Capteurs infrarouges : principes de fonctionnement, modules et types

Les capteurs infrarouges constituent un pilier reconnu pour la détection des rayonnements infrarouges invisibles et la réception d'une réponse de n'importe quel appareil. Ils jouent un rôle essentiel dans la conception d'appareils sensibles et interactifs, notamment dans l'automatisation des portes et des systèmes de sécurité, l'électronique grand public ou les machines industrielles. Les ingénieurs, les amateurs et les fabricants de circuits imprimés doivent comprendre le fonctionnement des capteurs infrarouges, leurs types et les principaux enjeux de leur conception, afin d'améliorer les performances et la fiabilité de leurs produits.

Dans cet articleNous explorerons les principes fondamentaux des capteurs IR, aborderons les différents types et leurs cas d'utilisation spécifiques, et examinerons les techniques de conception de circuits. À la fin de ce cours, vous aurez acquis une solide compréhension des capteurs IR et des facteurs clés à prendre en compte pour leur intégration dans votre prochain projet. PCB .

Qu'est-ce qu'un capteur IR ?

Un capteur IR est un appareil électronique qui détecte le rayonnement infrarouge, une forme de lumière que l'œil humain perçoit. ne peut pas percevoirLes capteurs IR sont largement utilisés dans les applications de détection de proximité, de mouvement et de télécommande. Ils convertissent les signaux lumineux infrarouges en signaux électriques traités par le système. Le nom complet du capteur IR est « capteur infrarouge », qui se compose d'une LED IR (diode électroluminescente) couplée à un récepteur IR pour mesurer la lumière infrarouge réfléchie ou transmise.

Brochage et schéma des broches du capteur IR

Pour comprendre le fonctionnement d'un capteur IR dans un circuit, il faut se référer à son brochage et à son schéma de connexion. Un module IR classique comporte en moyenne trois broches.

● VCC:Alimentation du capteur 3.3 V ou 5 V.

● GND:Cette mise à la terre est connectée à la masse d'un circuit.

● ARCHIVER:Il envoie le signal de détection au système.

Certains modules ajoutent d'autres broches ou potentiomètres, permettant ainsi des réglages de sensibilité. Vous trouverez ci-dessous un exemple de schéma de brochage illustrant leur utilisation. En observant ce schéma en détail, les concepteurs peuvent connecter et configurer correctement les capteurs infrarouges dans leurs conceptions, rendant ainsi le processus de détection très spécifique à l'application.

Types de capteurs infrarouges et critères de sélection

Il existe deux principaux types de détecteurs : actifs et passifs. Chaque type fonctionne différemment en raison de son mécanisme de détection, ce qui le rend plus adapté à différentes applications.

Capteurs infrarouges actifs

Un capteur infrarouge actif émet une lumière infrarouge continue, à la recherche de reflets ou de lumière diffuse réfléchie par les objets. Il se compose d'une LED infrarouge, source de lumière, et d'un récepteur infrarouge qui capte le signal réfléchi s'il entre dans son champ de vision. En pratique, ce capteur est largement utilisé pour la détection de proximité, l'évitement d'obstacles et l'ouverture de portes.

Capteurs infrarouges passifs

Les détecteurs infrarouges n'émettent pas lumièreIls sont plutôt conçus pour détecter le rayonnement infrarouge de fond produit par les objets, plus particulièrement ceux qui dégagent de la chaleur, y compris le corps humain. Leur sensibilité aux variations de température et de mouvement en fait un élément indispensable pour les applications d'éclairage à détection de mouvement et tout système de sécurité. De plus, les dispositifs passifs sont économes en énergie : ils ne s'activent que lorsque les niveaux d'infrarouges changent.

Critères de sélection importants des capteurs IR

Lorsqu'un capteur IR est sélectionné pour quelques projets, il doit être basé sur le temps de réponse, la sensibilité, les besoins en énergie et la résistance aux contraintes environnementales. Dans le cas des applications robotiques et de sécurité, un temps de réponse élevé est requis. La sensibilité et la portée maximales permettent l'observation de zones plus larges et de sujets plus éloignés. Les capteurs actifs nécessitent une puissance plus élevée ; par conséquent, les capteurs passifs sont privilégiés pour les appareils fonctionnant sur batterie. Les capteurs montés en extérieur ou en milieu industriel doivent être conçus pour être robustes et fonctionner dans des conditions de température, d'humidité relative et d'exposition à la poussière variables.

