家電控制器用紅外接收頭可靠性測試研究與優(yōu)化

摘要：到目前為止，紅外接收頭仍是國內(nèi)外很多家電企業(yè)廣泛使用的整機接收遙控信號的主要電子元器件，如空調(diào)、電視機、機頂盒、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。本文重點研究和分析了在大型家電企業(yè)中如何快速、有效地識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，為保證整機產(chǎn)品性能合格，對其整機的信號接收性能或者信號接收系統(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)接收測試，但是由于遙控器發(fā)射管發(fā)射的是紅外信號，信號受外界環(huán)境的干擾度較大，測試中出現(xiàn)接收不穩(wěn)定或多臺控制器接收不同步等問題，對測試效率的影響較大。

　　為有效解決此測試缺陷，增加測試效率，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)距離測試的可行性進行分析。

1 紅外信號特征

　　遙控器發(fā)射的是紅外信號，即紅外線，一種電磁波性質(zhì)的光線，波長在0.75μm～1000μm之間，屬于不可見光線。以紅外信號峰值為900nm～950nm的遙控器為例，其發(fā)射的信號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，如太陽光、照明燈，甚至任何發(fā)熱體都會發(fā)出紅外線。紅外信號的強度及穩(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流等約束，這都給遠(yuǎn)距離測試的不穩(wěn)定性和低效性帶來了伏筆。

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;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)射出來的光信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，此信號經(jīng)由IC內(nèi)部放大器(Input Amplifier)進行放大，通過自動增益控制(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)由接收頭的信號輸出引腳輸入到電路板上的編碼識別電路和控制電路進行工作。

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)的空穴由于擴散作用移動到N區(qū)，N區(qū)的電子擴散到P區(qū)，在PN結(jié)處形成勢壘，從而抑制空穴和電子的繼續(xù)擴散，達到空穴和電子擴散的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)PN結(jié)加正電壓時，勢壘降低，勢壘區(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)計要求將R12由實際使用的2.2Ω改為5.1kΩ或者其它衰減距離對應(yīng)阻值的電阻。此時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)射光子的個數(shù)多少，宏觀中表現(xiàn)出的現(xiàn)象即為發(fā)光強度。紅外光的本質(zhì)或者能量都沒有實質(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)距離測試喚醒的說法。

　　再進一步分析，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。

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

　　λ=hc/ Eg (2)

　　公式中三個參數(shù)均為常數(shù)，因此，得出的波長也是一個常數(shù)值，也就是說發(fā)光二極管發(fā)出的光的光譜或者光的本質(zhì)沒有改變——對接收頭的接收性能無影響。

4 衰減測試優(yōu)化分析

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

　　光敏二極管的管芯是一個具有光敏特性的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)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。在無光照的條件下，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，PN結(jié)附近受到光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價電子吸收光子能量被激發(fā)，產(chǎn)生光生電子-空穴對，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”對的濃度也相應(yīng)變化，通過外電路的光電流強度隨之變化。光生伏特效應(yīng)之勢壘效應(yīng)指出：光線照射PN結(jié)時，如果光子能量大于禁帶寬度Eg，即可使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子-空穴對，形成光電動勢。既定光敏二極管的禁帶寬度不變，不隨外界信號的變化而發(fā)生性質(zhì)的變化，亦即入射光對光敏二級管的工作性能不會產(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，此時接收頭就會出現(xiàn)不接收或接收不靈敏(非接收頭質(zhì)量問題造成的)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，進而產(chǎn)生光電流，被放大電路放大，使電路正常接收信號。

5 優(yōu)化措施

　　1)正常測試和使用過程中遙控器使用的是七號普通AAA電池(1.5V)，當(dāng)電池使用久了電壓下降，流過紅外發(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驅(qū)動紅外發(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，此時三極管的發(fā)射極電壓Ue會固定在約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(如測試距離要求20cm)，設(shè)計遙控器固定支架，固定遙控器發(fā)射管與控制器接收頭之間的接收距離，以有效測試或篩選故障品。

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