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上海交通大学学位论文 强干扰环境下远距离红外线遥控的理论与应用研究 摘要 红外线遥控是利用红外线传递控制信号，实现对控制对象的远 距离控制的目的。红外线遥控在家用电器、安全保卫、工业控制以及 人们的日常生活等许多领域中已获得广泛应用。不过，就目前红外线 遥控的应用而言，其有效的遥控距离大多为l o m 左右，如果遥控距 离超过2 0 m ，则它就无能为力了。 鉴于红外线遥控的诸多特点，如安全、可靠、抗干扰能力强、 无环境污染、结构简单等等，在一些特殊的场合应用红外线遥控将具 有非常好的优点，比如在航空港对飞机进行遥控加油，较长流水线上 的定向控制，大厅窗帘与屏幕布的控制等。但是在这些场合中，必须 提高遥控距离。而且，在涉及到户外作业时，还必须要提高遥控的抗 干扰性能。 本文即为对空港加油车加油软管收放装置进行红外遥控改造的 研究。通过对红外遥控原理和遥控方法的介绍，提出如何提高红外线 遥控的距离的可行性方案，并进一步指出，实现这些可行性方案时应 解决的问题。由此，本文重点论述了如何提高红外遥控的操作距离和 如何保证在强干扰环境下实现红外遥控操作的可靠性和安全性的实 用方法。在此基础上，给出了实现空港加油车加油软管收放装置红外 遥控的电路原理图和电路板电路图，并根据该电路图进行了实验论 上海交通大学学位论文 证，得出了所采用的远距离红外遥控方案的可行性结论，并指出采用 这种方法所具有的效益。 关键词：红外线发射与接收，可靠性与安全性，发射与接收电路，航 空港加油车 上海交通大学学位论文 t h es t u d yo ft h e o r ya n da p p l yln glnin f r a r e d r e m o t e c o n t r o lf o rl o n gdls t a n c ea n ds t r o n g i n t e r f e r ec o n d i t i o n a b s t r a c t i n f i a r e dr e m o t e - c o n t r o ls y s t e mi su s i n gi n f r a r e dr a yt ot r a n s m i tt h e c o n t r o l i n gs i g nt oc o n t r o lt h eo p e r a t i o no f t h ec o n t r o l i n go b j e c to u tl o n g d i s t a n c e t h ei n f r a r e dr e m o t e - c o n t r o l s y s t e m h a s a l r e a d y b e e nu s e d w i d e l yi nh o m ew i r i n g ，s e c u r i t y , i n d u s t r i a lc o n t r o la n dm a n yd a i l yf i e l d b u t ，u p t on o wt h ee f f e c t i v ed i s t a n c eo fi n f r a r e dr e m o t e - c o n t r o li sa l m o s t 10m e t e r , i ft h ed i s t a n c ef o rr e m o t e - c o n t r o li se x c e e d i n g2 0m e t e r - t h e s y s t e m w i l lu s e l e s s b u tb e c a u s eo fi t s m a n yc h a r a c t e r i s t i c ，s u c h a ss a f e ，r e l i a b i l i t y , s t r o n g e rc a p a c i t y t or e s i s t i n t e r f e r e c e ，n o n p o l l u t i o n a n d s i m p l e c o n s t r u c t i o n , e t c ，t h e i n f r a r e dr e m o t e c o n t r o l s y s t e mw i l l b et h eb e t t e r a d v a n t a g ei n s o m es p e c i a ls i t u a t i o n s u c ha sr e m o t e - r e f u l ea i r c r a f t i n a i r p o r t , d i r e c t c o n t r o li n l o n g e rp i p e l i n i n g ，t h e c o n t r o lo fw i n d o w c u r t a i na n ds c r e e ni nb i gh a l l ，e r e i nt h e s ec a s e sp e o p l em u s ti n c r e a s et h e d i s t a n c eo fr e m o 龇o n t r 0 1 e s p e c i a l l y ，w h e nt h e s y s t e m i s w o r k i n g o u t d o o r , t h ec a p a c i t yt or e s i s ti n t e r f e r e c es h o u l d b ei n c r e a s e d 1 1 1 ea r t i c l ei st h e s t u d yo f r e m o t e c o n t r o ls y s t e mf o rt h e 上海交通大学学位论文 d e v i c eo fh o s ed r a w ni no rg i v e no u ti na i r c r a f tt a n kt r u c k b y t h ew a yi n t r o d u c i n gt h et h e o r yo fi n f r a r e dr e m o t e c o n t r o l ，t h e t h e s i sr a i s e s eaf e a s i b l ep r o j e c th o wt oi n c r e a s et h ed i s t a n c e o f r e m o t e c o n t r o l ，a n d f u r t h e rp o i n t so u tt h ei s s u e sw h i c h s h o u l db es o l v e d t h e n t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h ea p p l i e d m e t h o d sh o wt oi n c r e a s et h ed i s t a n c eo fi n f r a r e dr e m o t e c o n t r o l a n dh o wt oe n s u r et h es y s t e mw o r k sr e l i a b l ya n ds a f e l y b a s e d o nt h e s e ，t h ea r t i c l eg i v e st h ee m i s s i v e r e c e i v i n gc i r c u kf o r t h ed e v i c e a b o u tt h er e f u e l i n gh o s e f i n a l l y ，t h e a r t i c l eg i v e s s o m ed a t ao ft h ee x p e r i m e n tb a s e s e d t h ec i r c u i t t h er e s u l t s h o w st h ei n f r a r e dr e m o t e c o n t r o ls y s t e m isa c c e p t a b l ea n d h a ss o m eb e n e f i t k e y w o r d s ：t h ee m i t t i n g a n d f e c e i v i n g o fi n f r a r e dr a y ， r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y ，t h e e m i s s i v ec i r c u i ta n dr e c e i v i n g ci r c u i t ，a i r c r a f tt a n kt r u c k 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：、 孝、歇 日期：刈弓年莎月) 目 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匝 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 、取 曰期：弘哆年莎月工多目 将教鹚穆 日期卿年g 月面日 上海交通大学学位论文 本文主要符号说明 u 电压，v i 电流，m a i 一正向工作电流，m a i 一正向峰值电流，i i l a u 厂正向压降，v 入_ 、波长，u i l l ， 九广峰值波长，u m ， r f - 一限流电阻，q i r 卜发光二极管 p h 卜光敏二极管 p h t 光敏三极管 v d _ 普通二极管 v t 普通三极管 i 。厂普通三极管最大极电集电流 v 。电路高电平，v v s 。电路低电平，v u 。电源电压，v d 。