基礎量測及實習
紅外線感測器
班級 : 四機械三 C
學號 : 4980H203
姓名 : 王聖文
壹實習目的
一瞭解紅外線感測器的基本特性
二熟悉紅外線感測器的驅動電路
三熟悉紅外線感測器的收訊電路
四瞭解紅外線感測器在階段控制中的應用
五瞭解紅外線感測器在各類儀表電路中的應用
貳相關知識
發光元件的種類很多，依光譜大致可分為紅外線發光元件及可見光的發光元件
在本實習中，所要介紹的紅外線發光元件，是以 砷化鎵GaAs的紅外線發光 二極體為主體，分別敘述其基本特性及應用電路
一. 基本特性
1. 電流—電壓特性：
紅外線發光二極體其電氣的整流特性如圖6-1 所示，陽極Anode即P 側電壓 加正，陰極Cathode 即N 側電壓加負，此時二極體所加之電壓為向電壓，
因此電流便產生而所加上的電壓，須視所用半導體的結晶種類而異，一般而言 砷化鎵的紅外線發光二極體約須1V，而鎵質的紅色發光二極體切入電壓約須 1.8V；綠色發光二極體切入電壓約須2.0V 左右當加入之電壓超過切入電壓之 後，電流上升極快，另外周圍的溫度對二極體的切入電壓變化影響亦很大，當溫 度上升時，將使其切入電壓數值降低如果，二極體所加的電壓為反向時，其電 流流出幾乎等於零，只有微小的漏電流，但是所加電壓超過逆向耐壓時，便立即 有大量的電流通過，此種方式之連接方式，將損壞到元件之品質，甚而連元件燒 燬，一般紅外線二極體逆向耐壓之值約為3-6V，在使用時儘量避免有此一情形發 生
圖 6-1 紅外線發光二極體的特性
2. 損失：
紅外線發光二極體的熱損失，是因元件所外加的電壓VF，產生的電流IF 累積而來 的，其一部 份能量做為光的發射，而大部 份即形成熱能量之發散一般的損失值 均以瓦特(W)單位表示之一般說來，電流及電壓的損失，在最大值的60％ 以下 的裕度範圍內，元件使用上會很安全，又電壓及電流之損失其最大值皆須以周圍 溫度之參數值而定，這點是須注意的通常元件之最大值都有一定的限制，若舉 紅外線發光二極體為例，表6-1 即為各種紅外線發光二極體之使用額定值之規範
型名 包裝 絕 對 最 大 值 e(mW) Vf(V)
△ deg TYP
p (nm)
TYP
If (mA) Vr (V) ( P
mW) Topr (°C) MIN TYP If
(mA) TYP MAX If
(mA) GL-350 陶瓷 60 3 90 -25~+100 1.4 2.9 40 1.2 1.4 40 ±60 950 GL-351 陶瓷 60 3 90 -25~+100 1.7 3.3 40 1.2 1.4 20 ±75 950 GL-352 陶瓷 60 3 90 -25~+100 1.7 3.3 40 1.2 1.4 20 ±55 950 GL-410 環氧
樹脂 65 6 100 -25~+85 0.5 1 20 1.2 1.4 20 ±85 950 GL-430 環氧
樹脂 50 6 75 -25~+85 0.5 1.1 20 1.2 1.4 20 ±13 950
GL-450 雙方 向的 發光 環氧 樹脂
50 6 75 -25~+85 0.7 1 20 1.2 1.4 20 ±18 950
GL-504 TO-18 100 6 150 -40~+125 0.7 2.2 50 1.3 1.4 50 ±7 950 GL-514 TO-18 150 6 250 -40~+125 3.3 5.4 100 1.4 1.6 100 ±7 950 GL- 513F TO-18 150 6 250 -40~+125 1.4 2.9 100 1.4 1.6 100 ±50 950 GL-518 TO-18 80 6 120 -25~+125 2 3 50 1.3 1.6 50 ±9 950 GL-519 TO-18 100 6 200 -25~+85 0.5 1.2 20 1.2 1.4 20 ±30 950 GL-520 環氧
樹脂 80 6 120 -25~+85 1 1.9 20 1.2 1.4 20 ±28 950 GL-521 環氧
樹脂 100 6 120 -25~+85 1.6 - 20 1.2 1.4 20 ±13 950 3. 發射束電流特性：
紅外線發光二極體如加向電壓而產生電流時，就會發射出光線，一般可見光的 發光二極體其輸出光的強度是以光度表示之，而不可見光如紅外線發光二極體其
輸出光的能量大小，是以發射束φe 表示，其單位為瓦特發射束的意義是單位 時間內，所能發射搬移光的能量的多寡紅外線發光二極體的發射束是有方向 性的，當利用受光元件如光二極體光電晶體或紅外線接收二極體來測光的強度 時，其方向性就要注意了，一般的測光均以全光束為之，所以其測定方法有其一 定程序，首先用一積分球為測定裝置，以便於做各方向的發光量測定，求其絕對 值，次之用如圖6-2 所示之裝置，以一光二極體放入到這個球具中，用來測定受 光量，由光二極體之輸出可得相對之光量值，若須正確的光量值，則須將由積分 球，所求出之絕對值，拿來當校正數據，比對而求得正確之光量值測定受光量，
由光二極體之輸出可得相對之光量值，若須正確的光量值，則須將由積分球，所 求出之絕對值，拿來當校正數據，比對而求得正確之光量值紅外線發光二極體 的發射束大體上也是隨電流比例而定，如圖6-3所示，為發射束與向電流的特 性曲線同時，發射束亦受周圍溫度影響，溫度下降時，發射束反而增強；溫度 上昇時，則下降向電流一般都有一固定值，然而因熱損失之故，元件上的 溫度便形增加，如此發光效率就會受到影響而降低定義發光效率=發射束／
向電流 x向電壓
圖6-3 發射束－向電流特性(GL-514) 4. 電流的最大脈衝驅動值
欲得到大的發射束，就必須有大的電流通過，然而電流的通過又有一定限度，否 則便會使元件本身溫度上昇，甚或損壞在這種情況下，有一個變通的方法，就 是採用脈衝驅動的方法脈衝幅度窄時，其工作比duty就變小，而電流峰值 就變大，而平均散逸功率仍保持原先定值，此時發射束相對增強，使得發光效率 提高圖6-4 為峰值向電流與工作比特性曲線
圖6-4 峰值向電流工作比(GL 514) 使用紅外線發光二極體，還要注意到壽命的問題，紅外線發光二極體，如長時間 連續通電發射光線時，其效率將會降低，此時我們稱之通電不良而通電不良的 程度則視通電電流大小及通電時問長短決定基於此觀點，在設計發射束時，必 須考慮這方面的裕度一般在設計裕度須以最大值的60％ 為準通電電流和不 良率的關係，可由圖6-5 看出，圖中虛線為標準元件之全生期與半生期之曲線，
實線部份則為不良元件的全生期及半生期之曲線
5. 發光頻譜：
發光二極體所發射的光波長，常因其所用的材料而異圖6-6 所表示是各種發光 二極體的發光頻譜砷化鎵的紅外線發光二極體，其峰值發光波長為940~950 nm, 而人不能看到的光波長，大概就在900 nm 以上，這也就是紅外線的光我
們人眼所不能看到的原因圖中虛線部分，是 Si 質光電晶體的相對分光感度，
光電晶體的感光範圍很大，其範圍由500nm 到1100nm，而其感光峰值約在800nm 左右，所以光電晶體除了平常用來做可見光線偵測外，也常用來做紅外線接收器
但使用光電晶體當紅外線接收器時，須注意其它光線的干擾，為排除干擾可以 在接收器的放大部份加入一帶通濾波器，以讓紅外線發光二極體發射出來光線的 頻率通過，如此可以減少很多不必要的干優
圖6-6 發光二極體的發光頻譜
6. 方向特性
紅外線發光二極體的發射強度因發射方向而異方向的特性如圖6-7，圖的發射 強度是以最大值為基準，方向角度即為發射強度的相對值當方向角度為零度 時，其放射強度定義為10％，當方向角度越大時，其放射強度相對的減少，發射 強度如由光軸取其方向角度一半時，其值即為峰值的一半，此角度稱為方向半值 角，此角度越小即代表元件之指向性越靈敏一般使用紅外線發光二極體均附有 透鏡，使其指向性更靈敏，而圖6-7a的曲線就是附有透鏡的情況另外每一 種編號的紅外線發光二極體其幅射角度亦有所不同，圖6-7 (b)所示之曲線為另 一種編號之元件，細之幅射角度之比較，可參閱表6-1 的△θ一欄中之角度記 載
圖6-7 發光元件的方向特性 7. 距離特性
紅外線發光二極體的幅射強度，依光軸上的距離而變，亦隨受光元件的不同而變
圖6-8 是受光元件的入射光量變化和距離的特性基本上光量度是隨距離的 平方成反比，且和受光元件特性不同有關
圖6-8 相對發射輸出與距離特性 8. 響應特性
響應特性所指的是，紅外線發光二極體加入電流後，至發光的時間，一般紅外線 發光二極體的響應時間是隨其製作方法不同而異現在最快的是液體成長型紅 外線發光二極體，其響應速度約在1~3μS ，亦即在適當調節下 , 其使用頻率約 在300KHz 以下
