника.
Как только фазовая цепь запирается, ГУН приемника и передат-
чика начинают функционировать на одной частоте. При отклонении
частоты передаваемого сигнала вследствие воздействующей на него
модуляции компаратор приемника выдает несколько измененное
выходное напряжение, значение которого позволяет подстроить его
собственный ГУН с частотой ГУН передатчика.
Другими словами, ГУН приемника зависит от ГУН передатчика,
а тот, в свою очередь, - от НЧ сигнала модуляции. При этом такая
зависимость обусловливает тот факт, что оба ГУН получают иден-
тичные входные напряжения: в противном случае они не могли бы
находиться на одной частоте. Таким образом, на входе ГУН прием-
ника получают демодулированный НЧ сигнал, поскольку наблюдае-
мое на выходе напряжение по определению равно напряжению, ко-
торое управляет ГУН передатчика.
Для того чтобы использовать этот сигнал, следует обратиться к НЧ
усилителю с относительно высоким значением сопротивления. Ниже
будут представлены два варианта такого усилителя.
Приемник работает от автономного питания 6 В (на батарейках),
вследствие чего схема получается легкой и компактной. При этом она
продолжает нормально функционировать, даже когда батарейки раз-
ряжаются до 5 В и ниже, хотя надежная работа интегральных схем
Рис. 8.8. Принцип действия приемника основан на использовании
синхронной демодуляции, осуществляемой посредством фазовой цепи
170 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
гарантируется только при напряжении питания, составляющем не
менее 5 В.
ФОТОДИОД С АКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ
На рис, 8.9 представлены цепи «высокой частоты» и «демодуляции»
приемника частотно-модулированных сигналов. Нагрузка фотодио-
да ВР 104 состоит главным образом из резистора R1 до тех пор, пока
освещение остается слабым, так как падение напряжения на R2 по-
прежнему ниже порогового уровня базы все еще запертого транзис-
тора Т1.
Когда освещение становится более сильным и модулированным по
низким частотам (лампы освещения), Т1 стремится усилить сигнал
от фотодиода в противофазе. Таким образом, Т1 действует как сопро-
тивление очень слабой нагрузки, поэтому нижние частоты оказыва-
ются значительно ослабленными.
Дело обстоит иначе со значительно более высокими частотами
модуляции (составляющими от 30 до 70 кГц), поскольку из-за кон-
денсатора СЗ они не могут достичь базы транзистора Т1. Поэтому
последний получает только напряжение, пропорциональное средне-
му освещению. Т1 ведет себя как сопротивление нагрузки, имеющее
номинал, по крайней мере столь же высокий, как и R1.
Электронная проводимость транзистора Т1 обуславливает напря-
жение между базой и эмиттером 0,6 В. Так как резисторы R1 и R2
образуют делитель напряжения, то между коллектором и эмиттером
возникает напряжение в 2,4 В. Даже при очень сильном освещении
эта величина может быть очень незначительно увеличена, поскольку
такое превышение вызывает усиление тока коллектора Т1, то есть
компенсацию эффекта, который наблюдался при сопротивлении на-
грузки чисто омического характера.
ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Получить на одном ОУ коэффициент усиления 1000 при частоте
до 70 кГц можно, если произведение Кусил> на ширину полосы опера-
ционного усилителя равно, по крайней мере, 70 МГц. Тем не менее
сдвоенный операционный усилитель с полосой пропускания 3 МГц
гораздо проще в изготовлении и поэтому значительно дешевле; он rib-
зволяет вести фильтрацию поэтапно, к тому же его очень просто на-
строить.
Первый этап фильтрации обеспечивается конденсатором С2, по-
скольку он выполняет функцию фильтра верхних частот (ФВЧ)
ДЕМОДУЛЯЦИЯ ЧМСИГНАЛА ПОСРЕДСТВОМ ФАЗОВОЙ ЦЕПИ
171
2х100к0
(или 220kQ) log.
Рис. 8.9. Цепи «приемной антенны», предварительного избирательного усиления
и активной демодуляции приемника частотно-модулированных сигналов
совместно с цепью установки рабочей точки базы Т1 резисторным де-
лителем R3 и R4. Таким образом, осуществляется дополнительная
отсечка нижних частот паразитной модуляции, вызываемой лампа-
ми освещения.
Каждый из двух операционных усилителей, стоящих после этой
цепи, имеет коэффициент усиления равный 33, что определяет верх-
нюю частоту среза от 80 до 90 кГц, то есть приблизительно 70 кГц для
обоих каскадов. Нижняя частота среза зависит от величины конден-
саторов С4 и С5. Их емкости подобраны так, чтобы наиболее равно-
мерная частотная характеристика составляла от 30 до 70 кГц.
На выходе достаточно поставить разделительный конденсатор
(С6), обладающий малой емкостью, поскольку интегральная схема
фазовой цепи (CD 4046) имеет повышенное входное сопротивление.
ДЕМОДУЛЯЦИЯ ЧМ СИГНАЛА
ПОСРЕДСТВОМ ФАЗОВОЙ ЦЕПИ
Вход «сигнал» (вывод 14) интегральной схемы CD 4046 соединен
с широкополосным усилителем, который запускает один из двух вхо-
дов фазового компаратора. Другой вход этого компаратора (вывод 3)
непосредственно соединен с выходом ГУН (вывод 4), диапазон частот
172 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
которого определяется, с одной стороны, резисторами (R10 и R11),
подключенными к выводам И и 12, а с другой - конденсатором С8.
Как и для ГУН передатчика, предпочтительно использовать любой
конденсатор с допуском 10%, за исключением конденсаторов керами-
ческого или других типов, имеющих большой температурный коэф-
фициент емкости.
При проведении последовательных экспериментов с двумя одно-
типными ИС CD 4046 можно ожидать изменения частот покоя ГУН
более чем на 10% из-за разброса параметров. Однако для обеспечения
между ними достаточного соответствия по частоте проводят под-
стройку частоты передатчика (с помощью резистора R10 - рис. 8.4)
так, чтобы при отсутствии модуляции получить на управляющем вхо-
де ГУН (вывод 9, рис. 8.9) постоянное напряжение 3,5 В, которое во
избежанйе погрешности измерения должно измеряться с помощью
вольтметра с высоким выходным сопротивлением (цифровым вольт-
метром).
Фильтр нижних частот (ФНЧ) фазовой цепи, состоящей из ре-
зистора R12 и конденсатора С7, имеет частоту среза 16 кГц. Это
означает, что сигналы НЧ до 16 кГц могут быть дсмодулированы.
Для качественного отделения поднесущей предусмотрен второй
ФНЧ (R13, СЮ).
Далее следует цепь управления тональностью, состоящая из кон-
денсатора СИ и резистора R14. Эта цепь действует в двух направле-
ниях вследствие предыскажений, которым подвергается сигнал пере-
датчика. В случае осуществления связи на большом расстоянии или
посредством отражения управление тональностью позволяет значи-
тельно снижать уровень шумов, поскольку в них преобладают высо-
кие звуковые частоты (рис. 8.2), которые пропускаются при макси-
мальном значении сопротивления R14.
НЧ УСИЛИТЕЛИ ПРИЕМНИКА
Когда приемник (фотодиод) работает с максимальным размахом ам-
плитуды, на выходе демодулятора наблюдается амплитуда, составля-
ющая, по крайней мере, 1 В. Поэтому для усилителя, нагрузкой кото-
рого являются наушники, достаточно, чтобы коэффициент усиления
по напряжению был относительно небольшим.
На рис. 8.10 показано очень простое решение, которое подходит
лишь для наушников с выходным сопротивлением более 400 Ом,
поскольку операционный усилитель не может обеспечить выходного
тока при нагрузке ниже упомянутого значения.
НЧ УСИЛИТЕЛИ ПРИЕМНИКА
173
Элементы схемы, изображенной на рис. 8.10 (вариант НЧ усили-
теля):
• четыре резистора: 4,7 кОм, 18 кОм, 2 раза по 560 кОм;
. • два конденсатора: 2,2 и 22 мкФ, электролитические;
• операционный усилитель мкА 741 или TL 081 СР.
Кроме того, поскольку напряжение питания составляет всего 6 В
(в конце срока годности батареек - 5 В), то на выходе усилителя при
таком питании снимают менее 3 В пикового напряжения, которого
недостаточно для усилителя, нагруженного непосредственно на на-
ушники.
Усилитель с дополнительной симметрией классического типа мо-
жет обеспечить более высокий уровень выходного тока, но не напря-
жения, поскольку выходные транзисторы работают по схеме с общим
коллектором, что объясняет падение напряжения минимум 1 В на
каждом из них, не говоря уже о потерях на резисторах передатчика.
Такие потери обычно предусматриваются при проектировании схем.
Значительно более высокий КПД (при напряжении питания 5 В
уровень мощности в 3-4 раза выше) может быть получен с помощью
схемы, представленной на рис. 8.11, где два выходных транзистора
включены по схеме с общим эмиттером. Их остаточное напряжение
не более 0,2 В.
В представленном варианте транзисторы Т5 и Т7 включены по схе-
ме составного транзистора и образуют «суперсхему с общим коллек-
тором» типа п-р-п-р-п-р, в то время как Т4 и Тб образуют другую
Рис. 8.10. Маломощный НЧ
усилитель для приемника,
представленного на рис. 8.9
Рис. 8.11. Усилитель средней мощности,
использующий напряжение питания 6 В
174 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
«суперсхему с общим коллектором» р-п-р-п-р типа, причем все
соединено таким образом, чтобы усилитель мог работать в соответ-
ствии с классом В и коэффициентом усиления по напряжению, ко-
торый равен (R20 + R21) / R20. Входные транзисторы Т2 и ТЗ
включены по схеме с общим коллектором и служат одновременно для
компенсации порогового значения напряжения перехода эмиттер-
база транзисторов Т5 и Т4 и для обеспечения схемы высоким вход-
ным сопротивлением (минимум 200 кОм).
Такую схему можно использовать для любых типов наушников,
имеющих сопротивление 8 Ом или большее (до 300 Ом), а также при
совместной работе с маломощным громкоговорителем.
ИСПОЛНЕНИЕ СХЕМЫ ПРИЕМНИКА
На рис. 8.12 представлена печатная плата, объединяющая схемы при-
емника (рис. 8.9) и усилителя (рис. 8.11). Размеры платы позволяют
поместить ее в корпусе Teko Р/4 рядом с подставкой для четырех
небольших батареек на 1,5 В. Управляющие элементы (например,
потенциометры, прерыватели) могут быть закреплены либо на метал-
лической пластине, либо в боковом отделении корпуса.
Поскольку фотодиод ВР 104 имеет относительно широкий телес-
ный угол, то для предохранения от воздействия окружающего света
его нужно поместить в корпус на 1-2 см ниже, чем круговое отвер-
стие диаметром 8-10 мм. Для повышения эффекта направленности
при необходимости можно использовать линзу.
Если расположить фотодиод непосредственно под упомянутым
выше отверстием, ориентация приемника позволит более качествен-
но принимать рассеянное излучение, например отражение света от
стены или потолка.
Элементы схем, изображенных на рис. 8.9, 8.11 и 8.12 (приемник
частотно-модулированных сигналов):
• Al + А2: сдвоенный операционный усилитель TL 082 СР;
• С1: 470 нФ, 20 В, электролитический;
• С2: 220 пФ, керамический;
• СЗ: 2,2 нФ, керамический;
• С4: 390 пФ, пленочный или керамический;
• С5:1,5 нФ, керамический или пленочный;
• С6: 220 пФ, керамический;
ИСПОЛНЕНИЕ СХЕМЫ ПРИЕМНИКА
175
• С7: 1 нФ, керамический или пленочный;
• С8: 1,5 нФ, полистироловый или пленочный (±10%);
• С9: 100 мкФ, 10 В, электролитический;
• СЮ: 1 нФ, керамический;
• СИ: 10 нФ, керамический;
• С12, С13: 470 нФ, 20 В, электролитический;
• С14: 220 мкФ, 10 В, электролитический;
• С15: 100 или 220 мкФ, 10 В, электролитический;
Перемычка
Рис. 8.12. Печатная плата, объединяющая приемник, представленный на рис. 8.9,
и НЧ усилитель, изображенный на рис. 8.11. Прямоугольная форма гарантирует
минимальное взаимодействие различных цепей схемы
176 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
• PhD: фотодиод ВР 104 (Siemens) или BPW 50 (RTC);
• R1: 150 кОм;
• R2: 56 кОм;
• R3, R4: 560 кОм;
• R5, R6: 10 кОм;
• R7: 330 кОм;
• R8: 10 кОм
• R9: 330 кОм;
• R10: 33 кОм;
• R11:12kOm;
• R12, R13: 10 кОм;
• R14, R15: логарифмические потенциометры на 100 или 200 кОм;
• Т1, ТЗ, Т4: ВС 548 В или эквивалентный;
• Т2, Т5: ВС 558 В или эквивалентный;
• Тб: 328 В;
• Т7: 338 В;
• интегральная схема? CD 4046 (КМОП фазовая цепь).