与门或非门 c ( 或g ) 电容 上海交通大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 本章首先简要介绍红外线遥控的基本概念、优点与特点；然后介绍红外线遥控的基本原 理和基本的_ t - 作方式；接下来介绍在一某些工业控制场合下，红外遥控的缺点，从而阐述本 课题的研究背景和意义，确定论文的主要研究内容。 最近4 0 年来，红外技术已成为一门迅速发展的新兴技术，它广泛应用于军事、工业、 农业、医疗和科学研究等各个领域”。而随着红外线电器的大量出现，红外线遥控也广泛应 用在家用电器、安全保卫、工业控制以及人们的日常生活等许多领域。例如，电视机的遥控、 音响设备的遥控、安全保卫报警器、遥控空调器、自动水龙头、自动门等，均可采用红外遥 控技术来实现。 1 1 红外线遥控的基本概念2 m 红外线遥控就是利用红外线( 即红外光) 来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控 制的目的。具体来讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接收器接收下来并对信号进行 处理，最后实现对控制对象的各种远距离控制。 为什么要采用红外光作为遥控光源昵? 这是因为可见光的平均波长为0 5 ur n ，而红外 线的波长为o 7 6 1 5ui l l 之间，是不可见光。而且，目前采用的红外发射器件( 红外发光二 极管) 所发的红外光的峰值波长是0 8 8 , - 0 ，9 4um 之间，它恰与作为光电接收器件的光敏二 极管、光敏三极管等的受光峰值波长( o 8 8 0 9 4um ) 相匹配，这样，可获得较高的传输效 率和较好的抗干扰性能。另外，红外光还具有如下的一些特点： 1 )红外线为不可见光，对环境影响很小。其波长远小于无线电波的波长，所以，红外 遥控不会干扰其它邻近的无线电设备和家用电器； 2 )波长小于1 5um 的近红外线，在透明大气中的传输特性比可见光好得多，而且由 于靠近可见光的红光( 波长o 7 6 um ) 边缘，还具有可见光类似的光学特性； 3 )红外遥控不具有象无线电遥控那样穿过遮挡物去控制被控对象的能力，因此生产红 外遥控器时，不必象制作锁那样，每套必须有一种新的结构；也不必象无线电遥控 上海交通大学硕士学位论文绪论 那样，每套要有不同的遥控频率或编码，所有产品的遥控器可以有相同的遥控频率 或编码，而不会出现“串门”现象。 因此，采用红外光作为遥控光源具有可取之处。 随着大量集成电路的出现，红外线遥控更是具有结构简单、成本低廉，而抗干扰性能、 工作可靠性则进一步增强，是近距离遥控、特别是室内遥控的优选遥控方式。 1 2 红外线遥控的基本原理h 5 图1 i 是红外线遥控系统的一般原理框图，它由发射器与接收器两部分构成。发射器由 指令键、指令信号产生电路、调制电路、驱动电路及红外线发射器件组成。当指令键被按下 时，指令信号产生电路便产生所需要的控制指令信号，控制指令信号经调制电路进行调制后， 最终由驱动电路驱动红外线发射器件，发出红外线遥控指令信号。 图1 1 红外线遥控系统一般原理框图 f i g l - lt h ec o m m o n l y p r i n c i p l e o f i n f x a r e dr e m o t e - c o n t r o l 掣 s t e m 接收器收由红外线接收器件、前置放大电路、解调电路、指令信号检出电路、记忆及驱 动电路、执行电路组成。当红外接收器件收到发射器的红外指令信号时，它将红外光信号变 为电信号并送入前置放大器进行放大，再经解调器后，由指令信号检出电路将指令信号检出， 最后由记忆电路及驱动电路驱动执行电路，实现各种操作。 上述的控制指令信号一般以某些不同的特征来区分，常用的区分指令信号的特征是频率 特征和码组特征，即用不同的频率或不同的编码的电信号代表不同的指令信号以实现遥控。 而红外遥控系统则通常按照产生和区分控制指令的方式和特征来分类，常分类为频分制红外 线遥控和码分制红外线遥控。 上海交通大学硕士学位论文 绪论 1 3 红外遥控分类5 1 3 1频分制和码分制红外线遥控 1 ) 频分制红外遥控 频分制红外线遥控就是指令信号产生电路以不同频率的电信号代表不同的控制指令。对 图l 一1 来讲，当不同的指令键被按下时，指令信号产生电路就产生不同频率的指令信号，接 收器中指令信号检出电路就是对应发射器的不同指令信号频率的频率选择电路，简称选频电 路。对应每一个指令，就要有一个选频电路。 频分制遥控电路中指令信号的频率一般为几百h p 几十k h z ，红外光具有较强的抗干扰 能力，因此，一般情况下，频分制红外遥控的发射器中不用调制电路，不同频率的指令信号 直接加至驱动电路，驱动红外发射器件发射不同频率的近红外光信号。当然，接收器中的解 调电路也就不需要了。这样一来，电路得到简化，成本随之降低，其框图如图1 2 所示。当 然，遥控系统的调制与解调电路也可保留，这对于抗干扰能力有好处，不过电路复杂一些， 成本高一些。 