9. 包裝與外型
紅外線發光二極體的包裝種類分為三種，透鏡消除型陶瓷型及樹脂分子型，其
包裝構造如圖6-9 所示，若在使用環境上，用途上要求嚴格的話，應使用陶瓷型 的最佳紅外線發光二極體的外型如圖6-10 所示，圖中的照片完全是實物大小
圖6-9 紅外線發光二極體的包裝構造
圖由左是：
GL350,GL410,GL430,GL504,GL514,GL513F,GL520,GL4509
圖由左是：GL351,GL352,GL521,GL518,GL519
圖6-10 紅外線發光二極體的外型 二驅動電路
使用紅外線發光二極體時，驅動電路的設計相當重要，好的設計能使紅外線發光 二極體的發光效率最高，且使用壽命增長，所以在此要特
別介紹驅動電路
1. 電阻負載驅動：
紅外線發光二極體在使用時，須由電流驅動，又其發光強度是與電流成比例變 化，所以電流控制方式的重要性就相對的增加了圖6-11所示為其電阻負載驅動 方式，這是最簡單的驅動方式，驅動電源是以直流為之，根據圖6-12 所示的
向電壓電流特性可繪出其負載線，並求出其工作點工作點所對應的電壓
電流分別為VF 及IF ，因此可
列出下式： 圖6-11 發光二極體的驅動電路
圖6-12 發光二極體向電流－電壓特性及其動作點 在進行設計時，最重要的是在lF 電流的控制，設計出的IF 不能太大，若大於 IF(max)則元件有燒燬之慮，IF 若太小，則其發射束就會變小另外在電源電壓 的取得亦須注意其穩定性，為求得發射光束的穩定，電源電壓的穩定要求相對的 提高，所以在精密的紅外線控制中，應儘量做到電源的穩定，有時為求其穩定性 也可將電源提高，電源提高之後，為保持電流的不變，所使用的限流電阻亦相對 的提高，此時電源的微量變動，對電流影響就不大了，以下就介紹電阻負載驅動 設計例：假設電源電壓 VCC=5V，電流IF 取小於IF(max)為20mA，由圖6-1 的特性 曲線求得電壓VF=1.2V 代入驅動公式可得：
此時R 須採用190Ω，紅外線發光二極體即可取得20mA 的驅動電流，建議讀者在 設計之前，先參考二極體的特性資料，以免做了錯誤的設計
2. 多個紅外線發光二極體的串並聯驅動
有時候用一個發光二極體的發射，其輸出能力是不夠的，因此也可同時採用多個 發光二極體做發射，以加強其輸出能力，多個紅外線發光二極體的驅動有兩種，
一是串聯，一是並聯圖6-13 是串聯驅動的方式，計算電路的
IF 圖6-13 串聯的發光二極體的驅動方式
在設計電路時，須注意電源電壓必須大於n x VF 值圖6-14 是並聯驅動的方 式，計算電路的IF：
在設計此電路時，須注意電源供應之電流必須大於n x IF 值，否則紅外線發光 二極體的發光效率將降低很多
圖6-14 並聯的發光二極體之驅動方式 3. 用電晶體做為定電流的驅動電路：
為求紅外線發光二極體所發射出光束的穩定，也可藉定電流電路驅動之，定電流 電路的設計可採用如圖6-15 所示三種方式為之，(a)圖中採用齊納二極體做定電 壓，可以得到IE 電流：
圖6-15 定電流驅動方式 又IF=Ic ≈ IE，所以IF≒(Vz-VBE)/RE，式中VZ,VBE,RE 皆為定數，所以IF固定不變，
因此可以在晶體集極串接很多個紅外線發光二極體，且能很穩定的發射光束，但 是所串接的紅外線發光二極體，仍有一定限度，必須滿足下列條件：
VCC≥nVF+VBE+VE
≥nVF+VBE+Vz-VBE
(b)圖中是採用普通矽二極體串聯當定電壓源，計算方式同前式，只將Vz 改為 nVD，n 視串聯n 個偏壓二極體決定，(c)圖中定電壓源改用晶體為之，利用Tr1 之 VBE 電壓當定電壓源，所以IZ2=VBE1/RE 又IF=IC≈IE，所以IF=VBE1/RE 也是固定的電 流
4. 與TTL IC 及CMOS IC 的連線驅動：
由TTL IC 與CMOS IC 的電氣特性可知，IC 輸出欲直接驅動紅外線發光二極體，
似乎很勉強由表6-2 可知，普通74 系列的TTL IC，輸出電流都不足供應紅外 線發光二極體動作所需電流，在CMOS IC 方面40 系列的IC，輸出電流更不足以 推動之，所以直接由IC 驅動，並不是一個十分良好的設計，一般均在IC 的輸出 加入一電流放大單元，若所需發射功率不是很大時，可以採用單晶電流放大，若 所需發射功率很大，那麼可以採用達靈頓對加以驅動之，圖6-16(a)(b)即單晶驅 動及達靈頓對驅動的電路