При допустимом изменении вида печатной платы во избежание
перекрестных помех предпочтительно, чтобы ее форма всегда оста-
валась относительно вытянутой. Действительно, так как сигналы
приема и сигналы ГУН имеют одинаковую частоту, работа будет в зна-
чительной степени нарушена, если часть сигнала (пусть даже малая)
попадет с выхода ГУН на вход избирательного усилителя. Посколь-
ку фильтрация никогда не бывает идеальной, то на выходе усилите-
ля НЧ и в проводе наушников наблюдается даже малое напряжение
сигнала с £ун.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
После выполнения сборки и проверки постоянных напряжений, ука-
занных в схеме, включают приемник. При наличии источника осве-
щения и при отсутствии передачи в наушниках будет слышен силь-
ный шум (потенциометр громкости в положении максимальной
громкости). Шум должен прекратиться сразу после включения пере-
датчика (для начала без модуляции), излучающие диоды которого
должны быть приблизительно сориентированы на фотодиод прием-
ника.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
177
Если шум не прекращается, необходимо изменять положение по-
тенциометра настройки частоты передатчика (R10, рис. 8.4) до полу-
чения удовлетворительного результата, чего, впрочем, не всегда мож-
но добиться - например, при неисправности передатчика. Обычно
можно почувствовать, как нагреваются излучающие диоды. Если же
они остаются холодными, это означает, что выходной усилитель
передатчика поврежден.
В случае, когда имеет место разброс характеристик, например ког-
да невозможно провести настройку из-за большой разницы между
частотами передачи и Приема, необходимо заменить в приемнике
емкость конденсатора С8 на 1,2 нФ, затем, при необходимости, - на
1,8 нФ и так далее до получения удовлетворительного результата.
В любом случае окончательная процедура подстройки частот пред-
полагает включение вольтметра с большим сопротивлением в схеме
приемника между выводом 9 интегральной схемы CD 4046 и «землей»
и последующую настройку в схеме передатчика резистора R11; при
этом упомянутый вольтметр должен фиксировать напряжение 3,5 В.
Вызванное перемодуляцией ограничение амплитуды сигнала мо-
жет иметь место в схеме как передатчика, так и приемника, что в обо-
их случаях нежелательно. Чтобы убедиться в том, что приемник ра-
ботает в оптимальном режиме, устанавливают относительно низкий
уровень громкости и подключают вход НЧ передатчика к источнику
звуковой модуляции (например, к звуковому тракту телевизора, вы-
бирая при этом передачу с высоким уровнем громкости звука). Рези-
стор R1 следует подстроить немного ниже его предела настройки
(рис. 8.4), который будет перейден, когда приемник начнет искажать
очень громкий сигнал.
По окончании настройки можно перейти к проведению экспери-
ментов, касающихся ориентации и дальности действия. При прямой
передаче (без отражения) передаваемый сигнал получается без иска-
жений, по крайней мере, на расстоянии 10 м. Используя линзы, мож-
но значительно увеличить дальность действия при условии опти-
мальной ориентации. В конце главы 9 по этому поводу будет дано
несколько советов.
Передача с использованием отражения от потолка или стен иногда
бывает не слишком устойчивой, поскольку ее КПД зависит в основ-
ном от характера отражающей поверхности (от того, применяется ли
12-637
178 ПЕРЕДАЧА АУДИОЧАСТОТ С ПОМОЩЬЮ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ
гладкое или шероховатое покрытие). Важную роль при этом играет
ориентация. Не пугаясь неудач и проявив максимум терпения, стоит
обеспечить приемлемые условия работы, хотя полученная ориента-
ция будет во многом отличаться от изначально предусмотренной.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды И К диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения „ 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ Кодирование при помощи импульсной последовательности 180 Схема передачи 182 Схема приема 185 Экспериментальные цепи и цепь прямой нагрузки 188 Управляющие цепи на симисторах и цепь питания без использования транзистора 190 Чередование команд 193
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
11 Другие приложения 211
180
ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИ1
Для людей, прикованных к постели или передвигающихся с трудом,
большую помощь могли бы оказать не только пульты дистанцион
ного управления, которыми снабжены современные телевизоры, но
и подобные устройства для дистанционного управления освещением,
радио, магнитофонами, вентиляторами и т.д.
В нижеописанной схеме дистанционного управления, позволя-
ющей передавать до десяти команд, используются такие простейшие
устройства, как передатчик и приемник, каждый из которых распо-
ложен на плате размером 38x65 мм. Данный способ можно применять
также при управлений автономными средствами, используя, кроме
того, не только ИК излучение.
КОДИРОВАНИЕ
ПРИ ПОМОЩИ ИМПУЛЬСНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
На рис. 9.1 представлена структурная схема, объясняющая принцип
действия передатчика. Светодиоды (LED), излучающие в ИК диапа-
зоне, получают питание от мультивибратора (МВ), который выраба-
тывает импульсы с частотой следования 5 кГц. МВ модулирует пере-
даваемое излучение, что позволяет отделить его при приеме от
окружающих световых помех.
В свою очередь, мультивибратор на 5 кГц модулируется частотой
следования другого мультивибратора, которая значительно ниже 5 Гц.
Она управляет включением/выключением МВ на 5 кГц, на выходе
которого формируются импульсные последовательности с паузами,
соответствующими паузам низкочастотного МВ. Количество им-
пульсные последовательностей мультивибратора на 5 кГц можно
Светодиод
переключотель
Рис. 9.1. «Адрес» команды к выполнению
определяется количеством последовательностей импульсов
КОДИРОВАНИЕ ПРИ ПОМОЩИ ИМПУЛЬСНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ 181
определить при совместном использовании пятигерцевого МВ
и счетчика-декодера. Он считает последовательные импульсы по
5 Гц и запускает (переводит в состояние 1) сначала свой выход № 1,
затем № 2 и т.д. «Декодированные выходы» счетчика соединены
с клавишным программирующим переключателем. Если, напри-
мер, поставить этот переключатель на декодированный выход № 4,
то команда остановки мультивибратора на 5 Гц будет запущена в на-
чале четвертой импульсной последовательности. Это происходит
настолько быстро, что на выходе передатчика получают только три
первые последовательности.
В схеме приемника (рис. 9.2) после усиления и демодуляции вос-
станавливают импульсные последовательности, поступающие от
мультивибратора на 5 Гц.
Таким образом, для запоминания числа полученных импульсных
последовательностей и для запуска соответствующей команды (на-
пример, посредством симистора) достаточно иметь счетчик-декодер,
который идентичен подобному устройству передатчика.
Для того чтобы отправить новую команду, необходимо прежде все-
го обнулить оба счетчика. Для передатчика сделать это очень просто:
достаточно нажать на клавишу, воздействующую на вход разрешения
работы счетчика. Одновременно выполняется команда запуска муль-
тивибратора на 5 Гц, который в момент нажатия клавиши работает
в непрерывном режиме.
Если теперь, не отпуская клавиши, поставить программирующий
переключатель в новое положение, то передача «в непрерывном ре-
жиме» будет длиться до тех пор, пока схема временной задержки при-
емника не ответит обнулением счетчика-декодера. Если же отпустить
Комонды
Рис. 9.2. В схеме приемника ведется подсчет импульсных последовательностей.
Сигнал с большой длительностью определяет обнуление счетчика
182
ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
клавишу на данном этапе, то оба счетчика-декодера (в схемах пере-
дачи и приема) начнут работу с одинакового нулевого положения
и будут изменять свои состояния, как показано выше.
СХЕМА ПЕРЕДАЧИ
Медленный мультивибратор работает с двумя из четырех элементов
ИЛИ-HE, которые содержит интегральная КМОП схема CD 4001
(или HEF 4001, 34001) - рис. 9.3. Третий из этих элементов служит
Переключателем, а четвертый остается неиспользованным. Выводы
питания интегральных схем на данном рисунке не представлены.
Вывод 14 подсоединен к источнику питания, вывод 7 - к «земле».
Интегральная схема NE555 (или СА 555 CG) используется для
управления излучающим диодом ИК диапазона в качестве мультивиб-
ратора на 5 кГц. При этом ее выходной ток может достигать 200 мА.
Типы моделей светодиода ИК диапазона имеют достаточно узкую
диаграмму направленности, благодаря чему обеспечивается каче-
ственная концентрация излучаемой энергии. Однако при этом необ-
ходимо соблюдать точную ориентацию светодиода и фотоприемника.
Хотя даже один единственный светодиод способен обеспечить до-
статочную для использования в бытовых приложениях дальность
действия, для передатчика она может быть увеличена (без повыше-
ния потребления энергии) за счет последовательного включения
Рис. 9.3. Схема передатчика содержит два элемента КМОП ИС
с низким потреблением энергии, а также мощный мультивибратор
СХЕМА ПЕРЕДАЧИ
183
нескольких (до пяти) излучающих диодов. Таким образом, при при-
соединении очередного диода следует уменьшать номинал резистора
R5 приблизительно на 8 Ом.
Выходная цепь содержит подстроечный резистор R4, позволя-
ющий настроить частоту второго мультивибратора на частоту изби-
рательного фильтра приемника.
Рис. 9.4. Компоненты передатчика размещаются на плате размером 38x65 мм.
Всего одна монтажная перемычка проходит под интегральной схемой CD 4001
184
ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Рис. 9.5. Передатчик восьмиканального устройства дистанционного управления
На рис. 9.4 показаны печатная плата передатчика и ее обратная
сторона с установленными компонентами схемы передатчика. Печат-
ная плата, занимающая достаточно небольшое место, была разрабо-
тана с учетом габаритов корпуса Teko Р/2, в котором наряду с ней
находятся кнопка включения, прерыватель» переключатель, а также
небольшая батарейка на 9 В. На рис. 9.5 представлен внешний вид
передатчика, схема которого показана на рис. 9.3.
Несмотря на то что потребление тока передатчиком составляет
100-200 мА, для обеспечения питания будет достаточно небольшой
батарейки, поскольку устройство можно отключать после каждого
выполненйя команды.
Предпочтительно впаять излучающий диод на сторону печати схе-
мы и расположить эту схему около одной из боковых стенок корпу-
са, просверлив в ней отверстие напротив диода.
Элементы схем, представленных на рис. $.3 и 9.4 (передатчик
устройства дистанционного управления):
• С1: 22 нФ, пленочный;
• С2: 4,7 нФ, керамический или пленочный;
• СЗ: 15 мкФ, 15 В, электролитический;
• R1: 4,7 МОм;
• R2: 15 кОм;
• R3: 270 Ом;
• R4: 22 кОм, подстроечный;
• R5: 47 Ом, 1 Вт;
• R6: 2,7 кОм;
СХЕМА ПРИЕМА
185
• интегральная КМОП схема: CD 4011 и CD 4017;
• интегральная схема мультивибратора: NE 555;
• вращающийся переключатель на восемь положений;
• диод ИК диапазона: LD 271, CQY 37, CQW 89 В или подобные.
СХЕМА ПРИЕМА
Для бытовых приложений в схеме приема предпочтительно исполь-
зовать фототранзистор с широким угловым полем. Однако если пе-
редача ведется все время вдоль одной оси, то модели с узким угло-
вым полем позволят обеспечить большую дальность действия.
В схеме, представленной на рис. 9.6, за фототранзистором Т1 сле-
дует сдвоенный операционный усилитель (ОУ) TL 082 СР. На пер-
вом ОУ собран активный полосовой фильтр, настроенный приблизи-
тельно на 5 кГц. После демодуляции и фильтрации второй ОУ
вступает в действие в качестве триггера Шмитта, формирующего им-
пульсы для запуска счетчика. Цепь временной задержки (рис. 9.2)
состоит из конденсатора С7 и резистора R12. Диод D3, подключен-
ный к выводам R12, работает так, чтобы упомянутая задержка имела
место только на подъеме сигнала. Но когда выход триггера возвра-
щается в нулевое состояние, конденсатор С7 мгновенно заряжается
диодом D3 так, что команда «перезапуск» (reset) интегральной схе-
мы CD 4017 вскоре снимается.
Фоновое освещение вызывает в фототранзисторе электрическое
напряжение помех, которое ограничивает полезную чувствитель-
ность приемника. Поэтому лучше всего расположить приемник та-
ким образом, чтобы свести к минимуму внешнюю засветку его от
источника света или дневного освещения. В противном случае веро-
ятно, что из-за помех счетчик будет продолжать вести отсчет хаоти-
чески, если только такие условия работы не приведут к постоянному
его обнулению. Если ни соответствующая ориентация устройства, ни
конус из черной бумаги, расположенный над фототранзистором, не
спасут положения, можно прибегнуть к уменьшению сопротивления
резистора R1 (при необходимости до 2 кОм), но в этом случае сни-
жается чувствительность приемника и дальность действия сводится
к расстоянию 2-3 м. И наоборот, работая при достаточном затемне-
нии, можно увеличить чувствительность и дальность действия, уве-
личивая сопротивление резистора R1 до 47 или 100 кОм.
Заменив R1 колебательным контуром, представленным на рис. 9.7,
даже в условиях достаточно интенсивного окружающего освещения
можно добиться еще более высокой чувствительности.
186 ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Рис. 9.6. Перед демодулятором стоит активный фильтр с высоким усилением,
а после него - триггер
личество витков2
Рис. 9.7
Избирательная цепь
схемы приема
Этот контур состоит из стирофлексного конденсатора СА и катуш-
ки, выполненной на ферритовом стержне размером 18x11 мм из ма-
териала 3 Hl (RTC), N22 или N28 (Siemens). Если удельная индук-
тивность стержня составляет 400 нГн/количество витков2, то следует
выполнить 200 + 350 витков (из проволоки диаметром 0,15 мм с эма-
левым покрытием). При удельной индуктивности AL = 315 нГн/ко-
необходимо намотать большее количество витков
(225 + 400). При получении резонансной часто-
ты, лежащей в диапазоне 4,7-5,3 кГц, с доброт-
ностью, приблизительно равной 100, и сопро-
тивлением около 50 кОм в точке подсоединения
эмиттера транзистора Т1 можно использовать
и другие значения индуктивности L1 и емкости
С А. Применение LC-фильтра увеличит чувстви-
тельность приемника до степени, при которой
становится возможным прием через отражение
от потолка, если снабдить передатчик несколь-
кими диодами ИК диапазона.
