Czujnik zbliżeniowy IR (1)

Różne są metody wykrywania obecności przedmiotów. Czujniki mogą wykorzystywać indukcyjność, pojemność, dotykać mechanicznie lub obserwować światło odbite lub pochłonięte przez jego powierzchnię. W tym odcinku kursu zbudujemy bardzo prosty czujnik odbiciowy, z wykorzystanie diody IR oraz fototranzystora. Z konstrukcję poradzą sobie osoby początkujące.

W czujnikach zbliżeniowych najczęściej wykorzystuje się podczerwień z prostego praktycznego powodu - bo jej nie widzimy. Jest to światło o długości fali 940nm. W celach doświadczalnych, aby zweryfikować czy dioda IR rzeczywiście świeci w naszym układzie, możemy wykorzystać kamerę w telefonie. Matryce CCD w tanich aparatach widzą podczerwień, ponieważ nie mają wbudowanych żadnych filtrów IR. Świecąca dioda IR w obiektywie telefonu będzie widoczna tak, jakby świeciła białym światłem. 

Elementy podczerwieni, zarówno nadajniki i odbiorniki spotkać możemy w obudowach przezroczystych lub czarnych. W rzeczywistości nie jest to kolor czarny, a "podczerwony", jednak dla nas widoczny jest jako czarny. Celem takiej obudowy jest odfiltrowanie wszystkich innych długości fal światła niż 940nm. W szczególności polecam stosowanie takich odbiorników, kiedy będą pracować w obecności innych źródeł światła, co mogłoby zakłócić ich działanie.

Budujemy nadajnik

W naszym układzie wykorzystamy diodę IR crystal 5mm. W ofercie mamy także inne modele, które będą dobre. Zasilać ją będziemy napięciem 5V. Jedyne co musimy dodać do układu nadajnika to zwykły rezystor, w celu ograniczenia prądu diody, aby się nie spaliła. Skorzystajmy z kalkulatora Jak dobrać rezystor do diody LED - naszą diodę będziemy zasilać napięciem 5V. Jej napięcie przewodzenia wynosi 1,2V, a prąd to 0,035A. Wykorzystamy więc rezystor o rezystancji 100R, który trzeba będzie połączyć szeregowo z naszą diodą. Rezystor będzie rozpraszał moc 0,13W, zatem wystarczy zastosować zwykły węglowy rezystor o dopuszczalnej mocy 0,25W. 

Schemat układu jest banalny - pamiętaj tylko, że diodę należy połączyć katodą do masy (czyli nóżka oznaczona ścięciem na obudowie powinna być podłączona do minusa zasilania).

Wykorzystując kamerę w telefonie możemy sprawdzić, czy nasza dioda rzeczywiście świeci światłem podczerwonym.

Budujemy odbiornik

Odbiornik zbudujemy w trzech wersjach:

• najprostszej - jedynie po to , by wyjaśnić zasadę działania fototranzystora
• ze wzmacniaczem w postaci tranzystora PNP
• z układem filtrującym światło z otoczenia

Fototranzystor można wyobrazić sobie jako łącznik, który staje się przewodnikiem, kiedy widzi podczerwień. Natomiast kiedy nie widzi podczerwieni - wówczas staje się izolatorem. Jest to pewne uproszczenie, ponieważ fototranzystory nie działają zero-jedynkowo. Zatem przyjąć można, że im silniejszym światłem podczerwonym oświetlimy fototranzystor - tym większy prąd przez niego będzie mógł przepłynąć.

W naszym układzie wykorzystamy fototranzystor IR 5mm w obudowie z filtrem podczerwieni. W naszym sklepie znajdziesz także inne modele fototranzystorów. Jest to tranzystor typu NPN. Zwróć uwagę na nacięcie na obudowie - oznacza ono wyprowadzenie zwane kolektorem, a wyprowadzenie bez nacięcia to emiter. Fototranzystory nie mają trzeciego wyprowadzenia, bazy, ponieważ jest nim wbudowany element światłoczuły. Zatem, by tranzystor pracował jako łącznik w układzie wspólnego kolektora (jeśli tego nie rozumiesz to spokojnie omiń ten fragment) wyprowadzenie bez ścięcia podłącz do minusa, a wyprowadzenie ze ścięciem podłącz do elementu, którym tranzystor ma sterować (będzie to dioda LED, ale równie dobrze może to być cokolwiek innego). 

Pamiętaj, że prąd, jaki może płynąć przez fototranzystor, który zastosowaliśmy to jedynie 3mA. Wystarczy, aby zaświecić słabą diodę LED.

Wykorzystajmy diodę LED niebieski przezroczysty 5mm, połączoną szeregowo z rezystorem 220R i naszym fototranzystorem. W ten sposób zbudujemy najprostszy, ale działający, odbiornik podczerwieni.

Skieruj fototranzystor oraz diodę IR pionowo do góry i włącz zasilanie o napięciu 5V. Niebieska dioda będzie się nieznacznie żarzyć, jednak kiedy zbliżysz dłoń do nadajnika i odbiornika, będzie ona odbijać podczerwień, a niebieska dioda zaświeci się mocniej! Jeżeli dioda świeci się przez cały czas, wyłącz wszystkie lamy przy Twoim biurku, w szczególności lampy halogenowe, a także zasłoń okna jeżeli jest słoneczna pogoda.

Zbudowaliśmy bardzo prosty, ale działający czujnik zbliżeniowy. Ma on jednak wady, które będziemy musieli wyeliminować, aby otrzymać praktyczny układ:

• Możliwość sterowania prądem do 3mA, aby nie uszkodzić fototranzystora
• Reagowanie na światło z otoczenia

Te wady wyeliminujemy w kolejnych odcninkach kursu.