參 數 最小值 典型值 最大值 單位 (PARMETET) (MIN) (TYP) (MAX) units VIH 高準位輸入電壓 2 V VIL 低準位輸入電壓 0.8 V VOH 高準位輸出電壓 2.4 3.4 V VOL 低準位輸出電壓 0.2 0.4 V IIH 高準位輸入電流 40 μA IIL 低準位輸入電流 -1.6 mA IOH 高準位輸出電流 -400 μA IOL 低準位輸出電流 16 mA
ICC 供應電流 4 8 mA tPLH 傳遞延遲時間低到高準位輸出 11 22 ns tPHL 傳遞延遲時間高到高準位輸出 7 15 ns
圖6-16 IC 驅動電路 5. 正弦波調變驅動電路：
圖6-17 即正弦波調變最簡單的驅動電路，圖中由紅外線發光二極體，反向並聯 一只矽二極體，此作用在防止負半週正弦波加入時，造成的逆向破壞，當正弦波 加入時，只有正半週能使紅外線發光二極體動作，而發射出光束，至於負半週則 由反向並聯的矽二極體旁路，所以紅外線發光二極體的放射光束只有正半週，無 法將全部的信號，完全放射這是其缺點為彌補此一缺點，可將反向並接的矽二 極體改為同一編號的紅外線發光二極體，如此一來，這反向並接的二極體可兼具 發射光束的功能，使得正弦波的信號能完全輸出，但其中正負半週的連接部份仍 然會有少許的失真，為避免此類失真，也可改換 另一電路形態，如圖6-18 所示，
為晶體式的調變電路，此類電路兼具放大功能，其原理乃利用晶體的工作區做A 類放大，如圖6-19 所示，其輸出信號是一個不失真的正弦波，由於紅外線發光 二極體是單向導電的元件，所以利用此一偏壓方式，提高其直流準位，如此一來 才可以使輸入的正弦波能夠全部輸出，下列即為電路的分析
圖6-17 正弦波調變驅動電路
圖6-18 在發光二極體的線性部份加入偏壓的驅動方式 令調變輸入為零，計算其直流偏壓：
20mA 是加入調變信號時，流過紅外線發光二極體的電流，當加入調變信號之 後，晶體會按比例將輸入信號放大，此時，流過紅外線發光二極體的電流變成20mA
±ie，利用提昇準位的交流變動信號，即能完整的將輸入調變信號傳送出去
6. 脈衝波調變驅動電路：
紅外線發光二極體用脈衝調變，亦是傳達信號的一種方法，而且也是一種較理想 的方式，在前節經提過，如果紅外線發光二極體，流過大量電流就會得到大的
發射束，但是電流的極限，受到規格的限制，因此，利用脈衝調變方式降低其平 均電流，就可能容許有比較大的峰值電流流過，使得發射光束相對的增強圖 6-20 所示，為電晶體多諧振盪驅動方式，利用Tr1,2 形成無穩態振盪器，其工 作週期可由R1,R2,C1,C2 決定，Tr3 則負責電流放大，GL520 則為紅外線發光二 極體
圖6-20 電晶體多諧振盪驅動電路
圖6-21，6-22 均是利用IC 形成振盪電路，為了控制工作週期，我們可以分別在 圖6-21 及6-22 加入D1 及D2，如此一來就可以控制振盪週期，兩個電路的輸出 驅動均利用達靈頓電路，圖6-21 中ZD1，則是保護Tr1 及Tr2 用的，C2 則為濾 波電容用以穩定電源消除雜訊
圖6-21 IC 式振盪驅動電路(一)
圖6-22 IC 式振盪驅動電路(二)
圖6-23 單接合面電晶體振盪驅動電路 圖6-23 為一UJT 振盪驅動電路，為求得很窄的脈衝調變，則使用UJT 是最恰當 不過的，UJT 本身是負電阻元件，可以做為弛張振盪器，利用R1 與C1 之充電方 式，獲得激發電壓，形成振盪，在GL520 上可取得峰值很高的脈衝
圖6-24 555 組成之振盪驅動電路
圖6-24，則是利用NE555，做為脈衝產生電路，為調整其工作週期，也可分別加 入D1 及D2 控制之其輸出之脈衝仍然利用晶體驅動之圖6-25，為一經過載波 調變的脈衝，其調變出來的信號如圖6-25所示，此種方式的調變可以提高S／N 比，亦可防止同頻率信號的干擾，因為在空間中要出現和此類信號完全一樣雜 訊，幾乎是不可能
三. 收訊電路
