Sensorer er en veldig viktig del av elektronikken, spesielt innen robotikk og automatisering. Sensorer i elektroniske enheter gjør livet vårt enkelt ved automatisk å fornemme og kontrollere enhetene, uten menneskelig interaksjon. Det er mange slags sensorer som brannsensor, fuktighetssensor, bevegelsessensor, temperatursensor, IR-sensor etc. I denne artikkelen vil vi forklare om IR-sensor (infrarød sensor), hvordan den fungerer og hvordan man bygger en IR-sensormodul.
IR-sensor er veldig populær sensor, som brukes i mange applikasjoner innen elektronikk, som den brukes i fjernkontrollsystem, bevegelsesdetektor, produktteller, linjefølgerroboter, alarmer etc.
IR-sensor består i utgangspunktet av en IR-LED og en fotodiode, dette paret kalles vanligvis IR-par eller fotokobler. IR-sensor fungerer på prinsippet der IR-LED avgir IR-stråling og fotodiode fornemmer at IR-stråling. Fotodiodemotstanden endres i henhold til mengden IR-stråling som faller på den, derfor endres spenningsfallet over den, og ved å bruke spenningskomparatoren (som LM358) kan vi fornemme spenningsendringen og generere utgangen tilsvarende.
Plasseringen av IR LED og fotodiode kan gjøres på to måter: Direkte og Indirekte. I direkte forekomst holdes IR LED og fotodiode foran hverandre, slik at IR-stråling direkte kan falle på fotodioden. Hvis vi plasserer noe objekt mellom dem, stopper det fallet av IR-lys på fotodioden.
Og i indirekte forekomst er både IR-LED og fotodiode plassert parallelt (side om side), og vender begge i samme retning. På den måten, når et objekt holdes foran IR-paret, reflekteres IR-lyset av objektet og absorberes av fotodiode. Merk at objektet ikke skal være svart, da det vil absorbere alt IR-lyset i stedet for å reflektere. Generelt sett er IR-par plassert på denne måten i IR-sensormodulen.
For å bygge en IR-modul trenger vi hovedsakelig IR-par (IR LED og fotodiode) og LM358 med noen motstander og en LED.
IR LED
IR-LED avgir lys i området infrarød frekvens. IR-lys er usynlig for oss, da bølgelengden (700 nm - 1 mm) er mye høyere enn det synlige lysområdet. Alt som produserer varme, sender ut infrarød som for eksempel menneskekroppen. Infrarød har de samme egenskapene som synlig lys, som det kan fokuseres, reflekteres og polariseres som synlig lys.
IR-LED ser ut som en vanlig LED og fungerer også som en vanlig LED, den bruker 20mA strøm og 3vots strøm. IR-lysdioder har en lysemitterende vinkel på ca. 20-60 grader og rekkevidde på ca. noen få centimeter til flere føtter, avhenger det av typen IR-sender og produsenten. Noen sendere har rekkevidden i kilometer.
PhotoDiode
Fotodiode regnes som lysavhengig motstand (LDR), betyr at den har veldig høy motstand i fravær av lys og blir lav når lys faller på den. Fotodiode er en halvleder som har en PN-kryss, som drives i omvendt skjevhet, betyr at den begynner å lede strømmen i omvendt retning når lyset faller på den, og strømmen er proporsjonal med mengden lys. Denne egenskapen gjør den nyttig for IR-deteksjon.
Fotodiode ser ut som en LED, med et svart fargebelegg på utsiden. Den brukes i omvendt forspent, som vist i kretsskjemaet nedenfor.
LM358
LM358 er en operasjonsforsterker (Op-Amp) og i denne kretsen bruker vi den som en spenningskomparator. LM358 har to uavhengige spenningskomparatorer inni seg, som kan drives av en enkelt PIN-kode, slik at vi kan bruke den eneste IC-en til å bygge to IR-sensormoduler. Vi har bare brukt en komparator her, som har innganger på PIN 2 & 3 og utgang ved PIN 1. Spenningskomparator har to innganger, den ene er inverterende inngang og den andre er ikke-inverterende inngang (PIN 2 og 3 i LM358). Når spenningen ved ikke-inverterende inngang (+) er høyere enn spenningen ved inverterende inngang (-), så er utgangen fra komparatoren (PIN 1) høy. Og hvis spenningen til inverterende inngang (-) er høyere enn ikke-inverterende ende (+), så er utgangen LAV.
IR-sensormodul
Komponenter
- IR-par (IR-LED og fotodiode)
- IC LM358
- Motstand 100, 10k, 330 ohm
- Variabel motstand - 10k
- LED
Du kan se tilkoblingene i IR-sensorens kretsskjema. Fotodiode er koblet i omvendt skjevhet, inverterende ende av LM358 (PIN 2) er koblet til den variable motstanden, for å justere følsomheten til sensoren. Og en ikke-inverterende ende (PIN 3) er koblet til krysset mellom fotodiode og en motstand.
Når vi slår PÅ kretsen er det ingen IR-stråling mot fotodiode, og utgangen fra komparatoren er LAV. Når vi tar noe objekt (ikke svart) foran IR-paret, reflekteres IR som sendes av IR-LED av objektet og absorberes av fotodioden. Når IR reflekteres på fotodiode, synker spenningen over fotodioden, og spenningen over seriemotstand R2 øker. Når spenningen på motstand R2 (som er koblet til den ikke-inverterende enden av komparatoren) blir høyere enn spenningen i inverterende ende, blir utgangen HØY og LED slås PÅ.
Spenning i inverterende ende, som også kalles terskel spenning, kan stilles inn ved å dreie på den variable motstandens knott. Høyere spenning ved inverterende ende (-), mindre følsom sensor og Senk spenningen ved inverterende ende (-), mer følsom sensor.
Hele denne kretsen kan plasseres på PCB for å bygge en skikkelig profesjonell IR-sensormodul.