ИК-приемники

Ассортимент категории ИК-приемники

Большая часть современной бытовой электронной аппаратуры имеет пульт дистанционного управления, который использует инфракрасное (ИК) излучение в качестве способа передачи информации. ИК канал передачи данных используется в некоторых устройствах системы "умный дом".

Принцип ИК передачи информации
Инфракрасное, или тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое выпускает любое нагретое до определенной температуры тело. ИК диапазон лежит в ближайшей к видимому свету области спектра, в его длинноволновой части и занимает область примерно от 750 нм до 1000 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, около половины излучения Солнца. Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении отличаются от их свойств в видимом свете. Например, некоторое стекло непрозрачное для инфракрасных лучей, а парафин, в отличие от видимого света, прозрачный для ИК излучения и используется для изготовления ИК линз. Для его регистрации используют тепловые и фотоэлектрические приемники и специальные фотоматериалы. Источником инфракрасных лучей, кроме нагретых тел, наиболее часто используются твердотельные излучатели - инфракрасные светодиоды, ИК лазеры, для регистрации применяются фотодиоды, форотезисторы или болометры. Некоторые особенности инфракрасного излучения делают его удобным для применения в устройствах передачи данных:

• ИК твердотельные излучатели (ИК светодиоды) компактны, практически безынерционные, экономические и недорогие.
• ИК приемники компактные и также недорогие.
• ИК лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.
• Несмотря на распространенность ИК лучей и высокий уровень "фона", источников импульсных помех в ИК области мало.
• ИК излучения низкой мощности не сказывается на здоровье человека.
• ИК лучи хорошо отражаются от большинства материалов (стен, мебели).
• ИК излучение не проникает сквозь стены и не мешает работе других аналогичных устройств.

Все это позволяет с успехом использовать ИК способ передачи информации во многих устройствах. Инфрокрасные передатчики и приемники находят применение в бытовой и промышленной электронике, компьютерной технике, охранных системах, системах передачи данных на большие расстояния по оптоволокну. Рассмотрим более подробно работу систем (пультов) управления бытовой электроники.

Пульт ИК управления при нажатии кнопки излучает кодированную посылку, а приемник, установленный в управляемом устройстве, принимает ее и выполняет необходимые действия. Для того, чтобы передать логическую последовательность, пульт формирует импульсный пакет ИК лучей, информация в котором модулируется или кодируется продолжительностью или фазой составляющих пакет импульсов. В первых устройствах управления использовались последовательности коротких импульсов, каждый из которых представлял собой часть полезной информации. Однако в дальнейшем, стали использовать метод моделирования постоянной частоты логической последовательностью, в результате чего в пространство излучаются не единичны импульсы, а пакеты импульсов определенной частоты. Данные уже передаются закодированными продолжительности и положением этих частотных пакетов. ИК приемник принимает такую ​​последовательность и выполняет демодуляцию. Такой метод передачи и приема отличается высокой помехозащищенностью, поскольку приемник, настроенный на частоту передатчика, уже не реагирует на препятствия с другой частотой. Сегодня для приема ИК сигнала обычно применяется специальная микросхема, объединяющая фотоприемник, усилитель с полосным фильтром, настроенным на определенную несущую частоту, усилитель с АРУ и детектор для получения сигнала. Кроме электрического фильтра, такая микросхема имеет в своем составе оптический фильтр, настроенный на частоту принимаемого ИК излучения, что позволяет максимально использовать преимущество светодиодного излучателя спектр излучения которого имеет небольшую ширину. В результате таких технических решений, стало возможным принимать маломощный полезный сигнал на фоне ИК излучения других источников, бытовых приборов, радиаторов отопления и т. д. Работа современных устройств инфракрасного управления достаточно надежная, а дальность составляет от нескольких метров до 40 и более метров, в зависимости от варианта реализации и уровня помех.

