Быстродействующий ОУ в схеме ИК датчика приближения

Everlight IR11-21C PD15-22C

Arpit Mehta

EDN

Инфракрасные (ИК) датчики приближения могут определять присутствие объекта, его расстояние от ориентира или и то, и другое. Датчики используются для определения скорости, распознавания рук в автоматических смесителях, автоматического подсчета или обнаружения объектов на конвейерных лентах, а также для определения края бумаги в принтерах. Например, смартфоны последних поколений могут отключать сенсорный экран, чтобы предотвратить случайное нажатие кнопок, когда вы прижимаете экран к подбородку или уху.

Для обнаружения объекта датчик приближения излучает инфракрасные импульсы в строну объекта, а затем «слушает», чтобы принять любые отраженные импульсы. ИК светодиод передает ИК сигналы, а ИК фотодетектор регистрирует отраженный сигнал (Рисунок 1). Мощность этого отраженного сигнала обратно пропорциональна расстоянию от объекта до ИК приемопередатчика. Поскольку отраженный ИК сигнал тем сильнее, чем ближе находится объект, выход фотодиодного детектора, можно откалибровать, чтобы определить точное расстояние срабатывания. Расстояние срабатывания обозначает порог для принятия решения о том, присутствует ли объект.

Принимая отраженный свет, ИК датчик приближения определяет наличие объекта.
Рисунок 1. Принимая отраженный свет, ИК датчик приближения
определяет наличие объекта.

Фотодиод принимает не только ИК излучение, отраженное от объекта, но и создаваемое окружающими условиями. Чтобы исключить ложные срабатывания, эти ИК помехи нужно отфильтровать. Распространенным методом является модуляция ИК сигнала светодиода удобной частотой с последующим выделением только ИК излучения с этой модуляцией, которая определяет его как отражение от объекта.

В этой статье описан ИК датчик приближения с простыми схемами секций передатчика и приемника (Рисунок 2). Передатчик содержит 940-нанометровый ИК светодиод IR11-21C компании Everlight, который включается и выключается сигналами 10-килогерцового генератора. Изменяя ток светодиода, можно управлять уровнем излучаемой мощности и, следовательно, дальностью обнаружения. Для экономии энергии типичный коэффициент заполнения передаваемых импульсов составляет всего 10%.

ИК приемопередатчик обнаруживает присутствие объекта и определяет приблизительное расстояние от приемопередатчика.
Рисунок 2. ИК приемопередатчик обнаруживает присутствие объекта и определяет приблизительное
расстояние от приемопередатчика.

Схема приемника демодулирует и усиливает ИК сигналы, принятые фотодиодом Everlight PD15-22C, пик чувствительности которого находится на длине волны 940 нм. Выход фотодиода связан по переменному току с неинвертирующим входом операционного усилителя (ОУ). Разделительный конденсатор позволяет проходить сигналу с частотой 10 кГц, но устанавливает частоту среза 300 Гц, которая не допускает попадания в усилитель помех постоянного тока и фонового ИК излучения.

Хорошим выбором для демодуляции и усиления в этой схеме будет операционный усилитель с низким уровнем шумов, широкой полосой пропускания и rail-to-rail входами и выходом. Кроме того, его невосприимчивость к радиочастотным сигналам предотвращает проникновение раздражающего звука 217 Гц, которым обычно сопровождается работа сотовых телефонов GSM. Для ИК приемника операционный усилитель служит полосовым фильтром второго порядка с коэффициентом усиления 100 и центральной частотой 10 кГц. Таким образом, ОУ усиливает входящие ИК сигналы и демодулирует их с помощью полосового фильтра.

В отсутствие ИК сигнала выход ОУ смещен на 2.5 В. При наличии ИК сигнала с частотой 10 кГц его выходное напряжение колеблется вокруг уровня 2.5 В в динамическом диапазоне 5 В. К выходу подключен простой диодный детектор, который выпрямляет сигнал частотой 10 кГц и выдает постоянное напряжение, пропорциональное его амплитуде. Величина аналогового выходного сигнала пропорциональна расстоянию между объектом и ИК передатчиком. Для дальнейшей обработки этот сигнал можно подать на вход АЦП.

При разных расстояниях до объекта принимаемые сигналы имеют разные амплитуды.
Рисунок 3. При разных расстояниях до объекта принимаемые сигналы имеют
разные амплитуды.

Рисунок 3 иллюстрирует работу схемы при расстояниях между объектом и ИК приемопередатчиком, равных 1.2 и 1.4 дюйма. Номера осциллограмм на Рисунке 3 соответствуют цифрам в кружках на Рисунке 2.

Материалы по теме

  1. Datasheet Everlight IR11-21C
  2. Datasheet Everlight PD15-22C
  3. Datasheet Maxim Integrated MAX4230

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: High-speed op amp enables IR-proximity sensing

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

IR11-21C Купить ЦенаКупить IR11-21C на РадиоЛоцман.Цены — от 3,65 до 6,05
13 предложений от 9 поставщиков
Инфракрасный светодиод smd 3х1,5мм/850нм/30mW@20mA 1,5v/прозрачный/100°
Стандарт СИЗ
Россия
IR11-21C/TR8
3,65 ₽
ЭИК
Россия
IR11-21C/TR8
Everlight
от 3,98 ₽
Кремний
Россия и страны СНГ
EL-IR11-21C
по запросу
Зенер
Россия и страны ТС
IR11-21C/TR8
Everlight
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя