Théories fonctionnement de la technologie infrarouge

Infrarouge

Le principe technologique contenu dans les barrières infrarouge repose sur l’émission puis la réception d’un faisceau infrarouge. Avec une longueur d’onde supérieure à celle de la lumière visible (950nm), les faisceaux IR sont invisibles à l’œil nu rendant discret toute protection périmétrique utilisant cette technologie.

Infrarouge actif
On parle d’infrarouge actif lorsque le faisceau est généré par une source de lumière IR en direction d’un récepteur analysant le signal reçu. Afin d’obtenir de bonnes performances de portée du signal, les faisceaux provenant de l’émetteur sont pulsés permettant ainsi d’avoir beaucoup d’énergie dans les faisceaux tout en prolongeant la durée de vie des composants.



Problématique
Les faisceaux émis par les cellules infrarouge ont une forme de cône (angle d’ouverture 2°) et non une droite fine et régulière. La hauteur du cône à une distance de 100m est d’environ 3m. Conséquence, le faisceau émis par une cellule émission est capté par l’ensemble des cellules réception composant la colonne et ce pour chaque cellule émission.

Test d’une diode infrarouge

Plusieurs internautes mon demandé si il était possible de faire un montage électronique en utilisant une diode infrarouge afin de pouvoir piloter une petite led à distance.
La réponse est oui !! Mais pour compliquer le tout ils mon aussi fait parts de leurs problèmes rencontrés c’était que plus le récepteur était lon de l’émetteur et plus le signal était faible entrainant souvent la non alimentation à distance d’une petite led…
 

 
Bon ! et bien vous savez quoi?! de mon côté ,j’ai retrouvé dans mes tiroirs une diode émettrice infrarouge L-7113 puis son récepteur infrarouge LTE-4208 type photodiode. Il ne reste plus qu’à faire un montage électronique avec ces 2 composants afin de me lancer dans ce défis et d’alimenter cette petite led qui pour moi sera rouge. Voyons maintenant si celle-ci va pouvoir s’allumer ou bien s’éteindre à plusieurs mettre de distance.

Diode émettrice IR

Concernant les diodes émettrices, il faut savoir une chose qui est assez importante pour une diode qui émet de l’infrarouge, c’est sa Longueur d’onde spectrale maximale (Peak Spectral Wavelength). Pour ma diode IR cette onde est de 940nm(nanomètre) pour un courant de 20mA avec une chute de tension entre son anode et sa cathode de 1,2V. C’est dans cette proportionn que l’infrarouge est à son maximum (à vous de voir sur le DataSheet ces caractéristiques)
Avec tout ces explication , il ne reste plus qu’à déduire la résistance à mettre en série pour la protégée sachant que celle-ci sera alimentée sous une pile de 9V (tant qu’à faire autant pouvoir se déplacer dans la maison) .R=U/I=(9-1,2)/0.020 = 390Ohms (valeur normalisée)

Alimentation Diode émettrice IR

Schéma très simple vous ne trouvez pas ?!

Diode réceptrice IR

Alors là !! C’est une autre paire de manche !! Et il va falloir quand même réaliser des petits tests pour voir comment celle-ci réagit sans recevoir l’infrarouge.

C’est donc pour cela que je vous ai fait un autre chapitre présenté ci-dessous afin de voir les différents comportement de la diode réceptrice IR

Les tests en plein jour…

Pour ces tests, je vais utiliser une pile de 9V, et alimenter la diode émettrice à travers différente résistance qui seront:

1er Test résistance de 1K

Courant qui circule pile – diode – masse = 54,9µA

2ème test résistance de 10K

Courant qui circule pile – diode – masse = 37,3µA

3ème test résistance de 1M

Courant qui circule pile – diode – masse = 15,25µA

4ème test résistance de 10M

Courant qui circule pile – diode – masse = 1,50µA

Conclusion des tests en plein jour

Le courant dépend de la résistance mais aussi de l’endroit lumineux, plus la diode émettrice aura sa lentille dirigée dans un endroit extrêmement lumineux et plus le courant va augmenter, et pour le fun, c’est d’ailleurs ce que nous allons voir mais avec des test en plein soleil en utilisant les même résistances afin de voir le comportement de la diode émettrice lorsque celle-ci est soumise à un environnement lumineux plus important.