Элементы схем, показанных на рис. 9.7 и 9.8
(приемник устройства дистанционного управления):
• Cl, С2: 100 нФ, пленочный;
• СЗ: 22 нФ, керамический или пленочный;
СХЕМА ПРИЕМА
187
• С4: 10 нФ, керамический или пленочный;
• С5: 47 нФ, керамический или пленочный;
• С6: 220 нФ, танталовый или пленочный;
• С7: 100 нФ, пленочный;
• С8: 22 мкФ, электролитический;
Рис. 9.8. Плата схемы приема. Для С6 и С8
предусмотрены танталовые конденсаторы капельного типа
• DI, D2, D3: 1 N 4148 или эквивалентные;
• R1: 27 кОм;
• R2: 680 кОм;
• R3:1 МОм; »
• R4: 150 Ом;
• R5: 330 кОм;
188
ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
• R6: 120 кОм;
• R7: 330 кОм;
• R8, R9: 5,6 кОм;
• R10: 47 кОм;
• R11:330 kOm;
• R12: 4,7 МОм;
• R13: 82 Ом;
• Т1: фототранзистор ВР 103, BPW 14 В, BPW 22 А или подобные;
• сдвоенный операционный усилитель TL 082 СР;
• интегральная схема КМОП: CD 4017.
На плате, представленной на рис. 9.8, предусмотрено место для
LC-фильтра.
Если удовлетворяет вариант с резистором (рис. 9.6), достаточно
снять конденсатор СА, а также заменить L1 на R1 между эмиттером
транзистора Т1 и «землей». Можно заметить, что между двумя неис-
пользуемыми выводами ИС CD 4017 проходит печатный проводник,
поэтому пайка должна быть аккуратной, без наплывов олова. Разме-
ры платы подобраны в соответствии с размерами корпуса Teko Р/2,
который также вмещает цепи нагрузки (симистор) и питания, опи-
санные выше.
Настройка частоты (резистор R4, рис. 9.3) может производиться
путем поиска максимума отклонения универсального измерительно-
го прибора, подключенного к выходам С4 (рис. 9.6). Следует удалить
передатчик на такое расстояние, при котором упомянутый прибор
показываем напряжение не более 1 В, поскольку в противном случае
приемник может быть перенасыщен.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЦЕПИ И ЦЕПЬ ПРЯМОЙ НАГРУЗКИ
Во время проведения экспериментов с полным комплектом схем пе-
редатчика и приемникддля первичного контроля функционирования
интересно поставить простую сигнализацию, работающую от лабора-
торного источника питания. Для этого, как показано на рис. 9.9, мож-
но подключить к каждому из выходов счетчика-декодера приемника
по светодиоду красного цвета свечения.
Хотя некоторые образцы этой схемы обладают выходными тока-
ми, составляющими всего около 1, мА, во избежание перегрузки сле-
дует ограничивать ток с помощью резистора с номиналом 8,2 кОм.
В таких условиях яркость диодов сигнализации остается очень
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЦЕПИ И ЦЕПЬ ПРЯМОЙ НАГРУЗКИ
189
Рис. 9.9. Индикацию
состояний можно производить
при помощи светодиодов
8.2к0 Пв,2кП
слабой, поэтому для удобства наблюде-
ния необходимо защищать их от окру-
жающего света.
Такой диод сигнализации можно так-
же поставить на выходе 0 интегральной
схемы CD 4017, чтобы иметь возмож-
ность проверять выполнение обнуления
при нажатии на соответствующую кноп-
ку передатчика. При отпускании этой
кнопки после установки переключателя
программирования в позицию 8 все ди-
оды зажигаются один за другим на ко-
роткий промежуток времени до того, который соответствует запро-
граммированной команде и который будет оставаться зажженным до
следующего обнуления.
Нормальная яркость может быть получена с помощью диодов
красного цвета свечения при использовании схемы, приведенной на
рис. 9.10, где к каждому выходу интегральной схемы CD 4017 подсо-
единен каскад с общим коллектором.
Подобным образом можно управлять реле, которые потребляют до
50 мА, естественно, при условии, что в распоряжении имеется источник
питания, способный обеспечить эти 50 мА. Рабочий ток может дости-
гать даже 500 мА (лампы, реле, мотор), если применять схему с общим
коллектором на составном транзисторе, представленную на рис. 9.11.
Рис. 9.10. Индикация с нормальной
яркостью
Команда
Рис. 9.1L Схема, позволяющая
получить управляющий ток
500 мА от счетчика-декодера
приемника
190
ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
УПРАВЛЯЮЩИЕ ЦЕПИ НА СИМИСТОРАХ И ЦЕПЬ ПИТАНИЯ
БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Включать освещение или электроприбор с помощью устройства ди-
станционного управления желательно не через реле, а через симис-
тор, поскольку потребление энергии остается настолько низким, что
можно обойтись и без обычного трансформатора напряжения пи-
тания.
Конденсатор СЗ служит делителем переменного напряжения
в цепи питания (рис. 9.12, справа вверху), которая гальванически свя-
зана с управляющими цепями, вследствие чего необходимо соблю-
дать правила безопасности при работе с высоким напряжением (220 В).
Необходимо использовать именно конденсатор СЗ на постоянное на-
пряжение 400 В или переменное 250 В.
Выпрямление осуществляется с помощью диодов D1 и D2. После
фильтрации (на конденсаторе С2) на выводах диода Зенера Dz полу-
чают напряжение 8,2 В. Ток нагрузки может достигать 30 мА; этого
вполне достаточно для обеспечения питания приемника, а также
многочисленных цепей симисторов, представленных в левой части
рис. 9.12.
Управляющие цепи на симисторах, работающие в импульсном ре-
жиме, рассчитываются с большим допуском, чтобы можно было не
только использовать любые симисторы (на 250 В, 2 А и выше), но
и заменить транзисторы Т1 - ТЗ на другие аналогичные им типы.
В конце концов, можно даже обойтись без транзисторов Т1 и под-
вести проврда управления, Идущие от интегральной схемы CD 4017
приемника, непосредственно к общему соединению баз транзисторов
Т2 и ТЗ. Но тогда нужно будет подбирать для данных транзисторов
модели с высоким коэффициентом усиления по току (>100 при токе
коллектора 1с = 50 мА) и в случае необходимости увеличить сопро-
тивление резистора R1, если при отсутствии команды управляемая
лампочка гаснет не полностью. Вместо лампочек А1 и А2 в рассмат-
риваемой схеме можно подключить любой другой электроприбор.
Для симистора радиатор требуется лишь в том случае, если мощность
управляемого устройства превышает 100 Вт.
Схема, представленная на рис. 9.12, может содержать до восьми
управляющих цепей, однако функционировать в течение заданно-
го промежутка времени может только одна из них. Поэтому при
УПРАВЛЯЮЩИЕ ЦЕПИ НА СИМИСТОРАХ И ЦЕПЬ ПИТАНИЯ
191
Рис. 9.12. Схема нагрузки с использованием симистора, позволяющая передавать
осветительным или электроприборам команды, полученные от приемника устройства
дистанционного управления. Цепь питания не содержит трансформатора
вышеописанном режиме управления их число не отражается на по-
треблении энергии.
На рис. 9.13 показана печатная плата, содержащая элементы четы-
рех управляющих цепей на симисторах (см. рис. 9.12, слева). Симис-
торы монтируются в положении «стоя». При сгибании выводов
в форме треугольника можно обеспечить достаточную жесткость
крепления. На рис. 9.14 представлена плата цепи питания.
Элементы схем, изображенных на рис. 9.13 и 9.14:
• цепь питания:
- С2: 220 мкФ, 10 В, электролитический;
- СЗ: 1 мкФ, 400 В, пленочный;
- DI, D2: IxN 4001;
- Dz: ВСХ 83 С 8 V 2 (или другой стабилитрон на 8,2 В);
- R2: 68 Ом;
192
ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
• элементы, необходимые для каждой цепи нагрузки:
- С1: 4,7 мкФ, 10 В, электролитический;
- R1: 180 кОм, 0,5 Вт;
- Т1, ТЗ: ВС 558 или ВС 308;
- Т2: ВС 548 или ВС 238;
- симистор на 220 В и минимум 2 А. Используется без радиато-
ра для лампочки мощностью до 100 Вт.
Рис. 9.13. Плата, объединяющая четыре цепи нагрузки
ЧЕРЕДОВАНИЕ КОМАНД
193
Рис. 9.14. Плата с элементами схемы питания для приемника,
рассчитанного не более чем на восемь цепей нагрузки
ЧЕРЕДОВАНИЕ КОМАНД
Для того чтобы одновременно включить с помощью пульта дистанци-
онного управления, например, освещение и радиоприемник, можно
использовать не отдельные команды, описанные выше, а их после-
довательность (рис. 9.15). Для этого обращаются к триггеру «пуск-
перезапуск» на двух элементах ИЛИ-НЕ (1/2 CD4001), где команда 7
отдает приказ о зажигании, который поддерживается и в дальнейшем,
даже если позже выполняются другие команды. И так до подачи ко-
манды 8, которая соответствует выключению лампочки А.
Очевидно, что такой режим управления работает только на двух
последних этапах программы. Действительно, если поставить зажи-
гание на 5, а выключение на 6, то до 7 или 8 будет невозможно дойти
13-637
4k
Рис. 9.15. Чередующееся управление симистором
с помощью триггера «пуск-перезапуск»
без того, чтобы не спровоцировать выключение, - если только не
предусмотреть для этого случая временную задержку, цепь которой
обозначена на рис. 9.15 пунктирной линией. Эта задержка имеет
продолжительность, достаточную для того, чтобы цепь не смогла от-
реагировать при быстром переходе счетчика от 1 до 6, дабы достичь,
например, 7.
На рис. 9.16 представлена печатная'плата, объединяющая два ва-
рианта схемы 9.15: с цепью временной задержки и без нее. На этой
схеме, как и на той, что изображена на рис. 9.16, предусмотрены два
входа для разводки питания (+, -) и вход S.
Элементы, представленные на рис. 9.16 (чередующиеся команды):
• для Ьсего комплекта:
- Cl, С2: 220 нФ, 25 В, танталовый (или 220 нФ, пленочный);
- Rl, R2: 4,7 МОм;
- интегральная КМОП схема: CD 4001;
• для каждого тракта:
- СГ. 4,7 мкФ, 10 В, электролитический;
- R1: 180 кОм, 0,5 Вт;
- Т1, ТЗ: ВС 558 или ВС 308;
- Т2: ВС 548 или ВС 238;
- симистор на 220 В и минимум 2 А; без использования радиа-
тора в случае использования лампочки мощностью до 100 Вт.
Таким образом, с помощью гибкого провода можно было бы легко
объединить платы, прежде чем вставить их в соответствующие пазы
корпуса.
ЧЕРЕДОВАНИЕ КОМАНД
195
Рис. 9.16. Печатная плата, объединяющая два варианта: с цепью временной задержки
и без нее. Размеры соответствуют габаритам корпуса Teko Р/2 (38x65 мм)
В таком корпусе, кроме приемника, расположенного возле боковой
стенки с отверстием, просверленным напротив фототранзистора (ко-
торый должен размещаться со стороны печати платы), можно помес-
тить также схемы, приведенные на рис. 9.13 и 9.16, и цепь питания
(рис. 9.14). Естественно, использование симисторов в данных платах
должно определяться лишь действительно необходимыми командами.
Кроме того, можно работать как с чередующимися командами (две пла-
ты, в соответствии с рис. 9.16), так и с простыми (схемы на рис. 9.16),
хотя в последнем случае объем, занимаемый штепсельными разъема-
ми, необходимыми для подключения восьми проводов питания, мо-
жет превысить объем самого корпуса.
Как говорилось выше, при подключении прибора непосредственно
к питанию 220 В эксперименты становятся чрезвычайно опасными
196 ВОСЬМИКАНАЛЬНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ |
вследствие гальванической связи, существующей между нагрузкой
и схемой. Поэтому рекомендуется предварительно проверить работу ,
приемника от лабораторного источника питания или батареек, ис-
пользуя для индикации цепи, приведенные на рис. 9.9 и 9.10. Отдель-
но могут быть проверены цепи управления на симисторах, применя-
емые для питания лампочки на 25 или 40 Вт. Включенная ранее
лампочка должна погаснуть при подключении базы транзистора Т1
к минусу источника питания с помощью провода, соответствующим
образом изолированного от рук исследователя.
Дальность действия передачи во многом зависит от точности на-
стройки частоты передачи (R4 - рис. 9.3) на избирательную частоту
приемника. Настройка путем постепенного увеличения расстояния
между передатчиком и приемником не будет сложной для бытовых
приложений.
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды И К диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения * 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ АУДИО- И ВИДЕОУСТРОЙСТВ Кодирование программ 198 Схема передачи 199 Код передачи 200 Предусилитель в схеме приема 203 Декодер в схеме приема 205 Аналоговые команды 209 Возможности расширения 209
11 Другие приложения 211
198
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ%ЛЯ АУДИО- И ВИДЕОУСТРОЙСТВ
Системы дистанционного управления ДУ для телевизионных прием-
ников и устройств с высокой точностью воспроизведения должны
содержать не только команды включения-выключения, но также
и аналоговые (плавные) команды для регулировки громкости, то-
нальности, яркости, контраста. Кроме того, пользователь подобных
устройств обращает большее внимание на удобство их применения,
нежели в случаях, описанных в предыдущей главе. Он предпочитает
манипулировать не кнопкой или переключателем, а клавишей. Слож-
ность изготовления устройств состоит в том, что необходимо преду-
смотреть, по крайней мере, три десятка команд, обеспечивая при этом
нечувствительность к помехам. Такая нечувствительность должна
давать возможность одновременно управлять в одном помещении,
например, двумя приемниками команд и двумя передатчиками.