躅i - 2 频分制红外线遥控系统框图 f i g l 一2t h ep r i n c i p l e o f i n f i - a r e 【tr c m o t c - c o n t r o ls y s t e mb yf r e q u 血c - ym o d u l a t i o n 频分制红外线遥控电路原理简单，易于组装，是一种应用较广泛的红外遥控系统， 但由于每有一个指令信号，接收电路就要有一个选频电路相对应，当系统的通道数较多时， 电路将会变得非常复杂庞大。且各通道间可能会产生互相干拢，因此，当通道数目较多时， 一般采用码分制红外遥控电路。 2 )码分制红外线遥控电路 码分制红外遥控电路就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码代表不同的指令。对于图 1 1 来讲，当不同的指令键被按下时指令信号产生电路将产生不同脉冲编码的指令信号， 也就是进行编码，然后经调制电路调制，变成编码脉冲调制信号，再由驱动电路驱动红外发 射器件发射红外光信号。 接收器接收下来的信号经过前置放大后，送入解调电路，对调制信号进行解调，再经指 3 上海交通太学硕士学位论文绪论 令信号检出电路检出指令信号。这时的指令信号检出电路就是与发射器中编码电路相对应的 译码电路，它将指令信号译出。图l - 3 所示为码分制红外遥控系统的框图。 图卜3 码分制红外线遥控系统框图 f i g ! - 3t h ep r i n c i p l eo f i n f i - 删r e m o t e - c o n l a o ls y s t e mb yp u l s ec o d i n g 可见，红外线遥控系统中的指令信号产生及检出电路，在频分制系统中由多频振荡 电路及频率选择电路构成；在码分制系统中则由编码电路和译码电路组成。这是频分制和码 分制红外遥控系统的主要区别。 1 3 2 单通道和多通道红外线遥控 红外线遥控系统按照指令信号传送的路径数日来分，有单通道和多通道红外线遥控a 1 ) 葶通道红外线遥控 单通道遥控比较简单，它只有一个指令信号传送通道。一般来说，发射器只有一个指令 键，接收器也只有一个执行电路。如：控制一只灯的开关。单通道遥控电路一般采用频分制 电路，且只需要一个振荡频率和选频电路。 2 )多通道红外线遥控 有两个或两个以上指令信号传送路径的遥控系统称为多通道遥控。多通道遥控可以实现 对被控对象的任意的多功能遥控。例如：彩电遥控器对彩电的遥控。 另外，随着集成电路的发展及新产品的不断出现，特别是红外遥控专用集成电路及通用 低功耗集成电路( 如低功耗c m o s 集成电路) 的广泛应用，使红外线遥控系统性能不断得 以提高、体积不断减小、成本也在不断降低。因此，目前大部分红外线遥控系统均采用集成 电路制造。 1 4 课题的提出、研究目的与论文结构、主要内容 目前在家用电器、安全保卫、工业控制以及人们的日常生活等许多领域所应用的红外线 遥控的遥控距离大多为l o r e 左右，如果遥控距离超过2 0 m ，则它就无能为力了。但鉴于红 外线遥控的诸多特点，如安全、可靠、抗干扰能力强、结构简单等等，在一些特殊的场合应 4 ， 上海交通大学硕士学位论文绪论 用红外线遥控将具有非常好的优点，比如在飞机场对飞机进行遥控加油时，要求遥控的距离 至少要超出2 0 m ，如果采用电磁波遥控虽然能轻易地达到这种距离，但易受到机场强电磁波 的干扰，不能保证工作的可靠性与安全性；同时，在这种环境下采用电磁波遥控，将会对机 场的导航系统产生干扰，要带来事故。因此在这种场合下，绝对不允许采用电磁波遥控，而 采用红外遥控则具有其独到的优势。但是在这样的场合下，必须大幅度地提高遥控距离。而 且，由于是在野外作业，有白天强太阳光的干扰、夜间光线极暗的影响、以及夏季温度高、 冬季温度低、雨雪天、机车振动等等的干扰因素存在，必须提高遥控的抗干扰性能和工作的 安全性、可靠性。 因此，本课题的研究内容主要是着眼于如何提高红外线遥控的距离，使之能满足些特 殊场合的需要。同时，还要保证在野外工作时的可靠性和工作的安全性，即要具有良好的抗 干扰性能。丽且由于课题来源于工程实际，具有实际应用的价值，因此，将本课题的题目定 为强干扰环境下远距离红外线遥控的理论与应用研究。根据本课题的研究内容，论文的 结构组织如下图1 - 4 所示。 第章首先简要介绍红外线遥控的基本概念、优点与特点：然后介绍红外线遥控的基本 原理和基本的工作方式；接下来介绍在一某些工业控制场合下，红外遥控的缺点，从而阐述 本课题的研究背景和意义，确定论文的主要研究内容。 第二章主要介绍作为红外遥控系统中发射器件和接收器件的重要组成部分，即发光二极 管与光敏二极管、光敏三极管，重点是它们的工作原理、基本特性与主要参数。 第三章通过对发光二极管的驱动方式、驱动功率、及接收装置的研究，得出提高红外遥 控距离可以采用的措施。 第四章首先介绍在红外电子中的主要干扰源，然后介绍抵抗这些干扰源可以采用的方法， 最后得出在红外遥控系统中，为提高遥控的灵敏度和可靠性，应采用的方法和工作原理。 第五章具体介绍所采用的红外遥控的发射与接收电路图。 第六章通过实验的设计，分别对遥控距离、工作坏境和遥控角度进行实验，得出相应的、 具体的数据和结论，以供实际使用中参考。 第七章主要介绍在实际应用中的效果，即在飞机场对飞机进行遥控加油的实地论证，说 明工作的可行性。