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Semplice controllo di un sensore di prossimità con un amplificatore operazionale

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 24 maggio 2010

I sensori di prossimità all’infrarosso sono molto utili per rivelare la presenza degli oggetti e/o la loro distanza rispetto a un riferimento, soprattutto in ambito industriale. Fra le applicazioni più diffuse ci sono anche le misure di velocità, il comando automatico dell’acqua nei rubinetti, il conteggio automatizzato degli oggetti nei nastri trasportatori e la rilevazione dell’angolo dei fogli in carica nelle stampanti e fotocopiatrici.

L’ultima generazione di smartphone, per esempio, può automaticamente spegnere il proprio display touchscreen Lcd per prevenire l’attivazione accidentale di qualche pulsante allorquando si preme il telefono sull’orecchio per ascoltare meglio.

Per rivelare la presenza di un oggetto i sensori di prossimità non fanno altro che accendere un Led IR che di conseguenza emette alcuni impulsi all’infrarosso. La riflessione di questi impulsi è quindi attesa da un fotorivelatore con intensità di energia inversamente proporzionale alla distanza dell’oggetto rispetto al transceiver. Poiché l’intensità della riflessione è maggiore quando l’oggetto è più vicino, allora si può calibrare la sensibilità del fotodiodo ricevitore fino a essere certi che indichi realmente l’esatta distanza dell’oggetto. Dopo la calibrazione si può impostare una soglia nella risposta del fotodiodo che può poi essere usata per decidere se un oggetto è presente o no.

Tuttavia, va tenuto conto che oltre alla riflessione all’infrarosso che serve per rivelare la presenza di un oggetto il fotodiodo può anche ricevere radiazioni dall’ambiente circostante. È dunque necessario filtrare il rumore elettromagnetico all’infrarosso per prevenire le false rivelazioni. Un metodo comune consiste nel modulare il segnale IR del Led con una frequenza conveniente e poi impostare il ricevitore in modo che si accorga solo dei segnali IR modulati in tal modo, i quali sono stati sicuramente emessi dal trasmettitore e giungono ora certamente riflessi dall’oggetto.

Nella figura 1 si può vedere come realizzare un semplice ricetrasmettitore IR configurato come sensore di prossimità. Il trasmettitore è un Led Everlight IR11-21CIR con lunghezza d’onda di 940 nm e può accendersi e spegnersi con frequenza di oscillazione di 10 kHz. Variando la corrente sul LED se ne può controllare il livello della potenza di trasmissione e, quindi, il campo d’azione del ricevitore. Inoltre, per risparmiare energia gli impulsi di trasmissione sono impostati con un duty cycle tipico del 10%.

Fig. 1 - Un sensore di prossimità basato sulla riflessione di radiazione all’infrarosso

Il ricevitore demodula e amplifica il segnale IR che giunge sul fotorivelatore Everlight PD15-22C che ha la sua sensibilità massima proprio alla stessa lunghezza d’onda del trasmettitore e cioè a 940 nm. L’uscita del fotodiodo viene quindi diretta sull’ingresso non invertente di un amplificatore operazionale. Questa configurazione permette al segnale a 10 kHz di amplificarsi mentre la capacità di accoppiamento impone una frequenza di taglio a 300 Hz che respinge il rumore in continua e il rumore di fondo all’infrarosso eventualmente presenti nell’ambiente, impedendone l’ingresso nell’amplificatore.

Le caratteristiche tipiche degli amplificatori operazionali in termini di basso rumore, elevata ampiezza di banda e ampio range di lavoro rail-to-rail sugli I/O sono ottimali nella demodulazione e amplificazione dei segnali di questo circuito. Inoltre, la buona immunità alla radiofrequenza previene il disturbo audio a 217 Hz tipicamente presente in molti telefoni GSM.

Sul segnale IR ricevuto, l’operazionale riesce a eseguire un’amplificazione con guadagno di valore 100 e al tempo stesso fa da filtro passabanda del second’ordine con frequenza centrale di 10 kHz. In assenza di segnale IR la polarizzazione dell’operazionale resta fissa a 2,5 V, mentre quando giunge un segnale IR alla frequenza di 10 kHz allora l’uscita varierà di conseguenza attorno al valore medio di 2,5V con un’escursione massima di 5V. L’uscita dell’operazionale comanda a sua volta un ulteriore diodo che lavora come rettificatore e trasforma il segnale modulato a 10 kHz in un segnale in continua proporzionale alla sua ampiezza. Questo segnale analogico ha, dunque, un valore proporzionale alla distanza dell’oggetto dal ricetrasmettitore IR e può essere utilizzato in un ADC per ulteriori elaborazioni.

Utilizzando il circuito di figura 2 per rilevare due oggetti rispettivamente posti a 1,2 e 1,4 pollici di distanza si ottengono sull’oscilloscopio le curve riportate nella figura 3 e relative ai nodi contrassegnati con i numeri 2,3 e 4.

Fig. 2 – Questo semplice transceiver IR rileva la presenza di un oggetto e ne indica la distanza approssimativa

Fig. 3 – Le due diverse distanze degli oggetti generano due differenti ampiezze di segnale
 

Arpit Mehta, Maxim Integrated Products

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