Els sensors són una part molt important de l'electrònica, especialment en robòtica i automatismes. Els sensors dels dispositius electrònics ens faciliten la vida detectant i controlant automàticament els dispositius sense interacció humana. Hi ha molts tipus de sensors com el sensor d'incendi, el sensor d'humitat, el sensor de moviment, el sensor de temperatura, el sensor IR, etc. En aquest article, explicarem el sensor IR (sensor d'infrarojos), com funciona i com construir un mòdul de sensor IR.
El sensor IR és un sensor molt popular, que s’utilitza en moltes aplicacions d’electrònica, com s’utilitza en sistemes de control remot, detectors de moviment, comptadors de productes, robots de seguiment de línia, alarmes, etc.
El sensor IR consisteix bàsicament en un LED IR i un Fotodiode, aquest parell generalment s’anomena parell IR o acoblador fotogràfic. El sensor IR treballa en el principi en què el LED IR emet radiació IR i el fotodiode detecta aquesta radiació IR. La resistència del fotodiode canvia segons la quantitat de radiació IR que hi cau, de manera que la caiguda de tensió també canvia i mitjançant l'ús del comparador de tensió (com LM358) podem percebre el canvi de tensió i generar la sortida en conseqüència.
La col·locació del LED IR i del fotodiode es pot fer de dues maneres: directa i indirecta. En incidència directa, el LED i el fotodiode IR es mantenen davant l'un de l'altre, de manera que la radiació IR pot caure directament sobre el fotodiode. Si col·loquem algun objecte entre ells, s’aturarà la caiguda de llum IR sobre el fotodiode.
I en incidència indirecta, tant el LED d’IR com el díode fotogràfic es col·loquen en paral·lel (costat a costat), orientats a tots dos en la mateixa direcció. D’aquesta manera, quan un objecte es manté davant del parell IR, la llum IR queda reflectida per l’objecte i queda absorbida pel fotodiode. Tingueu en compte que l’objecte no ha de ser negre, ja que absorbirà tota la llum IR, en lloc de reflectir-se. En general, el parell IR es col·loca d'aquesta manera al mòdul del sensor IR.
Per construir un mòdul IR, necessitem principalment un parell IR (IR LED i fotodiode) i LM358 amb algunes resistències i un LED.
LED IR
El LED IR emet llum en el radi de freqüència infraroja. La llum IR és invisible per a nosaltres, ja que la seva longitud d’ona (700 nm - 1 mm) és molt superior a la gamma de llum visible. Tot el que produeix calor, emet infrarojos com, per exemple, el nostre cos humà. Els infrarojos tenen les mateixes propietats que la llum visible, ja que es poden enfocar, reflectir i polaritzar com la llum visible.
El LED d’IR sembla un LED normal i també funciona com un LED normal, consumeix corrent de 20 mA i potència de 3 vots. Els LED IR tenen un angle d’emissió d’aproximadament. 20-60 graus i rang d'aprox. de pocs centímetres a diversos peus, depèn del tipus de transmissor IR i del fabricant. Alguns transmissors tenen un abast en quilòmetres.
PhotoDiode
El fotodiode es considera una resistència dependent de la llum (LDR), que significa que té una resistència molt alta en absència de llum i que es redueix quan la llum hi cau. El fotodiode és un semiconductor que té una unió PN, operat en polarització inversa, vol dir que comença a conduir el corrent en direcció inversa quan hi cau la llum i la quantitat de flux de corrent és proporcional a la quantitat de llum. Aquesta propietat la fa útil per a la detecció d’IR.
El fotodiode té l’aspecte d’un LED, amb un revestiment de color negre a la cara exterior. S'utilitza en polsos invertits, tal com es mostra al diagrama de circuits següent.
LM358
LM358 és un amplificador operacional (Op-Amp) i en aquest circuit l’utilitzem com a comparador de tensió. El LM358 té dos comparadors de voltatge independents al seu interior, que es poden alimentar mitjançant un únic PIN, de manera que podem utilitzar el CI únic per construir dos mòduls de sensor IR. Aquí només hem utilitzat un comparador, que té entrades al PIN 2 i 3 i sortida al PIN 1. El comparador de tensió té dues entrades, una és l’entrada inversora i la segona és l’entrada no inversora (PIN 2 i 3 a LM358). Quan la tensió a l'entrada no inversora (+) és superior a la tensió a l'entrada inversora (-), la sortida del comparador (PIN 1) és alta. I si el voltatge de l'entrada inversora (-) és superior a l'extrem no inversor (+), la sortida és BAIXA.
Mòdul de sensor IR
Components
- Parell IR (IR LED i fotodiode)
- IC LM358
- Resistència 100, 10k, 330 ohm
- Resistència variable: 10k
- LED
Podeu veure les connexions al diagrama del circuit del sensor IR. El díode fotogràfic està connectat en polarització inversa, l'extrem inversor de LM358 (PIN 2) està connectat a la resistència variable, per ajustar la sensibilitat del sensor. I l’extrem no inversor (PIN 3) està connectat a la unió del fotodiode i una resistència.
Quan encenem el circuit no hi ha radiació IR cap al fotodiode i la sortida del comparador és BAIXA. Quan prenem algun objecte (no negre) davant del parell d’IR, llavors l’IR emès pel LED d’IR és reflectit per l’objecte i absorbit pel fotodiode. Ara, quan es reflecteix un IR cau en el fotodiode, la tensió del fotodiode cau i la tensió de la resistència R2 de la sèrie augmenta. Quan la tensió a la resistència R2 (que està connectada a l’extrem no inversor del comparador) és superior a la tensió a l’extrem inversor, la sortida esdevé ALTA i el LED s’encén.
La tensió a l'extrem d'inversió, que també s'anomena tensió llindar, es pot configurar girant el pom de la resistència variable. Com més alta sigui la tensió a l’extrem d’inversió (-), menys sensible serà el sensor i baixarà la tensió a l’extrem d’inversió (-), més sensible serà el sensor.
Tot aquest circuit es pot col·locar al PCB per construir un mòdul de sensor IR adequat.