Таким образом, подобная система становится пригодной для ис-
пользования в различных приложениях промышленного дистанцион-
ного управления. Например, для осуществления радиоэлектронного
ДУ достаточно заменить оптоэлектронные элементы высокочастот-
ными передатчиком и приемником. Несмотря на широкое примене-
ние, такие системы все еще остаются достаточно сложными, поэтому
в данной книге невозможно было обойтись описанием исключитель-
но общего характера. Вместе с тем использование подобных систем
не составит труда для читателей, имеющих некоторый опыт в облас-
ти цифровых схем, поскольку настройка практически не требуется.
КОДИРОВАНИЕ ПРОГРАММ
Усовершенствованные системы дистанционного управления (ДУ) ис-
пользуют сообщения в двоичном коде, состоящие из битов, принима-
ющих одно из двух значений: 0 и 1. Например, с помощью шести таких
битов информации можно передать до 64 цифровых значений.
Проблема с использованием немодулированного двоичного кода
заключается в том, что выдача бита 0 может быть спутана с полным
отсутствием всякой передачи. Поэтому необходимо чуть более слож-
ное кодирование.
Из всего множества вариантов кодирования первоначального «им-
пульсного» цифрового сигнала, состоящего из последовательности
О или 1 (рис. 10.1а), на рис. 10.16—г показаны лишь три. При помощи
этого сигнала пытается получить модуляцию несущей, которая,
в свою очередь, будет модулировать излучение ИК диапазона (или
радиодиапазона) передатчика.
СХЕМА ПЕРЕДАЧИ
199
[ Start {
'1'0
Цифровой
сигнол
L
’ :==- HI III HI III III III Illi I
':==. Illlllllllllllllllllllllllllllllllll
"s=- nr iiiiiiiiiiiiiiiii ill________________________________________ iiinii
Рис. 10.1. Некоторые коды передачи не позволяют спутать
логический 0 и полное отсутствие передачи
На рис. 10.16 показан метод модуляции длительности. Для полу-
чения логической 1 предусматривается последовательность импуль-
сов (несущей или поднесущей) в два раза более длинная, чем для 0.,
Рис. 10.1в соответствует частотной модуляции. При этом работа
ведется с двумя частотами несущей (или поднесущей); одна соответ-
ствует 1, а другая - 0. Этот метод требует двух избирательных цепей
в схеме приема.
На рис. 10.1г представлен метод двухфазной модуляции. В тече-
ние периода, предназначенного для каждого бита (для описанной
системы приблизительно 1 мс), выдается последовательность им-
пульсов (для 0) или наблюдается их отсутствие (для 1). В первом
случае перед последовательностью импульсов той же длительности
предусмотрен разрыв в 500 мкс. В схеме приема эту модуляцию мож-
но интерпретировать, либо наблюдая за сигналом в зависимости от
времени, либо отмечая различие в длительности сигналов, так как
длинный сигнал обозначает последовательность 1-0, а длинный раз-
рыв - 0-1. Такой код обеспечивает высокую безопасность работы;
именно поэтому Siemens выбрал его для своей системы ДУ IR60.
СХЕМА ПЕРЕДАЧИ
На рис. 10.2 показано, что схема передачи SAB 3210 содержит ге-
нератор, который одновременно служит тактовым генератором для
200 ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ АУДИО- И ВИДЕОУСТРОЙСТВ
Рис. 10.2. Принцип действия модуля кодирования и передачи
системы дистанционного управления IR 60 (Siemens)
процессора, а после деления частоты в два раза - генератором подне-
сущей. В режиме покоя схеме требуется не больше 5 мкА (питание
обеспечивается от батарейки).
При нажатии на клавишу запускается триггер «команда включе-
ния», который, в свою очередь, устанавливает основное питание.
Из рис. 10.3 видно, что это происходит благодаря транзистору Т ,
база которого управляется выходом ЕТА. В схеме, представленной на
рис. 10.3, модуль передатчика содержит 32 клавиши, расположенные
в четыре столбца (от Sa до Sd) и 8 строк (от Z, до Z8). Как показано на
рис. 10.4, при помощи 14 коммутационных диодов можно создать
7 дополнительных строк (так называемых фантомов), увеличив
общее число клавиш до 60.
Диоды ИК диапазона LD 271 управляются при помощи транзисто-
ра п-р-п типа, который требует достаточно высокой частоты импуль-
сов от батареи питания, в результате чего возникает необходимость
развязать его с помощью конденсатора на 2000 мкФ, служащего сгла-
живающим фильтром. Частота тактового генератора определяется ка-
тушкой индуктивности на 20 мГн и двумя конденсаторами на 650 пФ.
Она должна соответствовать частоте настройки приемника с точнос-
тью до 2%, но может быть выбрана и с некоторым отклонением от
номинального значения, указанного производителем и составляюще-
го 64 кГц.
КОД ПЕРЕДАЧИ
Во избежание эффекта «дребезга контактов» схема при каждом на-
жатии клавиши вводит временную задержку в 20 мс, по истечении
КОД ПЕРЕДАЧИ
201
Рис. 10.3. Схема работы базы модуля передачи SAB 3210.
Два диода И К диапазона (LD 271) могут обеспечить радиус действия до 30 м
которых выдается предупреждающий сигнал, а спустя 3 мс отправ-
ляется собственно сообщение, которое всегда начинается со старт-бита.
Рис. 10.5 показывает, что передача происходит синхронно с сигнала-
ми контроля клавиш Sa-Sd.
Повторение цикла передачи имеет место каждые 128 мс, но это
продолжается не до бесконечности, поскольку при слишком длитель-
ном нажатии клавиши устройство отключается. Однако в момент
отпускания клавиши, после которого начинается новый цикл, оно
переходит к автоматической выдаче сигнала «конец сообщения»
(рис. 10.6), заменяющего сообщение в цикле опроса каждые 128 мс,
то есть отправляющегося всего один раз в начале цикла.
На рис. 10.5 и 10.6 старт-бит всегда равен логической 1. Можно
также изготовить схемы передачи таким образом, чтобы этот бит был
постоянно в состоянии 0. Это послужит способом для различения
202
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ АУДИО- И ВИДЕОУСТРОЙСТВ
Рис. 10.4. При такой модификации схемы, представленной на рис. 10.3,
1 число команд может быть доведено до 60
Sa о П „_п ,
Sb о Fl П j
Sc I П „—n ,
Sd 0 П „ n—, ’ 1 ,, UJL Предупреждение |S|A|B|C|D|E|F| Повторение 1000000 каждые 128 мс 20мс J „ „п I* Команда #0 Нажатие
на клавишу
Рис. 10.5. Код передачи «привязан» к сигналам контроля клавиш Sg-Sd
и имеет цикл опроса 128 мс
ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ В СХЕМЕ ПРИЕМА
203
So --------J}---------П--------------------------------
Sb ----------------------П-----------------------------
Se --------„----------------П--------------------------
ira ----j}-----1—И ВНИИ______________
I _ / |S|A|B|C|D|E|F|
f Предупреждение ......
Отпускание
клабиши „ Команда
’’конец сообщения"
Рис. 10.6. Каждый раз в момент отпускания клавиши
передатчик вырабатывает сигнал «конец сообщения»
во время приема двух передатчиков, работающих в одной комнате,
либо в независимом режиме, либо синхронно. В последнем случае
можно приблизиться к общему числу 60 х 60 = 3600 команд в тече-
ние последовательного нажатия двух клавиш.
Табл. 10.1 показывает, что во время передачи совершенно не учиты-
вается, как человек будет использовать различные команды. Считает-
ся, что достаточно пронумеровать их и присвоить им код клавиши, ко-
торый образуется из сочетания строк и столбцов рис. 10.3 и 10.4.
Поэтому при приеме только посредством декодирования можно дать
клавишам такие названия, как «канал», «громкость», «яркость» и т.д.
ПРЕДУСИЛИТЕЛЬ В СХЕМЕ ПРИЕМА
При приеме декодирование команд возможно только в случае, если
имеется сигнал достаточной мощности, амплитуда которого очень
мало зависит от условий передачи (расстояния, ориентации и т.д.).
Поэтому необходимо иметь предусилитель с автоматической регули-
ровкой усиления.
На рис. 10.7 показана схема, разработанная Siemens для этой цели.
В отличие от других модулей системы, где применяются полевые
МОП транзисторы, в данной схеме используются биполярные тран-
зисторы.
Номинальная чувствительность схемы TDA 4050 составляет 5 мкВ
при потреблении 9 мА источника питания 12 В. АРУ работает так,
что Кусил может варьироваться от 1 до 10 000 (77 дБ) в зависимости
от входной амплитуды. Выходной ток предусилителя может дости-
гать 2 мА при входном сопротивлении 1,8 кОм.
В схеме, представленной на рис. 10.7, фильтр состоит из катушки ин-
дуктивностй на 100 мГн и конденсатора емкостью 180 пФ. В принципе
204
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ АУДИО- И ВИДЕОУСТРОЙСТВ
Таблица 10.1. Соответствие между командами и клавишами
Базовые команды '* Дополнительные команды
Номер команды KqaFEDCBA Клавиша Номер ''"команды' KoflFEDCBA Клавиша
0 000000 1а 32 ' 100000 81а
1 000001 1b 33 100001 81b
2 000010 1с 34 100010 81с
3 0000 1 1 1d 35 100011 81d
4 000100 2а 36 100100 82а
5 000101 2Ь 37 100101 82b
6 000110 2с 38 100110 82с
7 000111 2d 39 100111 82d
8 001000 За 40 1010 00 83а
9 001001 ЗЬ 41 101001 83b
10 001010 Зс 42 101010 83с
11 001011 3d 43 101011 83d
12 001100 4а 44 101100 84а
13 001101 4Ь 45 101101 84b
14 000110 4с 46 101110 84с
15 001111 4d 47 101111 84d
16 010000 5а 48 110000 85а
17 010001 5с 49 110001 85b
18 010010 5Ь 50 110010 85с
19 010011 5d 51 110011 85d
20 010100 6а 52 110100 86а
21 010101 6Ь 53 110101 86b
22 010110 6с 54 110110 86с
23 010111 6d 55 110111 86d
24 011000 7а 56 111000 87а
25 011001 7Ь 57 1Г1001 87b
26 011010 7с 58 111010 87с
27 011011 7d 59 111011 87d
28 011100 8а 60 111100 Не используется
29 011101 8Ь 61 111101 Не используется
30 011110 8с 62 111110 Конец
31 011111 8d 63 111111 Исключен
ДЕКОДЕР В СХЕМЕ ПРИЕМА
205
Рис. 10.7. Рабочая схема предусилителя приемника TDA 4050
эту цепь можно заменить RC- или активным фильтром, но в этом слу-
чае избирательность и точность по частоте будут ниже.
В любом случае следует предусмотреть средство настройки, позво-
ляющее настроить входную схему приемника на частоту модуляции
передатчика.
ДЕКОДЕР В СХЕМЕ ПРИЕМА
Поскольку передатчик работает в одном из простых кодов, можно
использовать большое число способов декодирования. Ниже приве-
дена одна из схем декодирования, выпущенных Siemens, а именно
SAB 4209.
На рис. 10.8 представлена схема декодера, перед которой стоят пред-
усилитель TDA 4050 и генерирующая LC-цепь для тактового генера-
тора.
Схема SAB 4209 непосредственно декодирует 32 команды (с точ-
ностью до одной резервной), которые осуществляются при помощи
схемы, представленной на рис. 10.3, и соответствуют позициям 0-31
206
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ АУДИО- И ВИДЕОУСТРОЙСТВ
Рис. 10.8. Декодер схемы приема SAB 4209 может выполнять цифровые функции
и аналоговые команды
в табл. 10.1. Для команд более высокого уровня (32-60) SAB 4209
применяет только передающий элемент в зависимости от условий,
которые будут рассмотрены ниже.
Полученные команды могут использоваться как для безусловных
(смена канала), так и для плавных изменений (повышение или пони-
жение яркости). Для смены канала SAB 4209 обладает четырьмя вы-
ходами - от PRGA до PRGD, - которые, с одной стороны, отвечают
за цифровую индикацию (посредством декодера-драйвера индикации
SAB 3211, не приведенной на рис. 10.8), а с другой - за запоминание
программ. Речь идет о декодере типа «1 из 16», к 16 выходам которо-
го подключают столько же потенциометров; они обеспечивают на-
пряжения подстройки для варикапов тюнера, с помощью которых
пользователь может настроить его на любой из 16 каналов приема.
Декодирование полученных сигналов производится таким образом,
ДЕКОДЕР В СХЕМЕ ПРИЕМА 207
что именно клавиши 16-31 передатчика (рис. 10.3 или 10.4) связаны
с этими 16 каналами. Табл. 10.2 показывает, как команды запускают
четыре выхода PRG схемы.
Но вместо того чтобы вызывать каждую программу по отдельнос-
ти, можно при желании просматривать их одну за другой, нажимая
несколько раз подряд на клавишу 4 - «переход к следующему кана-
лу». Клавиша 5 - «переход к предыдущему каналу» - позволяет вес-
ти отсчет в обратном порядке.
При каждом переключении канала выход PC (вывод 8 SAB 4209,
рис. 10.8) выдает положительный импульс, который можно исполь-
зовать, в частности, для индикации яркости, но который всегда при-
меняется для кратковременного обнуления уровня НЧ (громкости).
Длительность этой «команды тишины» зависит от емкости конден-
сатора, подсоединенного к выходу PC. На самом деле этот выход
является также и входом, куда можно подключить клавишу, непо-
средственно (без помощи устройства дистанционного управления)
переключающую каналы с одного на другой.
Табл. 10.3 показывает, что существуют и другие импульсные коман-
ды. «Возврат в начальное положение» означает, что можно перевести
все аналоговые команды, речь о которых пойдет ниже, в «нормаль-
ное» положение, то есть соответствующее 30% от максимума громкости
Таблица 10.2. Коммутация каналов
СоЙгояние выхадЬв-РЯ®:;1!^г:и.'?.»'«:
^клавиши
16 0 0 0 0
17 0 0 0 1
18 0 0 1 0
19 0 0 1 1
20 0 1 0 0
21 0 1 0 1
22 0 1 1 0
23 0 1 1 1
24 1 0 0 0
25 1 0 0 1
26 1 0 1 0
27 1 0 1 1
28 1 1 0 0
29 1 1 0 1
30 1 1 1 0
31 1 1 1 1
208
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ АУДИО- И ВИДЕОУСТРОЙСТВ
Таблица 10.3. Функции клавиш 0-15
0 Возврат в начальное положение
1 Мгновенная тишина
2 Поддержание (ожидание)
3 Не подключен (резерв)
4 Переход к следующему каналу
5 Переход к предыдущему каналу
6 Включение
7 TUS - изменение функции
8 Громкость +
9 Громкость-
10 Яркость +
12 Яркость-
13 Цвет +
14 Цвет-
15 Контрастность
звука и 50% от хода настройки других команд. С помощью команды
«мгновенная тишина» звук прерывается очень быстро, а при команде
«переход на резервное питание» (Standby) происходит переход к ре-
жиму ожидания, при этом изменяется состояние выхода ВКЛ/ВЫКЛ
(ON/OFF) схемы, что влечет за собой выключение основного источ-
ника питания телевизора посредством транзистора, нагрузкой которо-
го является реле илй симистор. С этого момента питание поступает
только на приемник устройства ДУ; следовательно, телевизор снова
можно включить, пользуясь передатчиком (клавиша 6), что, однако, не
мешает включению телевизора без устройства дистанционного управ-
ления, поскольку выход ON/OFF может использоваться также в каче-
стве входа. Если на короткое время подвести к нему потенциал 0 В
с помощью определенной клавиши, то можно установить ключ коман-
ды в положение «ВКЛ» («ON»).
И наконец, существует команда TUS (клавиша 7), определяющая
на приеме изменение чередующегося состояния триггера, выход
которого соответствует соединению TUS на рис. 10.8. Это можно
использовать в самых разнообразных приложениях, например для
управления освещением, которое включают одним нажатием на кла-
вишу и выключают повторным. Однако команда 7 на самом деле
предназначена для «изменения функции». При получении ее в первый
раз схема учитывает только команды 2 (Standby) и 7 (TUS), направ-
ляя все остальные на свой дополнительный выход. Таким образом,
речь идет о команде обратного переключения, позволяющей менять
ВОЗМОЖНОСТИ РАСШИРЕНИЯ
209
функции целого ряда клавиш и напоминающей ту, что используется
в некоторых карманных калькуляторах. Так, можно подключить вто-
рую схему S АВ 4209 к добавочным выходам первой, чтобы получить
большее количество команд без увеличения числа клавиш. Аналогич-
ным образом можно подключить и другую схему, адаптированную,
например, к функции телетекста, видеоиграм, дистанционному управ-
лению видеомагнитофоном и т.д.
АНАЛОГОВЫЕ КОМАНДЫ
Схема SAB 4209 имеет четыре аналоговых выхода, которые можно
использовать для функций громкости, яркости, контраста и насы-
щенности цвета изображения телевизора или же для функций гром-
кости, низких и высоких тонов, балансировки аудиомагнитофона HI-
FI. При передаче для каждой из этих четырех команд предусмотрены
команды «понижение» и «повышение». Воздействие на одну из этих
клавиш вызывает повторяющееся повышение или понижение состо-
яния счетчика емкостью 64 единицы. Таким образом, содержимое
счетчика меняется на единицу приблизительно каждые 125 мс, то
есть при нажатии на клавишу в течение 1 с - на 8 единиц.
На аналоговых выходах (VOLU, BRIG, COLO, CONT, рис. 10.8)
схемы SAB 4209 постоянно получают импульсный сигнал, скваж-
ность которого зависит от соответствующего счетчика, имеющего
частоту приблизительно 1 кГц. Посредством простой интегрирующей
цепи при помощи конденсатора можно получить постоянное напря-
жение, пропорциональное состоянию опорного счетчика. Это напря-
жение можно использовать наряду с соответствующими интеграль-
ными схемами для настройки громкости, яркости и т.д.
При включении схемы или во время возврата в состояние ожида-
ния все четыре аналоговых выхода автоматически переходят в на-
чальное состояние, определение которому было дано выше.
Выход «громкость» может принимать состояние 0 при воздей-
ствии на него команды «мгновенная тишина». Для возврата в преды-
дущее состояние можно воспользоваться клавишей VOL+ (8), коман-
дой «возврат в начальное состояние» (0) или же одной из клавиш
управления каналами. В положении Standby все аналоговые коман-
ды остаются заблокированными.
ВОЗМОЖНОСТИ РАСШИРЕНИЯ
Линии расширения, изображенные на рис. 10.8, представляют собой
двунаправленные соединения, с помощью которых можно как вводить,
так и выводить информацию. В первом случае надо установить DLEN
-637
210
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ АУДИО- И ВИДЕОУСТРОЙСТВ
(вывод 19) в состояние 1 и ввести данные через DATA (вывод 18)
в соответствии с диаграммой, показанной на рис. 10.9.
Данные, введенные таким способом, .имеют преимущество перед
поступающими по каналу ИК диапазона на RSIG.
Используемые в качестве выходов линии расширения обеспечивают
последовательности импульсов, виды которых представлены на
рис. 10.10. Таким образом, все команды передаются при помощи этих линий,
вне зависимости от того, обрабатывались они схемой SAB 4209 или нет.
Это создает тем более многочисленные возможности подключе-
ния, что становится доступным снятие сообщения при его видоизме-
нении, понятном для схемы SAB 4209; последняя, как явствует из
табл. 10.1, «понимает» лишь команды 0-31, первый бит которых все-
гда находится в состоянии 0. Чтобы отключить схему, не мешая при
этом использованию других программ (например, для вывода на эк-
ран телетекста), достаточно перевести этот бит извне в состояние 1.
, Кроме увеличения числа функций можно также предусмотреть
расширение границ области приложений. Схемы ДУ могут использо-
ваться не только для аудио- и видеоаппаратуры, для которой разра-
батывались первоначально, но и в других случаях, начиная с дис-
танционного управления макетами до промышленного применения.
Благодаря своим широким возможностям (например, использованию
цифровых и аналоговых функций) такие системы открывают новые
горизонты для устройств дистанционного управления, в частности
для применения излучения ИК диапазона.
Рис. 10.9. Временная диаграмма ввода данных на линию расширения
Рис. 10.10. Временная диаграмма снятия данных с линии расширения
ГЛАВА
СТРАНИЦА
1 Особенности невидимого излучения 11
2 Излучающие диоды ИК диапазона 25
3 Приемники ИК диапазона 51
4 Простые опыты 85
5 Барьеры и системы сигнализации 93
6 Оптические обнаружители пассивного типа 117
7 Передача аудиочастот с помощью AM излучения 135
8 Передача аудиочастот с помощью ЧМ 159
9 Восьмиканальное дистанционное управление 179
10 Дистанционное управление для аудио- и видеоустройств 197
-| -| ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Встроенный усилитель с фотодиодом 212
Быстродействующий коммутатор
для передачи данных на частотах до 1 МГц 213
Компенсация воздействия
окружающего света 214
Барьер на закрытом контуре 215
Регулируемая скважность
и последовательность импульсов 218
Особенности демодуляции 221
Запоминание направления движения 223
Барьер прямого/обратного счета 224
Полоснозаграждающий фильтр на 100 Гц 227
Секретные коды 228
Передатчики секретного кода 232
Приемники для секретного кода 234
Безопасность кода 236
212
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Приведенные ниже примеры взяты в основном из документации про-
изводителей. Иногда речь идет об отдельных цепях, предназначен-
ных для решения частных задач. Здесь даны главным образом идеи,
которые на практике можно комбинировать, поскольку иногда тре-
буется небольшое усовершенствование схем.
ВСТРОЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ФОТОДИОДОМ
Некоторые изготовители полупроводников (Siemens, Temic и др.)
используют для фотодиодов пластмассовые корпусы, чтобы иметь
возможность разместить в них, кроме светодиода, предусилитель
с АРУ и полосовой фильтр. Эти схемы, предназначенные в основном
для устройств дистанционного управления, настолько отработаны,
что в большинстве случаев позволяют обойтись без предусилителя
в отдельном корпусе.
На рис. 11.1 приведена структурная схема и показано внутреннее
устройство моделей, подобных TFMS 5NN0 (Temic) и SFH 506 (Siemens).
Резистор 330 Ом и конденсатор 4,7 мкФ необходимы лишь при
низком уровне фильтрации напряжения питания. Резистор, обозна-
ченный пунктиром, является нагрузкой. Существуют, по крайней
мере, шесть вариантов схемы для избирательных частот 30,33,36,38,
40 и 56 кГц; угловое поле во всех случаях равно 110°. Имея излуча-
ющий диод с высоким КПД, управляемый импульсами 1,5 А, при по-
роговом значении отклика в 0,35 мВт/м2 получают дальность дей-
ствия 35 м.
На рис. 11.2 изображен корпус излучающего блока, размеры кото-
рого составляют приблизительно 10x12x5 мм. В нем находится опти-
ческий фильтр, который ослабляет помеху, возникающую под воздей-
ствием окружающего света.
Рис. 11.1. Структурная схема ИС, объединяющей в пластмассовом корпусе
фотодиод и избирательный усилитель
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ КОММУТА ТОР
213
Рис. /1.2. Корпус, где размещен модуль, представленный на рис. 11.1
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ КОММУТАТОР
ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА ЧАСТОТАХ ДО 1 МГц
Хотя для устройств дистанционного управления бытовыми прибора-
ми достаточно частоты 50 или 60 кГц, некоторые типы устройств пе-
редачи данных требуют частот в 10-20 раз больших. Фирма Temic
разработала для таких приложений (от 20 кГц до 1 МГц) быстродей-
ствующий коммутатор, управляющий излучающим диодом; соответ-
ствующая схема изображена на рис. 11.3.
Интегральная схема быстродействующего коммутатора управляет
таким же быстродействующим диодом ИК диапазона типа TSFH
5400. Максимальный импульсный прямой ток светодиода не превы-
шает 200 мА. На входе два диода защищают схему от выхода за пре-
делы управляющего напряжения.
Первые усилительные каскады приемника, представленные на
рис. 11.4, собраны на дискретных транзисторах, имеющих более
низкий уровень шумов по сравнению с усилителями в интегральном
исполнении. Несмотря на такое схемное решение, при частоте 1 МГц
и с угловым полем 40 практически
невозможно достичь дальности дей-
ствия более 1 м.
Коэффициент усиления на низ-
ких частотах ослабляется благодаря
цепи, состоящей из конденсатора Cq
и двух резисторов RF1. Диод D1
обеспечивает автоматическую регу-
лировку коэффициента усиления,
воздействуя при этом непосред-
ственно на ток коллекторов транзи-
сторов Q3, а также на Q2 через Q3.
Преобразование аналогового сигнала
Рис. 11.3. Схема быстродействующего
коммутатора
214
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
-О +5V
-О Донное
-О”3ем1ля"
Рис. 11.4. Приемник, содержащий АРУ и адаптированный к схеме передачи,
приведенной на рис. 11.3, может использоваться на частотах до 1 МГц
(документация CD-ROM Temic)
в цифровой вид обеспечивается встроенным компаратором, выход ко-
торого совместим с любым типом логических элементов ТТЛ и КМОП,
в том числе КМОП с высокой плотностью упаковки (HCMOS).
КОМПЕНСАЦИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО СВЕТА
Многие фототранзисторы, особенно в металлическом корпусе, содер-
жат вывод базы, который чаще всего не задействуется, однако схема,
приведенная на рис. 11.5, свидетельствует о том, что он может быть ис-
пользован. Приведенная модификация - результат переработки экспе-
риментальной схемы, представленной в журнале «Electronic Design».
Два операционных усилителя образуют контур обратной связи,
в который включен фототранзистор. Первый усилитель 1Са обраба-
тывает полезный сигнал одновременно с помехами постоянного и пе-
ременного характера, вызываемыми окружающим освещением. Во
избежание перенасыщения необходимо использовать первый усили-
тель с малым коэффициентом усиления, определяемым отношением
R3/R2, а основное усиление производить при помощи второго уси-
лителя.
Значение Кусил второго ОУ гораздо выше: оно превышает 30 при
указанных величинах R1 и R4. Тем не менее К действителен толь-
ко на низких (постоянных) частотах. При этом коэффициент обрат-
ной связи минимален, но начиная приблизительно с 1 кГц он возрас-
тает благодаря емкости С1. На рабочей частоте ослабление становится
ничтожно малым.
БАРЬЕР НА ЗАКРЫТОМ КОНТУРЕ
215
Рис. 11.5. Коррекция воздействия окружающего фона освещения
Предпочтительно использовать эту, а также другие схемы компен-
сации или фильтрации с логическими элементами, обеспечивающими
обнуление после каждого бита. В противном случае последовательно-
сти 0 или 1 (см. рис. 10.1) могут интерпретироваться как низкочас-
тотные сигналы и подвергаться ослаблению. Аналогично обстоит
дело с паузами синхронизации некоторых кодирующих устройств.