收訊電路和驅動電路是相對應的，驅動電路是負責將信號發射出去，而收訊電路 則是將發射出的信號接收並予以處理，紅外線的信號經過空間的傳輸之後，勢必 會受到衰減及干擾，因此一般收訊電路，利用光電晶體或紅外線接收二極體接收 到信號之後，一定得送入放大級，有時為了使信號能原形重現，也可加入些許補 償電路，下面就介紹幾個常用的收訊電路
1. 晶體放大收訊電路：
利用晶體放大做為收訊電路的方式也有很多種，如圖6-26 所示有四種簡單的收 訊電路，(a)圖為集極回授放大電路，計算其輸出電壓Vo=RF x (Ip+Ic/hfe)+VBE ， 式中Ip 電流隨外來紅外線信號而變，因此，所取出之Vo 電壓，即為紅外線信號 的函數將(a)圖的收訊二極體，並聯上RBE 電阻，其輸出的直流準位可以進行調 整，而輸出電壓Vo 將變為：
三. 收訊電路
收訊電路和驅動電路是相對應的，驅動電路是負責將信號發射出去，而收訊電路 則是將發射出的信號接收並予以處理，紅外線的信號經過空間的傳輸之後，勢必
會受到衰減及干擾，因此一般收訊電路，利用光電晶體或紅外線接收二極體接收 到信號之後，一定得送入放大級，有時為了使信號能原形重現，也可加入些許補 償電路，下面就介紹幾個常用的收訊電路
1. 晶體放大收訊電路：
利用晶體放大做為收訊電路的方式也有很多種，如圖6-26 所示有四種簡單的收 訊電路，(a)圖為集極回授放大電路，計算其輸出電壓Vo=RF x (Ip+Ic/hfe)+VBE ， 式中Ip 電流隨外來紅外線信號而變，因此，所取出之Vo 電壓，即為紅外線信號 的函數將(a)圖的收訊二極體，並聯上RBE 電阻，其輸出的直流準位可以進行調 整，而輸出電壓Vo 將變為：
圖6-26 晶體收訊放大電路
將(a)圖的電路多加上射極隨耦器，即如(c)圖的電路，加上了射極隨耦器之後，
將更有益於信號的檢出及信號的耦合，(d)圖是直接由一個射極隨耦器組成，晶 體直接放大光電晶體，所偵檢出的電流，將之轉換成電壓輸出電路中0.01μ的 電容是做消除雜訊的功能
2. 運算放大器的放大收訊電路：
使用OPA 來當做收訊放大電路，是一個很理想的選擇，理論上OPA能將輸入信號 做無窮大的放大，雖然實際無法做到，但只要稍加補償，就能將輸入信號做相當 大的線性放大圖6-27(a)所示為一非反相放大，它可將紅外線接收二極體所偵 檢出的信號做(1+R2/R1)倍的放大，在放大倍數太大時，輸出信號會有一些振鈴，
我們可以在R2 兩端並聯一5P~15P 的小電容，用以衰減高頻增益，取得響應良好 的信號圖6-27(b)所示，為一微小信號的取出電路，其增益理論上是無窮大，
所以在一微小的照度下，還能保證到照度和輸出的比例關係圖6-27(C)所示，
紅外線接收二極體是加在反相輸入端，同時有供給直流偏壓，由於加入的直流偏 壓是反偏，將使接收二極體的接面電容減少，使得響應速率增高但是在高溫 時，將造成逆向漏電流的增加，影響到信號檢出的真實性圖6-27(d)為消除逆 向漏電流的影響，而利用電容做連結交流放大電路，因此直流成份將被濾除，只 對外來的交流信號做放大功能另外還有一點需注意的是OPA 偏壓電流的補 償，一般若做反相放大，則必須在非反相輸入端串一個電阻至地，其阻值和非反 相端的等效總電阻值相等
圖6-27 OPA 式收訊放大電路 3. 各種類型放射信號的收訊檢出：
由於放射束，放射過來的信號有直流交流弦波脈衝載波調變信號等不同信 號，所以在接收信號時必須瞭解放射束所放射出來的信號類型，才能予以接收處 理，同時也必須決定要以何種信號型態檢出，在檢出信號方面的類型大致也可分 為兩類，直流與交流在直流信號的檢出方面，如果接收到的信號是直流一般 是可以直接輸出，但為了消除空間中的雜訊干擾，也可加入濾波電路如果接收 到的信號是交流信號，欲得直流檢出，則可加入適當的整流濾波予以直流化在 交流信號的檢出方面，如果是要做原型信號的檢出，則只要在做一般的交流放大 之後，再略做補償，使得原來的放射信號重現即可，在交流檢出方面有一個比較 特殊的信號，即經載波調變過的放射信號，由於此類信號包含有兩種頻率，收訊 電路接收了信號之後，為處理信號，則須先經帶通濾波器，經過了帶通濾波器 之後，可將信號分離，再做處理這是一種很理想的信號傳輸方式，只是在接收 訊號的處理方式上較麻煩罷了下面是一種較簡單的帶通濾波器介紹，圖6-28 所示是一種簡單的帶通濾波器電路，其設計方法加下所述：
