Αόρατος φράκτης με υπέρυθρες

ir_barrier_beam_electronic_boards_sm1
ir_barrier_beam_electronic_boards_sm1ir_barrier_beam_receiver_board_sm2ir_barrier_beam_transmitter_board_sm2
4.33333 5 3 Product


Χρησιμοποιώντας υπέρυθρο φως, φτιάχνουμε έναν οπτοζεύκτη με ένα ζεύγος πομπού και δέκτη υπερύθρων. Όταν διακοπεί η αόρατη δέσμη που στέλνει ο πομπός στο δέκτη από κάποιον «εισβολέα», ενεργοποιείται ένας ηλεκτρονόμος για προκαθορισμένο χρονικό διάστημα. Η μέγιστη εμβέλεια της αόρατης δέσμης είναι περίπου 5 με 8m και το ζεύγος πομπού και δέκτη λειτουργεί με τάση 12V. Ο χρόνος που παραμένει ο ηλεκτρονόμος (ρελέ) ενεργοποιημένος μπορεί να ρυθμιστεί από τα 5 έως τα 60 δευτερόλεπτα.

Ο αόρατος φράκτης με υπέρυθρες μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συναγερμούς (για την επιτήρηση περασμάτων), σε αυτοματισμούς θυρών (για το άνοιγμα θυρών), για την ενεργοποίηση ηχητικού σήματος κατά την άφιξη επισκεπτών (αυτόματο ηλεκτρονικό κουδούνι) και γενικότερα σε οποιοδήποτε αυτοματισμό αφορά την επιτήρηση ενός περάσματος.

Το κύκλωμα του πομπού υπερύθρων

Ο πομπός υπερύθρων αποτελείται από έναν ταλαντωτή που λειτουργεί σε συχνότητα περίπου ίση με 1KHz. Ο ταλαντωτής παράγει μία ψηφιακή ακολουθία παλμών με κύκλο λειτουργίας 10%. Αυτό σημαίνει ότι στη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου, το σήμα στην έξοδο του ταλαντωτή είναι σε στάθμη on για το 1/10 του κύκλου και σε στάθμη off για το υπόλοιπο 90% του κύκλου. Ο ταλαντωτής βασίζεται στο δημοφιλές ολοκληρωμένο κύκλωμα 555.

Το κύκλωμα του πομπού του αόρατου φράκτη
Εικόνα 1. Το κύκλωμα του πομπού του αόρατου φράκτη υπερύθρων

Το 555 λειτουργεί ως ασταθής πολυδονητής με κύκλο λειτουργίας 10% και συχνότητα 1KHz. Στην έξοδο του ταλαντωτή εμφανίζεται μία ψηφιακή παλμοσειρά που είναι οn για χρόνο 0.1ms και off για χρόνο 0.9ms περίπου. Ο συνολικός κύκλος λειτουργίας του ταλαντωτή διαρκεί 1ms (που αντιστοιχεί σε συχνότητα 1KHz).

Το σήμα στην έξοδο του ταλαντωτή
Το σήμα στην έξοδο του ταλαντωτή

Το σήμα εξόδου του ταλαντωτή εφαρμόζεται στη βάση του τρανζίστορ T1 που λειτουργεί ως διακόπτης κι αναβοσβήνει δύο LED υπερύθρων που είναι συνδεμένα σε σειρά (τα LED D3 και D4). Η αντίσταση R3 χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του ρεύματος στα LED υπερύθρων. Η R3 έχει υπολογιστεί για τάση τροφοδοσίας 12V. Ο πομπός μπορεί να λειτουργήσει και με διαφορετική τάση, τυπικά από τα 6 έως και τα 15V. Αν επιλέξετε όμως να χρησιμοποιήσετε διαφορετική από 12V τάση τροφοδοσίας, θα πρέπει να αλλάξετε αναλογικά την τιμή της R3. Η R3 επίσης θα πρέπει να είναι ισχύος τουλάχιστο 1/2W.

Οδηγός συναρμολόγησης της πλακέτας του πομπού υπερύθρων
Εικόνα 2. Οδηγός συναρμολόγησης του πομπού του αόρατου φράκτη υπερύθρων

Στο πρωτότυπο χρησιμοποιήσαμε LED υπερύθρων τύπου TSAL6200 της Vishay, που εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία στα 940nm. Στην πράξη, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε LED υπερύθρων θέλετε εσείς, αρκεί να αντέχουν στιγμιαίο ρεύμα 80mA, να εμφανίζουν πτώση τάσης 2V περίπου στα άκρα τους (διαφορετικά θα πρέπει να αλλάξετε κατάλληλα την τιμή της R3) και να λειτουργούν στην ίδια συχνότητα (ίδιο μήκος κύματος) με το φωτοτρανζίστορ (αισθητήρα υπερύθρων) που θα χρησιμοποιήσετε στο δέκτη. Φυσικά, η ποιότητα των LED επηρεάζει και την εμβέλεια της δέσμης.

