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TSL245 - conversor radiação infravermelha em frequência (ART986)

Apresentamos um novo componente da Texas Instruments que converte intensidade de radiação infravermelha na faixa dos 800 nm aos 1100 nm em frequência na faixa de 0 a 100 kHz com uma linearidade de apenas 0,2%. Este componente pode ser usado numa infinidade de aplicações interessantes que vão desde a aquisição de dados com saída compatível com microprocessadores até alarmes e transmissão de sinais via fibra óptica e outros meios.

O circuito integrado TSL245 da Texas Instruments consiste num conversor que combina num único chip CMOS um diodo de silício sensível a radiação infravermelha com um circuito que gera um sinal TTL com ciclo ativo de 50% proporcional a radiação incidente.

Na figura 1 temos o invólucro em que este componente é apresentado com a identificação de seus terminais.


Invólucro e pinagem do TSL245
Invólucro e pinagem do TSL245



O invólucro é feito em material escuro mas transparente à radiação infravermelha com que o dispositivo opera.

O TSL245 deve ser alimentado com tensão de 5 V e tem uma frequência máxima de 500 kHz.

Tipicamente, com uma intensidade de sinal de 920 uW por centímetro quadrado na frequência de 960 nm ele fornece um sinal de 250 Hz.

No escuro a sua saída é um sinal de 0,25 Hz tipicamente. Observamos que no escuro a frequência depende muito da temperatura, podendo ficar em menos de 0,05 Hz para temperaturas próximas de 0 graus centígrados e chegar a 20 Hz em torno dos 60 graus centígrados. A temperatura limite para uso deste componente é de 75 graus centigrados.

Na figura 2 temos uma curva que mostra a dependência da frequência com a irradiância para uma frequência de 940 nm e a uma temperatura de 25 graus centígrados.




Na figura 3 mostramos a resposta espectral do fotodiodo.




Observe que, se bem que o dispositivo seja completamente "cego" a radiação visível, ele pode operar com fontes comuns de luz como lâmpadas incandescentes onde parte da luz emitida cai na faixa do espectro em que ele tem máxima sensibilidade.


APLICAÇÕES

Os circuitos dados a seguir são configurações básicas que usam o TLs247 e podem eventualmente ser alteradas ou melhoradas de acordo com o desempenho que se deseja ou a aplicação que se tem em mente.


1. Uso direto do TSL245

No circuito da figura 4 temos a aplicação direta do TSL245 como conversor de intensidade de radiação infravermelha em frequência. A saída é TTL com um ciclo ativo de 50%. Observe que a alimentação deve ser feita com uma tensão de 5 V.



Aplicação imediata do TSL245
Aplicação imediata do TSL245



2. Gerador Variável de sinais quadrados

O circuito mostrado na figura 5 pode gerar sinais de até 200 kHz. Um potenciômetro ajusta a corrente num emissor infravermelho montado junto ao TSL245. A intensidade da corrente no emissor determina a frequência do sinal produzido pelo TSL245. O resistor Rx depende da tensão de alimentação e também da máxima corrente admitida pelo emissor infravermelho. Os valores mostrados na tabela junto ao diagrama são típicos para emissores comuns.



Gerador de sinais variável.
Gerador de sinais variável.



3. VCO

O oscilador controlado por tensão (VCO) que apresentamos na figura 6 tem o mesmo princípio de funcionamento do oscilador mostrado na figura 5.

A frequência do sinal produzido pelo TSL245 vai depender da tensão de entrada aplicada ao circuito emissor infravermelho. O LED infravermelho deve ser montado junto ao TSL245 sem receber radiação ambiente. Os valores de Rx junto ao diagrama são importantes para limitar a corrente máxima no emissor e também a frequência máxima de saída. Este resistor Rx pode ser alterado numa ampla faixa de frequências conforme a faixa de frequências que deve ser gerada pelo circuito.



VCO com TSL245
VCO com TSL245



4. Miliohmímetro Digital

O circuito apresentado na figura 7 converte uma resistência de valor muito baixo, na faixa de milésimos de ohm em um sinal de frequência inversamente proporcional.

Com a medida da frequência podemos saber qual é o valor da resistência Rx.

O circuito nada mais é do que uma fonte de corrente constante que alimenta um emissor de infravermelho junto ao TSL245. A intensidade da luz infravermelha produzida pelo emissor depende da corrente constante estabelecida pelo 7805 a qual depende de Rx e do resistor de 100 ?.



Miliohmímetro digital.
Miliohmímetro digital.



5. Medidor de Transparência

O emissor infravermelho (LED) é alimentado com uma tensão constante e portanto sua emissão tem uma intensidade igualmente constante. No entanto a quantidade de radiação infravermelha que passa o objeto intercalado entre o emissor e o TSL245 depende de sua transparência (a radiação infravermelha). Com isso, a frequência do sinal produzido passa a depender apenas da transparência do objeto numa escala inversamente proporcional. O circuito mostrado na figura 8 pode usar outros reguladores de tensão que não o 7805.



Medidor digital de transparêwncia.
Medidor digital de transparêwncia.



6. Visão Digital

Na figura 9 apresentamos um circuito interessante de visão digital infravermelha que pode ser usada em robótica ou mesmo segurança. Ilumina-se um ambiente com uma fonte infravermelha. A quantidade de radiação refletida depende dos objetos existentes eventualmente de seu movimento. O TSL245 vai então gerar um sinal de frequência que pode variar com a entrada de pessoas ou outros objetos em seu campo de visão ou ainda com seu movimento afastando-se ou aproximando-se de obstáculos. A saída digital pode ser aplicada diretamente a um microcontrolador.



