С появлением быстродействующих инфракрасных излучателей, прежде всего - ИК диодов, быстро растет интерес к спектру электромагнитных колебаний, имеющих длину волны l=0,8.. .1,3 мкм. Важной особенностью ИК диода является то, что он способен сконцентрировать в короткой вспышке* мощность Римп, в сотни раз превышающую мощность непрерывного его излучения Рнепр. С соответствующим (в ЦРимп /Рнепр раз) увеличением его «дальнобойности».

ИК излучение может быть пространственно преобразовано сжато в узкий пучок, сфокусировано, отражено, изогнуто и др. самыми обычными оптическими средствами - линзами, зеркалами, световодами. Важно и то, что в этом диапазоне электромагнитных излучений земная атмосфера сохраняет достаточно высокую прозрачность.

ИК - свободный диапазон. Работа в нем не требует от кого-то - разрешения, кому-то - оплаты и др. В отличие от СВЧ радиодиапазонов, имеющих тот же характер распространения волн, но уже поделенных между старыми и новыми «хозяевами».

Все это может оказаться существенным и при обычном, традиционном использовании электромагнитного излучения - для нужд связи, например, но особенно - в новых приложениях.

Владельцы современных телевизоров, видеомагнитофонов, кондиционеров и др. уже познакомились с инфракрасной техникой:

пульты дистанционного управления многими бытовыми аппаратами используют кодированное ИК излучение. Но это - лишь одно из его применений.

Устройство невидимого ИК барьера, пересечение которого будет зафиксировано охранной системой, показано на рис. 28. В него входит ИЗ - импульсный генератор-излучатель и ПР - фотоприемник, реагирующий лишь на его импульсы.

 

 

Рис. 28. ИК барьер

 

В ИК барьер может быть включено и «зеркало» - пассивный отражатель ИК лучей.

Расстояние l, на которое можно разнести фотоприемник и излучатель, зависит от мощности ИК импульсов Римп : l=кЦРимп , где к - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности излучателя и реальной чувствительности фотоприемника, его способности выделять на фонепомех сигнал своего ИК излучателя.

Основа инфракрасной техники - импульсные ИК генераторы. Рассмотрим ряд практических их схем и конструкций, которые могут войти в охранную систему нужной конфигурации или быть использованы как-то иначе.

*) Длительность фронта tф и спада tсп ИК вспышки зависит от типа ИК диода. Обычно tф @ tсп=0,1...0,5 мкс. Но существуют ИК диоды, обладающие и значительно большим быстродействием, например, ЗЛ139В с tф @ tсп@0,003 мкс.

1. Простой ИК генератор

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 29. На элементах DD1.1, DD1.2 собран мультивибратор, возбуждающийся на частоте F=30...35 Гц (F@1/2R2*C1). Дифференцирующая цепочка R3C2 и элементы DD1.4...DD1.6 формируют в базе нормально закрытого транзистора VT1 импульс тока длительностью tимп@ 10 мкс (tимп@R3*C2), возбуждающий включенный в его коллектор ИК диод VD1. В таблице 5 приведена зависимость амплитуды тока

 

Рис.29. Генератор ИК импульсов

 

Рис. 30. Печатная плата генератора

в ИК диоде Iимп и потребляемого генератором тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит.

Печатную плату генератора изготавливают из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...1,5 мм (рис. 30). Фольгу со стороны деталей используют лишь в качестве нулевого провода-«земли». В местах пропуска проводников в ней должны быть вытравлены кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны), места пайки к нуль-фольге «заземляемых» выводов конденсаторов, резисторов и др. показаны зачерненными квадратами.

В качестве примера на рис. 31 приведена зависимость относительной мощности излучения ИК диода АЛ402 от прямого импульсного тока Iпр.и. Почти линейная их связь и при столь значительном форсаже импульсных токов, которая вообще характерна для ИК диодов, позволяет ориентироваться при расчетах «дальнобойности» системы не на мощность излучения, а на легко контролируемый ток в ИК диоде.