Les tests en plein soleil…

Comme dis précédement, mais cette fois-ci en plein soleil et en utilisant les même composants en voici les résultats

1er Test résistance de 1K

Courant qui circule pile – diode – masse = 160,7µA

2ème test résistance de 10K

Courant qui circule pile – diode – masse = 104,4µA

3ème test résistance de 1M

Courant qui circule pile – diode – masse = 15,41µA

4ème test résistance de 10M

Courant qui circule pile – diode – masse = 1,50µA

Conclusion des tests en plein soleil

Le courant dépend bien de l’endroit lumineux la preuve puisque avec les même composants le courant est différent. Cependant on remarque que plus la résistance est élevée, et plus le courant reste constant, en revanche ce n’est pas le cas lorsque la diode se retrouve dans un endroit obscure et la le courant quant à lui chute énormément. Il en résulte que la lentille à des inconvénient lorsque celle-ci se retrouve dans un endroit lumineux .

Besoin d’une casquette??

Quelle drôle didée!!! mais pourquoi faire une casquette? regardez lorsque vous sortez à l’extérieur et que le soleil tape en ce beau moi de septembre, qu’est ce que vous faite? vous mettez une caquette pour vous protéger des rayon du soleil. à l’inverse ceraine personne lorsqu’il regarde au loin il se mette la main proche du front pour coupé les rayon lumineux qui vous gène ou bien en conduisant baisser le pare soleil. Et bien peut-être que cette diode à besoin de la même chose?? c’est dommage que celle-ci ne parle pas et qu’elle nous expose son problème clairement!!!
Afin de couper les rayon lumineux j’ai décidé de fabiquer un petit tube en papier carton afin de couper les rayons lumineux et de proteger la lentille. J’ai utiliser la résistance de 1K et j’ai fait une nouvelle mesure de courant

Vous pouvez apercevoir sur la photo que j’ai rajouté une petit cylindre noir qui entour la diode émettrice, en ce qui concerne le courant qui circule de la pile à la diode et de la diode à la masse = 9,1µA alors que précédemment il était de plus de 50µA!!! pas mal cette casquette!!!

Emetteur / récepteur

Sur les premiers photo en haut à gauche sans diode IR et à droite avec la diode IR, le courant comme le montre ces 2 photos varie fortement si source IR

Problème de détection??

Calculs valeurs des composants

La question que vous devez vous posé, c’est est-ce que la diode sera utilisée dans un environnement très lumineux ? Allez…Disons que… oui…. Dans ce cas, la “casquette” sera toujours mise sur la tête de la diode (je vous rappelle protéger les yeux de la lentille puisque celle-ci est très sensible en rayons lumineux).
Pour ce circuit électronique, je vais utiliser une résistance de 1K (1000 Ohms) qui sera en série avec la photodiode (diode réceptrice). Avec le tube qui coupe les rayons lumineux et qui protège la lentille, nous tournons autour d’un courant de 13,8µA (sans que l”emetteur émet un rayon infrarouge), si par contre j’envoie directement un signal infrarouge en direct sur la lentille de la diode émettrice ou photodiode, forcément le courant va donc augmenter, puisque plus la source lumineuse est important et plus le courant est important, nous obtenons donc un courant d’environ 74µA qui traverse la résistance R1 pour ensuite traverser la photo diode afin d’arriver au nœud où est situé la résistance R3 ainsi que la base du transistor.
 
Pour le calcul il suffit de raisonner ainsi, nous avons une led rouge qui réclame un courant de 10mA le courant de base vaut donc 200 fois moins que le courant Ic soit Ib=0.010/200=50µA. Comme le courant au niveau de la base est de 74µA à l’état actif, c’est à dire lorsque un rayon IR est présente sur la lentille, la led rouge D1 doit donc s’éclairer. Afin que celle-ci ne se déclenche pas en raison de l’endroit ou elle est située (espace lumineux), la résistance R3 permet de “contrôler” le déclenchement de la led D1 et cela permettra d’éviter des détections de lumière non désiré.
 