Το κύκλωμα του δέκτη υπερύθρων

Στο δέκτη, χρησιμοποιούμε ένα φωτοτρανζίστορ υπερύθρων που λειτουργεί στο ίδιο μήκος κύματος (στα 940nm) με τα LED του πομπού. Στο πρωτότυπο χρησιμοποιήσαμε το φωτοτρανζίστορ INFD3940 και δοκιμάσαμε με επιτυχία και το OP550A. Στην πράξη, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιοδήποτε φωτοτρανζίστορ θέλετε εσείς, αρκεί να λειτουργεί στην ίδια συχνότητα (ίδιο μήκος κύματος) με τα LED του πομπού. Φυσικά, η ποιότητα του φωτοτρανζίστορ επηρεάζει και την ευαισθησία του δέκτη.

Το κύκλωμα του δέκτη του αόρατου φράκτη υπερύθρων
Εικόνα 3. Το κύκλωμα του δέκτη του αόρατου φράκτη υπερύθρων

Σε κάθε λαμβανόμενο φωτεινό παλμό, το φωτο-τρανζίστορ άγει και παράγεται ένας θετικός ηλεκτρικός παλμός στο άνω άκρο της R3. Ο τελεστικός IC2-A ενισχύει τους λαμβανόμενους παλμούς και τους οδηγεί στον συγκριτή τύπου Schmitt IC2-B. Το IC2-A λειτουργεί ως μη-αναστροφικός ενισχυτής με απολαβή ίση με 1+R10/R7=34. Λόγω του C8, ο ενισχυτής δεν λειτουργεί στο DC και στις χαμηλές συχνότητες, προκειμένου να μην επηρεάζεται ο δέκτης από φυσικές πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας. Η απόκριση του ενισχυτή σε πολύ μεγαλύτερες συχνότητες σε σχέση με το 1KHz, περιορίζεται επίσης από τα χαρακτηριστικά του τελεστικού (από το γινόμενο απολαβής - εύρους ζώνης).

Το IC2-B λειτουργεί ως συγκριτής με υστέρηση (συγκριτής τύπου Schmitt) και ταυτόχρονα ως αναστροφέας. Ο κύκλος υστέρησης του συγκριτή έχει ρυθμιστεί στα 0.8V περίπου και έχει εύρος 2mV προκειμένου να υπάρχει κάποιος βαθμός απόρριψης θορύβου στο δέκτη. Η ρύθμιση του κύκλου υστέρησης γίνεται μέσω των αντιστάσεων R12, R13, R11 και R9. Ο συγκριτής δέχεται σήμα στην αρνητική του είσοδο (αναστρέφουσα) κι αυτό σημαίνει ότι πραγματοποιεί αντιστροφή του εισερχόμενου σήματος (είναι αρνητικός συγκριτής Schmitt).

Απουσία λαμβανόμενου σήματος, ή έξοδος του συγκριτή Schmitt βρίσκεται στο θετικό κόρο (γύρω στα 11V). Σε κάθε λαμβανόμενο παλμό υπέρυθρου φωτός όμως, η έξοδος του συγκριτή μεταβαίνει στον αρνητικό κόρο (γύρω στο 1V). Αυτό σημαίνει ότι όταν ο δέκτης λαμβάνει σήμα από τον πομπό, στην έξοδο του IC2-B υπάρχει μία ψηφιακή παλμοσειρά με κύκλο λειτουργίας 90%. Δηλαδή, σε κάθε κύκλο του σήματος η έξοδος είναι on για 0.9ms και off για 0.1ms.

Το σήμα στην έξοδο του schmitt trigger
Το σήμα στην έξοδο του schmitt trigger

Το δικτύωμα R14-C11 λειτουργεί ως ολοκληρωτής. Απουσία λαμβανόμενου σήματος, ο C11 φορτίζεται στην τάση τροφοδοσίας. Όταν όμως ο δέκτης λαμβάνει το σήμα του πομπού, οι παραγόμενοι αρνητικοί παλμοί στην έξοδο του IC2-Β, μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα εκφορτίζουν τον C11 σε στάθμη λογικού μηδέν.

To IC3 περιέχει εσωτερικά δύο πύλες NAND των τεσσάρων εισόδων. Εμείς χρησιμοποιούμε όμως αυτές τις πύλες ως πύλες NOT, δεδομένου ότι συνδέουμε τις τρεις από τις τέσσερις εισόδους κάθε πύλης με την τάση τροφοδοσίας. Όταν ο δέκτης λαμβάνει σήμα, ανάβει το πράσινο LED. Όταν όμως η αόρατη δέσμη φωτός διακοπεί από κάποιο εμπόδιο (ή κάποιον εισβολέα) σβήνει το πράσινο LED κι εφαρμόζεται ένας αρνητικός παλμός στον ακροδέκτη 2 του IC4 μέσω του C12.