并对强干扰环境下远红外遥控作出总结和展望。 上海交通大学硕士学位论文 绪论 图卜4论文的结构 f i g 4 t h e h 鼯i ss m 】c 缸e 6 上海交通大学硬士学位论文 红外线发射器件与接收器件 第二章红外线发射器件与接收器件 本章主要介绍作为红外遥控系统中发射器件和接收器件的重要组成部分，即发光二极管 与光敏二撅管、光敏三极管，重点是它们的工作原理、基本特性与主要参数。 红外遥控是利用红外光来传送控制指令信号的，因此，作为红外遥控中的红外发射器件 红外发光管，以及红外接收器件红外光敏管，便成为红外遥控系统中的基本的必要器 件。为此，有必要对红外发光管和红外光敏管作一些简要的介绍。 红外发光管与红外光敏管均是由半导体p n 结构成，属半导体器件。由于半导体及p n 结的基本特征在很多文献里都有论述，因此本论文就不再赘述，而仅就目前应用广泛的红外 发光管一红# b - - 极管，红外光敏管光敏二极管及光敏三极管作一些介绍。 2 1 红外发光二极管“6 t 2 1 1 红外发光二极管的结构原理 红外发光二极管是只有一个p n 结的半导体器件，它与普通发光二极管结构原理与制作 工艺基本相同。只是所用的材料不同。制造红外发光二极管材料有砷化镓、砷铝化镓等。其 中应用的最多的是砷化镓。 在一块砷化镓半导体中，采用半导体掺杂工艺使其一部分为p 型半导体，另一部分为n 型半导体。在p 型和n 型半导体交界面就形成半导体p n 结。p 区多数载流子为空穴，少数 、 、 、堡垒垒垒垒 j 7 7 7 i z “。、。4 一 f a )( b ) 图2 - 1p n 结注入发光能带图 f i 9 2 - 1t h ec h a r t o f r a d i a n t e r 科b yi n j c o t e dp n - c r l t n o d e 7 上海交通大学硕士学位论文 红外线发射器件与接收器件 载流子为电子：n 区多数载流子为电子，少数载流子为空穴，并且具有一定的内电场，其能 带结构如图2 一l ( a ) 所示。 当给这个p h i 结加上正向电压时( p 区接正电压，n 区接负电压) ，在外加电压的作用下， 内电场被抵消。这样，n 区的多数载流子( 电子) 在外电场的作用下注入p 区，同时，p 区 的多数载漉子( 空穴 在外电场的作用下注入n 区，如图2 - 1 ( b ) 所示。 实际上，外加正向电压作用就是加强了多数载流子的扩散运动。这些注入p 区的电子和 注入n 区的空穴，对于注入区来讲都是非平衡少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与 注入区的多数载流子复合，将原来从外加电场吸收的毹量以光子的形式释放。从而发出光采。 这种发光过程称为辐射复合。这与导带中的电子到价带上与空穴复合一样，要释放出禁带宽 度b 大小的能量，这种能量的释放是以发光的形式进行的。这就是p n 结发光的基本原理。 发光二极管发出的光波波长与所用材辩禁带宽度e 。有关。发光波长x 与半导体材料的 禁带宽度e 6 之间的关系为： 九：孥( “m ) ( 2 - 1 ) g 砷化镓材料的禁带e 。一i ，4 3 e v ，所以砷化镓红外发光二极管的发光波长 一o 8 9 m ，为 不可见的近红外光。用砷化镓材料制成的红外发光二极管的发光效率较高，可达3 ，即如 果输入l o o m w 的电功率，可获得3 耐的红外光输出。另外，采用半导体制作工艺，还可以在 一定范围内控制器件的发光波长。 红外发光二极管一般采用透明材料进行封装，且在顶面发光，也有采取在侧面发光。红 外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率管( 几埘) 、中功率管( 几十m w ) 和大功率 管( 几百m w ) 三种，一般而言，功率越太，红外光线传输的距离也越远。 2 1 z 红外发光二极管的基本特性 1 ) 伏安特性 红外发光二极管的伏安特性如图2 2 所示，与普通二极管的伏安特性相似。它的正向压 降u f 与材料及正向电流有关。在使用时，应注意驱动电源电压的数值应大于红外线发光二 极管的正向电压降u ，否则不能克服死区电压( 内电场) 产生正向电流i f 。 2 ) 输出特性 红外发光二极管的输出特性曲线，就是其输出光功率p 0 与正向工作电流i r 之间的关系 曲线，如图2 - 3 所示，在工作电流i f 较小时，输出光功率p 0 与工作电流b 成线性关系。当 r 圭堡苎燮兰堡圭兰垡堡茎 塾! ! 垡茎塾坠量堡些堡堡 图2 2 红外发光二极管的伏安特- | 生图2 - 3 红外发光二极管的输出特性 f 礤- 2 t h e v o l t - a m p e r e c h a r a c t e ro f i n f i a r c dl e d f i 9 2 - 3t h eo u t p u tc h a r a c t e ro f i r t f i a r e dl e d 工作电流i r 较大时，曲线产生了弯曲，p o 与1 f 不再成线性关系，出现了非线性区。 