(1)決定fo,Q，Go 令Fo=1KHz，Q=20，G=100
(2)選擇Rm 值及C 值利用Fo=1/2π x CRm 的公式決定C=0.1μ，則 Rm=1.59KΩ
(3)決定R1 值及R2//R3 之值利用R1= x Rm，R2//R3=Rm/ 得 R1=63.6KΩ，R2//R3=40Ω
(4)決定R3 值利用G=R1//2R3，得R3=318Ω (5)決定R2 值利用R2//R3=40Ω，代入得R2=46Ω
如上列之設計方式，如果找不到合適之阻值，也可利用可變電阻代之
圖6-28 帶通濾波器的電路設計 四. 應用電路
1. 磁帶端的檢出電路：
圖6-29 所示是視頻上或磁帶記錄的磁帶起始位置及終止檢出用的電路光源是 使用2 個鎢絲燈或發光二極體,用兩個發光二極體做雙方向的照射，在實際裝配 上是一使用簡便的機構在這個機構上，磁帶的捲軸終端及起始部份均是透明 的，這時光電晶體可感知發光二極體的光線，使得電路的輸出有高準位的變化，
在磁帶只有磁粉的部份是半透明的所以光電晶體，無法感受到內部的光源,因此 輸出低準位機構就是藉此來檢測磁帶的起始與終結，電路中的收訊元件若是 怕外界光源之干擾，也可採用成本較高的紅外線收發訊元件來控制
2. 警報電路：
圖6-30 為一紅外線警報電路，其發射器包含三個部份，一個500 HZ的定時脈波 產生器，一個定時脈衝整型器，一個驅動器，定時脈波產生器是由三個反相閘組 成，它能提供頻率約為500HZ 的方波定時脈衝整型器乃是由兩個雙重輸入的閘 路與一個反相器組成，此整型器本身為一個單擊電路，它能產生頻率500HZ，而 任務週期為1％的波形，本警報器所使用的紅外線發光二極體為快捷公司的FLD 100，它能放射一強而窄的紅外光，一般在使用時為增長其感知距離，均加上透 鏡裝置在接收器方面主要是由FPT 100 的光電晶體與相關電路組成FPT 100所 偵儉出紅外線信號由反相閘做放大整型，然後信號傳輸至uA9601 的
單擊器中其延遲時間約4.5msec0.36R4C3比定時脈波頻率的週期2ms 稍高，
若以單擊器被輸入脈波連續激發則輸出Q 一直保持高電位，此時栓鎖電路不動 作，SCR 也不被激發一旦當紅外線被侵入者擋住時間超過4.5ms 時單擊器輸出 為低電位，栓鎖電路動作，SCR 也被激發，致使警報作響，欲清除此狀態，只要 將Reset 開關，按一下即能回復原始激發狀態
圖6-30 警報電路 3. 無線式收發信機：
紅外線除了做簡單的階段控制之外，也可做較複雜的通訊電路，圖6-31 即為紅 外線發信機的全部電路，發信用的紅外線發光二極體係使用東芝推出的TLN-101 規格的製品，產品的光束較尖銳，恰好適合業餘無線電所使用的波道寬，在調
變方面係使用型號為LM-386 的IC此IC 幾乎不需要外加零件，電源電壓使用 4~12V，即可動作，無信號時的消耗電流為3mA，而且具有可得輸出0.9W(12V 時) 的優越性能
圖6-31 發訊電路
此IC，原設計電壓增益為20 倍，但為增加其增益可在第1 腳和第8 腳之間接人 電容器，可藉以提高增益約至200 倍， IC 的輸入是第3 腳，輸出是第5 腳，
一般若輸出要連接至喇叭，中間必須串一個阻隔直流的電容，但是現在輸出接的 是紅外線發光二極體，為了保持發射束的不失真，傳送到紅外線發光二極體的交 流信號必須有直流位準(可參閱驅動電路(五))因此，電路中不加電容，直接串接 紅外線發光二極體此時，經由MIC 接收到的聲音，便可由紅外線發光二極體傳 送出去圖6-32 是紅外線收信機的電路圖，因為紅外線從發信機發射出來，所 以收信機就必須要能接收紅外線，能夠接收紅外線的元件，普通的Cds 是不行 的因其感度太低了由此緣故，我們可選用東芝的矽光導電晶體TPS-601
此光電晶體對940nm 的缸外線感度相當高在接收方面的放大同樣亦使用
LM-386，其電路形式和發訊電路差異不大，輸入部份是由TPS 601 光電晶體和10K 電阻組成,所取出的信號，經由電容的耦合進入到LM-386 放大，第5腳輸出經電 容阻隔直流，送到耳機或喇叭，完成傳送信號的動作
圖6-32 收訊電路