Для многих приложений единственным серьезным источником
помех являются колебания потока с частотой 100 Гц, излучаемого
осветительными приборами. От помех можно избавиться при помо-
щи описанных выше способов, например, используя заградительный
фильтр типа двойного Т-моста или моста Вина. Эти схемы будут
приведены на рис. 11.16 и 11.25.
БАРЬЕР НА ЗАКРЫТОМ КОНТУРЕ
При использовании для подсчета мелких предметов барьера ИК диа-
пазона или детектора, принимающего отраженное от преграды излу-
чение, передатчик и приемник зачастую близко расположены друг
к другу и поэтому объединяются в одном блоке. Схема генератора,
216
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
приведенная на рис. 11.6, разработана Дж. Донхаузером (J. Donhauser)
и опубликована в журнале «Elektronik», Munich.
Интегральная схема NE567 включает генератор (рис. 11.7), сопро-
тивление R1 и емкость С1 которого определяют частоту приблизи-
тельно 2,2 кГц при значениях, указанных на рис. 11.6. Кроме того,
в NE567 входят два фазовых компаратора, образующие фазовый кон-
тур. На выводе 5 сигнал, подаваемый от генератора, имеет прямо-
угольную форму с максимальным размахом амплитуды 5 В. Через ре-
зистор R2 прямоугольный сигнал поступает на базу транзистора Т1,
который питает излучающий диод импульсным прямым током около
20 мА. В приемном устройстве сигнал коллекторной нагрузки R4 фо-
тотранзистора поступает через разделительный конденсатор С2 на
вход 3 NE567.
Обычно фазовый контур служит для настройки внутреннего гене-
ратора на частоту внешнего сигнала. В данном примере внешняя
частота, поступающая на вывод 3, совпадает с частотой внутреннего
генератора, поскольку он общий для оптопары. Таким образом, в дан-
ном случае можно было бы отказаться от принципа автоматической
подстройки частот передатчика и приемника с использованием фа-
зового контура. Но в силу того, что применена комбинированная ин-
тегральная схема, нужно использовать все ее возможности, в частно-
сти точной отстройки от сигналов помех. Следует отметить, что при
создании узкого диапазона захвата для фазового контура необходим
высокий номинал емкости конденсатора, подключенного к выводу 2.
При этом добиваются автоматической настройки на полезный сигнал,
исключающий захват сигнала помехи.
Рис. 11.6. Генератор интегральной схемы NE 567 служит одновременно
для управления излучающим диодом и для синхронной демодуляции сигнала приема
БАРЬЕР НА ЗАКРЫТОМ КОНТУРЕ
217
Входной
сигнал
R1
+Ua=4,75...9V
Рис. 11.7. Схема NE 567 содержит генератор, управляемый таком,
а также два фазовых компаратора, работающих с разностью фаз 90°
Демодуляция полученного сигнала сводится, очевидно, к получе-
нию взаимоисключающих ответов: «Да» или «Нет». Проводится син-
хронная демодуляция после приемной схемы с помощью двух фазовых
компараторов 1 й 2. Компаратор 2 работает «в квадратуре», то есть
имеет фазовый сдвиг 90° по отношению к компаратору 1, который на
самом деле должен вести себя как прерыватель, обеспечивающий
связь (между выводом 3 и входом А1) в момент прохождения вход-
ного сигнала через 0. Если компаратор 1 под воздействием входного
сигнала закрывается немного раньше или позже, он передает на А1
положительное или отрицательное «напряжение ошибки», которое
подстраивает частоту генератора (или, точнее говоря, изменяет его
фазовое состояние) таким образом, чтобы поддержать автоматичес-
кую настройку на входной сигнал.
Компаратор 2 подобен прерывателю, который закрывается в мо-
мент, соответствующий разности фаз 90° по отношению к компара-
тору 1. Таким образом, данный прерыватель находится в активном
режиме в течение каждого положительного импульса, вырабатыва-
емого генератором. Когда приемный тракт заблокирован, компаратор 2
закрыт, при этом С4 заряжается через Rp до напряжения, близкого
к напряжению питания. На выходе А2 появится напряжение с тем же
значением. В противном случае (минимум 50 мВ пикового значения
на выводе 3) каждый импульс вызывает постепенный разряд С4,
а напряжение на выходе становится близким к нулю.
218
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Поскольку А2 имеет выход с открытым коллектором, необходимо
предусмотреть сопротивление нагрузки R7. На самом деле нагрузка
уже существует в виде R6 и светодиода LED, но из-за нестабильности
его порога выходное напряжение может не соответствовать стан-
дартным логическим уровням цифровой схемы, подключенной
к выходу Через R5 фиксируется отклик на выходе А2, то есть работа
в режиме триггера с гистерезисом, который обеспечивает четкие пере-
ходы между двумя состояниями выхода.
РЕГУЛИРУЕМАЯ СКВАЖНОСТЬ
И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСОВ
Энергоемкость батарейки питания передатчика ИК диапазона умень-
шается тем быстрее, чем дольше нажимают на кнопку настройки.
Радикальное решение этой проблемы, как показано на рис. 11.8 (дан-
ные взяты из документации Siemens), заключается в обеспечении пи-
тания передатчика не от самой батарейки, а от заряжаемого ею в ре-
жиме покоя конденсатора С1.
При указанных значениях получают последовательность импульсов
с длительностью приблизительно 5 мс и частотой заполнения 33 кГц.
Таким образом, одна девятивольтовая батарейка емкостью 0,24 А-ч
может служить в течение трех лет, обеспечивая приблизительно
30000 нажатий на кнопку при условии, что ежесуточно отдают одну
команду в час.
Импульсы с частотой следования 33 кГц вырабатываются мульти-
вибраторов на КМОП элементах, скважность и частота которого
Рис. 11.8. Передатчик импульсной последовательности,
длительность которой определяется величиной емкости С1
РЕГУЛИРУЕМАЯ СКВАЖНОСТЬ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСОВ 2/Р
могут быть подстроены с помощью потенциометров Р1 и Р2 в соот-
ветствии с графиком, приведенным на рисунке. Таким образом, КПД
излучателя можно увеличить путем точной настройки на частоту при-
емника. Прямоугольный импульс, который вырабатывается мульти-
вибратором, усиливается двумя транзисторами, включенными по
схеме Дарлингтона. Они обеспечивают питание трех последователь-
ных диодов ИК диапазона.
На рис. 11.9 представлена предложенная автором входная схема
приемника. Входной каскад предусмотрен для захвата сигнала с пе-
редатчика, представленного на рис. 11.8.
Транзистор с общим коллектором запускает избирательную LC-цепь,
настроенную на частоту 33 кГц. Однако, по мнению автора, чтобы
избежать существенного ослабления сигнала вследствие шунтирова-
ния резонансной цепи низким выходным сопротивлением в цепи
коллектора, лучше использовать транзистор с общим эмиттером,
в цепь которого можно включить фотодиод, а усиление сигнала про-
извести позже.
Демодуляция может быть осуществлена с помощью интегральной
схемы, применяемой в радиоприемнике для AM модуляции. Здесь
наличествует только усилитель промежуточной частоты (УПЧ), до-
пускающий использование схемы АРУ. На рис. 11.10 в качестве йри-
мера приведена интегральная схема TDA 1072. Фотодиод подсоединен
к резонансной цепи напрямую. Подключение к катушке позволяет
произвести подстройку на входное сопротивление интегральной схе-
мы, составляющее 3 кОм. При последовательности импульсов дли-
тельностью 5 мс в целях предосторожности следует предусмотреть
полосу пропускания минимум 500 Гц. На частоте 33 кГц для резонанс-
ной цепи эта величина соответствует коэффициенту перенапряжения
равному 66.
Фильтр, состоящий из резистора
R1 и конденсаторов СЗ и С7, по-
давляет колебания частоты 33 кГц
выходного напряжения на выводе 6.
Поскольку амплитуда, которая на-
блюдается в этой точке, составляет
всего несколько сотых милливоль-
та, то впоследствии при необхо-
димости запустить логическую
схему требуется усилить сигнал. По-
стоянная составляющая сигнала,
Рис. /1.9. Входной каскад приемника
220
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
наблюдаемая на выводе 6, изменяется при работе АРУ входного сиг-
нала. Поэтому будет сложно преобразовать сигнал «Вход» в цифро-
вой вид при подключении компаратора непосредственно к входу.
Однако положительный результат можно получить, если автомати-
чески настроить опорное напряжение компаратора на напряжение,
наблюдаемое на выводе 8 (развязка АРУ).
При работе с пачками импульсных последовательностей длитель-
ностью 5 мс отпадет необходимость в индикаторе уровня на выводе 9,
но им можно воспользоваться для опытов по ориентации с непрерыв-
ным сигналом частотой 33 кГц. Аналогично обстоит дело при приме-
нении схемы для передачи звуковых частот, когда следует работать
со значительно более широкой полосой пропускания, ослабляя при
необходимости резонансную цепь с помощью резистора.
Рис. 11.11 показывает, что подстройка при помощи полевого тран-
зистора позволяет TDA 1072 избежать непосредственного подключе-
ния к катушке. Одновременно получают более высокую чувствитель-
ность. В дополнительном усилении нет необходимости, поскольку
при пороговом значении работы АРУ усилитель промежуточной ча-
стоты TDA 1072 на своем входе требует не более 50 мкВ.
Интегральная схема для радиоприемника ЧМ сигналов может так-
же использоваться в качестве демодулятора. Резонансная LC-цепь,
определяющая ее рабочую частоту, должна иметь такую избиратель-
ность, чтобы в течение 5 мс передачи приемник воспринимал мгно-
венную частотную модуляцию, соответствующую максимальной ам-
плитуде частоты.
Рис. 11.10. Схема приема для модулированного сигнала ИК диапазона,
использующая УПЧ интегральной схемы радиоприемника
ОСОБЕННОСТИ ДЕМОДУЛЯЦИИ 221
ОСОБЕННОСТИ ДЕМОДУЛЯЦИИ
Демодуляция - наиболее тонкая процедура в алгоритме приема сиг-
нала: именно на данном этапе полезный сигнал может сопровождать-
ся помехами, от которых не всегда легко избавиться при последующей
фильтрации. Наиболее эффективным и линейным процессом в этом
случае считается синхронная демодуляция. На рис. 11.6 показан при-
мер приложения для генератора, который является общим для излу-
чателя и приемника. Передатчик подключен к компаратору прием-
ника с помощью кабеля.
Очевидно, метод синхронной демодуляции не применяется при
использовании беспроводного передатчика дистанционного управле-
ния, но реализуется при условии, что в схеме приемника имеется ге-
нератор автоматической настройки на частоту генератора передатчи-
ка, управляющего диодом ИК диапазона. Разумеется, импульсная
последовательность, амплитудная или частотная модуляцйи, цифро-
вой сигнал обладают своими особенностями. Но в любом случае та-
кая настройка не мгновенна: она длится от нескольких миллисекунд
до нескольких секунд, и чем она дольше, тем выше помехоустойчи-
вость.
Таким образом, если при передаче редких и коротких импульсов не
рекомендуется использование демодуляции с режимом АРУ (как в пре-
дыдущем примере), то при передаче модулированных сигналов звуко-
вого диапазона и относительно длинных сообщений, которым пред-
шествует последовательность импульсов синхронизации, она очень
эффективна. С помощью данного метода легко определить сигналы
«цифровой логики», потому что в последовательности входных сигна-
лов схема находит «синхросигналы», например в случае модуляции дли-
тельности (рис. 10.1) или наличия пачек импульсов на временной оси.
На рис. 11.12 представлена струк-
турная схема синхронной демоду-
ляции (Texas Instruments). Требу-
ются два фазовых компаратора,
если применен метод амплитуд-
ной модуляции, и один - для час-
тотной или фазовой.
На рисунке показан общий прин-
цип работы схемы. Речь идет ис-
ключительно об особенностях при-
менения и о возможных вариантах
схемы.
Рис. 11.11. Полевой транзистор,
включенный по схеме с общим стоком
222
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Величины индуктивности L и емкости С1 рассчитаны на резонанс-
ную частоту 40 кГц для входного фильтра. После предварительного
усиления и прохождения через дифференцирующий усилитель сиг-
нал симметрично поступает на два фазовых компаратора. Кроме того,
имеется генератор, управляемый напряжением (ГУН), который ра-
ботает на частоте 80 кГц. После деления на два она, соответственно,
равна 40 кГц. Делитель имеет две пары отдельных выходов для каж-
дого из компараторов. Это означает, что выходы имеют сдвиг по фазе
на 90°. Такая особенность наблюдается, например, если заставить
один компаратор реагировать на подъем, а другой - на спад входного
сигнала.
Компаратор 1 служит, как и в любом фазовом контуре, для авто-
матической настройки ГУН на случайный сигнал. Как было показа-
но выше, на выходе компаратора 1 вырабатывается сигнал ошибки на
ГУН при рассогласовании по фазе, а компаратор 2 работает в квадра-
туре фазы (со сдвигом на 90°) и, таким образом, может выявить при-
сутствие сигнала, который поступает на его вход в виде импульса или
последовательности импульсов. Компаратор 2 также может исполь-
зоваться для демодуляции сигнала, модулированного по амплитуде.
Розбязки Соединение
Рис. 11.12. Схема синхронной демодуляции
ЗАПОМИНАНИЕНАПРАВЛЕНИЯДВИЖЕНИЯ
223
Напротив, если речь идет о частотной, фазовой или других видах
импульсной модуляции, компаратор 1 демодулирует сигналы, обес-
печивая автоматическую настройку по фазе. Здесь в силу вступает
принцип, о котором говорилось в связи с приемным блоком, изобра-
женным на рис. 8.9.
ЗАПОМИНАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ
Механический контакт вполне может справиться с задачей управле-
ния электрическим насосом, наполняющим резервуар с водой. Одна-
ко, если речь идет о резервуаре с углеводородом, во избежание искре-
ния желательно найти замену такого контакта.
