משדר ומקלט אינפרא אדום

עורך: ראם

מטרת הרכיב: מטרת הרכיבים היא העברת אותות שונים בטווח התת אדום, יש שימוש ביתי שכיח ברכיבים אלו, שלטים למזגן לטלוויזיה, לרמקול ועוד רבים אחרים.

אופן פעולת הרכיב (פשוט):

שני הרכיבים נמצאים במרחק מסוים אחד מהשני, כאשר אור אינפרא אדום מהמשדר נקלט במקלט הוא גורם לשינוי בהתנגדות של המקלט בהתאם לכמות האור. לכל צמד משדר מקלט יש טווח גלים שבו הוא עובד, למשל בפרויקט שלנו המשדר פולט גלים בטווח של בין 950-930 ננומטר שמריב בגלים הם 940 ננומטר והמקלט בין 740-1180 ננומטר, שהקליטה המיטבית היא ב-940 ננומטר. לכל משדר יש זווית עלומה שונה, כך שלמשדר אחד יש זווית פיזור גדולה מאוד אך לטווח קטן או זווית פיזור צרה מאוד אבל ממוקד כמו לייזר.

בשביל להשיג שלל צבעים יש שתי אפשרויות, הראשונה היא צביעת היקף הנורה כך שהאור המופק הוא לבן אך רק האור באותו צבע בו צבוע הציפוי של הלד 'בורח'. האפשרות השנייה היא הוספה חומרים בבניית המנגנון הפנימי של הלד שגורמים לשינוי בצבע האור הנפלט מהלד שהתוצאה שלהם היא צבע אחר. למשל "סיבי פחמן"ליצירת אור כחול ו"גליום ארסניד פוספיד"

ליצירת אור כתום ואדום. כך גם אפשר להשיג אור מחוץ לספקטרום הנראה להפקת אור אינפרא אדום בשילוב התרכובת "גליום ארסניד".

בטבלה מוצגים החומרים הדרושים לשינוי הצבע של הלד

כיצד לד פועל? 

בתוך הלד, הנורה עצמה בנויה משני חומרים שתכונתם היא מוליכות למחצה במצב של "צומת PN" בצד אחד חומר N המכיל אלקטרונים חופשיים בריכוז גבוה ממה שיש בצד השני, ובצד השני חומר P המכיל נושאי מטען חופשיים (חורים) בריכוז גבוה יותר בצד השני. במצב הטבעי יש מעבר (דיפוזיה) של שני החומרים לצורך השוואת מפל הריכוזים. אם נעביר מתח דרך הרגל cathode אנו נחליש את תהליך הדיפוזיה שיהיה חסר השפעה, שמסביר מדוע דיודה מעבירה מתח רק בכיוון אחד, ואילו העברת מתח דרך הרגל anode אנו עוזרים לתהליך הדיפוזיה עד לקבלת פרוטונים חופשיים שיוצרים אור בתהליך ששמו "Electroluminescence". עם נעביר יותר מדי מתח אנו עלולים להרוס את הנורה.

אופן פעולת הרכיב – הסבר פנימי:

משדר:

משדר אינפרא אדום הוא בעצם נורת לד רגילה המפיקה אור באורך גל מחוץ לספקטרום הנראה. לד (LED) הוא קיצור של "light emitting diode", הלד הוא בעצם דיודה, המאפשרת  מעבר זרם רק בכיוון אחד. לדיודה שתי רגליים, רגל ארוכה "anode" המחוברת להדק החיובי (הפלוס) ורגל קצרה "cathode" המחוברת להדק השלילי (המינוס), כך שאם נחבר את הלד הפוך הוא לא יעבוד. (בתמונות יש לד המחובר למקור מתח, פעם אחת הזרם עובר דרך ה-anode ופעם דרך ה-cathode להצגת הדרך הנכונה לחיבור)

