La radiazione infrarossa

La radiazione infrarossa è una radiazione elettromagnetica non visibile ad occhio nudo, essendo caratterizzata da una lunghezza d'onda superiore a quelle che possono essere percepite dall'occhio umano. Fra i vari tipi di led disponibili sul mercato ve ne sono alcuni in grado di emettere tali radiazioni e che vengono appunto chiamati LED infrarossi.
Ogni modello è caratterizzato da alcuni parametri; i principali sono:
- la banda di emissione (cioè la lunghezza d'onda della radiazione emessa)
- l'angolo di emissione, che indica quanto risulta ristretto il fascio della radiazione
- la corrente assorbita e, di conseguenza, la potenza emessa

I led infrarossi sono molto usati per la realizzazione di comandi a distanza, come ad esempio per apparecchi televisivi, sistemi audio ecc.; a tale scopo vengono abbinati ad un apposito dispositivo ricevitore, in genere un fotodiodo (figura 1), che deve risultare sensibile alla lunghezza d'onda della radiazione del LED emettitore.

Semplici schemi di funzionamento a emissione continua

Nel realizzare un sistema di comando a distanza basato su led infrarossi, occorre valutare la portata richiesta, ovvero la massima distanza che si desidera raggiungere fra il diodo emettitore ed il fotodiodo ricevitore. Un led che emette infrarossi ha in ogni caso una potenza massima che non può essere superata, pena la distruzione del led stesso. I led disponibili in commercio possono funzionare con una corrente di circa 100 mA in modo continuo; per impulsi molto brevi, di durata non superiore a 10µsec, possono sopportare picchi di corrente di alcuni ampere. Si conclude allora che, per raggiungere distanze di alcuni metri, occorre sfruttare questa modalità di funzionamento, facendo emettere al led degli impulsi molto forti, ma di brevissima durata.

In questo caso, vedremo tre schemi di telecomandi piuttosto semplici, in grado di coprire una distanza massima di 50 o 70 cm; in tutti e tre i casi il led infrarosso non trasmette segnali modulati, ma emette la sua radiazione in continuo. Alimenteremo i circuiti con una tensione di 5 V, valore che si incontra facilmente sia nei computer che, per esempio, con la piattaforma Arduino.

Primo schema

Cominciamo dallo schema di figura 2; il circuito ci permetterà di attivare a distanza un dispositivo che resterà in funzione fino alla pressione di un pulsante di reset. Useremo come diodo IR un comune LED a infrarossi, della potenza di circa 100 mW. Affinchè possa produrre una emissione sufficientemente intensa, lo faremo lavorare quasi ai limiti, con una corrente di circa 140 mA; a tale scopo inseriremo in serie al led una resistenza R1 da 27 Ω. Puntando il diodo con precisione è possibile raggiungere una distanza massima di funzionamento di circa 50 cm.
Per la parte ricevente useremo un fotodiodo (FTD) tipo Osram Opto BP104, o dei modelli similari ugualmente adatti.
L'elemento di controllo è un SCR, che riceve sul gate G la corrente che scorre nel fotodiodo e nella resistenza R2 da 3,9 kohm. L'SCR controlla il carico presente sull'anodo A, carico che nello schema è rappresentato da un comune diodo led, in serie ad una resistenza da 220 ohm (R3); è naturalmente possibile, e sicuramente più utile, inserire al posto del led un relè in grado di comandare altri utilizzatori (figura 3). Come sempre, quando si inserisce in circuito un elemento induttivo (la bobina del relè), occorre disporre in parallelo ad esso un diodo (D) di protezione contro le sovratensioni.
Quando il fotodiodo FTD viene investito dal raggio emesso dal led IR, lascia passare una corrente che va ad innescare il gate dell'SCR. Il diodo SCR è stato scelto poiché agisce come un relè, nel senso che, una volta innescato, rimane in conduzione fino a che il circuito è alimentato. Per disattive l'SCR una volta innescato è possibile premere il pulsante "reset".
Il condensatore C1 da 390 pF presente sul gate ha lo scopo di sopprimere eventuali disturbi che potrebbero innescare l'SCR.
Come SCR è possibile usare un P0102 della ST o equivalenti (figura 4).

Secondo schema

Lo schema di figura 5 funziona in modo diverso, segnalando, con l'accensione del led, il passaggio di un ostacolo fra l'emettitore a infrarosso ed il fotodiodo FD. Il led infrarosso emette in continuazione il suo raggio, che va a colpire il fotodiodo FD.
Il transistor TR1, ricevendo corrente sulla base attraverso la R2, tenderebbe a far accendere il led; osserviamo però che, sempre collegato alla base, è presente il fotodiodo FD: quando questo ridceve il raggio del led IR, passa in conduzione, sottraendo corrente al transistor, che pertanto non può condurre.
Per il corretto funzionamento è quindi necessario allineare con precisione il diodo emettitore ed il fotodiodo ricevitore.
Nel momento in cui un qualsiasi ostacolo interrompe il raggio, la corrente entra nella base di TR1 e lo porta in conduzione, accendendo il led.
Poichè il circuito è molto semplice, anche la sensibilità è limitata e la distanza massima consentita è di circa 6 o 7 cm; una possibile applicazione, per esempio, potrebbe essere, in campo di modellismo ferroviario, quella di rilevare il passaggio di un trenino. Anche in questo caso, volendo azionare un qualsiasi dispositivo al passaggio del già citato "trenino", è possibile inserire un relè al posto del led.
Valore dei componenti:
Led IR e fotodiodo: gli stessi dello schema precedente
R1: 27 ohm - R2: 82 kohm - R3: 220 ohm
TR1: transistor npn BC547 o equivalenti

Terzo schema

Aggiungendo un transistor, come si vede nello schema di figura 6, si ottiene una maggiore sensibilità, per cui il circuito può funzionare fino ad una distanza di circa 70 cm fra il led emettitore ed il ricevitore. Il funzionamento è il seguente: il transistor TR2, ricevendo sulla base la corrente proveniente da R3, tenderebbe a far accendere il led che si trova sul suo collettore; il transistor TR1, tuttavia, che riceve corrente in base attraverso la R2 ed il fotodiodo FD, va in conduzione e porta a zero la tensione di base di TR1, per cui il led rimane spento. Nel momento in cui un ostacolo intercetta il raggio proveniente dal led infrarosso IR, il fotodiodo Fd non fa più passare corrente, TR1 non conduce più ed allora TR2 passa in conduzione, attivando ciò che si trova sul suo collettore (led oppure relè).
Valore dei componenti:
Led IR e fotodiodo: gli stessi degli schemi precedenti
R1: 27Ω - R2: 3,9 kΩ - R3: 33 kΩ - R4: 220Ω
TR1, TR2: transistor npn BC547 o equivalenti

Mi piacerebbe poter trattare in prossime pagine il funzionamento di un telecomando in grado di raggiungere le stesse distanze dei telecomandi per televisori e sistemi audio; devo cercare però un sistema che permetta di ottenere buoni risultati senza complicare eccessivamente il circuito. A presto.