IR-Datenubertragung - Nachrichtentechnik

(IR-)Leuchtdioden

Leuchtdioden werden aus Gallium-Arsenid-Phosphid hergestellt. Sie senden Licht aus, wenn ein Durchlaßstrom fließt. Der Spektralbereich des ausgesandten Lichtstroms ist ziemlich scharf begrenzt. Seine Lage hängt vom verwendeten Grundmaterial ab.

Der Wirkungsgrad von Infrarot-Leuchtdioden beträgt 1 bis 5 %, bei den übrigen Typen liegt er unter 0,05 %. Die Stromstärke durch die IR-Diode liegt nicht wie bei den herkömmlichen LED's bei ca.

10 mA sondern kann zwischen 50 und 100 mA betragen.

Photowiderstand

Photowiderstände sind sperrschichtlose Halbleiter, deren Widerstand von der Beleuchtungsstärke abhängt (Bild 2). Ein Photowiderstand verhält sich wie ein ohmscher Widerstand, d.h. sein Widerstandswert hängt nicht von der angelegten Spannung ab, auch nicht von ihrem Vorzeichen. Typische Kenndaten eines LDR (Light dependent resistor) sind z.B.:

Widerstand bei 1000 lx : 7530 W

Widerstand bei völliger Dunkelheit 30 min. nach Lichtsperrung : 10 MW

Der Widerstand ist bei geringer Beleuchtungsstärke stark temperaturabhängig (Bild 3).

Bei Belichtung stellt sich nicht momentan ein stationärer Widerstandswert ein. Der Photowiderstand benötigt eine bestimmte Einstellzeit, die bei großen Beleuchtungsstärken im Millisekundenbereich liegt, aber unter 1 lx mehrere Sekunden betragen kann.

Auf welchen stationären Wert sich der Widerstand einstellt, hängt außer von der Beleuchtungsstärke

Bild 2 : Kennlinie eines Photowiderstandes      auch noch von der optischen Vorgeschichte ab. Nach

längerer Belichtung mit großer Beleuchtungsstärke erhält man höhere Widerstandswerte als wenn der Photowiderstand im Dunkeln aufbewahrt wurde.

Photowiderstände werden hauptsächlich aus Cadmiumsulfid aufgebaut. Photowiderstände aus Cadmiumselenid zeichnen sich durch kürzere Einstellzeiten und höheres Hell-Dunkel-Widerstandsverhältnis aus. Sie besitzen jedoch höhere Temperaturkoeffizienten und eine stärkere Abhängigkeit von der optischen Vorgeschichte.  Photowiderstände auf Cadmiumbasis sind in dem Spektralbereich von 400 bis 800nm empfindlich. Photowiderstände mit hoher Infrarotempfindlichkeit werden aus Bleisulfid oder Indiumantimonid hergestellt. Sie eignen sich für Wellenlängen bis 3 bzw.

mm, besitzen aber eine wesentlich geringere Empfindlichkeit als die Photowiderstände auf Cadmiumbasis.

Photowiderstände eignen sich zur Messung niedriger Beleuchtungsstärken oder als steuerbarer Widerstand. Da die Belastung zum Teil mehrere Watt betragen kann, lassen sich ohne zusätzliche Verstärkung z.B. direkt Relais schalten.

Bild 3 : Temperaturabhängigkeit des Photowiderstandes

Photodiode

Der Sperrstrom einer Diode steigt bei Belichtung an. Deshalb besitzen Photodioden Glasfenster im Gehäuse. Der Kurzschlußstrom ist proportional der Beleuchtungsstärke. Es wird im Gegensatz zum LDR keine externe Spannungsquelle benötigt. Wie in Bild 5 erkennbar, sinkt die Diodenspannung bei Belastung nur wenig ab. Photodioden eignen sich also nicht nur zur Lichtmessung, sondern auch zur Energieerzeugung. (Großflächige Photodioden - Solarzellen).

Bild 4 : ESB der       Photodiode

Bild 5 : Kennlinienfeld   Bild 6 : Relative Empfindlichkeit

Photodioden benötigen wegen des kleinen Photostromes einen nachgeschalteten Verstärker. Dieses Thema wird bei den Empfängerschaltungen näher behandelt.

Phototransistor

Bei einem Phototransistor ist die Kollektor-Basis-Strecke als Photodiode ausgebildet.

