Инфракрасные приемники: устройство и принцип действия

Инфракрасные приемники прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы используем их каждый день: в пультах для телевизоров, кондиционеров, ворот и сигнализаций. Но мало кто задумывается о том, как устроены эти полезные устройства. Давайте разберемся в принципах работы инфракрасных приемников и их внутреннем устройстве.

История создания инфракрасных приемников

Впервые идея использовать инфракрасное излучение для передачи информации пришла в голову американскому инженеру Хьюбелу в 1880 году. Он создал первую в мире систему беспроводной передачи данных на основе инфракрасного излучения. Это был примитивный оптический телеграф, передающий текстовые сообщения при помощи инфракрасных лучей. Первые инфракрасные приемники представляли собой селеновые фотоэлементы.

Массовое бытовое применение инфракрасных приемников началось в 1960-1970 годах с появлением пультов дистанционного управления для телевизоров и другой электроники. С тех пор инфракрасные приемники стали неотъемлемой частью современного человека.

Применение инфракрасных приемников в современном мире

Сегодня инфракрасные приемники используются практически во всех областях:

• Бытовая техника - пульты управления, датчики
• Промышленность - автоматизация, робототехника, датчики
• Научные исследования - астрономия, физика
• Военное дело - прицелы, разведка, связь
• Медицина - тепловидение, диагностика
• Спорт и фитнес - пульсометры, датчики активности

Особенно активно инфракрасные приемники используются в системах дистанционного управления бытовой техникой - телевизорами, кондиционерами, аудиосистемами, освещением. Практически каждый современный человек ежедневно пользуется такими устройствами.

В промышленности и на производстве инфракрасные датчики применяются для контроля технологических процессов, обнаружения и распознавания объектов. ИК-приемники широко используются в системах автоматизации и робототехнике.

В научных исследованиях инфракрасные приемники незаменимы в астрономии для наблюдения за небесными объектами в инфракрасном диапазоне. Также они применяются в различных физических опытах для регистрации инфракрасного излучения.

Принцип работы инфракрасных приемников

Рассмотрим подробнее, как устроен инфракрасный приемник и как он работает.

В основе любого инфракрасного приемника лежит чувствительный элемент, реагирующий на инфракрасное излучение. Чаще всего это инфракрасный фотодиод. Под действием инфракрасных лучей в нем возникает электрический ток.

Однако сигнал от фотодиода очень слабый. Поэтому в приемнике обязательно нужен усилитель, который усиливает сигнал до необходимого уровня.

Далее сигнал поступает на демодулятор, который выделяет из него полезную информацию. Ведь передаваемый сигнал представляет собой не просто инфракрасный луч, а луч с определенной модуляцией.

Следующий элемент - полосовой фильтр, настроенный на определенную частоту. Он не пропускает лишние шумы и наводки вне полосы частот сигнала.

Пороговое устройство отсекает слабые шумовые импульсы, пропуская только полезные сигналы выше определенного порога.

И, наконец, сформированный цифровой сигнал поступает на выход приемника для дальнейшей обработки.

Таким образом, инфракрасный приемник выполняет следующие функции:

• Прием инфракрасного излучения
• Преобразование его в электрический сигнал
• Усиление сигнала
• Выделение полезной информации (демодуляция)
• Фильтрация сигнала
• Пороговая обработка
• Формирование цифрового выходного сигнала

Благодаря такой многоступенчатой обработке инфракрасный приемник может надежно принимать даже очень слабые сигналы на фоне шумов и выдавать готовую цифровую информацию.

Современные ИК-приемники выполняются в виде миниатюрных интегральных микросхем, что позволяет использовать их в самой разной аппаратуре.

Основные характеристики и параметры

Рассмотрим основные технические характеристики, по которым можно выбирать инфракрасный приемник под конкретные задачи.

