Radar Infrarosso

Il Radar ad infrarossi
Il principio elementare di un dispositivo radar, consiste nello emettere onde di natura
elettromagnetica, che si propagano per linea retta, le quali investendo un determinato corpo sulla
propria linea, ritornano indietro nella direzione dell’emettitore, in base ad un angolo di riflessione.
Raggio trasmesso
Oggetto
Raggio riflesso
Trasmettitore/
Ricevitore
L’onda elettromagnetica emessa da un diodo LED con lunghezza d’onda λ (lambda) pari a 980 nm
(nano metro) viene classificata con il nome infrarosso. Tale onda elettromagnetica non è percepibile
dall’occhio umano, ma può essere vista attraverso teleobiettivi come quelli delle videocamere o
fotocamere digitali. Per lunghezza d’onda si intende la distanza tra due picchi di un segnale
analogico.
λ
In elettronica esistono dispositivi a semiconduttori in grado di emettere segnali infrarossi (diodi
LED ad infrarossi), e di rilevarli (foto transistor). In commercio esiste un trasduttore (insieme di
sensore ed amplificatori operazionali) prodotto dalla Vishay Telefunken denominato TSOP 4838, in
grado di rilevare segnali ad infrarossi, e dotato internamente di un filtro tarato a 38KHz che rileva
onde elettromagnetiche ad infrarosso di tale frequenza. Questo per impedire che altre onde di natura
elettromagnetica possono influenzare il ricevitore, ad esempio variazioni di luce. Il funzionamento
di questo trasduttore consiste nel chiudere verso massa il circuito d’uscita quando viene colpito da
luce infrarossa a 38KHz. Per produrre un segnale infrarosso a 38KHz, praticamente,lo si ottiene
facendo accendere e spegnere il LED infrarosso 38000 volte in un secondo. Ciò è reso possibile
pilotando il LED con un multivibratore in configurazione astabile. Il multivibratore utilizzabile può
essere costituito dal circuito integrato denominato 555. Dimensionando il circuito esterno
dell’integrato con capacità e resistenze appropriate, ricavate da un calcolo matematico indicato nel
datasheet del componente fornito dal costruttore si ottiene la frequenza desiderata. Per
multivibratore in configurazione astabile si intende un circuito in grado di generare un segnale ad
onda quadra variabile tra 0 e +5V. Se si posizionano sia il LED che il TSOP 4838 affiancati, si
realizza un dispositivo radar. In pratica il LED emette luce infrarossa, che quando incontra un
oggetto sulla sua direzione, viene riflessa tornando in direzione del trasmettitore e quindi rilevata
dal ricevitore che lo affianca. Si ricorda che l’intensità della luce riflessa dipende dal colore
dell’oggetto rilevato, in quanto colori chiari riflettono la luce, colori scuri la assorbono.
Posizionando invece trasmettitore e ricevitore, uno di fronte all’altro si realizza una fotocellula.
Per ottenere un segnale d’uscita oscillante a 38 KHz bisogna dimensionare il circuito del 555 con i
seguenti componenti:
C8=0.1 microF C9=3300 pF R2=1K R3=3.3K+470+trimmer da 1K
La presenza del trimmer in serie su R3 ci permette di regolare la frequenza di oscillazione in un
range intorno ai 38KHz.
Il piedino 3 del IC 555 è l’uscita +Vcc, dove verrà collegato il LED infrarosso. Collegando
semplicemente il LED con in serie una resistenza per limitare la tensione sul diodo LED, si può
notare che il raggio d’azione del RADAR o FOTOCELLULA è limitato a meno di 10cm.
Amplificando la corrente che attraversa il LED, con un comunissimo transistor, si può ampliare
notevolmente il raggio d’azione.
Il valore della R4 di polarizzazione del T1 deve essere pari a 2200K.
L’uscita 3 del 555 va collegata in ingresso alla resistenza R4 che polarizza il transistor T1 2N2222.
Il collettore di T1 si collega a + 5V con in serie una resistenza (R5) dimensionata in modo
appropriato, ed un diodo LED infrarosso.
Per il calcolo di R5 basta utilizzare la legge di Ohm. Sapendo dalle caratteristiche del LED
infrarosso, che esso può essere attraversato da una corrente da 10÷20 mA e che la caduta di tensione
ai suoi capi è pari a 1,5V. Tra il collettore e l’emettitore del T1 2N2222, vi è una tensione di
giunzione pari a 0,6 V.
Possiamo allora scrivere che la tensione Vcc di +5V è data dalla seguente espressione:
Vcc=VLED+VR5+VCE
VR5=R5*I
La corrente di collettore del transistor, è la stessa che attraversa R5 ed il LED (collegamento in
serie). Per evitare di far passare troppa corrente nel LED, e quindi eccessivo riscaldamento (effetto
Joule) ci limitiamo a seguire le indicazioni del costruttore, scegliendo una corrente massima di 20
mA, che di conseguenza è la stessa che attraversa R5 collegata in serie. Allora la formula
precedente diventa:
Vcc=VLED+R5*I+VCE
Esplicitandola in funzione di R5
R5*I=Vcc-VLED-VCE
R5=( Vcc-VLED-VCE)/I
Sostituendo i valori ed eseguendo i calcoli si ottiene un valore di R5=0,145 *103 Ohm=145 Ohm.
Aumentando il valore di R5 diminuisce la corrente che la attraversa (legge di Ohm) e di
conseguenza la corrente che circola nel LED infrarosso, con conseguente diminuzione del raggio
emesso. La R5 può essere sostituita con una resistenza variabile (trimmer) di pari valore, in modo
tale da poter regolare a nostro piacere il raggio d’azione della luce infrarossa.
Il ricevitore TSOP 4838 (1838 vecchia versione)
R7=100 e C10=4,7 microF costituiscono un filtro RC per eliminare eventuali disturbi
sull’alimentazione del ricevitore. Come detto in precedenza, il ricevitore quando colpito dal segnale
infrarosso a 38KHz, chiude verso massa il circuito d’uscita. In parole povere si comporta come un
interruttore che si chiude verso massa. Se l’uscita (out) del ricevitore la colleghiamo in ingresso ad
un microcontrollore, possiamo fare in modo che quest’ultimo, quando rileva un segnale di massa (0
V) sul suo ingresso, tramite software può decidere l’azione da far compiere agli attuatori collegati
sulle sue uscite. Per evitare disturbi vari, in assenza di segnale di massa (TREE-STATE)
proveniente dal ricevitore IR (assenza di ostacolo) è obbligatorio mettere a +5V il piedino di
ingresso del microcontrollore attraverso una resistenza di pull-up dimensionabile a 10K.
Amplificazioni maggiori del raggio IR del LED si possono ottenere con delle apposite lenti da
mettere davanti al LED IR.
Antonello Micci