Senzory sú veľmi dôležitou súčasťou elektroniky, najmä v robotike a automatizácii. Senzory v elektronických zariadeniach uľahčujú náš život automatickým snímaním a ovládaním zariadení bez ľudskej interakcie. Existuje mnoho druhov senzorov, ako sú požiarne čidlá, snímače vlhkosti, snímača pohybu, snímače teploty, IR senzor atď V tomto článku sa budeme vysvetľovať o IR čidla (infračervený senzor), ako to funguje a ako sa postaviť IR senzor modulu.
IR senzor je veľmi populárny senzor, ktorý sa používa v mnohých aplikáciách v elektronike, ako je napríklad systém diaľkového ovládania, detektor pohybu, počítadlo výrobkov, roboty sledovača linky, alarmy atď.
IR senzor v zásade pozostáva z IR LED a fotodiódy, tento pár sa všeobecne nazýva IR pár alebo Photo coupler. IR senzor pracuje na princípe, v ktorom IR LED vysiela IR žiarenie a fotodióda toto IR žiarenie vníma. Odpor fotodiódy sa mení podľa množstva na ňu dopadajúceho IR žiarenia, takže sa mení aj pokles napätia na ňom a pomocou komparátora napätia (ako LM358) môžeme snímať zmenu napätia a podľa toho generovať výstup.
Umiestnenie IR LED a fotodiódy je možné vykonať dvoma spôsobmi: priamym a nepriamym. Pri priamom dopade sú IR LED a fotodióda držané pred sebou, takže IR žiarenie môže priamo dopadať na fotodiódu. Ak medzi ne umiestnime nejaký objekt, zastaví to dopad infračerveného svetla na fotodiódu.
A pri nepriamom dopade sú infračervená LED aj fotodióda umiestnené paralelne (vedľa seba) tvárou k sebe rovnakým smerom. Týmto spôsobom, keď je objekt držaný pred infračerveným párom, IR svetlo sa odrazí od objektu a absorbuje sa fotodiódou. Objekt by nemal byť čierny, pretože bude odrážať celé infračervené svetlo a nie odrážať ho. Spravidla je IR pár umiestnený týmto spôsobom v module IR snímača.
Na zostavenie IR modulu potrebujeme hlavne IR pár (IR LED a fotodióda) a LM358 s niektorými rezistormi a LED.
IR LED
IR LED vyžaruje svetlo v rozsahu infračervenej frekvencie. Infračervené svetlo je pre nás neviditeľné, pretože jeho vlnová dĺžka (700 nm - 1 mm) je oveľa vyššia ako dosah viditeľného svetla. Všetko, čo produkuje teplo, vyžaruje infračervené svetlo ako napríklad naše ľudské telo. Infračervené žiarenie má rovnaké vlastnosti ako viditeľné svetlo, môže byť napríklad zaostrené, odrazené a polarizované ako viditeľné svetlo.
IR LED vyzerá ako normálna LED a funguje tiež ako normálna LED, spotrebováva prúd 20 mA a energiu 3 Vots. IR LED majú uhol vyžarovania svetla cca. 20 - 60 stupňov a rozsah cca. niekoľko centimetrov až niekoľko nožičiek, záleží to od typu IR vysielača a od výrobcu. Niektoré vysielače majú dosah v kilometroch.
Fotodióda
Fotodióda sa považuje za svetlo závislý rezistor (LDR), čo znamená, že má veľmi vysoký odpor pri neprítomnosti svetla a pri poklese svetla klesá. Fotodióda je polovodič, ktorý má spojenie PN a je prevádzkovaný v reverznom predpätí, čo znamená, že začne viesť prúd v opačnom smere, keď naň dopadne svetlo, a množstvo prúdového prúdu je úmerné množstvu svetla. Táto vlastnosť je vhodná na detekciu infračerveného žiarenia.
Fotodióda vyzerá ako LED dióda s vonkajšou stranou s čiernym farebným povrchom. Používa sa v opačnom predpätí, ako je znázornené na schéme zapojenia nižšie.
LM358
LM358 je operačný zosilňovač (Op-Amp) a v tomto obvode ho používame ako komparátor napätia. LM358 má vo svojom vnútri dva nezávislé komparátory napätia, ktoré môžu byť napájané jedným PIN, takže môžeme použiť jediný IC na zostavenie dvoch modulov IR senzora. Použili sme tu iba jeden komparátor, ktorý má vstupy na PIN 2 a 3 a výstup na PIN 1. Napäťový komparátor má dva vstupy, jeden je invertujúci vstup a druhý neinvertujúci vstup (PIN 2 a 3 v LM358). Keď je napätie na neinvertujúcom vstupe (+) vyššie ako napätie na invertujúcom vstupe (-), potom je výstup komparátora (PIN 1) vysoký. A ak je napätie invertujúceho vstupu (-) vyššie ako neinvertujúci koniec (+), potom je výstup LOW.
Modul IR snímača
Komponenty
- IR pár (IR LED a fotodióda)
- IC LM358
- Rezistor 100, 10k, 330 ohmov
- Variabilný rezistor - 10k
- LED
Pripojenia môžete vidieť na schéme zapojenia infračerveného snímača. Foto dióda je zapojená v opačnom smere, invertujúci koniec LM358 (PIN 2) je pripojený k variabilnému odporu, aby sa nastavila citlivosť snímača. A neinvertujúci koniec (PIN 3) je pripojený k spoji fotodiódy a odporu.
Keď zapneme obvod, nie je žiadne IR žiarenie smerom k fotodióde a výstup komparátora je LOW. Keď vezmeme nejaký predmet (nie čierny) pred IR pár, potom IR emitované IR LED sa odrazí objektom a absorbuje fotodiódou. Teraz, keď odrazená IR padá na fotodiódu, napätie na fotodióde klesá a napätie na sériovom rezistore R2 sa zvyšuje. Keď napätie na rezistore R2 (ktorý je pripojený k neinvertujúcemu koncu komparátora) stúpne nad napätie na invertujúcom konci, výstup sa stane VYSOKÝM a LED sa rozsvieti.
Napätie na invertujúcom konci, ktoré sa tiež nazýva prahové napätie, je možné nastaviť otočením gombíka variabilného odporu. Vyššie napätie na opačnom konci (-), menej citlivý snímač a nižšie napätie na obrátenom konci (-), citlivejší snímač.
Celý tento obvod možno umiestniť na DPS, aby sa vytvoril vhodný profesionálny modul IR snímača.