家電控制器用紅外接收頭可靠性測(cè)試研究與優(yōu)化

摘要：到目前為止，紅外接收頭仍是國(guó)內(nèi)外很多家電企業(yè)廣泛使用的整機(jī)接收遙控信號(hào)的主要電子元器件，如空調(diào)、電視機(jī)、機(jī)頂盒、遙控電扇等，其接收性能直接影響著用戶使用的舒適度和便捷性。本文重點(diǎn)研究和分析了在大型家電企業(yè)中如何快速、有效地識(shí)別和鑒定紅外接收頭的主要接收性能。

前言

　　各大家電企業(yè)中，為保證整機(jī)產(chǎn)品性能合格，對(duì)其整機(jī)的信號(hào)接收性能或者信號(hào)接收系統(tǒng)的主要元器件紅外接收頭的接收性能主要依賴于企業(yè)內(nèi)部的遠(yuǎn)距離(水平距離約10m或16m不等)接收測(cè)試，但是由于遙控器發(fā)射管發(fā)射的是紅外信號(hào)，信號(hào)受外界環(huán)境的干擾度較大，測(cè)試中出現(xiàn)接收不穩(wěn)定或多臺(tái)控制器接收不同步等問(wèn)題，對(duì)測(cè)試效率的影響較大。

　　為有效解決此測(cè)試缺陷，增加測(cè)試效率，本文結(jié)合發(fā)射管和接收頭的工作原理等就使用衰減遙控器代替遠(yuǎn)距離測(cè)試的可行性進(jìn)行分析。

1 紅外信號(hào)特征

　　遙控器發(fā)射的是紅外信號(hào)，即紅外線，一種電磁波性質(zhì)的光線，波長(zhǎng)在0.75μm～1000μm之間，屬于不可見(jiàn)光線。以紅外信號(hào)峰值為900nm～950nm的遙控器為例，其發(fā)射的信號(hào)是紅外線中的近紅外線。普通環(huán)境下均存在不同成分的紅外信號(hào)，如太陽(yáng)光、照明燈，甚至任何發(fā)熱體都會(huì)發(fā)出紅外線。紅外信號(hào)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性一定程度上受環(huán)境的溫濕度、空氣顆粒物比例和空氣對(duì)流等約束，這都給遠(yuǎn)距離測(cè)試的不穩(wěn)定性和低效性帶來(lái)了伏筆。

2 接收頭原理

　　接收頭主要由光電二極管(PD)、芯片(IC)、支架和膠體(色素、環(huán)氧樹(shù)脂)4大部分組成。PD主要功能是接收遙控器發(fā)出的光信號(hào);IC是接收頭的CPU，主要由硅晶核電路組成，主要功能有濾波、整形、解碼和放大等。

　　工作原理：紅外接收頭一般可以接收850nm～1100nm波段的紅外光，其中主要以接收940nm的紅外光為主。PD將紅外發(fā)射管發(fā)射出來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)由IC內(nèi)部放大器(Input Amplifier)進(jìn)行放大，通過(guò)自動(dòng)增益控制(AGC)、帶通濾波器(Band Pass)和解調(diào)器(Demodulator)，波形整形后還原為遙控器發(fā)射出的原始編碼，再經(jīng)由接收頭的信號(hào)輸出引腳輸入到電路板上的編碼識(shí)別電路和控制電路進(jìn)行工作。

3 遙控器發(fā)射管工作原理

3.1 發(fā)光二極管的工作原理

　　發(fā)光二極管由半導(dǎo)體PN結(jié)組成，P區(qū)的空穴由于擴(kuò)散作用移動(dòng)到N區(qū)，N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)，在PN結(jié)處形成勢(shì)壘，從而抑制空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散，達(dá)到空穴和電子擴(kuò)散的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)PN結(jié)加正電壓時(shí)，勢(shì)壘降低，勢(shì)壘區(qū)變窄，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)。注入到P區(qū)的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)的空穴和N區(qū)的電子復(fù)合，復(fù)合的同時(shí)伴隨著以光子的形式釋放能量，即PN結(jié)出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象。

3.2 遙控器基本發(fā)射電路原理

　　衰減遙控器的設(shè)計(jì)思路即改變紅外發(fā)光二極管的限流電阻R12，根據(jù)設(shè)計(jì)要求將R12由實(shí)際使用的2.2Ω改為5.1kΩ或者其它衰減距離對(duì)應(yīng)阻值的電阻。此時(shí)電路中的供電電壓不變，流經(jīng)紅外發(fā)射二極管的電流減小。

