Приветствую всех, эта короткая статья о влиянии помех на работу ИК приемника. В данном исследовании в качестве такого устройства используется TSOP4856. В этой статье вы узнаете: какие помехи бывают для данного типа устройств, и какое влияние они оказывают.
Следует сразу отметить, что данная статья не претендует на истину в последней инстанции, а только предоставляет читателю оценку возможного влияния помех на ИК приемник. Приятного чтения. Начинаем!
Оглавление:
Описание ИК диода TSAL6200 и ИК приемника TSOP4856
Работа ИК диода и ИК приемника
Исследование влияния солнечного света и люминесцентного излучения на работу ИК приемника
Описание ИК диода TSAL6200 и ИК приемника TSOP4856
ИК диод TSAL6200 – полупроводниковый диод, излучающий волны инфракрасного спектра.
Внешний вид ИК диода представлен ниже на картинке.
Некоторые его характеристики: длина волны, излучаемой ИК диодом, равна 940 нм. Максимальный прямой постоянный ток не более 100 мА. Импульсный ток не более 1.5 А. Мощность излучения до 40 мВт. Ширина ДН равна 34 градусам.
ИК приемник TSOP4856 – миниатюрный ИК приемный модуль, у которого PIN диод и усилитель собраны в свинцовом каркасе, эпоксидный корпус содержит ИК фильтр. Внешний вид ИК приемника представлен ниже на картинке.
Некоторые его характеристики: длина волны принимаемого ИК сигнала 940 нм. Необходимая частота модуляции 56 кГц. Минимальная освещенность 0.12 мВт/м2. Максимальная 50 Вт/м2. Ширина ДН 90 градусов. Эти устройства работают в паре.
Работа ИК диода и ИК приемника
При протекании тока через диод TSAL6200 излучается ИК сигнал с длиной волны 940 нм. Это излучение модулируется меандром с частотой 56 кГц. Передаются пачки таких импульсов со скважностью равной не менее 4.
Эти пачки принимаются устройством TSOP4856. Его функциональная схема представлена на слайде.
где 1 - OUT; 2 - GND; 3 - +Vпит; ВФ – входной фильтр; АРУ – автоматическая регулировка усиления; ПФ – полосовой фильтр.
Через PIN диод начинает протекать ток, соответствующий интенсивности принимаемого ИК сигнала. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) усиливает этот ток. Далее принимаемый сигнал фильтруется полосовым фильтром (ПФ) и демодулируется. Пока принимается одна пачка, на выходном выводе OUT приемника низкое значение напряжения, как только на входе нет импульсов, приемник поднимает выходной вывод к напряжению питания.
Далее представлены временные диаграммы данного процесса.
Сверху показан процесс происходящий на ИК диоде, снизу - на ИК приемнике. Слева рассматривается процесс приемо-передачи в масштабе одной пачки, а справа - в масштабе нескольких пачек.
Стоит заметить, что просто передавать ИК сигнал без модуляции 56 кГц не получится, т.к. полосовой фильтр ИК приемника настроен как раз на эту частоту. Также не получится передавать непрерывный меандр с этой частотой в 56 кГц, так как система АРУ будет занижать в таком случае коэффициент усиления (это сделано для устранения постоянных помех). То есть обязательно нужно передавать пачки импульсов, а с какой частотой будут передаваться эти пачки не важно, главное, чтобы скважность между ними была не менее 4.
Помехи для ИК приемника
Помехами для TSOP4856 являются:
- солнечный свет;
- свет от вольфрамовых ламп;
- излучение от люминесцентных ламп с электронными балластами;
- Wi-Fi 2,4 ГГц и 5 ГГц.
В данной работе рассматривается влияние солнечного света и излучение люминесцентных ламп.
Рассмотрим график чувствительности в зависимости от окружающей освещенности, взятый из документации на TSOP4856.
На графике видно, что при увеличении окружающей помеховой освещенности увеличивается порог чувствительности, следовательно, будет уменьшаться дальность приемо-передачи. Таким образом, когда присутствуют помехи, чувствительность приемника снижается схемой АРУ для обеспечения отсутствия ложных импульсов на выходе.