Οδηγός συναρμολόγησης του δέκτη του αόρατου φράκτη υπερύθρων
Εικόνα 4. Οδηγός συναρμολόγησης του δέκτη του αόρατου φράκτη υπερύθρων

To IC4 (το 555) λειτουργεί ως μονοσταθής πολυδονητής (κύκλωμα μίας βολής). Το αρνητικό μέτωπο παλμού στον ακροδέκτη 2 του IC4 αποτελεί το έναυσμα για την παραγωγή ενός και μόνο παλμού στην έξοδο του IC4, η διάρκεια του οποίου εξαρτάται από τη σταθερά χρόνου (R16+R17)×C13. Το κύκλωμα μίας βολής μεταβαίνει στη μεταβατική κατάσταση και παραμένει σε αυτή έως ότου συμπληρωθεί ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και το κύκλωμα δεν επηρεάζεται από τυχόν νέο αρνητικό παλμό που θα εφαρμοστεί στον ακροδέκτη 2 στη διάρκεια αυτού του συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος. Αυτό σημαίνει ότι μόλις διακοπεί η υπέρυθρη δέσμη φωτός, η έξοδος του IC4 μεταβαίνει σε λογικό 1, το κόκκινο LED ανάβει (D8) και ενεργοποιείται ο ηλεκτρονόμος (ρελέ). Ο ηλεκτρονόμος παραμένει ενεργοποιημένος για 5 έως 60sec (αναλόγως της ρύθμισης του τρίμερ R17) και έπειτα απενεργοποιείται και σβήνει το κόκκινο LED. Το πράσινο LED ανάβει και πάλι μόλις αποκατασταθεί η φωτεινή ζεύξη μεταξύ πομπού και δέκτη.

Κατασκευή του αόρατου φράκτη υπερύθρων

Για την εύκολη συναρμολόγηση τόσο του πομπού όσο και του δέκτη υπερύθρων, έχουμε φτιάξει τα κατάλληλα τυπωμένα κυκλώματα (πλακέτες). Οι πλακέτες έχουν χαλκό μόνο στη μία τους όψη και παρουσιάζονται παρακάτω, στην ενότητα των συνημμένων, σε φυσικό μέγεθος. Όλα τα εξαρτήματα θα πρέπει να κολληθούν στις πλακέτες σύμφωνα με τους οδηγούς συναρμολόγησης των εικόνων 2 και 4 για τον πομπό και τον δέκτη, αντίστοιχα.

Όλες οι αντιστάσεις που χρησιμοποιούμε στην κατασκευή είναι ισχύος 1/4W εκτός από την R3 που είναι ισχύος 1/2W. Όλες οι αντιστάσεις θα πρέπει να παρουσιάζουν ανοχή 5% ή λιγότερο. Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές που χρησιμοποιούμε είναι χαμηλής τάσης (16V). Οι υπόλοιποι πυκνωτές είναι τύπου πολυεστέρα ή κεραμικοί, χαμηλής τάσης και μικρού μεγέθους επίσης.

Ο πομπός δεν χρειάζεται καμία ρύθμιση. Μόλις συναρμολογήσετε τις πλακέτες και τροφοδοτήσετε το ζεύγος με 12V, θα πρέπει να ανάψει το πράσινο LED του δέκτη όταν τοποθετήσετε τον πομπό ακριβώς απέναντι από τον αισθητήρα του δέκτη. Απαιτείται βέβαια να ευθυγραμμίσετε κατάλληλα τον πομπό για να αποστέλλει τη δέσμη υπέρυθρου φωτός που παράγει προς τον αισθητήρα του δέκτη. Στο δέκτη χρειάζεται να κάνετε μόνο μία ρύθμιση. Χρειάζεται να ρυθμίσετε το ποτενσιόμετρο R17, προκειμένου να ρυθμίσετε το χρόνο που ο ηλεκτρονόμος θα παραμένει on μετά από έκαστη διακοπή της υπέρυθρης δέσμης. Ο χρόνος μπορεί να ρυθμιστεί από 5 έως 60sec περίπου. Αν επιθυμείτε διαφορετικά όρια ρύθμισης, τότε μπορείτε να αλλάξετε την τιμή της R16 ή/και της R17.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε όποιες διόδους LED υπερύθρων και όποιο φωτοτρανζίσορ επιθυμείτε στον πομπό και στον δέκτη. Θα πρέπει όμως να προσέξετε τα LED υπερύθρων και το φωτοτρανζίστορ να λειτουργούν στο ίδιο μήκος κύματος (πχ στα 940, στα 925, ή στα 835 nm ή σε οποιοδήποτε άλλο μήκος κύματος). Ενδεχομένως, για κάποια LED υπερύθρων ή για κάποιο φωτοτρανζίστορ που παρουσιάζουν πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τα στοιχεία που χρησιμοποιήσαμε εμείς στο πρωτότυπο, να χρειαστεί να αλλάξετε τις τιμές των αντιστάσεων R3 ή/και R5. Η R3 θα πρέπει να επιλεγεί με κριτήριο να μη υπερβαίνει το ρεύμα στα LED τη μέγιστη τιμή που ορίζεται από τον κατασκευαστή τους και η R5 θα πρέπει να επιλεγεί με κριτήριο να κυκλοφορεί στο φωτοτρανζίστορ το μέσο ρεύμα λειτουργίας που προβλέπεται από τον κατασκευαστή.


Συνημμένα:

Τα τυπωμένα κυκλώματα του αόρατου φράκτη υπερύθρων σε αρχείο pdf.