在红外线遥控中，红外发光二极管一般工作在开关状态( 数字调制) ，因此，对于输出 特性曲线的线性没有什么要求。 3 ) 辐射光谱 辐射光谱是红外发光二极管的发射光强i 与发射光波长 之间的关系曲线，如图2 4 所 示，由于发光二极管发出的是非相干光，因此，发光光谱有定宽度，峰值波长 r 为o 8 8 - 0 9 4 图2 - 4 红外发光二极管的辐射光谱 f i 醇4t h e r a d i a n ts p c c t d u l l lo f i n 丘a r e dl e d pm 。红外发光二极管发出的近红外光中，波长为x ，的光强最大。 4 ) 指向特性 红外发光二极管的指向特性是指发射光强与几何角度的关系。是由封装透镜的形状及管 芯与顶端的位置决定的。一般情况下，球面透镜封装的管子指向角度较小，平头封装的管子 指向角度较大。此外，采用多只发光管并列安装的方法。可以改善发射光线的指向特性。 由于的红外光具有可见光的反射特性。当红外遥控器在室内使用时，发射管不必面对接 收管，靠室内墙壁及家俱对近红外线光的反射作用，将红外光反射到接收管，也可以实现遥 控。 9 。薹。 上海交通大学硕士学位论文红外线发射器件与接收器件 2 ，1 3 红外发管二极管的主要参数 1 1 正向工作电流i f 是指管子长期工作时，允许通过的最大平均正向电流。 2 ) 光功率p o 是指输入到发光二极管的电功率转化为光输出功率的那一部分。光功率越大，发射距离 越远。 3 ) 峰值波长xp 是指红外发光二极管所发出近红外光中，光强最大值所对应的发光波长。在选用红外接 收管时，其受光峰值波长应尽量靠近、p 。 4 ) 反向漏电i r 是指管子未被反向击穿时反向电流的大小，其值越小越好。 5 ) 响应时间t w 由于红外发光二极管n i 结的存在，影响了它的工作频率。红外发光二极管的响应时间一般 为1 0 t lo _ 7 s ，最高工作频率为几十m h z 。 2 1 4 红外发光二极管的基本驱动方式 红外发光二极管是一种电流驱动器件。基本的驱方式有恒定直流驱动、脉动直流驱动和 交流驱动三种，如图2 - 5 所示，图中耻为限流电阻，以限制发光二极管的最大工作电流。 j o 一_ 一卜1 广 o i 。一l 1【 i ； r m 平”罕章 f 1 2r一、 (a)=c( b ) ( c ) 酽l 咖丝 j 诎j ，11 y t j ： ； j i l l - - ( e ) ( d ) = 图2 - 5 红外发光二极管的驱动方式 f i 畦5t h e 时v l eo f d r i v i n g t h ei n f i a r e dt ，f d 1 0 上海交通大学硕士学位论文 红外线发射器件与接收器件 图2 5 ( a ) 是恒定直流驱动时，红外发光二极管发出的是光强恒定的红外光，一般应用于简 单红外光控电路。图2 - 5 ( b ) 是交流电流驱动方式，普通二极管d 。对发光二极管有反向保 护作用，它发射的光强如图2 - 5 ( c ) 所示，呈半波形，这种驱动方式主要应用于近距离简单 红外光通信中，如简单红外线耳机等。图2 - 5 ( d ) 是发光二极管接入开关电路中，属脉冲 直流驱动方式，输入信号为0 v i ) d 交变信号，晶体三极管处于截止、导通状态且交替变化， 发光二极管发出脉冲光强，如图5 2 ( e ) 所示。在红外线遥控发射器中，红外发光管一般都 采用的是脉动直流驱动方式，这种方式可以减小发射器电源消耗，延长红外发光= 极管使用 寿命和提高遥控发射距离。 2 2 光敏二极管“”5 1 2 2 1 光敏二极管的结构原理 在半导体中只有导带中的电子和价带中的空穴才能起导电作用。而用光照射半导体时， 可用光子的能量激发价带中的电子到导带上去，产生导带中的非平衡电子和价带中同样数量 的非平衡空穴，它们对导电均有贡献，因此，用光照射半导体，可使半导体的电阻率发生变 化。这就是半导体的光电效应。利用半导体的光电效应就能制成光电二极管。 。陟二4 ， ： n ，7 j + 一缁么】 图2 - 6 加有反向电压的p n 结及能帝国 f i 9 2 6t l l ep n - c r u n o d ew i t h c o u n t e r v o l ta n dt h ef i go f e n e r g yt i n # u r n 图2 - 6 是一个加有反向电压( n 区接正电源，p 区接负c b i i ) 的p n 结和它的能带图。 在无光照射时p n 结中的反向电流是由p 区的少数载流子流向n 区和n 区的空穴( 也是少 数载流子) 流向p 区形成的。由于是少数载流子导电，因此反向电流很小，一般为1 ua 。 当有光照射在p n 结上时，若入射光的能量太于或等于半导体材料的禁带宽度，则价带 上海交通大学硕士学位论文 红外线发射器件与接收器件 殇一 、 殇 多乡多 女 j l 埝! ! 璺垒 豫蓬委一 图2 - 7p n 结的光电效应 f i 9 2 7t h e o t o t o c m i s s i o no f p n c r u n o d e 中的电子可以吸收光子的能量而跳到导带上去，结果在导带与价带之间就产生了电子- 空 穴对，见图2 7 。