Visão digital infravermelha para robôs.
Visão digital infravermelha para robôs.



7. Modulador de Frequência

Um sinal de áudio obtido diretamente da saída de um alto-falante pode ser usado para modular um emissor infravermelho que, por sua vez, controla a frequência do sinal produzido pelo TSL245. O circuito é baseado numa idéia do Livro Optoelectronics Theory and Practice da Texas Instruments assim como os próximos circuitos moduladores.

Os resistores dependem tanto da intensidade de corrente máxima admitida pelo emissor como também pela profundidade de modulação a qual é função da intensidade do sinal.

Modulando um sinal de 100 kHz com áudio, por exemplo, é possível fazer sua transmissão pela rede de energia ou por um cabo comum a grandes distâncias sem problemas.

Pode-se ainda misturar os sinais gerados de diversas frequências modulados pelos canais de som um sistema ou ainda sistemas de comunicação e fazer sua transmissão por um único cabo, decodificando-os depois (conforme circuito que daremos mais adiante). Na figura 10 temos o circuito completo do modulador simples.



Modulador de sinais em freqüência.
Modulador de sinais em freqüência.



8. Modulador AM/FM com FET

Um circuito que permite modular em amplitude a emissão de um LED e com isso obter-se um sinal modulado em frequência com o TSL245 é mostrado na figura 11.

Qualquer FET de junção pode ser usado neste circuito. O trimpot de 250k ? ajusta a intensidade máxima da corrente no emissor infravermelho e com isso a profundidade da modulação.

As aplicações para este circuito são basicamente as mesmas do circuito anterior exceto pelo fato dele trabalhar com sinais de pequena intensidade.



Modulador AM/FM com FET.
Modulador AM/FM com FET.



9. Modulador com Amplificador Operacional

Na figura 12 temos uma nova versão de um modulador para um emissor de infravermelhos que utiliza um amplificador operacional comum. O circuito é sugerido pela Texas e trabalha com sinais de áudio. A radiação infravermelha modulada em amplitude é trabalhada pelo TSL245 que gera um sinal modulado em frequência.

A frequência central do sinal produzido é basicamente determinada pelos resistores de 680 ? e pelo ganho do operacional o qual depende do resistor de 220 k ? no circuito de realimentação negativa.



O outro modulador com amplificador operacional.
O outro modulador com amplificador operacional.



10. Conversor Luz/Frequência Complementar

O circuito mostrado na figura 13 gera um sinal complementar compatível CMOS a partir da saída TTL do TSL245. A frequência do sinal fica dividida por 2.



Conversos luz/freqüência com saídas complementares.
Conversos luz/freqüência com saídas complementares.



11. Demodulador FM

Para os circuitos anteriores que geram um sinal modulado em frequência ou para um link que receba sinais infravermelhos modulados em amplitude com uma conversão para frequência temos o circuito mostrado na figura 14.



Demodulador FM.
Demodulador FM.



Este circuito pode operar em frequências até uns 500 kHz e o ajuste da frequência de sintonia é feito no trimpot de 100 k ?. Quando o circuito é sintonizado sua saída vai ao nível baixo fazendo com que o LED acenda.


12. Link Via Rádio

A transmissão dos sinais gerados pelo TSL245 nas aplicações vistas pode ser feita facilmente via rádio. Com o uso de módulos transmissores como os da Telecontrolli o alcance é da ordem de 30 metros. O XXX nos tipos indicados refere-se à frequência de operação, isso no circuito da figura 15.



Transmissão via rádio.
Transmissão via rádio.



13. Alarme de Passagem

A configuração diferente de alarme mostrada na figura 16 pode ser considerada uma aplicação sofisticada do TSL245. Neste circuito uma fonte de radiação infravermelha ilumina com intensidade constante um TSL245 de tal modo que ele gera um sinal de determinada frequência, a qual deve ficar estável sem influência de qualquer fonte ambiente. O PLL 567 é então sintonizado nesta frequência de tal forma que sua saída se mantém no nível baixo, o que pode ser verificado pelo LED indicador aceso.

Nestas condições o BC558 permanece no saturado e com isso o capacitor de 100 nF ligado ao pino 2 do 555 com seus terminais sob mesmo potencial (positivo) o que significa que ele fica descarregado.

Se um objeto interromper o feixe de infravermelho, por exemplo, a passagem de uma pessoa, o 567 sai de sintonia levando a saída do 567 por um instante ao nível alto. Isso faz com que o transistor BC558 vá ao corte e o capacitor de 100 nF seja aterrado por um instante via resistor de 1 k ?. Isso é suficiente para disparar o monoestável que então manterá sua saída no nível alto por um tempo determinado pelo resistor de 1 M ? e pelo capacitor de 100 a 470 µF. Com um resistor de 1 M ? e um capacitor de 470 ? o relé ficará com os contactos fechados por um tempo de ordem de pouco mais do que 5 minutos.



Alarme de passagem sintonizado.
Alarme de passagem sintonizado.



Conclusão

As aplicações que vimos para este novo componente da Texas são apenas algumas das muitas que podemos ter. Dentre as aplicações recreativas não abordadas podemos sugerir a construção de um órgão eletrônico tocado pela sombra da mão que se intercala à fonte infravermelha, e até mesmo jogos de habilidade.

Observamos que a Texas Instruments tem uma versão do TSL245 sensível a radiação visível. Mais informações podem ser obtidas no site da Texas na Internet.


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