裝配完成之後，可以先試試收訊部 份，將光電晶體朝向日光燈等光源，應可以 很清楚的聽到 " Boon"的交流聲，此時可以確定收訊電路是正常的，接著把收訊 及發訊兩電路的傳輸元件俟近測試，讀者可在MIC 邊發聲，確定耳機或喇叭是否 有聲音出現，接著是距離測試，逐漸把雙方的間隔，隨光軸的方向拉遠，約至1m 左右，聲音將突然降低讀者不要認為其傳遞距離只有1m，因為一般在使用時，
還得加上透鏡，此時距離可能到達22m 之遠約讀者不妨試試，但是對焦的工作 可不是一件簡單的工作附圖6-33 為TLN-101TPS-601 的指向特性圖及規 格特性
4. 紅外線遙控系統(一)
紅外線遙控是一種無線的遙控，一般在做此類的電路，均採單晶IC為之，本系統 為簡化電路，將採用一種抗干擾性極強供PCM 傳送的收發射機用的CMOS-IC，其 編號為SLB 3801 及SLB 3802在還沒介紹實際電路前，先介紹一下本系統的特 徵：
(1)採用2 相形體調變，其響應安全度極高，不易受干擾
(2)消耗電流低，電池壽命極長
(3)具有64 波道可供使用
(4)接收IC 內部藏有AGC 前置放大，具有穩定信號振幅之功能首先就介紹發射 部門，如圖6-34 所示，SLB 3801，是負責發射的IC，祇要按下XY 鍵陣網中的1 個 鍵，即可將所輸入的命令變換成8 位元寬的連續通報信號這個IC 共有六個輸 入終端分為4 列X及2行Y，欲傳送信號以要使4 列X中的1 腳和2 行
Y中的1 腳短路即可，所以電路具有8 個波道，另外於 Co‧控制端部份又 有3個位址控制，司設定8 個位址，因此兩兩相互配合，共可做到64 個波道的遙 控
(b)實際電 路圖6-34 紅外線發射部門
8 位元的連續通報信號，又是如何處理呢？如圖6-35(a)所示，8 個位元中，第 一固bit 是起動位元，均設定為1第二三四個bit 是波道位元：由XY 鍵陣 網決定第五六七個 bit 是位址位元，由bit 位址控制決定，第八個 bit 是停止位元,若設定為1 則表示後面還有通報信號，若設定為0 則表示通報完畢
至於什麼是2 相形體調變呢？它是為防止信號的干擾，而採取的一種措施，其 運算的方式是將原本bit 中1與0 的信號改以相位的方式來表示，由圖6-35(b) 的例子中，若bit 信號為1 則產生一正相位信號，若以信號為0 則產生一反相位 之信號，信號運算完之後，再加入25KHZ 的調變載波信號，如此一來便萬無一失，
可以解決信號干擾的麻煩了
(a)通報位元分配
(b)通報信號 圖6-35 通報位元的波形及分配
回到圖6-34(b)，電路中的載波信號是由CSB 455A 的石英晶體負責產生，其通訊 信號的輸出為增強光束，採用定電流晶體推動串並聯方式所以共有4 個發射元 件若採用LD 273 則用兩個就夠了為了確定信號的發射，又追加一個LD1
發光二極體，其放射光的變化和紅外線發光二極體完全一樣在發訊電路中還值 得一提的，就是SLB 3801本身具有按鍵防跳方塊，所以讀者不必在按鏈區加入任 何輔助元件圖6-36 為收訊部門(a)圖是SLB 3802 的方塊略圖，其輸入級中 內藏著可變增益前置放大器，隨著接收狀況的不同，振幅有著極大變化
的光二極體信號，由於AGC 放大器的作用，可與內部邏輯的信號階層相配合，故 既具有高靈敏度而又兼具防止過調變的兩立性功能，至於AGC 時間常數，則取決 於外部的RC 值接受通報後的 2 相形體調變信號，須先接受數位解調，恢復 原先的位元信號，再加以處理，得到8 個波道的輸出，此系統在操作中為擴充其 波道數到64，必須配合Co控制來完成，也就是發訊電路與收訊電路的Co 控制開 關必須撥在同一位置，如此一來才能在輸出端得到真正的波道輸出，否則信號將 遺失在這網路中(b)圖是收訊的實際電路，受光元件是採用PIN 光二極體SFH 205，L1， C3 是調諧在25KHZ 的並聯諧振，因此只有25KHZ 的信號才能利的 經由SFH 205 偵檢出到前級放大，BC 239C 是一個電流放大率極大的低雜音型製 品，此級之電壓放大約130 倍做完前級放大的信號,經電容耦合到SLB 3802，
做處理處理完的信號便呈現在CH1~CH8 的某一個波道中完成後的紅外線遙 控器，遙控距離約16m，若加上透鏡則可達20m，如果將牆壁反射也算進去的話，
距離將長達30m
5. 紅外線遙控電路(二)