На рис. 11.13 показано, как можно решить эту задачу, используя
излучение И К диапазона (данные взяты из документации Texas
Instruments). Поплавок затемняет один из двух фототранзисторов,
соединенных с компараторами напряжения, который управляют
триггером запуск-перезапуск (set-reset). Когда поплавок находится
между уровнями А и В, запоминается его последнее активное поло-
жение.
Аналогичный метод может использоваться для барьера ИК диапа-
зона, который должен не только регистрировать факт нахождения
предметов или людей в поле зрения оптической системы, но и запом-
нить направление их движения (это важно, например, для того, что-
бы узнать, вошел человек или вышел). На рис. 11.14 предлагается
схема такого барьера.
В качестве другого примера возьмем приложение, которое практи-
чески не боится искусственного освещения, но подвержено помехам,
возникающим во время работы при дневном свете. Поэтому нецеле-
сообразно, чтобы передатчик и приемник функционировали непре-
рывно (см. рис. 11.13). Можно использовать частоту осветительной
сети 50 Гц как частоту модуляции барьера, если в его выходную цепь
включить светодиод, благодаря чему схема передатчика упрощается.
В схеме СД4011 (рис. 11.14) приемник содержит два идентичных
канала обработки входного сигнала. Кусил усилителей на LM 358,
определенный резисторами R3 и R4, соответствует дальности действия
около 1 м. Большей дальности можно достичь, увеличивая Кусил до
тех пор, пока окружающий свет не начнет создавать помехи. Это воз-
можно, только в случае, когда при достаточно сильном постоянном
освещении используются фототранзисторы, снабженные фильтром,
ослабляющим воздействие дневного света (например, TEFT 4300).
224
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 11.13. Автоматическое управление уровнем резервуара
В режиме покоя усилители обеспечивают напряжение около 1 В.
При наличии сигнала (положительная волна 50 Гц) конденсатор С2
заряжается через диод. Когда напряжение на С2 начинает превышать
порог логической КМОП схемы, выход Р1 может перейти в состоя-
ние логической 1, если хотя бы один из фототранзисторов затемнен.
Триггер запуск-перезапуск, образованный Р2 и РЗ, переходит в со-
стояние, сигнализирующее, какой из двух фототранзисторов был за-
темнен последним. Оно поддерживается до следующего пересечения
барьера.
БАРЬЕР ПРЯМОГО/ОБРАТНОГО СЧЕТА
Наиболее часто такой тип барьера используется для небольших даль-
ностей (несколько миллиметров), причем в качестве затемняющего
объекта применяется вращающийся диск с разрезами или небольшое
колесо с зубчатым краем. При прохождении каждого зубчика колеса
через угловое поле импульс получают либо на одном, либо на втором
выходе схемы. Если эти два выхода подключены к входам управле-
ния счетчика, то, вращая колесо вручную, можно провести счет до
желаемой величины.
Схема, представленная на рис. 11.15, работает в постоянном режи-
ме, поскольку использование излучения ИК диапазона для такого
приложения будет неоправданно.
БАРЬЕР ПРЯМОГО/ОБРАТНОГО СЧЕТА
225
Рис. 11.14. Модификация схемы, изображенной на рис. f 1.13
Схема передачи содержит резистор R1, последовательно соединен-
ный с диодом ИК диапазона. При питании от источника в 5 В полу-
чают прямой ток светодиода 250 мА, если сопротивление R1 = 15 Ом,
и 2,5 мА при 1,5 кОм. Последнее значение величины тока, достаточно
для дальности в несколько миллиметров, требуемой для указанного
приложения. Если ток составляет 250 мА, обеспечивается дальность
не менее 50 см, которая может быть значительно увеличена в подхо-
дящих условиях окружающего освещения и изменении порогового
значения компаратора приемника (как это будет показано в даль-
нейшем).
Как и в предыдущем примере, приемник содержит два идентичных
канала. В каждом из них операционный усилитель служит компара-
тором напряжения. Когда падение напряжения на R2 + R3 (вывод 5
ОУ) превосходит значение, заданное делителем напряжения, кото-
рый состоит из резисторов R5 и R6 (вывод 6), выходное напряжение
(вывод 7) переходит от 0 к величине, близкой к напряжению пита-
ния, создавая положительный перепад.
При помощи резистора R4 вводится гистерезис, который позво-
ляет отличить сигналы помех при вспышках света от полезных сиг-
налов при движении с учетом направления затемняющего объекта.
Таким образом, можно избежать явления, возникающего при двой-
ственном положении этого объекта, когда фототранзистор работа-
ет на уровне собственных шумов и велика вероятность ложных
тревог.
15-637
226
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 11.15. Выходы прямого и обратного счета активизируются
в зависимости от направления пересечения барьера
Поскольку за двумя компараторами стоят дифференцирующие
схемы ДС (Cl, R7), из перепадов сигналов ими формируются поло-
жительные импульсы на выходах Р1 или Р2 и отрицательные - на
выходах одного из двух портов (РЗ, Р4), когда объект перестает за-
темнять один из, фототранзисторов на входе приемной схемы. Тем не
менее такой отклик возможен в случае, если выходы Р1 или Р2 одно-
временно находятся в состоянии логической 1, что приводит к затем-
нению соответствующих фототранзисторов.
Когда объект, изображенный на рис. 11.15, перемещается снизу
вверх, то первым он начинает затемнять фотодиод РТ2. При этом
усилитель А2 создает перепад из 1 в 0, из которого ДС не формируют
импульсы. Затем объект перестает затемнять РТ2, в то время как
РТ1 благодаря объекту продолжает оставаться в тени. В таком слу-
чае А2 опять перейдет в состояние логической 1, а дифференциру-
ющий импульс, полученный из положительного перепада, может прой-
ти через РЗ, так как выход переключателя Р1 находится в состоянии
логической 1. В конце концов объект полностью покидает барьер. По-
ложительный перепад с выхода А1 вызывает формирование положи-
тельного импульса на одном из входов Р4, но на выход он не прой-
дет, поскольку другой вход Р4 находится в состоянии 0 вследствие
того, что РТ2 уже освещен. Благодаря тому, что схема полностью
ПОЛОСНОЗАГРАЖДАЮЩИЙ ФИЛЬТР НА 100 Гц
227
симметрична, на выходе Р4 наблюдаются те же процессы, что и при
движении в обратном направлении.
Чтобы легче было проследить медленные движения объектов, вы-
браны соответствующие величины емкости С1 и сопротивления R7
(см. рисунок). Поскольку колесо с зубчатым краем вращается быст-
рее, такие значения могут обусловить слишком большую постоянную
времени, а величины С1 и R7 пропорционально уменьшаются в де-
сять раз, то есть до 10 нФ и 47 кОм соответственно.
Для повышения чувствительности приемника достаточно умень-
шить пороговое значение компараторов за счет увеличения сопротив-
ления резистора R5. Естественно, это ухудшает помехоустойчивость.
В любом случае схема с гистерезисом может создать проблемы, если
выбрать соотношение R5 / R6 > R4 / R3.
В приложениях, где дальнейшая обработка сигналов осуществля-
ется микропроцессором, импульсы прямого и обратного, счета, выра-
батываемые схемой, поступают на входы увеличения или уменьше-
ния содержимого входного регистра.
Существуют также КМОП счетчики (например, HEF 40193 В -
Philips), обладающие раздельными входами для импульсов прямого
и обратного счета.
Конечно, описанный метод можно применить к барьеру на моду-
лированном излучении ИК диапазона с фильтрацией со стороны
приема. В таком случае при достаточно стабильных условиях окру-
жающего освещения можно было бы произвести счет под действием
светового потока с учетом направления движения человека. Однако,
как показывает практика, в некоторых случаях осуществить это не-
просто (например, из-за влюбленных пар, которые, бывает, подолгу
стоят перед барьером).
ПОЛОСНОЗАГРАЖДАЮЩИЙ ФИЛЬТР НА 100 Гц
Основным источников помех, наиболее опасных с точки зрения пе-
редачи посредством ИК излучения, являются лампы накаливания
с частотой 100 Гц. Удалить источник помех проще, нежели произвес-
ти полосовую фильтрацию пблезного сигнала, имеющего широкую
полосу или представленного в цифровом виде. Фильтр в форме двой-
ного Т-моста,,изображенный на рис. 11.16, снижает при указанных
значениях уровень сигнала помехи частотой 100 Гц до 20-30 дБ.
Можно получить и большее ослабление, добившись, чтобы сопротив-
ление резисторов Rl - R3 имело разброс параметров 5-10% от номи-
нального значения, а не 2%, как в данной схеме.
228
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 11.16. Фильтр снижает
уровень сигнала
На частоте полезного сигнала, превыша-
ющей 1 кГц, три конденсатора схемы рабо-
тают как короткозамкнутые цепи. В этом
случае входное сопротивление фильтра
составляет около 25 кОм. Если источник
сигнала состоит, как показано на рис. 11.16,
из Rl = 220 кОм, то необходим буферный
каскад по схеме с общим коллектором
(или операционный усилитель в качестве
повторителя), поскольку в противном слу-
чае потеряется около 90% полезного сиг-
нала.
Ввиду того, что схема двойного Т-моста
имеет посредственную избирательность, весьма неприятное явление
скоса импульса наблюдается даже у прямоугольного сигнала, часто-
та которого в десять раз больше частоты подавления фильтра. Кроме
того, во многих приложениях можно наблюдать пробелы между би-
нарными словами, а иногда и в последовательностях Гили 0, длитель-
ность которых больше 1/5 количества колебаний с частотой 100 Гц.
В таких условиях фильтр, подавляющий помехи частотой 100 Гц,
уменьшает уровень полезного сигнала. Единственное решение про-
блемы - изменение тактовой частоты сигнала, которая не должна
быть кратна 100 Гц.
Мост Вина, совмещенный с операционным усилителем, также до-
пускает использование разделительного фильтра. При этом требует-
ся не более двух прецизионных конденсаторов (см. рис. 11.25).
СЕКРЕТНЫЕ КОДЫ
При автоматическом открывании дверей часто возникает необходи-
мость защиты от ложного срабатывания, происходящего вследствие
каких-либо помех или действий лица, не имеющего разрешения на
вход. Такую защиту можно осуществить с помощью кодеров, запро-
граммированных на определенное сообщение (длиной 10-20 бит).
На стороне приема подобное сообщение принимается только декоде-
ром, который запрограммирован аналогичным образом.
В первом примере, представленном на рис. 11.17, приведена схема
КМОП ММ 53200. Она может быть одновременно кодером (вывод
15 соединен с +UA) или декодером (вывод 15 соединен с «землей»).
Кодирование производится 12 битами (выводы с 1 по 12), то есть су-
ществует возможность 212 = 4096 комбинаций. В режиме кодера на
СЕКРЕТНЫЕ КОДЫ
229
выходе (вывод 17) циркулирует последовательность из 13 бит. Пер-
вый бит, который всегда находится в состоянии логическое 1, слу-
жит для синхронизации, равно как и пробел, стоящий перед этой
комбинацией. 12 других бит соответствуют положениям механичес-
ких ключей, устанавливаемых в 0 или 1 в зависимости от требуемого
кода. Кроме того, 0 и 1 кодируются с помощью ММ 53200 импульса-
ми различной длительности. При значениях R и С, задающих часто-
ту тактового генератора (вывод 13), каждое из бинарных слов длится
приблизительно 12 мс.
В схеме приема сообщение, принятое ММ 53200 в режиме декоде-
ра, поступает после формирования в уровнях КМОП на вывод 16.
Поскольку механические ключи кодирования находятся в том же
положении, что и в схеме передачи, необходимо четыре раза подряд
получить сообщение без искажений для того, чтобы схема кодера
сформировала сигнал подтверждения - 1 на выводе 17 (принятие
сообщения декодера). Такой импульс равен длительности передачи
(при приеме, по крайней мере, одного из шести правильных сообще-
ний) плюс времени передачи шести слов.
Система передачи, представленная на рис. 11.18, отличается от пре-
дыдущей более широким диапазоном напряжения питания (4,5-18 В),
большим числом возможных комбинаций кодирования (13122) и воз-
можностью вести работу на достаточно высоких частотах, при кото-
рых можно более эффективно применять заграждающий фильтр на
частоту помех 100 Гц. Третичная адресация девяти выводов позволя-
ет реализовать более 12000 возможных комбинаций кодирования.
Закодированное сообщение может иметь одну единственную функ-
цию ключа (декодер М 145028) или же использоваться частично для
передачи данных (М 145027).
Допустимо передавать не только адрес идентификации, но и со-
общение из 4 бит, уменьшив число комбинаций адресации. Таким
образом, можно пользоваться одним из нескольких устройств дис-
танционного управления, передавая ему бинарные команды типа
«включение/выключение», «назад/вперед», «зажигание/гашение»
и т.д. Схема, приведенная на рис: 11.18, взята с компакт-диска «Data
on disc» компании SGC-Thomson.
По сравнению с ММ 3200 в данной схеме меньше выводов, но боль-
шее количество комбинаций в ней объясняется тем, что адресация ве-
дется не битами, а тритами, то есть кодируется тремя состояниями.
Входы кодирования кодера (выводы 1-7 и 9) могут быть в одном
из трех состояний: «соединен с землей», «открыт» и «соединен
230
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Рис. 11.17. ММ 53200, представляет собой электронный замок
с положительным полюсом источника питания». Только вывод 10
имеет не больше двух состояний, что в сумме дает 2х38 комбинаций.
Несмотря на то что программирование осуществляется тритами, пе-
редача ведется в бинарном виде: два коротких импульса; один длин-
ный и один короткий; два длинных - соответственно для трех состо-
яний. Существуют другие типы кодеров/декодеров с третичной
адресацией,'в частности ММ 57410.