Wirkungsweise : Strom durch die Photodiode bewirkt Basisstrom und damit einen verstärkten Kollektorstrom.

Die Phototransistoren verhalten sich hinsichtlich ihres Spektralbereichs wie Photodioden. Die Grenzfrequenz ist allerdings wesentlich niedriger. Sie liegt bei Phototransistoren in der Größenordnung von 300 kHz und bei Photo-Darlington-Transistoren in der Größenordnung von ca. 30 kHz. In den unteren Bildern werden einfache Photoempfänger

Bild 8 : ESB eines Phototransistors      dargestellt. I_P ist der Photostrom durch die Kollektor-Basis-Diode.

U_a = V⁺ - R₁ I_P U_a = R₁ I_P

Übertragung von Analogsignalen

Schaltungserklärung

Der 8 W - Lautsprecher dient als Mikrofon. Über den C₁ wird die Signalspannung direkt in den OPV-Eingang gekoppelt. Dieser Eingang wird über den Spannungsteiler R₁ und R₂ auf halbe Betriebsspannung gelegt. R₃ und R₄ legen den Verstärkungsfaktor des OPV's auf 10.000 fest. Aus diesem Grund wird der OPV aber auch sehr empfindlich (bei der Verwendung eines Mikrofons kann der Verstärkungsfaktor herabgesetzt werden). Da nur die Wechselspannung um diesen Faktor verstärkt werden soll, ist der C₃ sozusagen eine Sperre für den Gleichstrom. Die Gleichanteile werden 1:1 am Ausgang wiedergegeben. Am Ausgang liegt also als Ruhespannung die halbe Betriebsspannung. Da die Basis von T₁ 0,7 V weniger als die Betriebsspannung beträgt, liegt an P₁/R₅ fast die halbe Betriebsspannung T es fließt Basisstrom T es fließt LED-Strom. Das P₁ soll so eingestellt werden, daß ungefähr der halbe Maximalstrom fließt, damit sowohl positive als auch negative Halbwellen der Wechselspannung den LED-Strom variieren.

Dimensionierung

R₁ und R₂ sollen halbe Betriebsspannung an den OPV-Eingang legen, deshalb R₁ = R₂ = 470k (gewählt).

OPV im nichtinvertierenden Betrieb : V = 1 + = 10000 T R₄ 10000mal so groß wie R₃ T

R₄ = 10 MW R₃ = 1 kW (gewählt)

C₁ dient nur als KS oder LL für Wechsel- bzw. Gleichstrom T gewählt 1mF.

C₂ dient zur Beseitigung des Gleichstromes und wurde mit C₂ = 1nF gewählt.

Der LED-Strom sollte maximal 100 mA betragen (laut Datenblatt)

b des Transistors geschätzt 100. Spannungsabfall an den Widerständen : ca. 4,5 V T

R_gesmin = = 4k5 gewählt : R₅ = 4k7

Das P₁ wurde mit 25 kW gewählt. Es dient nur zur Leerlaufstromeinstellung.

Übertragung von Digitalsignalen

Schaltungserklärung

Der Sender arbeitet mit Frequenzmodulation. Sein Ausgangssignal ist ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von ca. 100 kHz. Bei Anlegen eines Digitalsignals steigt oder fällt die Frequenz abhängig vom Zustand (LOW/HIGH). Das niederfrequente Digitalsignal (z.B. erzeugt von einem mP) wird auf den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO - 4046) gekoppelt. Dieser Oszillator schwingt auf ca. 100kHz und ist zugleich der Modulator, denn die Eingangsspannung ändert die Frequenz. Die Grundfrequenz hängt von R₂ und C₂ ab. Man kann sie ferner mit Hilfe von P₁ einstellen, denn das Potentiometer legt eine Gleichspannung an den Eingang des VCO. Die eingebaute Zenerdiode an wird zusammen mit R₃ und C₃ zur Spannungsstabilisierung des IC's genützt. Dies ist nötig, damit Betriebsspannungsschwankungen aufgrund der hohen Strombelastung durch die IR-LED keine Rückwirkung auf die Frequenz des VCO haben.

