Sensoren zijn een zeer belangrijk onderdeel van elektronica, vooral in robotica en automatisering. Sensoren in elektronische apparaten maken ons leven gemakkelijk door de apparaten automatisch te detecteren en te besturen, zonder menselijke tussenkomst. Er zijn veel soorten sensoren zoals brandsensor, vochtigheidssensor, bewegingssensor, temperatuursensor, IR-sensor etc. In dit artikel zullen we uitleggen over IR-sensor (infraroodsensor), hoe het werkt en hoe je een IR-sensormodule bouwt.
IR-sensor is een zeer populaire sensor, die wordt gebruikt in veel toepassingen in de elektronica, zoals wordt gebruikt in afstandsbedieningen, bewegingsdetectoren, producttellers, lijnvolgerrobots, alarmen enz.
IR-sensor bestaat in feite uit een IR-LED en een fotodiode, dit paar wordt over het algemeen IR-paar of fotokoppelaar genoemd. IR-sensor werkt op het principe waarbij IR-led IR-straling uitzendt en fotodiode die IR-straling detecteert. De weerstand van de fotodiode verandert afhankelijk van de hoeveelheid IR-straling die erop valt, dus de spanningsval erover verandert ook en door de spanningscomparator (zoals LM358) te gebruiken, kunnen we de spanningsverandering detecteren en de output dienovereenkomstig genereren.
Het plaatsen van IR LED en Fotodiode kan op twee manieren: Direct en Indirect. Bij Directe inval worden IR LED en fotodiode voor elkaar gehouden, zodat IR straling direct op de fotodiode kan vallen. Als we een object ertussen plaatsen, stopt het het vallen van IR-licht op de fotodiode.
En bij indirecte inval worden zowel de IR-led als de fotodiode parallel (naast elkaar) geplaatst, beide in dezelfde richting gericht. Op die manier, wanneer een object voor het IR-paar wordt gehouden, wordt het IR-licht gereflecteerd door het object en wordt het geabsorbeerd door de fotodiode. Merk op dat het object niet zwart mag zijn, omdat het al het IR-licht absorbeert in plaats van reflecteert. Over het algemeen wordt het IR-paar op deze manier in de IR-sensormodule geplaatst.
Om een IR-module te bouwen hebben we voornamelijk een IR-paar (IR-LED en Fotodiode) en LM358 nodig met enkele weerstanden en een LED.
IR-led
IR-led zendt licht uit, in het bereik van infraroodfrequentie. IR-licht is voor ons onzichtbaar omdat de golflengte (700 nm - 1 mm) veel hoger is dan het bereik van zichtbaar licht. Alles wat warmte produceert, straalt infrarood uit zoals bijvoorbeeld ons menselijk lichaam. Infrarood heeft dezelfde eigenschappen als zichtbaar licht, zoals het kan worden gefocusseerd, gereflecteerd en gepolariseerd zoals zichtbaar licht.
IR LED ziet eruit als een normale LED en werkt ook als een normale LED, hij verbruikt 20mA stroom en 3vots stroom. IR-leds hebben een lichtuitstralingshoek van ca. 20-60 graden en bereik van ca. enkele centimeters tot meerdere voeten, het hangt af van het type IR-zender en de fabrikant. Sommige zenders hebben het bereik in kilometers.
Fotodiode
Fotodiode wordt beschouwd als lichtafhankelijke weerstand (LDR), wat betekent dat het een zeer hoge weerstand heeft in afwezigheid van licht en laag wordt als er licht op valt. Fotodiode is een halfgeleider met een PN-overgang, bedreven in Reverse Bias, wat betekent dat het de stroom in omgekeerde richting begint te geleiden wanneer er licht op valt, en dat de hoeveelheid stroom evenredig is met de hoeveelheid licht. Deze eigenschap maakt het handig voor IR-detectie.
Fotodiode ziet eruit als een LED, met een zwarte kleurcoating aan de buitenkant. Het wordt gebruikt in omgekeerde voorspanning, zoals getoond in het onderstaande schakelschema.
LM358
LM358 is een operationele versterker (Op-Amp) en in dit circuit gebruiken we deze als spanningsvergelijker. De LM358 heeft twee onafhankelijke spanningscomparators erin, die kunnen worden gevoed door een enkele PIN, zodat we de enkele IC kunnen gebruiken om twee IR-sensormodules te bouwen. We hebben hier slechts één comparator gebruikt, die ingangen heeft op PIN 2 & 3 en uitgang op PIN 1. Spanningsvergelijker heeft twee ingangen, een is een inverterende ingang en de tweede is een niet-inverterende ingang (PIN 2 en 3 in LM358). Als de spanning op de niet-inverterende ingang (+) hoger is dan de spanning op de inverterende ingang (-), dan is de uitgang van de comparator (PIN 1) hoog. En als de spanning van de inverterende ingang (-) hoger is dan het niet-inverterende einde (+), dan is de uitgang LAAG.
IR-sensormodule
Componenten
- IR-paar (IR-LED en fotodiode)
- IC LM358
- Weerstand 100, 10k, 330 ohm
- Variabele weerstand - 10k
- LED
U kunt de aansluitingen zien in het schakelschema van de IR-sensor. Fotodiode is in tegengestelde richting aangesloten, het inverterende uiteinde van LM358 (PIN 2) is verbonden met de variabele weerstand om de gevoeligheid van de sensor aan te passen. En niet-inverterend uiteinde (PIN 3) is verbonden met de kruising van fotodiode en een weerstand.
Wanneer we het circuit AAN zetten, is er geen IR-straling naar de fotodiode en is de output van de comparator LAAG. Wanneer we een object (niet zwart) voor het IR-paar nemen, wordt IR uitgezonden door IR LED gereflecteerd door het object en geabsorbeerd door de fotodiode. Wanneer gereflecteerde IR valt op fotodiode, daalt de spanning over de fotodiode en neemt de spanning over de serieweerstand R2 toe. Wanneer de spanning op weerstand R2 (die is verbonden met het niet-inverterende uiteinde van de comparator) hoger wordt dan de spanning aan het inverterende uiteinde, wordt de uitgang HOOG en gaat de LED AAN.
De spanning aan het inverterende uiteinde, ook wel drempelspanning genoemd, kan worden ingesteld door aan de knop van de variabele weerstand te draaien. Hoe hoger de spanning aan het inverterende uiteinde (-), hoe minder gevoelig de sensor en hoe lager de spanning aan het inverterende uiteinde (-), hoe gevoeliger de sensor.
Dit hele circuit kan op een PCB worden geplaatst om een goede professionele IR-sensormodule te bouwen.