Sensoren sind ein sehr wichtiger Bestandteil der Elektronik, insbesondere in der Robotik und Automatisierung. Sensoren in elektronischen Geräten erleichtern unser Leben, indem sie die Geräte ohne menschliche Interaktion automatisch erfassen und steuern. Es gibt viele Arten von Sensoren wie Feuersensor, Feuchtigkeitssensor, Bewegungssensor, Temperatursensor, IR-Sensor usw. In diesem Artikel werden der IR-Sensor (Infrarotsensor), seine Funktionsweise und der Aufbau eines IR-Sensormoduls erläutert.
Der IR-Sensor ist ein sehr beliebter Sensor, der in vielen Anwendungen in der Elektronik verwendet wird, wie z. B. in Fernbedienungssystemen, Bewegungsmeldern, Produktzählern, Linienfolgerrobotern, Alarmen usw.
Der IR-Sensor besteht im Wesentlichen aus einer IR-LED und einer Fotodiode. Dieses Paar wird allgemein als IR-Paar oder Fotokoppler bezeichnet. IR-Sensoren arbeiten nach dem Prinzip, bei dem IR-LED IR-Strahlung emittiert und Photodioden diese IR-Strahlung erfassen. Der Widerstand der Fotodiode ändert sich entsprechend der Menge der auf sie fallenden IR-Strahlung, daher ändert sich auch der Spannungsabfall darüber. Mit dem Spannungskomparator (wie LM358) können wir die Spannungsänderung erfassen und den Ausgang entsprechend erzeugen.
Die Platzierung der IR-LED und der Fotodiode kann auf zwei Arten erfolgen: direkt und indirekt. Bei direktem Einfall werden IR-LED und Fotodiode voreinander gehalten, so dass IR-Strahlung direkt auf die Fotodiode fallen kann. Wenn wir ein Objekt zwischen ihnen platzieren, stoppt es das Abfallen von IR-Licht auf die Fotodiode.
Bei indirekter Inzidenz sind sowohl die IR-LED als auch die Fotodiode parallel (nebeneinander) angeordnet und zeigen beide in dieselbe Richtung. Auf diese Weise wird das IR-Licht vom Objekt reflektiert und von der Fotodiode absorbiert, wenn ein Objekt vor einem IR-Paar gehalten wird. Beachten Sie, dass das Objekt nicht schwarz sein sollte, da es das gesamte IR-Licht absorbiert und nicht reflektiert. Im Allgemeinen wird das IR-Paar auf diese Weise im IR-Sensormodul platziert.
Um ein IR-Modul zu bauen, benötigen wir hauptsächlich ein IR-Paar (IR-LED und Fotodiode) und LM358 mit einigen Widerständen und einer LED.
Infrarot-LED
Die IR-LED sendet Licht im Bereich der Infrarotfrequenz aus. IR-Licht ist für uns unsichtbar, da seine Wellenlänge (700 nm - 1 mm) viel höher ist als der sichtbare Lichtbereich. Alles, was Wärme erzeugt, sendet Infrarot aus, wie zum Beispiel unser menschlicher Körper. Infrarot hat die gleichen Eigenschaften wie sichtbares Licht, da es wie sichtbares Licht fokussiert, reflektiert und polarisiert werden kann.
Die IR-LED sieht aus wie eine normale LED und funktioniert auch wie eine normale LED. Sie verbraucht 20 mA Strom und 3 V Strom. IR-LEDs haben einen Lichtemissionswinkel von ca. 20-60 Grad und Reichweite von ca. wenige Zentimeter bis mehrere Fuß, es hängt vom Typ des IR-Senders und vom Hersteller ab. Einige Sender haben die Reichweite in Kilometern.
PhotoDiode
Die Fotodiode wird als lichtabhängiger Widerstand (LDR) betrachtet. Dies bedeutet, dass sie in Abwesenheit von Licht einen sehr hohen Widerstand aufweist und niedrig wird, wenn Licht darauf fällt. Die Fotodiode ist ein Halbleiter mit einem PN-Übergang, der in umgekehrter Vorspannung betrieben wird. Dies bedeutet, dass er beginnt, den Strom in umgekehrter Richtung zu leiten, wenn Licht darauf fällt, und die Menge des Stromflusses proportional zur Lichtmenge ist. Diese Eigenschaft macht es nützlich für die IR-Erkennung.
Die Fotodiode sieht aus wie eine LED mit einer schwarzen Farbbeschichtung auf der Außenseite. Es wird in umgekehrter Vorspannung verwendet, wie im folgenden Schaltplan gezeigt.
LM358
LM358 ist ein Operationsverstärker (Op-Amp) und wird in dieser Schaltung als Spannungskomparator verwendet. Der LM358 verfügt über zwei unabhängige Spannungskomparatoren, die über eine einzige PIN mit Strom versorgt werden können, sodass wir mit dem einzelnen IC zwei IR-Sensormodule bauen können. Wir haben hier nur einen Komparator verwendet, der Eingänge an PIN 2 und 3 und Ausgang an PIN 1 hat. Der Spannungskomparator hat zwei Eingänge, einer ist ein invertierender Eingang und der zweite ist ein nicht invertierender Eingang (PIN 2 und 3 in LM358). Wenn die Spannung am nichtinvertierenden Eingang (+) höher ist als die Spannung am invertierenden Eingang (-), ist der Ausgang des Komparators (PIN 1) hoch. Und wenn die Spannung des invertierenden Eingangs (-) höher ist als das nicht invertierende Ende (+), ist der Ausgang NIEDRIG.
IR-Sensormodul
Komponenten
- IR-Paar (IR-LED und Fotodiode)
- IC LM358
- Widerstand 100, 10 k, 330 Ohm
- Variabler Widerstand - 10k
- LED
Sie sehen die Anschlüsse im Schaltplan des IR-Sensors. Die Fotodiode ist in Sperrrichtung angeschlossen, das invertierende Ende des LM358 (PIN 2) ist mit dem variablen Widerstand verbunden, um die Empfindlichkeit des Sensors einzustellen. Das nichtinvertierende Ende (PIN 3) ist mit der Verbindung von Fotodiode und Widerstand verbunden.
Wenn wir den Stromkreis einschalten, gibt es keine IR-Strahlung in Richtung Fotodiode und der Ausgang des Komparators ist NIEDRIG. Wenn wir ein Objekt (nicht schwarz) vor das IR-Paar nehmen, wird das von der IR-LED emittierte IR vom Objekt reflektiert und von der Fotodiode absorbiert. Wenn nun reflektiertes IR auf die Fotodiode fällt, fällt die Spannung an der Fotodiode ab und die Spannung am Vorwiderstand R2 steigt an. Wenn die Spannung am Widerstand R2 (der mit dem nicht invertierenden Ende des Komparators verbunden ist) höher wird als die Spannung am invertierenden Ende, wird der Ausgang auf HIGH und die LED leuchtet auf.
Die Spannung am invertierenden Ende, die auch als Schwellenspannung bezeichnet wird, kann durch Drehen des Knopfes des variablen Widerstands eingestellt werden. Je höher die Spannung am invertierenden Ende (-), desto weniger empfindlich der Sensor und je niedriger die Spannung am invertierenden Ende (-), desto empfindlicher der Sensor.
Diese gesamte Schaltung kann auf einer Leiterplatte platziert werden, um ein geeignetes professionelles IR-Sensormodul zu erstellen.