　　結(jié)合以上發(fā)光二極管的工作原理不難看出，流經(jīng)發(fā)光二極管電流大小的改變，微觀中改變的是PN結(jié)電子和空穴的復(fù)合能力或者電子和空穴的個(gè)數(shù)和速率，表現(xiàn)出的微觀現(xiàn)象就是二極管發(fā)射光子的個(gè)數(shù)多少，宏觀中表現(xiàn)出的現(xiàn)象即為發(fā)光強(qiáng)度。紅外光的本質(zhì)或者能量都沒(méi)有實(shí)質(zhì)的改變，不涉及類似于接收頭需要正常遙控器第一次遠(yuǎn)距離測(cè)試喚醒的說(shuō)法。

　　再進(jìn)一步分析，電子和空穴復(fù)合所釋放的光子能量hν，也就是PN結(jié)的禁帶寬度(能量間隔)Eg：

　　Eg=hν=hc/λ (1)

　　式(1)中：h——普朗克常數(shù)，h=60626×10^-34J?s;

　　c——光速，c=3×10⁸m/s;

　　λ——波長(zhǎng)。

　　禁帶寬度Eg作為既定材料制成的PN結(jié)，是一個(gè)常數(shù)，由此，紅外光的波長(zhǎng)λ為：

　　λ=hc/ Eg (2)

　　公式中三個(gè)參數(shù)均為常數(shù)，因此，得出的波長(zhǎng)也是一個(gè)常數(shù)值，也就是說(shuō)發(fā)光二極管發(fā)出的光的光譜或者光的本質(zhì)沒(méi)有改變——對(duì)接收頭的接收性能無(wú)影響。

4 衰減測(cè)試優(yōu)化分析

　　遙控器中紅外接收頭的核心部件PD(光電二極管)實(shí)質(zhì)是一個(gè)光敏二極管。

　　光敏二極管的管芯是一個(gè)具有光敏特性的PN結(jié)，在電路中處于反向偏置。它的工作原理可用內(nèi)光電效應(yīng)——光生伏特效應(yīng)闡釋：在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。在無(wú)光照的條件下，反向電阻很大，電路中僅有很小的反向飽和漏電流，一般為10^-8A～10^-9A，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)(未正常投入工作或使用);當(dāng)有光照射在PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)附近受到光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量被激發(fā)，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，使少數(shù)載流子(P區(qū)中的少數(shù)載流子為電子，N區(qū)中的少數(shù)載流子為空穴)濃度大大增加，因此，PN結(jié)的反向電流也隨著增加，形成光電流，光敏二極管導(dǎo)通。如果入射光照度變化，光生“電子-空穴”對(duì)的濃度也相應(yīng)變化，通過(guò)外電路的光電流強(qiáng)度隨之變化。光生伏特效應(yīng)之勢(shì)壘效應(yīng)指出：光線照射PN結(jié)時(shí)，如果光子能量大于禁帶寬度Eg，即可使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，形成光電動(dòng)勢(shì)。既定光敏二極管的禁帶寬度不變，不隨外界信號(hào)的變化而發(fā)生性質(zhì)的變化，亦即入射光對(duì)光敏二級(jí)管的工作性能不會(huì)產(chǎn)生影響。

　　紅外發(fā)射二極管限流電阻R12增大后，紅外發(fā)射二極管發(fā)射的光電子數(shù)減少，加之遠(yuǎn)距離光子的流失，此時(shí)接收頭就會(huì)出現(xiàn)不接收或接收不靈敏(非接收頭質(zhì)量問(wèn)題造成的)的情況。調(diào)整為近距離的目的就是使有限的光電子有效地被接收頭所接收，進(jìn)而產(chǎn)生光電流，被放大電路放大，使電路正常接收信號(hào)。

5 優(yōu)化措施

　　1)正常測(cè)試和使用過(guò)程中遙控器使用的是七號(hào)普通AAA電池(1.5V)，當(dāng)電池使用久了電壓下降，流過(guò)紅外發(fā)射二極管LED1的電流降低，如圖2，即流經(jīng)三極管Q1的集電極-發(fā)射極電流ICE值降低，紅外發(fā)光二極管的電流受電源的影響較大。

　　如果使用射極輸出電路來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管即可有效解決以上弊端。如圖4所示，把兩個(gè)硅材料制成的二極管(正向壓降約0.7V)與R13電阻并聯(lián)，使得三極管的基極電位鉗位在1.4V左右，此時(shí)三極管的發(fā)射極電壓Ue會(huì)固定在約0.7V，發(fā)射極電流Ie基本不變，而Ie≈Ic(Ie=Ic+Ib)，這樣流過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流也就基本可以保持穩(wěn)定。

　　2)為了有效控制衰減遙控器的使用距離(如測(cè)試距離要求20cm)，設(shè)計(jì)遙控器固定支架，固定遙控器發(fā)射管與控制器接收頭之間的接收距離，以有效測(cè)試或篩選故障品。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第37頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。