מקלט:
המקלט הוא פוטו-טרנזיסטור (Phototransistor), המשמש כגלאי אור. בשוק יש מספר רכיבים הדומים לו, הן במראה והן באופן הפעולה. רכיבים אלה הם ה"פוטו-דיודה" וה"פוטורזיסטור" שפועל על אותו עיקרון, להמיר אור להתנגדות חשמלית. ההבדלים העיקריים הם מהירות תגובה ומהירות נפילה. מהירות נפילה היא מושג המתאר את כמות הזמן שלוקח לקולט לחזור למצב הרגיל שלו לאחר חשיפה לאור. לפוטו-טרנזיסטור יש זוג רגליים "collector" רגל הכניסה של המתח ו"emitter" רגל היציאה. נעשה שימוש בחומר מוליך למחצה בצומת PN, בעוד שבלד מושקע מתח ונפלט אור, בפוטו-טרנזיסטור מושקע אור לשינוי בהתנגדות החשמלית, שבאה לידי ביטוי בעוצמת המתח מהמוצא של הרכיב בקריאת האות בארדואינו.

Pinout:

דיאגרמת חיווט:

משדר:

בשביל לחבר את הלד לארדואינו או כל מקור מתח אחר, הרגל הארוכה (אנדוה) מתחברת להדק החיובי של מקור המתח (בארדונו מקור המתח יהיה 5V). הקתודה מתחברת להדק השלילי של מקור המתח (GROUND).

 

כיצד לחבר לד למעגל בלי לשרוף אותו?

כדי להבין זאת נבין כמה מתח צורך כל לד, לד IR צורך כ- 2.3 וולט. כל מקור מתח מייצר כמות מתח שונה. אם מקור מתח מפיק יותר מתח ממה שהנורה מסוגלת להכיל היא תישרף, לכן מחברים נגד ש"יפיל" חלק מהמתח. בסרטוט השתמשתי בנגד 1000 אום לנורה שצורכת 2 וולט ולה התנגדות של 600 אום, כשמקור המתח מספק 5 וולט.

מה לגבי מספר נורות המעגל?

יש שתי אפשרויות: חיבור במקביל וחיבור בטור.

חיבור במקביל: צריכת המתח כמעט ולא משתנה בהוספה של נורות למעגל, המשתנה היא כמות הזרם שיש להעביר. אם נורה אחת נשרפת שאר הנורות ימשיכו לעבוד וניתן לחבר כמות גדולה של נורות לאותו ספק המתח כל עוד הוא מסוגל לספק את הזרם הנדרש. 

חיבור בטור: כל הוספת נורה תוריד את המתח המסופק לכל הנורות האחרות. 

אם נורה אחת נשרפת כל המעגל לא יעבוד.

כיצד מתאימים נגד לנורת LED בודדת או למספר נורות LED?

יש מספר פרמטרים שצריך להתייחס אליהם: כמות המתח במעגל, כמות הצריכה של כל נורה (לכל נורה צריכת מתח וזרם שונה) ובמקרים מסוימים כמות הנורות במעגל (חיבור בטור).

הנה קישור לאתר המשמש לתכנון מעגל חשמלי עם כמה נורות LED שרוצים.

http://led.linear1.org/led.wiz

מקלט:

בשביל לחבר את המקלט לארדואינו, את ה- collector (רגל הכניסה), מחברים ל-5V, ואת ה - emitter (רגל היציאה) מפצלים לשתי רגליים, רגל אחת עם נגד (בפרויקט שלי נגד של 50K אוהם) לחיבור ה-GND לסגירת מעגל חשמלי ואת הרגל השנייה בלי כלום לחיבור האנלוגי (A0), כפי שניתן לראות בתרשים.

לשם מה צריך נגד? 