Sachant que pour un courant de 74µA et que la base à besoin d’un courant de 50µA pour déclencher la led D1, j’ai donc mis une résistance de 33K afin d’obtenir une tension d’environ 0,7V à 0,8V à ses bornes (le 2N22222A admet un chute de tension Vbe maxi de 2V à ne surtout pas s’approcher et je vous déconseille aussi de vous approcher des 1V!!!)

Schéma récepteur IR 001

Afin d’améliorer la distance le schéma précédent ne pouvais obtenir une portée supérieur à 10cm et c’était bien ennuyant!! J’ai donc amélioré ce montage électronique en remplaçant le transistor 2N2222A par deux transistors 2N2222A afin de faire ce qu’on appel un montage dit montage Darlington qui permettra d’augmenter le gain en courant. Bon je suis passé de 10 cm à 2 mètres en changeant la valeur de la résistance R3 et en augmentant son calibre (testé avec 10M). Et oui!! avaec un montage Darlington le courant de base est très faible et tres sensible si la diode receptrice capte de la lumière qui n’est pas désirée dans ce cas à vous d’améliorer la valeur de la résistance R3 en fonction de la luminosité de la pièce dans laquelle vous êtes située mais aussi en fonction de la distance où ce capteur IR sera placé par rapport à son émetteur.

Prototypage 001

Je me suis placé dans une pièce dans laquelle il faisait un peu plus sombre, puis changé plusieurs fois la valeur de R3 afin que cette résistance soit bien adaptées aux niveaux de la luminosité de la pièce… Oui!!Oui pas facile va falloir tester des valeurs de résistances R3 différentes afin de ne pas perturber l’émetteur et que la led ne reste pas toujours allumée…

Moduler un signal infrarouge ou émission pulsée

Comme vous avez pus le constaté il est pas vraiment facile de déterminer la résistance R3 en fonction de la luminosité et de la distance entre l’émetteur et son récepteur. En gros, afin d’améliorer ce montage électronique on ne touche pas au récepteur mais on augmente la puissance émise de la diode IR. Un essai purement optique: mettre une lentille convergente devant la led de l’émetteur: la portée sera augmentée… mais le pointage devra etre plus precis ! ou bien encore d’augmenter de façon notable la puissance d’émission il “suffit” d’augmenter le courant dans la led infrarouge et de moduler plus vite. Effectivement, On peut faire passer un grand courant dans une led à condition de le faire passer très vite, et à ce moment là on emmet plus loin.
Et c’est pour cette dernière solution que j’opterai alors pourquoi pas commencer à comprendre et à réaliser ce nouveau montage électronique?.

Schéma 002

Reprenons un autre montage mais restons toujours sur le montage de base en retirant uniquement la résistance R3. Ce nouveau montage 002 permet de moduler le signal via un Arduino qui celui-ci utilise un microcontrôleur de type ATMEGA328. Le microcontrôleur ne fais que d’envoyer des signaux par impulsion sur une fréquence de 100Hz. Pour mieux comprendre l’intérêt d’envoyer des signaux dit “pulsée” voici un aperçu du graph

Graph

Comme vous pouvez le constater sur une période de 10ms, seulement des “pointes” en formes de créneaux apparaissent à savoir que la largeur de ces créneaux mesures 666µs. Pour mieux comprendre:

Calcul de la valeur moyenne

Il suffit de calculer l’air d’un rectangle sur une période et de diviser l’air calculer par la période. Une période correspond à un signal qui se reproduit identiquement dans le temps. ici la période vaut 10ms. Sachant que la diode infrarouge admet un courant moyen de 20mA sur une fréquence de 100Hz la valeur continu qui est la valeur moyenne du signal sera de 20mA, ainsi la diode IR verra à ses pattes une valeur moyenne de 20mA avec des pointes d’intensité de 300mA ce qui favorisera la distance de l’émission. Voilà pour ce qu’il en est d’un signal pulsé.

Programmation en C

void setup() 
{
 pinMode(11,OUTPUT);
}
void loop() 
{
  digitalWrite(11,HIGH);
  delay(9);
  digitalWrite(11,LOW);
  delayMicroseconds(666);
}

Prototypage 002

Suite à mes essais la portée est beaucoup plus importante et plus efficace que ma télécommande de télévision.