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Modulo trasmettitore e ricevitore a infrarossi
In questo capitolo si discuterà nel dettaglio dei principali componenti elettronici dell’interfaccia InfraRed (IR), ovvero del LED (Light Emitting Diode) che in questo caso rappresenta la parte più importante del modulo trasmettitore e infine si descriverà il modulo ricevitore a infrarossi.
3.1 LED a infrarossi
Il LED [15] è una sorgente luminosa a semiconduttore a due conduttori, è un
diodo a giunzione p-n che emette luce quando una tensione adatta viene applicata agli estremi del dispositivo, gli elettroni sono in grado di ricombinare con le lacune all'interno del dispositivo, rilasciando energia sotto forma di fotoni . Questo effetto è chiamato elettroluminescenza e il colore della luce (corrispondente all'energia del fotone) è determinato dal gap di energia del semiconduttore. Una giunzione p-n può convertire l'energia assorbita della luce in una corrente elettrica proporzionale. Lo stesso processo può essere invertito (cioè la giunzione p-n emette luce quando viene applicata energia elettrica). Questo fenomeno è generalmente chiamato elettroluminescenza, che può essere definita come l'emissione di luce da un semiconduttore sotto l'influenza di un campo elettrico. Questo comportamento si può vedere in figura 3.1, le cariche si ricombinano in una giunzione p-n quando gli elettroni attraversano la regione drogata n e ricombinano con le lacune esistenti nella regione drogata p. Gli elettroni liberi sono nella banda di conduzione, mentre le lacune sono nella banda di valenza. Così il livello energetico delle lacune è inferiore al livello di energia degli elettroni. Una parte dell'energia deve essere dissipata per ricombinare gli elettroni e le lacune. Questa energia viene emessa sotto forma di calore e luce. Gli elettroni dissipano energia sotto forma di calore per diodi di silicio
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e di germanio, ma in semiconduttori di fosfuro di gallio arseniuro (GaAsP) e fosfuro di gallio (GaP), gli elettroni dissipano energia emettendo fotoni . Se il semiconduttore è traslucido, la giunzione diventa la fonte di luce emessa, diventando così un diodo emettitore di luce. Tuttavia, quando la giunzione è invertita inversa, il LED non produce luce e se il potenziale è abbastanza grande, il dispositivo si danneggia.
Fig.3.1: Circuito elettrico (superiore) e lo schema a banda (in basso) I materiali utilizzati per il LED hanno un gap diretto con energie corrispondenti alla luce vicino a infrarossi, visibili o quasi ultravioletti. Dopo il drogaggio della fetta, questa viene tagliata a pezzi individuali. Molti chip a semiconduttore a LED sono incapsulati o confezionati in gusci di plastica stampati in chiaro o colorato. Il guscio di plastica ha tre scopi: è più facile realizzare il montaggio del chip semiconduttore nei dispositivi, il minuscolo cablaggio elettrico fragile è fisicamente sostenuto e protetto da danni e la plastica agisce come un intermediario rifrattivo tra il semiconduttore relativamente alto e l'aria aperta a basso indice. L’ultima caratteristica aiuta a stimolare l'emissione della luce dal semiconduttore agendo come obiettivo diffusivo, emettendo una luce ad un angolo di incidenza molto più elevato
