Χρήση υπερύθρων για τηλεχειρισμό μικρής απόστασης

Ηλεκτρονικά εξαρτήματα και ηλεκτρολογικό υλικό, θεωρία, πως λειτουργεί, που το βρίσκουμε, τεκμηρίωση (datasheets), βιβλιογραφία.
Άβαταρ μέλους
GeorgeVita
Διαχειριστής
Δημοσιεύσεις: 497
Εγγραφή: 04 Σεπ 2013, 21:51
Ονομα: Γιώργος
Επικοινωνία:

Χρήση υπερύθρων για τηλεχειρισμό μικρής απόστασης

Δημοσίευσηαπό GeorgeVita » 01 Νοέμ 2013, 16:19

Χρήση υπερύθρων για τηλεχειρισμό μικρής απόστασης

Σχεδόν όλες οι καταναλωτικές συσκευές χρησιμοποιούν υπέρυθρη ζεύξη για τον τηλεχειρισμό των λειτουργιών τους. Για τη ζεύξη αυτή χρησιμοποιούνται υπέρυθρα LED στην "εκπομπή" και φωτοδίοδοι, φωτοτρανζίστορ ή πλήρεις δέκτες IR για τη λήψη. Η "πληροφορία" εκπέμπεται με διαμόρφωση ενός φέροντος αναλαμπών με PPM (Pulse Position Modulation), PWM (Pulse Width Modulation) ή Manchester. Το φέρον έχει συχνότητα μερικών KHz (συνήθως 36-40KHz) και η "πληροφορία" είναι κωδικοποιημένη σύμφωνα με κάποιο πρωτόκολλο (επικρατέστερο το RC-5).

Για καλή απόδοση, οι πομποί και οι δέκτες υπερύθρων (IR emitters και IR detectors ή receivers) πρέπει να λειτουργούν σε παρόμοιο ή κοντινό οπτικό μήκος κύματος, δηλαδή να είναι "ζευγάρι". Για τον τηλεχειρισμό καταναλωτικών προϊόντων χρησιμοποιούνται εξαρτήματα υπερύθρων στα 940nm (nm=νανόμετρα) ενώ η νέα εφαρμογή συγχρονισμού γυαλιών 3D-TV είναι στα 840nm (φέρον 28KHz).

Εικόνα


Πως λειτουργεί:

Οι πομποί υπερύθρων είναι δίοδοι LED. Οι δέκτες υπερύθρων είναι φωτοτρανζίστορ ή φωτοδίοδοι συνήθως μαζί με κυκλώματα ενίσχυσης. Λειτουργούν στο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με μήκη κύματος 700-1000nm (μήκος κύματος λ=1/f). Το ορατό φως είναι περίπου στα 400-700nm. Κάθε LED παράγει συγκεκριμένο χρώμα που αντιστοιχεί σε κάποιο ηλεκτρομαγνητικό μήκος κύματος. Ομοίως κάθε φωτοτρανζίστορ έχει ευαισθησία σε κάποιο τμήμα του φάσματος.

Εικόνα
(nm=νανόμετρα, UV=υπεριώδες, IR=υπέρυθρο)

Για να μεταφέρουμε την πληροφορία αναβοσβήνουμε τα IR LED με κάποιο προκαθορισμένο ρυθμό στέλνοντας σήματα "φως" και "σκοτεινό". Πολλά τέτοια σήματα είναι η πληροφορία που μεταδίδουμε. Η επιλογή των υπερύθρων έγινε για να μην έχουμε "παράσιτα" από το απλό φως που βλέπουμε και χρησιμοποιούμε. Παρόλα αυτά υπάρχει πάντα μια ποσότητα υπέρυθρων "παρασίτων".

Εδώ έρχεται η διαμόρφωση του υπέρυθρου σήματος. Αντί να αναβοσβήνουμε απλά το IR LED χρησιμοποιούμε μια φέρουσα συχνότητα της τάξης των 30-150ΚHz για το άναμμά του (συνηθέστερη 36-38KHz). Αντίστοιχα στο δέκτη κάνουμε ενίσχυση και φιλτράρισμα του φέροντος (30-150KHz) με αποτέλεσμα την βελτίωση σε απόσταση και ποιότητα της υπέρυθρης ζεύξης. Τώρα το σήμα "φως" είναι μια ριπή αναλαμπών 30-150KHz. Για αποδοτικότερη λειτουργία ακόμη και το φέρον δεν είναι 50%-50%:

Εικόνα



Πρωτόκολλο λειτουργίας IR remote control:

Η συχνότητα του φέροντος (λ.χ. 38 KHz) και η διάρκεια/πλήθος παλμών είναι ανάλογες με την προδιαγραφή του πρωτοκόλλου. Για τηλεχειρισμό συσκευών (Audio/TV/...) συνηθέστερο είναι το RC-5 (Philips) αλλά υπάρχουν επίσης των SIRC (SONY, 40KHz), SHARP (38KHz), κλπ. Για μετάδοση δεδομένων υπάρχει το IRDA.