这些电子空穴对是在p n 结内产生的，在外加反向电压的作用下，电子 漂向n 区，空穴漂向p 区，结果产生光生电流。光生电流基本上与入射光强成正比。这就 是光敏二极管的工作原理。 不同的半导体材料对不同波长的入射的响应是不同的。为了使电子从价带激发到导带， 入射光子的能量应大于材料的禁带宽度。即入射光波波长应小于 o 。 扎：娑( v m ) 2 - 2 ) o2 _ ) t 正g 硅材料的禁带宽度e g = 1 1 5 e v ，对应的 o = 1 1 1 1n l ，即只有波长小于1 1 ”m 的光才有 显著的光敏作用。 2 2 2 光敏= 极管的特性参数 1 ，基本特性 1 ) 伏安特性 图2 - 8 是光敏二极管的伏安特性曲线。图中有三条曲线，分别表示为：l 一无光照时的特 性：2 一中等光照时的特性；3 一强光照射时的特性。 无光照时，光敏二极管的特性与普通的二极管一样。 有光照时，光敏二极管的反向电流增大，特性曲线沿电流轴向下平移，光照越强，下移 越大，下移幅度与光照强度成正比。在入射光强一定时，光敏二极管的反向电流是基本不变 的，与反向电压无光，特性与电压轴平行。 特性在第四象限时，光敏二极管呈光电池特性。在p n 结没有外加电压时，它是存在内 】2 上海交通大学硕士学位论文 红外线发射器件与接收器件 电场的，方向从n 区指向p 区，当受到光照时，将产生电子和空穴，在内电场的作用下， 电子被吸引n 区，空穴被吸引到p 区，如果用导线或外接电阻连结p n 结，将形成通过外电 路的电流。由于能向外电路提供能量( 将光能转为电能) ，故被称为光电池。由于其产生的 电流方向在p n 结内部是由n 区到p 区的，故在外电路中是由p 区通过外电路到n 区的， 也是反向电流。 图2 8 光敏二极管的伏安特性 f i 驴一8t h ev o l t - a m p e r e c h a r a c t e ro f p h o t o c o n d u c t i v e d i o d e l i 、 f r， 、 卜 、 r 广 l 。 i i = 百、：i i 彳专 弋_ u- u o bg lu lc“pm 图2 9 硅光敏二极管的光谱响应曲线 f i 妒一9t h er e s p o n d e n tc u r v eo f s i l i e o n - p h o t o e o n d u c t i v e - d i o d e 2 ) 光谱响应曲线 由于不同材料对各种波长的入射光的响应是不同的，因此光敏二极管对不同的波长有不 同的灵敏度。硅光敏二极管的光谱响应波长为0 4 - - 1 1um ，峰值波长为0 8 8 - - 4 1 9 4 1 tn l ，如 图2 - 9 所示。这恰好与砷化镓红外发光二极管的波长相重合，可获得较高的接收灵敏度。 2 主要参数 i ) 光电流i l 是指在一定反向电压下，入射光强为某一定值时流过管子的( 反向) 电流。其电流值一 般为几十ua ，并与入射光强度成正比。 2 ) 暗电流i d 是指在一定反向电压下，无光照时流过管子的f 反向) 电流。一般在5 0 v 反压下，i 。 小于0 1u a 3 ) 反向工作电压u 矗 是指在无光照时，光敏二极管反向电流小于0 2 0 3ua 时，允许的最高反向工作电压， 一般在1 0 v 左右，最高可达几十v 。 1 3 蓥 旧 砣 o 圭童垫查塑主兰垡笙苎 錾! ! 垡茎塾墨竺兰堡墼坚堡 4 ) 峰值波长“p 是指光敏二极管光谱响应角灵敏的波长范围。一般为0 8 8 - , - 0 9 4um 。 2 3 光敏三极管“， 2 3 1 光敏三极管的结构原理 光敏二极管的光电流较低，仅为ua 级，光灵敏度不够高。而光敏三极管的光电流可达 m a 级，且具有较高的灵敏度。 ( 0 ) ：乜) 无光照时，只有很小的集电极一基 极漏航眦光敏三极甚脯喊喇。0 篡二芝篙凳竺兰垤删。 很小。有光照时，集电集基极的反向 电流会困光照增大很多，在三极管的电流放大倍数为b 时，光敏三集管的光电流要比相应的 二极管的光电流大1 3 倍。 2 3 2 光敏三极管特性与参数 1 基本特性 1 ) 输出特性 图2 1 1 是光敏三极管的输出特性曲线。它与普通三极管的输出特性相同，只不过每条 特性不是对应个基极电流，而是对应某一入射光强。光强增加，光电流基本线性增加。而 且对应某一入射光强下的光电流不随光敏三极管集电极与发射极之间电压而变。 特性曲线可分为三个区域，i 区是截止区，只有很小的无光照时的载止电流( 暗电流) ： i i 区是放大区，随光照强度增加，光电流线性增加；i 区是饱和区，无论光强如何增加， 光电流不再增加，这时的光电流决定于负载电阻。 1 4 ， 上海交通大学硕士学位论文 红外线发射器件与接收器件 v ) 图2 - 1 1 光敏三极管输出特性 f i 9 2 - 1 1t h e o u t p u t c h a r a c t e r o f p h o t o c o n d u c d v c - a u d i o n 2 1光谱响应特性 光敏三极管与光敏二极管使用的材料相同，因而光敏三极管的光谱响应特性与光每二极 管的光谱响应特性相同，见图2 - 9 。 