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rispetto al cono leggero che il solo chip sarebbe nullo. I primi LED emettevano luce infrarossa a bassa intensità, sono frequentemente utilizzati come elementi di trasmissione nei circuiti di controllo remoto, come quelli nei telecomandi o in generale il sistema di comunicazione IRDA è un buon esempio proprio perché sfrutta appieno questa particolarità per un'ampia varietà di elettronica di consumo. Nel 1955 Rubin Braunstein della Radio Corporation of America dedicò il suo interesse sull'emissione a infrarossi da arseniuro di gallio (GaAs) e di altre leghe di semiconduttori. Braunstein osservava un'emissione a infrarossi generata da semplici strutture a diodi usando l' antimonio di gallio (GaSb), GaAs, indio fosfuro (InP) e leghe di silicio-germanio (SiGe) a temperatura ambiente e a 77 Kelvin. Nel 1957 Braunstein dimostrò inoltre che questi dispositivi rudimentali potevano essere utilizzati per la comunicazione non via radio, ma a breve distanza. Come è stato osservato da Kroemer, Braunstein aveva creato un semplice collegamento di comunicazione ottica: la musica riprodotta da un lettore di dischi tramite un'elettronica adatta per modulare la corrente di un diodo GaAs. La luce emessa veniva rilevata da un diodo PbS. Questo segnale era alimentato in un amplificatore audio e riprodotto da un altoparlante, intercettando il fascio si interrompeva la musica. Questa configurazione presagiva l'uso dei LED per applicazioni di comunicazione ottica. Nel settembre 1961 vennero scoperte emissioni di luce vicino alla lunghezza d’onda degli infrarossi (900 nm) da un diodo ad effetto tunnel costruito su un substrato di GaAs. Dall'ottobre 1961, si dimostrò un'efficace emissione luminosa e un accoppiamento di segnale tra un emettitore di luce di giunzione pn con GaAs e un fotorivelatore a semiconduttore elettricamente isolato. Nell’agosto del 1962 Biard e Pittman presentarono un brevetto titolato "Semiconductor Radiant Diode" basato sui loro risultati, che descrivono un LED di giunzione p-n diffusa con zinco con un contatto catodico distanziato per consentire un'efficace emissione di luce a infrarossi
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polarizzato in diretta. Subito dopo la presentazione del brevetto, Texas Instruments (TI) ha iniziato un progetto per la produzione di diodi a infrarossi. Nell'ottobre 1962, TI ha annunciato il primo prodotto commerciale a LED (SNX-100), che impiegava un cristallo puro GaAs per emettere in uscita con lunghezza d’onda di 890 nm. I LED emettono solo con una corretta polarità elettrica, quando la tensione attraverso la giunzione pn è nella direzione corretta e il dispositivo è polarizzato in diretta scorre una corrente significativa. Se la tensione è di polarità sbagliata, si dice che il dispositivo è polarizzato inversamente, poco flusso di corrente e nessuna luce emessa. I vantaggi nell’utilizzare i LED sono: possono emettere la luce ad una determinata lunghezza d’onda senza utilizzare filtri ed essere molto piccoli e facilmente collegabili alle schede stampate; i LED usati nei dispositivi di comunicazione hanno tempi di risposta molto rapidi; l’emissione può essere facilmente modulata dalla larghezza di impulsi o abbassando la corrente di foward; essendo componenti a stato solido, sono difficili da danneggiare con gli shock esterni e il package solido del LED può essere progettato per concentrare il suo fascio in un punto. Alcuni svantaggi sono: le prestazioni del LED dipendono in larga misura dalla temperatura ambiente dell'ambiente operativo o dalle proprietà di gestione termica. Il superamento di un LED in ambienti ad alta temperatura può causare il surriscaldamento del package, portando a un guasto del dispositivo; bisogna applicare una tensione superiore a quella di soglia e una corrente adeguata al loro rating, quindi richiedono un'alimentazione regolata in corrente.