Die Schaltung um T₁ und T₂ bildet den Treiber für die IR-LED. Dieser Schaltungsteil hat einerseits die Aufgabe, einen ausreichend hohen Strom für die IR-LED zu erzeugen und andererseits soll er aus dem Rechtecksignal des VCO's kurze Impulse formen. Aufgrund der kurzen Impulse kann der LED-Strom erheblich höher eingestellt werden. Zur Impulsformung dient C₄, der recht klein ist und kurze abwechselnd positive und negative Impulse erzeugt, wenn der VCO-Ausgang ein- bzw. ausschaltet. Die negativen Impulse verursachen einen Basisstrom von T₁ und T₂, die als Darlington geschaltet sind. Der Basisstrom wird von den Transistoren verstärkt und bringt die IR-LED zum Leuchten. Die positiven Impulse des Kondensators (er erzeugt sie bei jedem Ansteigen der VCO-Spannung) werden von der D₁ kurzgeschlossen, damit sie nicht die beiden Emitterstrecken in Sperrichtung schalten. Der Spannungsteiler R₄ und R₅ sorgt für die Vorspannung von T₁ und T₂ und damit für einen ausreichenden Basisstrom.

Dimensionierung

Siehe Datenblatt 4046.

f_max wurde mit ca. 500 kHz eingestellt, da die Abstimmung der VCO-Grundfrequenz über die Widerstände R₁ und P₁ erfolgt, die eine Gleichspannung an den VCO-Eingang legen und somit die VCO-Grundfrequenz verändern. Aus der im Datenblatt angeführten Formel für die Berechnung der f_max erhält man die Bauteilwerte : R₂ = 2k2 und C₂ = 1nF. f_min = 0

C₁ wurde mit 1nF angenommen, da er nur zum Einkoppeln der Signalspannung dient.

C₄ wurde mit 470 pF gewählt. Er soll klein sein, da er die kurzen Impulse für die Treiberstufe erzeugen soll.

R₃ und C₃ stellen den Spannungsstabilisierungs-Tiefpaß dar, der dafür zu sorgen hat, daß durch die hohen Ströme der IR-LED keine Rückkopplung in die Schaltung erfolgt, und dadurch die PLL in ihrem Verhalten ändert. Die Dämpfung des TP sollte bei 100 kHz (Grundschwingung des VCO) ausreichend hoch sein. Gewählt wurde eine f_g von 50 kHz.

f_g =              Bei einer Bauteilwahl von R₃ = 120 W und C₃ = 22 nF ergibt sich eine

akzeptable f_g von ca. 60 kHz.

Die Dimensionierung des Basisspannungsteilers der Transistoren T₁ und T₂ ist im folgendem angeführt :

Es wird angenommen, daß jeder der beiden Transistoren eine Stromverstärkung b=200 hat.

T b_ges = 40000. Der Maximale Strom wurde aufgrund der sehr kurzen Impulse mit 1 A angenommen.

T I_B = = 25 mA.

T an R₅ soll ein Spannungsabfall von 0,7 V sein und der 9fache Basisstrom fließen. (An R₄ fließt der 10fache Basisstrom)

T R₅ = = 3111 W. Gewählt wurde ein Widerstand R₅ = 2k7

In den meisten Fernbedienungsschaltungen liefert die Photodiode BPW41D akzeptable Rauschwerte, die auftretenden Signallevel liefern jedoch nur Photoströme in der Größenordnung von 10 nA. Aus diesem Grund müssen die nachfolgenden Empfängerschaltungen den niedrigen Spannungspegel richtig erkennen können. Im folgenden werden drei Arten von Empfängerschaltungen dargestellt :

Für einfache Widerstandslast

Die Photodiode in der untenstehenden Schaltung ist in Sperrichtung gepolt und in Serie mit einem Widerstand geschaltet. Wenn durch die Photodiode durch Bestrahlung mit IR - Licht in Sperrichtung ein Strom fließt, so erzeugt dieser an dem Widerstand R einen Spannungsabfall, der von dem Verstärker mit der Verstärkung A verstärkt wird.

Für die Dimensionierung des Widerstandes R muß man auf verschiedene Punkte achten :

) Wenn der Widerstand R zu klein gewählt wird, so erzeugt er

nur einen kleinen Spannungsabfall, der dann von dem

Verstärker verstärkt werden muß T A muß hoch sein T

Störgrößendämpfung nicht groß genug T Verstärkung kleiner

T Reichweite kleiner.