Передатчик ИК сигнала
Передатчик ИК сигнала, ИК пульт, зачастую питается от батарейки или аккумулятора. Так что его потребление должно быть максимально низким. С другой стороны, сигнал излучаемый должен быть значительной мощности для обеспечения большой дальности передачи. Такие противоположные по энергетическим затратам задачи успешно решаются способом передачи коротких импульсных кодированных пакетов. В промежутках между передачами пульт практически не потребляет энергии. Задача контроллера пульта - опрос кнопок клавиатуры, кодирование информации, моделирования опорной частоты и выдача сигнала на излучатель. Для изготовления пультов выпускаются различные специализированные микросхемы, однако для этих целей могут быть использованы и современные микроконтроллеры общего применения типа AVR или PIC. Основное требование к таким микроконтроллеров - это наличие режима сна с чрезвычайно низким потреблением и способность чувствовать нажатие кнопок в этом состоянии.

Излучатель ИК сигнала выдает инфракрасные лучи под действием тока возбуждения. Ток на излучатель обычно превышает возможности микроконтроллера, поэтому для формирования необходимого тока устанавливается светодиодный драйвер на одном транзисторе. Для снижения потерь, при выборе транзистора необходимо обратить внимание на его коэффициент усиления тока - β или h21. Чем выше этот коэффициент, тем выше эффективность устройства. Современные передатчики используют полевые или CMOS транзистоы, эффективность которых на используемых частотах можно считать предельной.

Приведенная схема не лишена недостатков, в частности при снижении уровня заряда батареи, мощность излучения будет падать, что приведет к снижению дальности. Для снижения зависимости от напряжения питания, можно использовать самый простой стабилизатор тока.

Большинство передатчиков работают на частоте 30 - 50 кГц. Такой диапазон частот был избран исторически при создании первых подобных устройств. Была выбрана область с наименьшим уровнем помех. Кроме того, принимались в расчет ограничения на элементную базу. В дальнейшем, по мере стандартизации и распространения аппаратуры с таким способом управления, переход на другие частоты стал нецелесообразным.

С целью увеличения импульсной мощности передатчика, а соответственно и его дальности, сигнал основной частоты отличается от меандра и имеет заполненность 3 - 6. Таким образом повышается импульсная мощность с сохранением или даже уменьшением средней мощности. Импульсный ток светодиода выбирается исходя из его паспортных значений и может достигать одного и более Ампер. Импульсный ток в большинстве ИК пультов не превышает 100 мА. При этом, поскольку и опорная частота имеет малый коэффициент заполнения и продолжительность кодированной посылки не превышает 20-30 мс, средний ток, удерживая кнопку не превышает одного миллиампера. Повышение импульсного тока светодиода связано со снижением эффективности и уменьшением срока службы. Современные инфракрасные светодиоды имеют эффективность 100-200 мВт излучаемой энергии при токе 50 мА. Допустимый средний ток не должен превышать 10-20 мА. Питание светодиода должно иметь RC фильтр, который снижает влияние импульсной помехи на питание микроконтроллера. Спектр применяемых светодиодов для ИК пультов большинства бытовой аппаратуры имеет максимум в области 940 нм.

Продолжительность единичного пакета опорной частоты для уверенного приема составляет не менее 12-15 и не более 200 периодов. При передаче кодированной посылки, передатчик формирует в начале преамбулу, которая представляет собой один или несколько пакетов опорной частоты и позволяет приемнику установить необходимый уровень усиления и фона. Данные в кодированной посылке передаются в виде нулей и единиц, определяются продолжительностью или фазой (расстоянием между соседними пакетами). Длительность кодированной посылки чаще всего составляет от нескольких бит до нескольких десятков байт. Порядок прохождения, признак начала и количество данных определяется форматом посылки.

Приемник ИК сигнала
Приемник ИК сигнала обычно имеет в своем составе собственный приемник ИК излучения и микроконтроллер. Микроконтроллер раскодирует полученный сигнал и выполняет необходимые действия. Поскольку приемник в большинстве случаев устанавливается в аппаратуре с сетевым питанием, его потребление не существенно. Микроконтроллер зачастую выполняет и другие сервисные функции в устройстве и является его центральным логическим устройством.