2 ，主要参数 i ) 最大功耗p k 是指光敏三极管能够安全工作而不致损坏的最大耗散功率。在图2 - 1 1 中，虚线是光敏 三极管的最大许可功耗线，正常工作时应在虚线的左方，此区域内，光电流与管子承受的电 压乘积，也就是管子的功耗，不会使管子因过热而损坏。光敏三极管的最大功耗一般为几十 r d w l o o m w 。 2 ) 最高工作电压u b r c e 是指在无光照时，在管子不被击穿前提下集电极与发射极之间的晟高电压，一般为十 几十v 。 光敏三极管的其它参数，如光电流、暗电流等与光敏二极管的定义完全相同，可参见光 敏二极管。 1 5 上海交通大学硬士学位论文 远距离红外遥控原理与实现方法 第三章远距离红外遥控的原理与实现方法 本章通过对发光二极管的驱动方式，驱动功率、及接收装置的研究，得出提高红外遥控 距离可以采用的措施。 目前在家用电器、安全保卫、工业控制以及人们的日常生活等许多领域所应用的红外线 遥控的遥控距离大多为1 0 m 左右，如果遥控距离超过2 0 m ，则它就无麓为力了。但鉴于红 外线遥控的诸多特点，在一些稍远距离( 如3 0 - - - 5 0 m 范围) 的场台下采用红外线遥控将具有 非常好的性能，因而研究如何提高红外线遥控的距离是十分必要的。 红外线是一种光线，众所周知，光线所传输的有效距离与其发光源的发光强度有关。因 而，提高红外遥控距离可采用增强发光源的发光强度的方法。但作为发光源的发光二极管， 其所能提供的光强是有限的，在稍远距离时，其所产生的光信号可能就比较微弱，此时，如 果能汇聚并接收这些微弱的光信号，将对提高遥控距离有极大的帮助。因此，提高红外遥控 的距离可以从两个方面着手：一是从发射部件着手，提高发光二极管的发光强度：二是从接 收部件着手，汇聚弱信号，提高接收灵敏度。 3 i 提高发射功率以增加遥控距离 正如在白炽灯的使用中，增大自炽灯的功率，比如从1 5 w 到1 0 0 w ，立都可以使灯具 的明亮度大幅度地提升，可幅射的距离也大大提高。因此，在红外遥控系统中采用大功率的 红外发光二极管，也可以大幅度地提高遥控的有效作用距离。表3 1 是些常用红外发光= 极管的性能参数，其中。发射功率p o 即是红外发光二极管的光功率，它的大小与红外光的 传送距离直接有关。在表3 1 所示的系列红外发光二极管中，h g 4 1 0 属小功率管，其光强的 有效距离一般在5 m 左右，h g 5 0 2 、h g s 0 6 属中功率管，光强的有效作用距离约为1 0 m 左 右，而h g 5 2 1 、h g 5 2 9 则属于大功率管，它所发射的红外光的有效作用距离可以达到几十 米。但是随着发光功率的增大，发光二极管的驱动电流也要随之增大，此时必须要考虑工作 器件的驱动方式以取得最佳的效果。 ，1 6 上海交通大学硕士学位论文 远距离红外遥控的原理与实现方法 表孓1 常用红外发光二极管性能参数( 节选) “ 孓 正向工作电流正向压降发射功率发光波长 i f ( m a )u f ( v )p 0 ( m w ) xp ( u m ) h g 4 1 23 01 52 之50 9 3 h g 5 0 22 0 01 6 1 82 0 3 00 9 3 h g 5 0 62 0 01 6 - 1 87 0 1 0 00 9 3 h g 5 2 13 a2 ，01 0 0 1 5 0o 9 3 h g 5 2 93 a2 o 6 0 0 - - 6 5 0o ，9 3 另外，增加发射功率还可以通过增加发射管的数目来实现。采用增加发射管的数目，可以 使发射功率成倍增加。图3 - 1 给出了三种电路，可以有效地提高发射距离。图3 1 ( a ) 将两 个发射管串联，通过调节电阻r f 的阻值使流过三极管的电流与只使用一个发射管时相同， 因此它没有增加电源的消耗功率，却能使发射功率大为增加，但采用这种方法时，电源电压 v d o ir 2 呻章鼍 咖立、 i f s 图3 1 提高发射功率的方法 f i 醪一lt h e m e t h o do f i n c r e a s i n g t h ee m i t t i n gp o w e r 不能太低，必须在4 v 以上。图3 1 ( b ) 将两个发射管接成2 条并联支路，限流电阻r r 的 选取与仅用1 个发射管时相同。但因增加了一条同等的支路，i v t i 电源的电流增加了l 倍， 使电源的消耗增加，同时流过三极管的电流也增大了l 倍，增大了管耗，必须取i 锄更大一 些的三极管。同时，为使三极管能可靠地进入饱和区，基极的推动电流必须加大，因而需采 用达林顿三极管或复合管，如图3 - i ( c ) ( d ) 所示。 ，1 7 上海交通大学硕士学位论文 远距离红外遥控的原理与实现方法 3 2 空度比与红外光的传送距离 3 2 1 发光二极管的光强 作为红外线遥控发光源的发光二极管，其发光强度与它的光功率( 即发射功率) p o 成正 比，发光二极管的光功率p o 可由下式计算： 只= 1 u f ( 3 1 ) 式中：i 一注入器件的总电流：u f 降在p n 结上的电压。 显然，在u f