Следует добавить, что чувствительность ИК приемника также зависит от амплитуды пульсаций источника питания, от величины напряжения питания, от температуры и от длины волны ИК сигнала. Более подробно с этими параметрами можно ознакомиться в технической документации.
В нашем случае все эти параметры имеют рабочие значения: пульсация источника питания минимальна, напряжение питания 3.3 В, температура 25 градусов по Цельсию, длина волны 940 нм.
Исследование влияния солнечного света и люминесцентного излучения на работу ИК приемника
Экспериментальная установка состоит из следующих элементов:
- передатчик ИК сигнала;
- приемник ИК сигнала;
- измерительная рулетка;
- фотодиод ФД-24К;
- квадрантный фотодиод QPD150;
- мультиметр;
- переходник USB-UART;
- ноутбук.
У квадрантного фотодиода QPD150 все фазовые выводы соединены. Измеряется суммарное напряжение, вырабатываемое фотодиодом при его освещении.
Передатчик ИК сигнала и приемник ИК сигнала неподвижно закреплены друг напротив друга на одном уровне так, чтобы ИК диод и ИК приемник были на одной линии. С помощью измерительной рулетки фиксируется расстояние от ИК диода до ИК приемника. К приемнику ИК сигнала через переходник USB-UART подключен ноутбук для получения сообщения о регистрации принятого импульса и вывода его на экран.
Передатчик ИК сигнала формирует пачку из 20 импульсов, частота импульсов 56 кГц. Амплитуда импульсов тока, проходящих через ИК диод TSAL6200, составляет 20 мА, что соответствует примерно 8 мВт мощности излучения.
Излучение пачки происходит раз в секунду. Если пачка принята, то приемник ИК сигнала выдает сообщение на ноутбук о регистрации этой пачки импульсов.
Порядок проведения эксперимента: измеряется дальность приемо-передачи ИК сигнала для двух случаев: принятие 10 из 10 импульсов подряд и 0 из 10 импульсов, а также измеряются напряжения на ФД-24К и QPD150.
Варианты экспериментов:
- в полной темноте;
- при освещении люминесцентной лампой сверху на потолке в помещении;
- при освещении люминесцентной лампой прямо перед приемником в помещении;
- при освещении солнечным светом ИК приемник сзади сверху;
- при освещении солнечным светом ИК приемник спереди сверху.
В таблице ниже приведены результаты исследования влияния помех на работу ИК приемника TSOP4856.
Ниже представлен график зависимости дальности приемо-передачи от мощности помехи для различных типов помех. По вертикали средняя мощность помех в относительных единицах, так как измерить или вычислить реальную принимаемую мощность ИК приемником TSOP4856 проблематично. По горизонтали дальность приемо-передачи в метрах. Левая крайняя точка отрезков – значение дальности при приеме 10 из 10 импульсов, а правая крайняя точка – значение дальности при приеме 0 из 19 импульсов, т.е. данные отрезки – дистанции ухудшения качества приема сигнала от 100 до 0 %. В таблице представлены относительные ухудшения характеристик относительно эксперимента "в полной темноте" в процентах,
Из графика видно, что с увеличением мощности помехи не только уменьшается дальность приемо-передачи, но и дистанция ухудшения качества приема сигнала от 100% до 0% становится короче.
Из таблицы видно, что в присутствии такой помехи, как солнце, дальность приемо-передачи ИК сигнала может уменьшиться почти на 70%, что может оказаться критическим, если не учесть влияние такой помехи при разработки системы с ИК. Влияние люминесцентного излучения тоже немаленькое и может уменьшить дальность примерно на 40%.
Заключение
Из полученных данных можно сделать следующий выводы:
1) чем сильнее помеха по мощности, тем меньше дальность приемо-передачи ИК сигнала;
2) влияние помехи на качество приема пропорционально мощности помехи (чем меньше помеха по мощности, тем длиннее отрезки, т.е. качество приема ИК сигнала медленнее ухудшается с увеличением расстояния);
3) разные типы помехи имеют разное влияние на работу TSOP4856.
В итоге, следует учитывать возможное влияние помех на ИК приемник при разработке систем с ИК, чтобы избежать проблем с внезапным отказом работы в присутствии таких помех.
Надеюсь статья оказалась полезной. Спасибо за внимание!
