Применение ИК-диапазона для снятия информации с оконного стекла

Устройство стоит из двух относительно независимых частей: ИК-передатчика; ИК-приемника. Принципиальная схема ИК-передатчика показана на рисунке 1, а.

В приведенном на рисунке 1, б варианте схема с К1401УД4 обеспечивала уверенный съем информации с расстояния 5—10 м, вариант с TLE2074CN обеспечивал съем информации с расстояния до 15—20 м. Кроме того, второй вариант в силу более низкого уровня шумов позволял уверенно разбирать тихие слова даже на фоне громкой музыки.

Простой передатчик и приемник ИК-лучей

Основу передатчика составляет генератор прямоугольных импульсов на микросхеме D1. Выходной сигнал генератора с частотой 35 кГц поступает на базу транзистора VT1, который совместно с VT2 образует составной транзистор. При помощи этого транзистора коммутируется ИК-светодиод VD1.

Устройство для снятия информации со стекла по ИК-каналу

Рис. 1. Устройство для снятия информации со стекла по ИК-каналу: а—схема ИК-передатчика; б—схема ИК-приемника

Отраженный сигнал поступает на вход приемника, схема которого показана на рис. 1, б. Принятый фотодиодом VD1 сигнал поступает на вход усилителя, собранного на ОУ А1.1.

Здесь вся полоса принятых частот усиливается в два раза, а также обеспечивается согласование фотодиода с последующими каскадами. На ОУ А1.2 собран активный полосовой фильтр, настроенный на частоту 34,67 кГц, т. е. на частоту несущей передатчика.

Коэффициент усиления каскада равен 100, полоса пропускания с неравномерностью 3 дб — 6,8 кГц, это обеспечивает избирательное усиление несущей и боковых полос. Такое построение схемы позволяет максимально ослабить действие помех и паразитного фона от осветительных приборов.

С выхода А1.2 сигнал поступает на амплитудный детектор, построенный по классической схеме, не требующей пояснений. На ОУ А1.3 и транзисторах VT1 и VT2 построен УНЧ, нагрузкой которого служат высокоомные телефоны ТМ-2А или аналогичные. Развязка узлов схемы по, питанию осуществляется цепями R1 Cl, R14 С9, R15 С8.

Наладка правильно собранной схемы сводится к подстройке частоты передатчика резистором R1 до получения на выходе приемника максимальной амплитуды сигнала. ОУ К1401УД4 не имеет прямой замены среди отечественных микросхем, но вместо А1.1 и А1.2 можно применить любые ОУ с полевыми транзисторами на входе и частотой единичного усиления не менее 2,5 МГц. А1.3 можно заменить на любой ОУ широкого применения.

Во время испытаний устройства проверялся такой вариант: КР574УД2Б и К140УД708. Заметно повысить характеристики приемника можно, если применить малошумящие ОУ TLE2074CN и TLE2144CN фирмы Texas Instruments.

Цоколевка этих микросхем полностью совпадает с цоколевкой К1401УД4. Светодиод и фотодиод можно взять зарубежного производства от систем ДУ телевизоров.

Чувствительность устройства можно повысить дополнительными ИК-светодиодами, включенными параллельно VD1 передатчика (через свои ограничительные резисторы). Можно также увеличить коэффициент усиления приемника, добавив каскад, аналогичный каскаду на А1.2. Для этого можно использовать свободный ОУ микросхемы А1.

Конструктивно светодиод и фотодиод расположены так, чтобы исключить прямое попадание ИК-излучения светодиода на фотодиод, но уверенно принимать отраженное излучение.

Питание приемника осуществляется от двух батареек типа «Крона», передатчик питается от четырех элементов типа R20 суммарным напряжением 6 В (1,5 В каждый).

Полезные советы

В инфракрасных устройствах с передачей и приемом луча приемник и передатчик принято выполнять автономными блоками, хотя в большинстве случаев они, как минимум, имеют общий источник питания, а то и расположены рядом друг с другом.

Поэтому если к двум проводам, идущим к приемнику от общего с передатчиком источника питания, прибавить всего один провод синхронизации, то можно получить замечательное устройство. Оно будет работать по принципу синхронного детектора и обладать такими его свойствами, как: избирательность; помехоустойчивость; возможность получения большого усиления.

И это без применения многокаскадных усилителей со сложными фильтрами.

Внутри помещения даже без использования дополнительной оптики и мощных излучателей устройство можно применять как охранную сигнализацию, срабатывающую при пересечении инфракрасного луча на расстоянии от излучателя до приемника 3—7 м.

Причем устройство не реагирует на внешнюю засветку от посторонних источников, как постоянную (солнце, лампы накаливания), так и модулируемую (люминесцентное освещение, фонарик).