Кодер М145026 (или МС 145026) используется с декодерами 145027
(5 тритов адресации и 4 бита передачи данных) или 145028 (8 тритов
и один бит, все адресации). В последнем случае следует рассматривать
выходы данных декодера (выводы 12-15, рис. 11.8) в качестве входов
адресов, выполняющих ту же функцию, что и выводы 1-5.
Тактовый сигнал передачи определяется тактовым генератором
на выводах кодера 11-13. Частота сигнала приблизительно равна
1 / (2,3 х RTC х СТС). И частота, и значение формирующих ее вели-
чин определяются по табл. 11.1. Величина СТС включает емкость
проводов и входную емкость (12 пФ) схемы. RC должна быть равной
или немного превосходить 2 RTC при минимальном значении RTC
10 кОм. В данной таблице приведено несколько распространенных
значений также и для RC-элементов декодера. СТС’ - значение ком-
понента, увеличенное на 20 пФ.
СЕКРЕТНЫЕ КОДЫ
231
Во время декодирования короткий импульс равен полупериоду
тактового сигнала, длинный - семи полупериодам, а возвращение в О
при разделении также соответствует одному или семи полупериодам.
Поскольку каждый трит выражается посредством двух бит, длитель-
ность его передачи тоже равна восьми периодам тактового сигнала.
К другим декодерам
Рис. 11.18. Система передачи
Таблица 11.1 Параметры RC-элементов декодера
362 10 гёЛМ •
0,12 20 10 0,47 100 0,1
181 10 0,24 20 10 0,19 100 1,8
88,7 10 0,49 20 10 2 100 3,9
42,6 10 1,02 20 10 3,9 100 7,5
21,5 10 2,02 20 10 20 200 15
8,53 50 5,1 100 50 20 200 100
232
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Слово (сообщение), таким образом, составляет 9 х 8 = 72 периода. За
ним следует пробел, равный 32 периодам. Каждый раз при кратко-
временном нажатии на клавишу ТМ кодер выдает два идентичных,
следующих друг за другом слова, разделенных пробелом, что состав-
ляет в сумме 176 периодов.
Декодеру требуется 182 периода для записи и сравнения двух слов
со своим кодом1. Если соответствие подтверждается, то он выставля-
ет квитанцию на своем выходе VT (в 1) до приема ложного сообще-
ния или в течение 32 тактовых периодов, пока больше ничего не по-
ступает на прием. Компоненты R1 и Cl (Rl х С1 = 3,95 RTC х СТС)
служат для различения длинного и короткого импульсов, в то время
как R2 и С2 (R2 х С2 = 77 RTC х СТС) позволяют проверить пробел
из 32 периодов между двумя словами. Если удерживать клавишу ТМ
нажатой, то сообщение будет повторяться постоянно. Поскольку
приведенные выше коэффициенты 3,95 и 77 соответствуют середине
диапазона, можно, как и у предыдущих кодеров, использовать эле-
менты с пятипроцентным допуском. Накопленная ошибка может со-
ставить даже 25%.
ПЕРЕДАТЧИКИ СЕКРЕТНОГО КОДА
Для проведения экспериментов с четырьмя представленными здесь
схемами передатчиков использовался кодер М 145026. Следуя выше-
изложенным указаниям, можно применять в этих устройствах дру-
гое напряжение питания и совершенно другой декодер - даже на
КМОП схемах.
На рис. 11.19 излучающий диод управляется транзистором с об-
щим коллектором. При значениях, указанных на схеме, импульсный
прямой ток составляет около 100 мА. Рабочая частота может дости-
гать многих сотен килогерц.
Импульсы тока 1 А могут быть получены с помощью МОП тран-
зистора, изображенного на рис. 11.20. Допустимо использовать и дру-
гие типы транзисторов, имеющие номинальное значение тока не-
сколько ампер, если их входная емкость не превышает 300 пФ.
Выходные импульсы имеют крутые фронты, а излучатель - высокий
КПД при частотах до 20 кГц. Однако схему Можно использовать
и при частотах, превышающих 100 кГц, правда, с некоторой потерей
в КПД.
1 Обычно для проверки бывает достаточно двух слов, хотя иногда, чтобы убе-
диться в качестве приема, увеличивают их число, а вместе с тем и вероятность
помехи, в результате чего проверка сообщения может затянуться надолго.
ПЕРЕДАТЧИКИ СЕКРЕТНОГО КОДА
233
Рис. 11.19. Излучающий диод,
управляемый при помощи
транзистора с общим коллектором
Рис. 11.20. МОП транзистор
может обеспечивать
импульсы 1А
Схема, представленная на рис. 11.21, кроме того, может обеспечи-
вать импульсы 1 А до частоты, составляющей как минимум 100 кГц.
Диод D1 излучает в видимом диапазоне и служит индикатором пита-
ния, в то время как D2 является излучающим диодом ИК диапазона.
Каскад двух общих эмиттеров, изображенный на рис. 11.22, позво-
ляет получить значительно более высокий КПД на частоте, намного
превышающей 200 кГц.
Однако, если учесть падение напряжения на выводе 15 и на дио-
дах перехода база-эмиттер обоих транзисторов, сопротивление рези-
стора, последовательно включенного с диодом D2, должно быть
уменьшено с 4,7 до 2,2 Ом, чтобы сохранился импульсный прямой ток
1 А. Возможности последовательного включения нескольких излуча-
ющих диодов гораздо более ограничены, чем в предыдущем примере.
Рис. 11.21. Эта схема также позволяет
получить импульсы 1 А
Рис. 11.22. Использование каскада
по схеме с двумя общими
коллекторами
234
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Кроме того, на выходном транзисторе наблюдается более высокая
мощность рассеяния. Как и в предыдущем случае, диод D1 служит
для индикации работы.
ПРИЕМНИКИ ДЛЯ СЕКРЕТНОГО КОДА
Для настройки трех схем приемников, описанных ниже, были ис-
пользованы сигналы, вырабатываемые схемой М 14026. Учитывая
напряжения питания, а также частоты передачи и приема, легко адап-
тировать их к другим системам связи.
Приемник, изображенный на рис. 11.23, пригодится, если необхо-
димо преодолеть расстояние не больше нескольких десятков санти-
метров до передатчика, представленного на рис. 11.19.
Компаратор напряжения анализирует непосредственно перемен-
ную составляющую сигнала, принимаемого фотодиодом. При нагруз-
ке фотодиода 47 кОм ограничение по частоте - 50 кГц. При импуль-
сном прямом токе диода ИК диапазона, составляющем 1 А, дальность
действия может достигать 1 м, особенно если оптимизировать чув-
ствительность компаратора, подстроив ноль усилителя с помощью
Рис. 11.23. Приемник,
предназначенный'Для работы
на небольших расстояниях
потенциометра.
Приемник, представленный на рис. 11.24, был адаптирован для пере-
дающего устройства (рис. 11.20), перед которым стоит схема М 145026,
имеющая тактовую частоту 8 кГц.
Фототранзистор может применяться с сопротивлением нагрузки,
не превышающим 3,3 кОм. Усилитель А1 работает с коэффициентом
усиления 1£0, А2 используется в качестве компаратора.
Дальность действия достигает многих десятков метров, если коэф-
фициент помех, вызываемых колебаниями частотой 100 Гц, остается
слабым. При упомянутой тактовой частоте 32 периода пробелов син-
хронизации соответствуют 4 мс. По-
' скольку иолу период колебаний 100 Гц
составляет 5 мс, нерационально при-
менять избирательную фильтрацию.
Кдеко6д°е9ра9 Такая фильтрация возможна при
м 145027/8 использовании приемника, представ-
ленного на рис. 11.25, и расчитанного
на тактовую частоту кодера 120 кГц.
Это относительно высокое значение
требует применения фотодиода. А1
служит для усиления полезного сигна-
ла (Кусил ”11), являясь одновременно
ПРИЕМНИКИ ДЛЯ СЕКРЕТНОГО КОДА
235
Рис. 11.24. При использовании фототранзистора
предпочтительно использовать тактовую частоту не более 10 кГц
Рис. 11.25. Мост Вина подавляет помехи на 100 Гц
нагрузкой симметричного выхода моста Вина, который содержит
подстроечный резистор R1, позволяющий в обязательном порядке
компенсировать конечное значение емкости конденсатора С1. Таким
образом становится возможным ослабить входной сигнал 100 Гц бо-
лее чем на 40 дБ, особенно если эксперименты проводят со многими
значениями емкости С1 (от 1 до 10 мкФ), чтобы установить то, кото-
рое позволяет осуществить наиболее качественное ослабление помех
во время оптимальной подстройки R1.
236
ДРУГИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Входное сопротивление моста Вина составляет приблизительно
35 кОм. Хотя такая схема более избирательна, чем приведенная выше
схема двойного Т-моста, при приеме импульсов, переданных от
М145026 (тактовая частота 120 кГц) еще можно наблюдать явствен-
ный скос фронта. Для того чтобы операционный усилитель, у кото-
рого произведение Кусил на полосу равно 3 МГц, работал на этой час-
тоте, устанавливают коэффициент усиления И для AL и А2. Как
и в предыдущем случае, выходной сигнал формируется компаратором
АЗ. Дальность действия чуть меньше, чем у приемника, изображен-
ного на рис. 11.24, но намного превосходит 1 м. Слишком высокий
коэффициент усиления может сделать цепь чувствительной к поме-
хам частотой 50 Гц, если не обеспечить защиту.
БЕЗОПАСНОСТЬ КОДА
Число возможных комбинаций кода, формируемого ММ 53200, как
уже было сказано, составляет 4096. Оно может показаться огромным.
Однако было бы нечестно скрывать от пользователей, что могут най-
тись люди, которые в корыстных целях воспользуются этой инфор-
мацией.
Злоумышленник вполне может пытаться «поймать удачу» каждые
200 мс, зная, что длительность слова составляет 12,5 мс, а сообщения
из четырех слов - 50 мс. При этом он пользуется микропроцессором,
запрограммированным так, чтобы сканировать 4096 комбинаций воз-
можных кодов с длительностью тактовых импульсов 200 мс. Работая
подобным образом, то есть просматривая пять сообщений в секунду,
взломщик потратит менее четверти часа на то, чтобы перебрать все
комбинации, после чего все начнется сначала с другой длительнос-
тью, которая может в значительной степени (до 50%) отличаться от
первой. Сканирование, а затем взлом кода дадут преступнику шанс,
например, угнать автомобиль престижной марки.
Наиболее простая защита от взлома кода - работа со сверхнизкой
тактовой частотой, то есть при длительности сигналов, превыша-
ющей 1 с. Но при этом возможны достаточно большое потребление
энергии при передаче и использование больших номиналов RC-це-
пей для создания постоянных времени в схеме приемника.
Еще один, более экономичный, способ - зведение нового параметра
в форме несущей, имеющей частоту несколько десятков килогерц. Эту
несущую модулирует сигнал кодера, работающего с достаточно низкой
тактовой частотой (от одного до нескольких килогерц). Кроме того,
БЕЗОПАСНОСТЬ КОДА
237
данный метод позволяет обеспечить
надежную защиту от помех. Благода-
ря полосовому фильтру, настроенно-
му на несущую, схема приема нечув-
ствительна к частоте помехи 100 Гц
независимо от тактовой частоты ко-
дера. На рис. 11.26 показана схема
передающего устройства, которое
можно использовать в целях по-
вышения эффективности борьбы со
Рис. 11.26. Сигнал генератора,
образованного двумя портами,
модулируется в третьем
при помощи импульсов кодера
взломами.
Два элемента КМОП схемы 2И-
НЕ образуют генератор, работа-
ющий при указанных значениях на
частоте 20-25 кГц. Третий элемент
является модулятором. Приведенные выше схемы, имеющие отно-
шение к амплитудной модуляции, в частности изображенные на
рис. 11.10 и 11.11, могут служить образцом приемника. Поскольку
пробел синхронизации длится 32 с (при тактовой частоте 1 кГц),
может возникнуть необходимость в увеличении постоянной времени
АРУ за счет повышения емкости, например С6 (рис. 11.10). Полоса
пропускания входной резонансной LC-цепи должна превосходить
удвоенную тактовую частоту.
Повысить безопасность шифрования позволяет повторение кода.
Например, допустимо обеспечить принятие сообщения только в том
случае, если оно повторится через 300-500 мс. Кроме того, можно
при определенных временных условиях передать на декодер М145027
три сообщения, следующие одно за другим и содержащие различные
данные. Декодер сработает только тогда, когда последовательность
будет соответствовать предварительно заданному алгоритму.
Однако самой лучшей следует признать защиту, которую вы при-
думаете сами: никто, кроме вас, не узнает, на основании какого прин-
ципа она действует!
Герман Шрайбер
Инфракрасные лучи в электронике
Главный редактор Захаров И. М.
editor-in -chief@dmkpress. ru
Перевод с фр.
Научный редактор
Литературный редактор
Технический редактор
Верстка
Графика
Дизайн обложки
Сомова Н. О.
Симонов В. Я.
Готлиб О. В.
Прока С. В.
Пискунова Л. П.
Бахарев А. А.
Панкусова Е. Н.
Подписано в печать 7.04.2003. Формат 60х88У16
Гарнитура «Петербург». Печать офсетная.
Усл. печ. л. 14,7. Доп. тираж 500 экз.
Зак. №637
Издательство «ДМК Пресс», 105023, Москва, пл. Журавлева, д. 2/8.
Web-сайт издательства: www.dmkpress.ru.
Internet-магазин: www.abook.ru.
Отпечатано в типографии № 9,
Волочаевская, 40.