כאשר משתמשים בארדואינו הוא מספק 5 וולט, הצרכן היחיד שלנו (הפוטו-טרנזיסטור) מקבל את כל המתח והערך שהוא יתן יהיה אותו ערך של 1023 (ערך אנלוגי ל-5 וולט) גם אם ההתנגדות שלו תשתנה בהתאם לעוצמת החשיפה שלו לאור, כל המתח עדיין נופל עליו כי הוא הצרכן היחיד. כאשר מוסיפים צרכן נוסף למעגל (נגד) מתבצעת חלוקה על הצריכה, בהתאם ליחס בין ההתנגדות שלהם. למשל נגד שההתנגדות שלו היא 200 אוהם ופוטו-טרנזיסטור שההתנגדות שלו היא 300 אוהם

אז היחס בין ההתנגדות שלהם הוא 3:2 וכך גם כמות המתח שהם יקבלו, הנגד יקח 2 וולט והפוטו-טרנזיסטור 3 וולט. משום שההתנגדות של הפוטו-טרנזיסטור משתנה בחשיפה לאור - היחס בין ההתנגדות שלו לזו של הנגד הקבוע תשתנה ויפול עליו מתח שונה בהתאם למידת ההתנגדות שלו (יותר התנגדות = יותר מתח). כעת, הארדוינו יוכל למדוד את השינוי במתח על פני הרכיב ונוכל לקבל מדידה של השינוי בחשיפת הרכיב לאור אינפרא אדום.

מה המשמעות בסדר החיבור?

לחיבור הפוטו-טרנזיסטור לארדואינו יש שתי אפשרויות, אופציה א'- חיבור פוטו-טרנזיסטור לפני הנגד ואופציה ב'- להפך.

אופציה א' תביא לידי ביטוי שככל שכמות האור שתגיע לפוטו-טרנזיסטור תגדל כך הערך האנלוגי שלו יגדל ואופציה ב' להפך.

קוד לדוגמה:

int IR_LIGHT = 0;

void setup() {

  pinMode(A0,INPUT);

  Serial.begin(9600);

}

 

void loop() {

  IR_LIGHT = analogRead(A0);

  Serial.print("IR_LIGHT");

  Serial.println(IR_LIGHT);

  delay(100);

}

תיאור קוד לדוגמה:

הגדרנו את A0 כמקבל מידע (כמות מתח), הגדרנו לרגל שבו הפוטו-טרנזיסטור מחובר אליה משתנה כדי להקל על הכתיבה ולשמור על סדר, וכאת אנו עומדים להציג את הערכים על המחשב. 

מטרת הקוד היא להציג את כמות האור האינפרא אדום הנקלט בפוטו-טרנזיסטור כאות אלנולגי שיוצג במספר בין 0-1023, כך שככל שהערך גבוה יותר כך הפוטו-טרנזיסטור קולט יותר אור אינפרא אדום והפוך.

חלופות לרכיב (יתרונות וחסרונות): 1 הכי טוב, 3 הכי פחות טוב

בטבלה רואים השוואה בין שלושת הרכיבים פוטו-דיודה, פוטו-רזיסטור ופוטו-טרנזיסטור, שלושתם משמשים ביישומים דומים. אך, יש ביניהם הבדלים בעוצמת התגובה, מהירות התגובה הרגישות ועוד. מהבדיקה שערכנו עולה כי לפוטו-דיודה מירב הנתונים הגבוהים לפוטו-טרנזיסטור הרגישות הטובה ביותר, שהייתה בעדיפות עליונה ולכן נבחר.

שגיאות שכדאי להימנע מהן וטיפים מועילים:

  • בפעם הראשונה להשתמש במטריצה, השימוש במטריצה עוזר לבניית מעגל מהיר וקל כך שגם אם לא בטוחים בכיוון קל לשנות ולתקן.

  • להבין מהי רגל הכניסה ומהי רגל היציאה בכל רכיב, בשביל לדעת מה נכון במשדר, השתמשו במצלמה של הטלפון (לא אייפון), תראו האם יש נקודה ורודה ובמקלט, אם הערכים הגיוניים שכאשר תכוונו עליו את המשדר תקבלו זינוק בערכים. 

  • להשתמש בקישור ליצירת מעגל כדי לא לשרוף את הדיודות, בקישור יש דף שמחשב לך את סוג הנגד שצריך למעגל החשמלי בהתאם לרכיבי המעגל (מקור מתח, התנגדות הנורה ועוד) ולמספר הנורות שתרצה/תרצי להשתמש בהם/הן.
    http://led.linear1.org/led.wiz

This site was designed with the
.com
website builder. Create your website today.
Start Now