Снабдив светодиод приемника собирающей линзой, можно перекрыть несколько десятков метров расстояния на открытом пространстве, имея отличную помехоустойчивость даже при идущем слабом снеге. При использовании линз на приемнике и передатчике одновременно возможно перекрытие еще большего расстояния, но возникает проблема точного наведения узкого луча передатчика на линзу приемника.

Еще одна схема ИК передатчика и приемника

Генератор передатчика (рисунок 2) собран на интегральном таймере DA1 включенном по схеме мультивибратора. Частота мультивибратора выбрана в диапазоне 20—40 кГц, но может быть любой. Она лишь ограничена снизу величиной конденсаторов С7, С8 и сверху частотными свойствами таймера.

Сигнал мультивибратора через ключ на VT5 управляет светодиодами передатчика VD2—VD4. Мощность излучения передатчика можно подбирать, меняя число светодиодов или ток через них резистором R17. Так как диоды работают в импульсном режиме, амплитудное значение тока через них можно выставить вдвое-втрое выше постоянно допустимого.

Схема передатчика сигнала используя инфракрасные лучи

Рис. 2. Схема передатчика сигнала используя инфракрасные лучи.

Схема приемника сигнала транслируемого через инфракрасные лучи

Рис. 3. Схема приемника сигнала транслируемого через инфракрасные лучи.

Инфракрасный приемник (рисунок 3) выполнен на дискретных элементах VD1, VT1—VT4, R1—R12, С1—С4 по схеме, использовавшейся во многих советских телевизорах.

Его с успехом можно заменить импортным интегральным ИК-приемником, имеющим к тому же инфракрасный светофильтр. Однако желательно, чтобы на выходе приемника не формировался цифровой сигнал, .то есть его тракт был бы линейным.

Далее усиленный сигнал поступает на синхронный детектор, выполненной на КМОП мультиплексоре DD1 и управляемый сигналом таймера DA1. На выходах 3,13 DD1 имеется полезный противофазный сигнал, который усиливается дифференциальным интегратором на ОУ DA2.

Элементы R19, R20; С10, С11; R21, R22 интегратора определяют уровень усиления сигнала, полосу пропускания приемника и скорость отклика.

Для достижения максимальной помехоустойчивости и уровня усиления желательно, чтобы эти элементы были попарно подобраны с точностью до 1 %.

Уровень «земли» интегратора определяется стабилитроном VD5, и выбран как можно меньшим, (но чтобы ОУ DA2 не входил в ограничение), так как полезный сигнал на выходе DA2 будет положительным.

На ОУ DA3 выполнен триггер Шмитта. Совместно с пиковым детектором на элементах R24, VD6, R25, С12 он исполняет роль компаратора для формирования сигнала срабатывания. Падение напряжения на диоде VD6 уменьшает уровень пикового напряжения на величину 0,4—0,5 В.

Это задает «плавающий» порог срабатывания сигнализации, величина которого плавно меняется в зависимости от расстояния между приемником и передатчиком, уровня засветок, помех. При нормальном прохождении луча светодиод VD7 будет светиться, при пересечении луча светодиод гаснет.

К деталям, применяемым в схеме, никаких особых требований нет. Элементы могут быть заменены аналогичными импортными или отечественными. Резистор R25 составлен из двух последовательных по 5,1 МОм. Фотодиод VD1 с усилителем обязательно должен быть помещен в металлический заземленный экран для предотвращения наводок.

Схема настройки не требует, но следует быть внимательным при испытании устройства. Сигнал передатчика может попадать в приемник в результате отражения от близлежащих предметов и не даст увидеть результат функционирования схемы. Удобнее всего во время отладки уменьшить ток светодиодов излучателя до долей миллиампера.

Для работы устройства в качестве ИК сигнализации работающей на пересечение луча к устройству можно подключить блок индикации (рис. 6.7). Переключателем SA2 выбирается режим работы блока индикации. В положении «ОДНОКРАТНО» при пересечении луча формируется один звуковой сигнал длительностью 1 с. В положении «ПОСТОЯННО» звуковой сигнал звучит постоянно до сброса блока кнопкой SA1.

Помимо работы устройства в режиме, когда излучатель направлен на приемник, можно направить их в одну сторону (конечно, исключив непосредственное попадание луча передатчика в приемник).

Таким образом, будет реализована схема ИК-локатора (например, для парковочного датчика автомобиля). Если же снабдить ИК передатчик и приемник собирающими линзами и направить их, например, на оконное стекло, то отраженный ИК сигнал будет промодулирован с частотой звуков в помещении.

Для прослушивания такого сигнала на выход DA2 необходимо подключить амплитудный детектор с усилителем низкой частоты и заменить C10, С11 конденсаторами емкостью 100 пФ, резисторы R21, R22— 300 кОм, R19, R20 — 3 кОм.

Литература: Корякин-Черняк С. Л. Как собрать шпионские штучки своими руками.