Czujniki są bardzo ważną częścią elektroniki, zwłaszcza w robotyce i automatyzacji. Czujniki w urządzeniach elektronicznych ułatwiają nam życie, automatycznie wykrywając i kontrolując urządzenia, bez interakcji z człowiekiem. Istnieje wiele rodzajów czujników, takich jak czujnik ognia, czujnik wilgotności, czujnik ruchu, czujnik temperatury, czujnik podczerwieni itp. W tym artykule wyjaśnimy, jak działa czujnik IR (czujnik podczerwieni), jak działa i jak zbudować moduł czujnika podczerwieni.
Czujnik podczerwieni jest bardzo popularnym czujnikiem, który znajduje zastosowanie w wielu aplikacjach w elektronice, np. W systemach zdalnego sterowania, czujniku ruchu, liczniku produktów, robotach śledzących linię, alarmach itp.
Czujnik podczerwieni składa się zasadniczo z diody podczerwieni i fotodiody, ta para jest ogólnie nazywana parą podczerwieni lub łącznikiem foto. Czujnik podczerwieni działa na zasadzie, w której dioda podczerwieni emituje promieniowanie podczerwone, a fotodioda wykrywa to promieniowanie. Rezystancja fotodiody zmienia się w zależności od ilości padającego na nią promieniowania podczerwonego, stąd też zmienia się również spadek napięcia na niej i za pomocą komparatora napięcia (takiego jak LM358) możemy wyczuć zmianę napięcia i odpowiednio wygenerować wyjście.
Umieszczenie diody IR i fotodiody można wykonać na dwa sposoby: bezpośredni i pośredni. W przypadku bezpośredniego padania dioda podczerwieni i fotodioda są utrzymywane przed sobą, dzięki czemu promieniowanie podczerwone może padać bezpośrednio na fotodiodę. Jeśli umieścimy między nimi jakiś obiekt, to zatrzyma padanie światła podczerwonego na fotodiodę.
W przypadku zdarzenia pośredniego zarówno dioda podczerwieni, jak i dioda fotoelektryczna są umieszczone równolegle (obok siebie), skierowane w obie strony w tym samym kierunku. W ten sposób, gdy obiekt znajduje się przed parą podczerwieni, światło podczerwone jest odbijane od obiektu i absorbowane przez fotodiodę. Zwróć uwagę, że obiekt nie powinien być czarny, ponieważ zamiast odbijać będzie absorbować całe światło podczerwone. Generalnie para IR jest umieszczana w ten sposób w module czujnika podczerwieni.
Do budowy modułu IR potrzebujemy głównie pary IR (dioda IR i fotodioda) oraz LM358 z kilkoma rezystorami i diodą LED.
Dioda podczerwieni
Dioda IR emituje światło w zakresie częstotliwości podczerwieni. Światło podczerwone jest dla nas niewidoczne, ponieważ jego długość fali (700nm - 1mm) jest znacznie większa niż zakres światła widzialnego. Wszystko, co wytwarza ciepło, emituje podczerwień, jak na przykład nasze ludzkie ciało. Podczerwień ma takie same właściwości jak światło widzialne, ponieważ może być skupiona, odbijana i spolaryzowana jak światło widzialne.
Dioda podczerwieni wygląda jak zwykła dioda LED, a także działa jak normalna dioda LED, zużywa prąd 20 mA i moc 3 V. Diody IR mają kąt świecenia ok. 20-60 stopni i zakres ok. kilka centymetrów do kilku stóp, zależy to od typu nadajnika podczerwieni i producenta. Niektóre nadajniki mają zasięg w kilometrach.
PhotoDiode
Fotodioda jest uważana za rezystor zależny od światła (LDR), co oznacza, że ma bardzo wysoką rezystancję przy braku światła i staje się niska, gdy pada na nią światło. Fotodioda to półprzewodnik, który ma złącze PN, działający w odwrotnym polaryzacji, co oznacza, że zaczyna przewodzić prąd w odwrotnym kierunku, gdy pada na niego Światło, a wielkość przepływu prądu jest proporcjonalna do ilości Światła. Ta właściwość jest przydatna do wykrywania podczerwieni.
Fotodioda wygląda jak dioda LED z czarną powłoką po zewnętrznej stronie. Jest używany w odwróconym polaryzacji, jak pokazano na poniższym schemacie obwodu.
LM358
LM358 to wzmacniacz operacyjny (Op-Amp) iw tym układzie używamy go jako komparatora napięcia. LM358 ma wewnątrz dwa niezależne komparatory napięcia, które mogą być zasilane przez pojedynczy PIN, dzięki czemu możemy użyć jednego układu scalonego do zbudowania dwóch modułów czujnika podczerwieni. Użyliśmy tutaj tylko jednego komparatora, który ma wejścia na PIN 2 i 3 i wyjście na PIN 1. Komparator napięcia ma dwa wejścia, jedno jest odwracające, a drugie nieodwracające (PIN 2 i 3 w LM358). Kiedy napięcie na wejściu nieodwracającym (+) jest wyższe niż napięcie na wejściu odwracającym (-), to na wyjściu komparatora (PIN 1) jest stan wysoki. A jeśli napięcie na wejściu odwracającym (-) jest wyższe niż na końcu nieodwracającym (+), to na wyjściu jest LOW.
Moduł czujnika podczerwieni
składniki
- Para IR (dioda podczerwieni i fotodioda)
- IC LM358
- Rezystor 100, 10k, 330 omów
- Rezystor zmienny - 10k
- DOPROWADZIŁO
Połączenia można zobaczyć na schemacie obwodu czujnika podczerwieni. Fotodioda jest podłączona odwrotnie, odwracający koniec LM358 (PIN 2) jest podłączony do rezystora zmiennego, aby wyregulować czułość czujnika. A nieodwracający koniec (PIN 3) jest podłączony do złącza fotodiody i rezystora.
Po włączeniu obwodu nie ma promieniowania IR w kierunku fotodiody, a wyjście komparatora jest NISKIE. Kiedy weźmiemy jakiś przedmiot (nie czarny) przed parę IR, to IR emitowane przez diodę IR jest odbijane przez obiekt i absorbowane przez fotodiodę. Teraz, gdy odbita podczerwień spada na fotodiodę, napięcie na fotodiodzie spada, a napięcie na rezystorze szeregowym R2 rośnie. Kiedy napięcie na rezystorze R2 (który jest podłączony do nieodwracającego końca komparatora) staje się wyższe niż napięcie na końcu odwracającym, wyjście staje się WYSOKIE i dioda LED włącza się.
Napięcie na końcu odwracającym, zwane również napięciem progowym, można ustawić, obracając pokrętło regulowanego rezystora. Wyższe napięcie na końcu odwracającym (-), mniej czuły czujnik i niższe napięcie na końcu odwracającym (-), bardziej czuły czujnik.
Cały ten obwód można umieścić na PCB, aby zbudować odpowiedni, profesjonalny moduł czujnika podczerwieni.