) Wenn man einen Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz wählt, so wird die Schaltungsbandbreite

im wesentlichen von der Photodiodenkapazität und dem Widerstandswert von R bestimmt. Wird R

erhöht, so sinkt die Bandbreite. Weil aber die meisten IR - Fernbedienungen kurze Impulse

verwenden, muß die Empfängerschaltung eine große Bandbreite haben.

) Das Umgebungslicht sendet neben dem erwünschten Licht auch IR - Strahlen aus. Die Photodiode

besitzt zwar einen selektiven optischen Filter für Strahlung unter 700 nm, kann aber das

unerwünschte IR - Licht nicht wegfiltern. D.h., daß durch die Diode immer Sperrstrom fließt T

ständiger Spannungsabfall an R T Sperrzustand der Photodiode wird reduziert T

Photodiodenkapazität wird erhöht T Verringerung der Bandbreite. Ist der Widerstand R sehr groß,

so kann durch das Umgebungslicht den Spannungsabfall an R so weit vergrößern, daß er die

Versorgungsspannung überschreitet (-V_b bis +V_b) T Photodiode ist in Flußrichtung gepolt T

weiterer Signalstrom verursacht Spannungsabfall an der Photodiode in Flußrichtung T Strom fließt

in Flußrichtung T Ausgangsspannung wird abgesenkt.

Diese Schaltung kann nur verwendet werden, wenn man keine oder sehr geringe Umgebungslichteinflüsse hat.

Der Widerstand R wird in der Praxis mit 100 kW - 300 kW verwendet (ergibt Cut-Off-Frequenzen von 30 kHz - 100 kHz), wodurch die Funktion bei Umgebungslicht (verursacht Photoströme von 30mA - 100 mA - entspricht einem mit Glühbirnen ausgeleuchteten Raum) gegeben ist.

Erweiterung der Schaltung für einfache Widerstandslast

Auf der nächsten Seite wird eine Schaltung gezeigt, die auch bei höheren Umgebungslichtintensitäten funktioniert.

Bei niedrigem Umgebungslicht funktioniert die Schaltung genauso wie die vorher dargestellte Schaltung mit R = 330 kW.

Bei stärkerem Umgebungslicht überschreitet die Spannung an R₁ durch den erhöhten Stromfluß durch die Photodiode die Spannung an R₂ und die D₁ wird somit leitend. D.h., daß der Photostrom größtenteils durch die D₁ fließt und somit einen Spannungsabfall an R₂ verursacht. Dadurch wird die Empfindlichkeit zwar um einen Faktor kleiner, die Schaltung funktioniert aber jetzt auch bei direkter Sonneneinstrahlung.

Dimensionierungskriterien :

Der Spannungsteiler R₃ und R₂ :      

Für R₁ :           R₁ = =

Für den Strom I wurde wie für die vorher beschriebene Schaltung der Photostrom für einen mit Glühbirnen ausgeleuchteten Raum angenommen.

Die Werte für R₁ entsprechen den der vorher gezeigten Schaltung.

Für induktive Last

Die optimalen Schaltungen für Fotozellen in Empfängerschaltungen in Fernbedienungen haben bei den zu empfangenden Signalfrequenzen eine hohe Impedanz und bei allen anderen Frequenzen, u.a. auch Gleichspannungen, eine niedrige Impedanz. Diese Eigenschaften können durch folgende Schaltung erreicht werden :

Diese Schaltung hat bei den zu empfangenden Frequenzen eine Impedanz von 100 kW, wobei sie trotzdem vom Umgebungslicht verursachte Gleichströme nicht passieren läßt. Daher funktioniert sie über einen weiten Frequenzbereich von Umgebungslichtintensitäten. Der Schwingkreis ist auf die Eingangsfrequenz abgestimmt und wird vom Widerstand gedämpft. Der Ausgang dieser Schaltung reagiert auf gepulstes Infrarotlicht mit einem gedämpften Sinus der einige Zeit zum Abklingen braucht. Dieses Abklingen reduziert daher die maximale Datenrate der Übertragung, da bei mehreren kurz hintereinander folgenden Impulsen das Signal als abklingender Sinus interpretiert werden.

Ein Nachteil der Schaltung ist, daß die reale Spule eine Eigenkapazität hat und dadurch die Resonanzfrequenz sinkt. Um die Spule notwendiger Weise möglichst klein zu halten, sollte man einen Ferritdraht verwenden, damit man die Anzahl der Windungen verringern kann. Fließt nun ein Strom durch diesen Draht aufgrund des Umgebungslichtes, so kann dieser den Draht sättigen, wenn der Helligkeitslevel zu hoch ist und der Ferritdraht ein zu geringes Volumen hat. Dadurch reduziert sich die Induktivität der Spule und damit auch die Impedanz der Schaltung bei den zu empfangenden Signalfrequenzen.