紅外線遙控電路的應用很多，如電視音響的各個控制開關，均可用遙控的方 式，予以控制使用者也下必走到機器前面打開開關諸如此類的應用，不勝枚 舉，在此再列舉一個遙控電路例：電腦鍵盤與電腦連線的無線化由於前一個單 元所介紹的遙控電路，只有64 個波道的空間，不足鍵盤的使用，因此在這個單 元中，再介紹一個具有512 波道空間的單晶IC，SDA 2208-2 是一值相當方便使 用的一個IC，使用時只要外加一個石英晶體即可一般均選擇500KHZ 之石英晶 體，它共有512 種選擇輸出，在使用時只要任意在圖6-37 中按下一個鍵，IRA 端立即有十個位元的通報信號出現，如果按下不放則會斷續出現通報信號，如圖 6-38 所示，是其通報信號的位元分配
圖6-37 SDA 2208-2 發訊電路
圖6-38 通報位元位置分配 在十個通報位元出現之前，會先有一個引導位元，其波寬為256／Fclk，引導位 元之後經過5 x 256／Fclk 的時間之後才正式出現十個位元的通報信號出現，在 這十個位元的第一個位元是為起始位元，平常均為1剩下的九個位元均為資 料，如果讀者還記得剛剛所提的兩相形體調變信號，這通報信號，不正就是兩相 形體調變信號至於按鍵與輸出信號的對應關係，讀者可以參閱表6-3 即可一目 了然SDA 2208-2 的單晶IC 做完信號處理之後，要發射信號出去，可以直接推 動紅外線發光二極體，所以，我們可以採用直接推動方式，而接在第三腳的輸出 端為增加其放射光束，也可採用串聯方式有了512 個波道的空間，讀者 就可以針對電腦鍵盤任意編碼綽綽有餘了如圖6-39 為電腦鍵盤和電腦連線的 無線化的方塊圖當按下電腦鍵盤的按鍵時，紅外線發射電路便會發射一經過編 碼的數據，透過紅外線傳送到電腦主體，當然電腦主體為了接收這紅外線的信 號，也必須裝有紅外線接收電路及解碼電路，才能使電腦接收到鍵盤傳遞過來的 信號致於紅外線接收電路，在這裹我們提供編號TDA4050B 單晶IC 供做使用，
這個IC 可以為所接收的紅外線信號做預放大的工作，而且其效率極高，很適合 在這一方面使用如圖6-40 所示為其電路，在電路中BP 104 為光二極體，負責 接收紅外線信號，接收進來的信號則由BC 414C 負責放大，做完放大之後，由集 極輸出至TDA4050B，在TDA 4050B 的附屬電路中，為防止雜訊干擾，所以又在4，
5 腳加入動態濾波器，信號經過TDA4050B 的處理之後，於第3 腳輸出，此時的 輸出信號，可以說是原先發射出來信號的複製，但是這個通報信號並不能直接由 電腦所接受，必須再經由解碼電路，執行解碼的功能若讀者不想利用硬體來 做，也可以直接設計軟體程式，將通報信號改為電腦所能接受的信號在使用TDA 4050B 時，須注意使用電源，在9~16V 之間才能正常動作
參實習電路原理說明
計件器
如圖6-41 所示，雖然是分離的電路，但是一一加以組合即能組成一個計件器
首先可將發光二極體及光二極體放在輸送帶的兩端紅外線發光部份可採用直 流或交流方式激發，讀者可自行取用，接收部 份是由BPW43的PIN 光二極體負責，
接收進來的信號由 U2 做1000 倍的反相放大，再由U3執行一次22 倍的反相放 大，注意當你使用交流激發時，可連接上L1，C4 且使激發頻率剛好是L1，C4 的 諧振頻率，此時可使激發的信號利的通過，而排除其它干擾信號，處理完的交 流信號經整流濾波後可取出一正值電壓,為確保信號能驅動計數器，於是多加 入U4 執行比較功能，當電壓高於0.85V 就視為高電位，此時物體若通過輸送帶 至偵測點時，則將遮住紅外線發光二極體，所發射出來的紅外光線，此時，光二 極體沒有接收到信號，於是U3 沒有輸出信號，整流濾波出來的電位勢必比0.85V 小，所以U4 的輸出將為負電位，當物體離開偵測點時，輸出電位又恢復高電位
若計數器為正緣觸發，則當物體離開時，計數器，則往上計數1，如此一來這 個電路就能計算物體通過的數量
肆實習儀器設備
伍軟體
陸心得
紅外線感測器對我們從上課到現在來說是很新奇的東西，只要靠著溫度感應器就 可以感應到並且感應做動是波器也是一個很奇妙的電子儀器可以看波型、電流、
電壓，頻率等…。實驗中可以了解到紅外線是多麼的被人類實行在生活日常中的 電子零件之一，紅外線的光是人類看不到所以可以做為防盜器材用。希望將真正 上課所學的實驗到實際生活的應用上，使得生活過的更便利。