3.1.1 Caratteristiche principali per un LED IR
In questo paragrafo si discuterà nel dettaglio delle specifiche principali che caratterizzano un LED IR, soprattutto verranno spiegate le scelte progettuali e i motivi da prediligere nelle performance del componente rispetto ad altre. Come descritto nel capitolo 1, in cui si espone a quale bacino di utenti è
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rivolto questo lavoro di tesi, si opta per un componente le cui caratteristiche si possano adeguare al contesto di questo progetto. Oltre le caratteristiche elettriche, le quali sono simili ad altri LED con lunghezza d’onda differente che andremo a discutere nel dettaglio nei prossimi capitoli dedicati al dimensionamento dell’interfaccia, di seguito verranno presentati e descritti alcuni grafici da cui si evincono le performance del LED IR. In questo contesto prediligeremo alcuni aspetti: il fascio emesso dal dispositivo copra una distanza dell’ordine del metro affinché dalla postazione dell’utente si possano raggiungere i vari device e il fascio emesso abbia un angolo radiante adeguatamente ampio e non troppo selettivo per evitare di puntare con precisione il dispositivo. In figura 3.2 viene rappresentato un grafico nel quale possiamo capire quanto il LED IR sia selettivo o meno, infatti la potenza emessa è in funzione della lunghezza d’onda. In questo caso notiamo che la massima potenza irradiata si ha per un piccolo range di
Fig.3.2: Potenza radiante relativa rispetto la lunghezza d’onda
lunghezze d’onda (da notare il picco), per cui questo LED IR risulterà selettivo con la conseguenza nella pratica di lavorare su precise lunghezze d’onda, questa è una caratteristica opposta alla nostra scelta progettuale in quanto si predilige un dispositivo non selettivo e che lavori in un range di
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lunghezze d’onda ampio circa 30/40 nm intorno al picco massimo per cui si abbia l’emissione maggiore. Nella figura 3.3 si capisce un altro aspetto importante, possiamo mettere a confronto due LED IR diversi, in questi grafici si evince l’ampiezza del fascio emesso dal componente, infatti l’intensità di emissione è in funzione all’angolo di irradiamento. Questo aspetto è molto importante nel nostro progetto poiché si opterà per un emettitore che non implichi per l’utente puntare con precisione il nostro dispositivo verso il device desiderato. Dopo aver discusso la figura 3.3 si può affermare che si andrà ad implementare nell’interfaccia IR un LED IR con una caratteristica simile alla figura 3.3(a), evitando quelli aventi grafici simili alla figura 3.3(b) per i motivi sopra citati. Terzo e ultimo aspetto, ma non meno importante, che verrà discusso in questo paragrafo riguarda le performance che legano l’intensità e la potenza emessa con la corrente di forward come si evince dalla figura 3.4. Questi grafici serviranno principalmente per dimensionare il circuito dell’interfaccia IR (verrà discusso nel dettaglio nel capitolo successivo), ora ci limiteremo a sostenere che dalla figura 3.4 si ottengono le giuste valutazioni per il valore della corrente di forward.
Fig. 3.3: Intensità radiante relativa rispetto l’angolo di irradiamento, (a) angolo di visualizzazione 50°, (b) angolo di visualizzazione 20°.
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Fig. 3.4: (a)Intensità radiante in funzione della corrente di forward, (b) Potenza radiante rispetto alla corrente di forward.
3.2 Ricevitore infrarosso
Nell’interfaccia IR si è implementato un ricevitore a infrarossi [D2] per avere
una funzione supplementare, ovvero aggiungere i codici di un device mancante nel database del nostro dispositivo, ciò avviene puntando il telecomando verso il ricevitore a infrarossi che acquisirà i dati inviati e relativi codici che una volta memorizzati nel nostro dispositivo verranno utilizzati per controllare il device voluto. La scelta è ricaduta su modulo ricevitore miniaturizzato con sensore IR ottimo per rilevare il tipico segnale infrarosso dei telecomandi. Il modulo ha un package che agisce come un filtro che lascia passare unicamente i raggi infrarossi. All'interno del modulo IR ci sono il diodo ricevitore, uno stadio di preamplificazione ed un demodulatore. Il segnale in uscita, già demodulato, può essere inviato direttamente ad un microcontrollore. Questo modulo IR ha una elevata immunità ai disturbi ambientali e una protezione contro i segnali in uscita
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non controllati. In figura 3.5 possiamo vedere come si presenta il modulo e il relativo schema a blocchi.
Fig. 3.5: A sinistra si ha il modulo IR, a destra è rappresentato lo schema a blocchi
Le sue principali caratteristiche sono: rilevatore IR, preamplificatore e demodulatore in un unico package, filtro interno per frequenze Pulse Code Modulation (PCM), uscita attiva bassa, schermatura contro i disturbi generati da campi elettromagnetici, immunità contro la luce ambientale, basso consumo e la quasi assenza di disturbi sul segnale in uscita. Questo modulo ci permette di semplificare il circuito dell’interfaccia IR, il dimensionamento circuitale verrà discusso nei capitoli successivi.