Приемник ИК излучения чаще всего выполняется в виде отдельного интегрального модуля, который располагается за передней панелью управляемой аппаратуры. В передней панели есть прозрачное для инфракрасных лучей окошко. Как правило, такая микросхема имеет три вывода - питание, общий и выход сигнала. Производители электронных компонентов предлагают приемники ИК сигналов различного типа и исполнения. Однако, принцип их работы одинаков. Внутри такая микросхема имеет:

• фотоприемник - фотодиод
• интегрирующий усилитель, который выделяет полезный сигнал на уровне фона
• ограничитель, приводит сигнал к логическому уровню
• полосовой фильтр, настроенный на частоту передатчика
• демодулятор - детектор, выделяет поднесущей полезного сигнала.

Корпус такого приемника выполняется из материала, выполняет роль дополнительного фильтра, пропускающего ИК лучи определенной длины волны. Современные интегральные приемники позволяют принимать полезный сигнал на уровне фона, превышает его в несколько десятков раз и при этом чувствовать посылки частоты, которые имеют лишь от 4 - 5 периодов.

Питание приемника излучения должно быть выполнено с RC фильтром для увеличения чувствительности. Микроконтроллер производит препятствие широкого спектра на линиях питания, которое может повлиять на работу приемника.

Форматы передачи ИК данных
Различные производители бытовой аппаратуры применяют в своих изделиях различные пульты ИК управления. Поскольку пульт должен общаться только с конкретным устройством, он формирует последовательность данных, которые кникальны для своего типа оборудования. Передаваемые данные содержат кроме команды управления адрес устройства, проверочные данные и другую сервисную информацию. Более того, различные производители используют различные способы формирования последовательности данных и различные способы передачи логических состояний. Наиболее распространенные способы кодирования битов информации - это изменение длительности паузы между пакетами (метод интервалов) и кодирования сочетанием состояний (бифазной метод). Однако, встречаются способы кодирования бит информации продолжительностью, сочетанием продолжительности и паузы и т. д. Наиболее распространенные форматы передачи:

• RC5 протокол компании Philips
• NEC протокол одноименной Японской компании

Форматы RC-5 и NEC используются многими производителями электроники. Некоторые производители разработали свой стандарт, но в основном используют его сами. Менее распространенные форматы пультов управления:

• JVC
• ITT
• Mitsubishi
• Nokia NRC17
• Philips RC6
• Phiilps RC-MM
• Philips RECS80
• RCA Protocol
• Samsung
• Sharp
• Sony SIRC
• X-Sat Protocol

В отличие от пультов управления бытовой электроникой, которые передают только одну команду, соответствующую кнопке, пульты управления кондиционерами передают при каждом нажатии всю информацию о параметрах, выбранных пользователем на экране пульта, такие как температура, режим охлаждения, нагрева или вентиляции, мощность вентилятора и другое. В результате, посылка становится достаточно длительной. Например, пульт бытового кондиционера Daikin FTXG передает единовременно 35 байт информации, скомпонована в трех последовательных посылках. Форматы пакетов ИК передачи кондиционеров:

• Daikin
• Mitsubishi
• Samsung

Инфракрасные передатчики служат для синхронизации активных 3D очков с телевизором.

• Формат передачи канала синхронизации 3D телевизора

Двунаправленная передача информации используется в некоторых мобильных устройствах: ноутбуках, телефонах, смартфонах, плеерах и т. д. Передача информации по протоколу IrDA основана на форматах асинхронной передачи данных, реализованных в COM портах компьютера.

• IrDA формат передачи данных

Передача информации на большие расстояния не обходится сегодня без ИК излучения. Оптоволоконные линии связи используют ИК излучения ближней и средней области спектра (некоторые и видимого) для передачи данных.

• Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)
• Беспроводная передача данных в инфракрасном диапазоне.