 

Рис. 31. Зависимость относительной мощности излучения от прямого импульсного тока

Таблица 5

Uпит,B	Iимп,A	Iпотр,мА
4,5	0,24	0,40
5,0	0,43	0,57
6.0	0,56	0,96
7,0	0,73	1,50
8,0	0,88	2,10
9.0	1,00	2,80

  2. Экономичный ИК генератор

Излучатель ИК датчика, реагирующего на прерывание луча, нередко относят от фотоприемника на 10...20 м и более. Его размещение, удовлетворяющее требованиям охранной техники (скрытность позиции, защита от непогоды, намеренной порчи, блокировки и др.), существенно упростится, если он будет выполнен в виде автономно функционирующего блока. Важнейшим параметром такого излучателя будет, очевидно, его способность максимально эффективно использовать энергозапасы встроенного в него источника питания.

Принципиальная схема энергоэкономичного ИК генератора, формирующего достаточно мощные ИК импульсы, показана на рис. 32.

Режим его работы задан мультивибратором, выполненном на микросхеме DD1, в стоки транзисторов которой введены резисторы R1 и R3, многократно снижающие сквозные токи переходного режима. Частота мультивибратора - F@1/2·R2·C1@40 Гц. Длительность импульса тока, возбуждающего ИК диод BL1, зависит от параметров дифференцирующей цепочки R4C3: tимп@R4·C3@10 мкс. Формирователь DD2.3...DD2.6 преобразуют поступающий на его вход импульс с затянутым спадом в «прямоугольный», открывающий на это время до насыщения нормально закрытый транзистор VT1.

Напряжение питания микросхем зависит от номинала резистора R7, при возможных изменениях Uпит оно должно оставаться в пределах +(3...5) В.

 

Рис. 32. Экономичный генератор ИК импульсов

 

Рис. 33. Печатная плата ИК генератора

 

Рис. 34. Компоновка ИК генератора

Таблица 6

Uпит,B	Iимп,A	Iпотр, мА
4,3	0,36	0,15
5	0,46	0,22
6	0,64	0,31
7	0,85	0,43
8	1,05	0,53
9	1,1.8	0,64
10	1,36	0,75

  Генератор монтируют на двусторонней печатной плате размером 17,5х55х1,2 мм (рис. 33). Фольгу под деталями используют лишь в качестве нулевой шины-«земли» (с ней соединяют «-» источника питания), в местах пропуска проводников она имеет выборки — кружки диаметром 1,5...2 мм (на рисунке не показаны). Выводы деталей, соединяемые с «землей», припаивают непосредственно к нуль-фольге (показаны зачерненными квадратами).

Транзистор VT1 устанавливают параллельно плате, его выводы согнуты под прямым углом, расстояние между ним и платой - 4...5 мм.

Общая компоновка излучателя показана на рис. 34. Помещенный в гнездо сечением 45х18 мм и глубиной 57...60 мм, вырубленное в стене дома, в столбе веранды, в перилах крыльца, в засохшем дереве и т.п., излучатель маскируют наклейкой подходящего цвета и фактуры. Если она непрозрачна для ИК лучей, в ней делают небольшое, по диаметру ИК диода, отверстие. Батарею питания лучше поместить снизу. Это позволит избежать порчи излучателя в случае ее разгерметизации.

В таблице 6 приведены зависимости Iимп - амплитуды тока в ИК диоде и Iпотр - тока, потребляемого генератором от источника питания, от Uпит - напряжения источника питания. Частота F и длительность tимп остаются при этом практически неизменными.

Токовый КПД ИК излучателя h=Iимп·tимп·F / Iпотр =0,82...0,87. С батареей «Корунд» он сможет проработать непрерывно 2...3 месяца. А с аккумулятором «Ника», 7Д-ОД25 и т.п., подзаряжаемым солнечной батареей (БС-0.5-9П, БСМ-У1.1, Электроника M1 и др.), в не слишком плохих погодных условиях — без ограничения времени.

3. Приемники импульсного ИК излучения

Из фоточувствительных приборов далеко не все обладают достаточным быстродействием, чтобы реагировать на каждую вспышку ИК диода. Обычно в фотоприемниках импульсного излучения используют фотодиоды (см. приложение 2)*.

Импульсные микротоки, возникающие в фотодиоде при его облучении, необходимо усилить и привести к нормам цифрового стандарта, т.е. преобразовать каждую И К вспышку в импульс напряжения, пригодный для непосредственного управления цифровой микросхемой того или иного типа.

Высокое входное сопротивление и усиление, значительная широкополосность усилителя, пригодного для решения такой задачи, делают его чувствительным к электрическим наводкам самого разного происхождения. В том числе и к работе электронной «начинки» прибора, в который он входит сам. Поэтому фотодиод и его усилитель обычно тщательно экранируют.

