Telecomando infrarossi Toppano Michele Trieste, 4 giugno 1999 1 Introduzione IRED (Infrared emitter diode) ovvero diodi che emettono radiazioni comprese nella banda dell infrarosso. Vengono largamente utilizzati nel campo della comunicazione dati e nei sistemi di controllo, quasi sempre insieme ad un opportuno elemento fotosensore. Fotosensori, che includono fotodiodi, fototransistori, fotodarlington, fototriac. Si basano tutti sul principio per cui radiazioni, comprese in un certo intervallo di frequenza, incidenti su una giunzione polarizzata inversamente producono coppie elettrone-lacuna che danno origine ad una fotocorrente I L. Per una data densità del flusso radiante incidente (H: misurata in mw/cm 3 ) la corrente I L generata dipende dalla frequenza f della radiazione stessa o, alternativamente, dalla lunghezza d onda λ, legata ad f dalla relazione: λ = c f (1) La sensibilità di un fotosensore in funzione della lunghezza d onda della radiazione incidente viene generalmente espressa da curve di risposia spettrale. Tutti i fotosensori al silicio presentano sostanzialmente la stessa risposta spettrale che evidenzia un massimo nella zona dell infrarosso. Nei foiodiodi, la densità di radiazione incidente determina la fotocorrente I L ; in assenza di radiazione permane una debole corrente di perdita, detta corrente di buio (I D : dark current). Nei fotransisiori, realizzati con un estesa giunzione basecollettore, la corrente di collettore I C (o I L ) dipende dalla densità di radiazione incidente e dal guadagno di corrente statico del transistore; in assenza di radiazione, il transistore è interdetto e la corrente I CE0 residua costituisce la corrente di buio. 1
2 Progetto del telecomando Il telecomando funziona sfruttando un raggio infrarosso inviato dal trasmettitore al ricevitore. Il raggio infrarosso viene prodotto da un LED IR ed a sua volta viene ricevuto da un fototransistor sempre IR. Siccome la luce del sole presenta componenti infrarosse, la trasmissione viene effettuata ad impulsi con una determinata frequenza, e quindi riconosciuta dal ricevitore mediante un decodificatore di tono. Per rendere più significativo il progetto, il telecomando presenta due canali, selezionabili dal trasmettitore. 2.1 Trasmettitore Il trasmettitore ha il compito di trasmettere la radiazione infrarossa tramite un LED IR. Come accennato precedentemente, è necessario che il segnale trasmesso sia modulato ad una certa frequenza, per rendere insensibile il ricevitore alla radiazione infrarossa dovuta alla luce solare, che consideriamo come una componente continua. Il circuito è molto semplice, infatti il LED IR funziona in ON/OFF ed è pilotato da un transistor che lavora in commutazione. Come astabile si utilizza un Multivibratore integrato NE555 il quale permette, tramite la scelta di opportuni valori dei componenti esterni al chip, di variare il valore della frequenza dell onda quadra generata. Il telecomando funziona a due canali e quindi il circuito deve generare due onde quadre a frequenze diverse e selezionabili tramite opportuni pulsanti. Le frequenze scelte sono rispettivamente: f1 =2000 Hz ed f2 =4000 Hz con duty-cycle del 50%, valori tali da consentire l utilizzo di componenti non troppo lontani da quelli standard. Volendo selezionare una delle due frequenze, il circuito è stato progettato per agire solo su un solo componente, che in questo caso è il condensatore in uscita al PIN2, allo scopo di rendere minimo il numero di componenti utilizzati. Dalla fase di progetto e di test, infine, le due frequenze prodotte dal trasmettitore sono di: f1 =2078 Hz D-C 56.2% f2 =4422 Hz D-C 57% In appendice A è riportato lo schema circuitale del trasmettitore. 2
2.2 Ricevitore Il ciruito ricevitore utilizza un fototransistor, polarizzato in zona lineare, la cui corrente di colettore varia in funzione della quantità di radiazione assorbita dalla base. La V CE viene poi prelevata da un filtro attivo che taglia le basse frequenze e quindi anche la componente continua dovuta alla radiazione infrarossa della luce solare. La frequenza di taglio scelta è di circa 160 Hz, un valore molto lontano dalla f1 di 2000 Hz, in modo tale da non influire sul segnale ricevuto. La amplificazione del filtro viene regolata da due poteziometri di 10KΩ R5 ed R6, che in fase di test vengono settati a valori tali da ottenere un uscita apprezzabile anche per distanze maggiori del trasmettitore. Inoltre, per il progetto non ci si preoccupa di avvicinarsi alla saturazione dell operazionale, in quanto i decodificatori di tono riescono a lavorare anche con segnali molto alti e vicini alla tensione di alimentazione, che nel nostro caso è di 9 Volt. All uscita del filtro si trova un diodo che elimina la parte negativa del segnale, in modo da decodificare solo segnali positivi. Infine il segnale ricevuto, amplificato e reso positivo è pronto per i due decodificatori di tono, gli NE567, che costituiscono delle porte in frequenza rispettivamente per f1 ed f2. Questi integrati riescono a stabilire se un segnale ha una determinata frequenza, con una banda pari ad una certa percentuale di quella selezionata, secondo le seguenti equazioni: f 1 = R7 C4 (2) f 2 = R8 C7 (3) Le due resistenze in realtà sono dei potenziomentri, in quanto non è detto che la frequenza da decodificare sia quella risultante dai calcoli. Durante la fase di test perciò si agisce su R7 ed R8 fino al riconoscimento della frequenza trasmessa. L uscita dell integrato è open-collector e quindi per la visualizzazione e sufficiente collegare in uscita un LED con una opportuna resistenza. Quando un tono viene riconosciuto, si accende uno dei due LED a seconda che sia stata trasmessa la f1 o la f2. In appendice B è riportato lo schema circuitale del ricevitore. 3 Conclusioni Sebbene al prototipo sono stati lasciti molti gradi di libertà nella scelta dei componenti, tramite le resistenze di valore variabile, dopo la fase di test, i loro valori e quelli delle frequenze trasmesse, rispecchiavano con discreta fedeltà quelle teoriche. Comunque dal collaudo del telecomando si può notare che la 3
distanza per una trasmissione efficiene è piuttosto ridotta, visto che non sono stati sfruttati accorgimenti circuitali che complicassero troppo la struttura, in quanto la prova serve solamente a mostrare un aspetto sperimentale della teoria sui fotosensori. Inoltre, siccome il fototransistor è contenuto in una capsula di plastica trasparente, senza alcun dispositivo aggiuntivo di convogliamento della radiazione, il fascio ricevuto è molto selettivo per quanto riguarda la direzione di trasmissione. In conclusione possiamo dire che la prova ha soddisfatto di gran lunga le aspettative iniziali del progetto, mettendo in luce le grosse potenzialità dei dispositivi optoelettronici. 4
A Circuito trasmettitore 5
B Circuito ricevitore 6