Diese Schaltung wird hauptsächlich als Alternative zu den normalen Widerstandsschaltungen in Fernseherfernbedienungen verwendet. Diese Schaltung toleriert auch höhere Lichtlevel und besitzt eine geringe Datenübertragungsrate.

Für aktive Last

In dieser Schaltung fließt der Photostrom durch den 330 kW -Widerstand zur Basis des T₁. Dieser wird dadurch leitend und schließt die Anode der Photodiode auf die negative Versorgungsspannung wodurch der Basisstrom des Transistors verkleinert wird. Dabei stellt sich ein Arbeitspunkt ein, indem der Kollektor des Transistors auf ca. 0,8 V liegt. Dadurch arbeitet der Transistor als Konstantstromquelle, die genau den Strom der Photodiode liefert. Dieser Gleichgewichtszustand bewirkt für Gleichströme eine niedrige Impedanz für die Photodiode.

r_e = Vu = g_m R_C = R_C =

R_CKollektorimpedanz

Die Basis des Transistors ist zusätzlich über einen Kondensator an die negative Versorgungsspannung gelegt, der die Reaktionsgeschwindigkeit der Schaltung auf plötzliche Anderungen des Fotostromes bestimmt. Durch diesen Kondensator kann sich der Gleichgewichtszustand daher bei plötzlichen Stromwechseln nicht ändern. Dadurch wird die Impedanz bei höheren Frequenzen wesentlich höher als bei niedrigen Frequenzen. Bei großem Umgebungslichtpegel fällt die Hochfrequenzimpedanz leicht ab. Die Hauptnachteile der Schaltung liegt in ihren Rauschanteilen und der Beeinflußbarkeit bei großer Lichtintensität. Diese Probleme kommen von der hohen Signalverstärkung des Transistors bei hellem Umgebungslicht.

Die Spannungsverstärkung des Transistors ist ca. R_C/r_e, wobei R_C die Kollektorimpedanz (250 kW und r_e der Emittersperrwiderstand ist. r_e ist 25/I_E, daß bedeutet, daß die Spannungsverstärkung dadurch R_C mal einem 25stel des Emitterstromes ist.

Die Spannungsverstärkung bei 5 mA Photostrom (schwaches Umgebungslicht) und 1 mA (bei voller Sonneneinstrahlung) :

V_u = (250 10³)

V_u = (250 10³)

Diese hohe Verstärkung im Fall bei voller Sonneneinstrahlung wirkt sich auch auf das vom Transistor erzeugte Rauschen aus und begrenzt damit die Schaltung bei hoher Lichtintensität. Diese große Verstärkung bei hellem Umgebungslicht kann durch einen Emitterwiderstand reduziert werden. Bei niedrigen Lichtpegeln verändert dieser Widerstand die Schaltungseigenschaften nicht, er begrenzt aber die Verstärkung von Rauschsignalen bei hellem Umgebungslicht.

Die Spannungsverstärkung für einen Photostrom von 1 mA beträgt jetzt nur noch :

V_u = 160

Der Emitterwiderstand begrenzt die maximale Verstärkung und verringert dadurch das Rauschen. Außerdem erhöht er dadurch die Impedanz bei niederen Frequenzen. Die Dimensionierung dieses Widerstandes ist damit ein Kompromiß zwischen minimalem Rauschanteil und minimalem Gleichspannungsverfall bei hohen Photoströmen. Der in der Schaltung gewählte Wert bewirkt einerseits, daß das durch den Transistor verursachte Rauschen kleiner ist als das der Photodiode und andererseits das die Schaltung auch bei hohem Umgebungslichtpegel funktionsfähig ist. Um die Vorteile der hohen Impedanz dieser Schaltung ausnützen zu können muß auch der angeschlossene Verstärker eine hohe Eingangsimpedanz haben.

Alle bisher gezeigten Schaltungen können so verändert werden, daß das Ausgangssignal die invertierte Polarität hat, indem man die NPN-Transistoren durch PNP-Transistoren ersetzt u.u. und die Versorgungsspannung der BPW41 umpolt.