Чувствительность фотоприемника может быть заметно снижена паразитной подсветкой. Поэтому его фотодиод прикрывают, как правило, блендой - зачерненным внутри отрезком металлической или пластмассовой трубы, отгораживающим его от источников света, находящихся в стороне от оптической оси.

Прямую, соосную подсветку фотодиода уменьшают фильтрами, ослабляющими видимую часть спектра подсветки. Лучше, конечно, воспользоваться для этого специальным инфракрасным фильтром с полосой прозрачности, совпадающей со спектром излучения ИК диода. Но опыт показывает, что неплохим ИК фильтром может быть тонкий эбонит, гетинакс, окрашенный полистирол, темные пластиковые обои. Однако, почти полностью «отрезая» видимый свет, такие материалы вносят заметное ослабление и в ИК сигнал.

Хотя современный фотодиод имеет, как правило, встроенную оптику, концентрирующую фотопоток на его р-п переходе, из-за малых размеров ее эффективность относительно невелика. Чувствительность фотоголовки значительно увеличится, если ее фотодиод будет помещен в фокус линзы диаметром 20...40 мм и более, концентрирующей на нем значительно больший световой поток. В этом качестве можно использовать, например, конденсор фотоувеличителя. Или объектив от старого фотоаппарата с наводкой на резкость «по метрам», который позволит к тому же настроить оптический канал наилучшим образом.

*) Непригодны, например, фотосопротивления. Достаточно высоким быстродействием обладают вакуумные фотоэлементы и фотоумножители (ФЭУ). Но для их питания требуются источники высокого напряжения: для фотоэлементов 50...300 В, для ФЭУ - до 1 кВ и более (см. приложение 6). Значительные габариты и хрупкость также ограничивают сферу их применения.

4. ИК приемник на транзисторах

Принципиальная схема приемника импульсных ИК сигналов показана на рис. 35. Его выход может быть подключен ко входу цифровой КМОП-микросхемы непосредственно. Если фотоголовка должна быть удалена от цифрового анализатора, а емкость соединяющего их кабеля превысит 100...200 пФ, фотоусилитель потребуется дополнить буферным усилителем. Таким, например, как на рис. 36, а (усилитель-инвертор) или на рис. 36, б. Емкостная нагрузка фотоголовки с таким усилителем на выходе может быть увеличена до 0,01 мкФ.

 

Рис. 35. ИК приемник на транзисторах

 

Рис. 36. Усилители мощности в КМОП-технике

Таблица 7

 

Uпит,B	Iпотр,мA
4,5	0,30
5,0	0,30
6,0	0,32
7,0	0,34
8,0	0,35
9,0	0,37

  Фотодиод ФД263-01 можно заменить на ФД320. А при наличии хорошего оптического концентратора - почти на любой из указанных в приложении 2.

ИК приемник сохраняет работоспособность при изменении напряжения источника питания Uпит в широких пределах. Зависимость потребляемого им тока Iпотр от напряжения питания показана в таблице 7.

5. ИК приемник на микросхеме

Принципиальная схема приемника импульсных ИК сигналов на специально для этой цели разработанной микросхеме показана на рис. 37.

Выход этого фотоприемника также может быть соединен с входами цифровых КМОП-микросхем напрямую. Но хотя его выходное сопротивление меньше, чем у описанного выше транзисторного, при большой длине линии, связывающей фотоприемник с электронным анализатором сигналов, его также нужно дополнить буферным усилителем (см. рис. 36, а, б). Емкость линии связи в этом случае может доходить до 0,01 мкФ.

Фотодиод ФД320 можно заменить на ФД263-01, а если в фотоприемнике есть линза-концентратор - практически любым фотодиодом из приложения 2.

 

Рис. 37. ИК приемник на микросхеме

Таблица 8

Uпит,B	Iпотр, мА
4,5	0,84
5,0	1,00
6,0	1,30
7,0	1,55
8,0	1,90
9,0	2,90

 

Усиление фотоголовки можно уменьшить, зашунтировав вход усилителя резистором сопротивлением 0,3...3 МОм.

В таблице 8 приведена зависимость тока Iпотр , потребляемого фотоголовкой, от напряжения источника питания Uпит.