• Длина волны - определяет диапазон принимаемого излучения (например, 880 нм)
• Дальность действия - максимальное расстояние приема сигнала (до 10 м)
• Частотный диапазон - полоса рабочих частот (30-56 кГц)
• Чувствительность - минимальная мощность принимаемого сигнала
• Быстродействие - скорость обработки информации
• Напряжение питания - рабочее напряжение ИК-приемника (3-5 В)
• Диапазон рабочих температур - температура окружающей среды
• Габариты и вес - физические размеры приемника
• Стоимость - цена приемника

Подбирая инфракрасный приемник по этим параметрам, можно выбрать оптимальную модель под конкретные условия эксплуатации и задачи.

Виды и типы инфракрасных приемников

Существует множество разновидностей инфракрасных приемников. Рассмотрим основные их виды.

По длине волны принимаемого излучения различают приемники:

• Ближнего ИК-диапазона (до 1,4 мкм)
• Среднего ИК-диапазона (1,4-3 мкм)
• Дальнего ИК-диапазона (3-15 мкм)

По конструкции бывают:

• Дискретные (собранные из отдельных элементов)
• Интегральные (выполненные в виде микросхем)

По сфере применения:

• Промышленные
• Бытовые
• Научные
• Военные
• Медицинские

Кроме того, инфракрасные приемники выпускаются различными фирмами-производителями, каждая из которых выделяет свои серии и модели приемников.

Существенно различаются приемники по чувствительности, быстродействию, надежности, стоимости. Для промышленных применений обычно требуются более дорогие, но качественные и надежные модели. В бытовой технике могут использоваться более дешевые варианты.

Таким образом, выбирая инфракрасный приемник, нужно учитывать, для каких целей и условий он предназначен.

Производители инфракрасных приемников

На мировом рынке представлено множество компаний, выпускающих инфракрасные приемники. К крупнейшим производителям относятся:

• Vishay - международная компания, выпускающая широкую номенклатуру полупроводниковых компонентов
• Osram - немецкая компания, известный производитель оптоэлектроники
• Sharp - японский гигант бытовой электроники
• Everlight - тайваньская фирма, специализирующаяся на оптических приемниках

В России инфракрасные приемники выпускают такие предприятия как "Оптрон" (Санкт-Петербург), НПП "Квазар" (Москва), "Электроника" (Воронеж). Они производят приемники для промышленных и военных нужд.

При выборе инфракрасного приемника важно обращать внимание на репутацию производителя. Крупные мировые компании обеспечивают стабильное качество и надежность своей продукции.

Нюансы подключения инфракрасных приемников

При подключении инфракрасного приемника нужно учитывать ряд важных нюансов.

Во-первых, следует точно придерживаться схемы подключения, указанной в даташите. Особое внимание - питающему напряжению и выводам приемника.

Во-вторых, приемник должен быть расположен и ориентирован таким образом, чтобы обеспечить максимальный обзор и улавливание сигнала от инфракрасного передатчика.

В-третьих, нужно грамотно выполнить фильтрацию помех, особенно от источников мощного электромагнитного излучения.

В-четвертых, при больших расстояниях до передатчика может потребоваться усилитель сигнала на входе приемника.

Правильное подключение инфракрасного приемника - залог его эффективной работы.

Совместимость инфракрасных приемников и передатчиков

Для нормальной работы инфракрасного канала связи важно обеспечить совместимость приемника и передатчика.

В первую очередь должны совпадать рабочие частоты устройств. Например, 38 кГц. Иначе приемник просто не сможет уловить сигнал от передатчика.

Кроме того, передатчик должен модулировать излучение в соответствии с протоколом, который поддерживает инфракрасный приемник. Иначе принятые данные будут искажены или вовсе неразборчивы.

Поэтому при выборе инфракрасного приемника нужно обращать внимание на совместимость с тем типом передатчиков, которые планируется использовать.

Перспективы развития инфракрасных приемников

С развитием науки и техники совершенствуются и инфракрасные приемники.

Ожидается повышение их чувствительности, что позволит увеличить дальность действия. Перспективны матричные приемники с большим числом элементов.

Возможен прогресс в области новых материалов и технологий изготовления ИК-приемников. Например, на основе графена.

Расширится спектр применения инфракрасных приемников в медицине, биотехнологиях, системах безопасности.

Так что в ближайшие годы следует ожидать новых интересных разработок в этой области.