Παρακάτω φαίνεται η μορφή σήματος IR σύμφωνα με το RC-5:

Εικόνα

Σύμφωνα με την περιγραφή της Wikipedia για το RC-5 χρησιμοποιείται κωδικοποίηση Manchester με 14 bits πληροφορίας. Κάθε bit είναι "διπλό" αφού περιέχει "αναλαμπές" και "σβηστό" για το bit="0" ή "σβηστό" και "αναλαμπές" για το bit="1. Στις "αναλαμπές" τα IR LED αναβοσβήνουν 32 φορές στη συχνότητα του φέροντος με duty cycle 25%-33%, δηλαδή για φέρον 36KHz κάθε αναλαμπή έχει διάρκεια 7-9μS. Αν σχεδιάζετε δικό σας κύκλωμα επιβεβαιώστε τα στοιχεία από ένα datasheet!

Η απλοποιημένη συνδεσμολογία για υλοποίηση τηλεχειρισμού υπερύθρων με μC είναι:

Εικόνα




Επιλογή εξαρτημάτων:

Η σωστή επιλογή του πομπού και του δέκτη θα γίνει με τα βοηθήματα επιλογής του κατασκευαστή, για παράδειγμα:
- Vishay, IR Emitters, Photo Detectors, and Optical Sensors
- Vishay, Infrared Emitters: 940-nm High-Speed, High-Power
- Vishay, IR Receiver Modules Selector Guide

Για να είναι βέλτιστη η ζεύξη πρέπει να αντιστοιχίσουμε όλες αυτές τις παραμέτρους:
- συχνότητα IR (μέγιστη απόδοση LED, μέγιστη ευαισθησία φωτοτρανζίστορ)
- συχνότητα φέροντος
- πρωτόκολλο επικοινωνίας (bits, ρυθμός, έλεγχοι/διορθώσεις)

Τα IR LED και φωτοτρανζίστορ έχουν όλα τα ηλεκτρικά και οπτικά χαρακτηριστικά των απλών LED και των τρανζίστορ. Η γωνία αφορά τη "στόχευση" που χρειάζεται για να επιτύχουμε ζεύξη. Συνήθως στη γωνία αυτή (λ.χ. 20 μοίρες) έχουμε το 50% της ακτινοβολούμενης φωτεινότητας. Ενα LED με τα ίδια ηλεκτρικά χαρακτηριστικά (Vf, If) στέλνει το σήμα μακρύτερα αν είναι μικρής γωνίας αλλά θέλει στόχευση. Ενα IR LED μεγάλης γωνίας δεν πάει τόσο μακριά (για ίδια Vf, If) αλλά λειτουργεί σχεδόν όπου και να είναι ο δέκτης.

Τα IR LED λειτουργούν σχεδόν με κάθε φέρον με αναγκαίο το γρήγορο rise time για φέρον >50KHz. Τα IR detectors με ενσωματωμένο ενισχυτή ή φίλτρο κατηγοριοποιούνται με τη συχνότητα φέροντος (λ.χ. το TSOP1133 είναι φτιαγμένο για λήψη φέροντος 33KHz).

Παράδειγμα πινάκων επιλογής:
Εικόνα

Εικόνα


Για καλύτερη κατανόηση των παραπάνω διαβάστε datasheets και application notes των IR LEDs, IR detectors, IR encoder IC.
Να υπενθυμίσω ότι τα IR LEDs όταν ανάβουν είναι ορατά με ψηφιακές κάμερες (λ.χ. κινητού τηλεφώνου).

Επιστροφή σε “Υλικό, εξαρτήματα, βιβλιογραφία”

Μέλη σε σύνδεση

Μέλη σε αυτήν τη Δ. Συζήτηση: Δεν υπάρχουν εγγεγραμμένα μέλη και 3 επισκέπτες