Considérations supplémentaires dans la sélection du capteur IR

Tous les autres aspects, EMI, placement du capteur, étalonnage, etc., doivent être pris en compte pour que le capteur puisse fonctionner de manière fluide et précise.

● Capteurs IRLes interférences électromagnétiques affectent les capteurs infrarouges. En d'autres termes, le bruit diminue lorsque les capteurs sont protégés des interférences électromagnétiques, ou plus précisément, positionnés dans un circuit.

● Effets de l'installation et du montage sur la précisionL'installation du capteur influencera grandement la sensibilité et la précision du système. L'alignement doit être exempt de toute obstruction du trajet infrarouge.

● Option d'étalonnage réglable de la sensibilitéLa sensibilité doit être réglée différemment selon les applications. Des options d'étalonnage peuvent être sélectionnées lors de la sélection des capteurs IR pour répondre aux exigences de détection.

● Prix ​​du capteur IR : Le prix dépendra du type de capteur, de sa sensibilité et de sa portée de détection, ainsi que d'autres caractéristiques, telles que la protection EMI et les options d'étalonnage. Le prix doit être évalué en termes de fonctionnalités et de coût. Il doit être équilibré entre le coût et les performances requises pour une application spécifique.

Principes de fonctionnement du capteur IR

Connaître le fonctionnement d'un capteur IR facilite grandement le choix du capteur et la conception de circuits adaptés à vos besoins. En résumé, un capteur IR capte la lumière infrarouge réfléchie ou émise par les objets qu'il détecte et la convertit en signal électrique. Les principes de fonctionnement et mécanismes de base sont expliqués ci-dessous :

Comment fonctionne le capteur IR

Il existe deux types de capteurs IR : la technique de détection par émission, qui consiste à émettre ou à détecter de la lumière infrarouge et à détecter un objet. En termes simples, les capteurs IR actifs émettent un faisceau infrarouge ; ils considèrent que la cible est à leur portée si ce faisceau est réfléchi vers le capteur. Les capteurs IR passifs mesurent la variation du rayonnement infrarouge dans leur champ de vision et sont donc utiles uniquement pour la détection de mouvement et ne nécessitent pas d'émetteur.

Rôle du récepteur IR dans la détection des signaux infrarouges réfléchis ou transmis

Chaque détection est équipée d'un récepteur, une photodiode ou un phototransistor. Il capte la lumière infrarouge et la convertit en signal électrique. S'il est réfléchissant, le récepteur capte la lumière infrarouge réfléchie par les objets situés à proximité. S'il est interruptif, il détecte les déviations du faisceau infrarouge afin d'indiquer le passage ou le croisement d'un objet sur sa trajectoire.

Types de mécanismes de détection

● Méthode réflexive : Cette méthode utilise des capteurs infrarouges pour localiser l'objet en fonction de la quantité de lumière infrarouge réfléchie par une surface. C'est ainsi que fonctionnent de nombreux capteurs de proximité et robots suiveurs de lignes : ils s'appuient sur des objets ou des surfaces pour renvoyer la lumière infrarouge vers le récepteur.

● Méthode interruptive : Cette méthode suit un faisceau infrarouge, qui s'interrompt lorsqu'un objet le traverse. Lorsque le faisceau infrarouge se brise, un déclencheur est détecté en même temps que l'interruption. Elle est très largement utilisée dans les applications liées à la sécurité et à l'automatisation, comme les portes automatiques, les convoyeurs à bande, etc., dans les environnements industriels.

Modules de capteurs IR et conception de circuits

L'intégration de capteurs IR dans un circuit électronique nécessite une bonne compréhension des composants d'un module de capteur IR et des notions de base de la conception de circuits. Généralement, les modules de capteurs IR sont configurés de diverses manières et incluent même des composants permettant une transmission et une détection efficaces des signaux IR.

Composants d'un module de capteur IR typique

Un module de capteur IR comprend généralement les composants suivants :

● LED IR (émetteur):Il envoie des rayons infrarouges.

● Photodiode ou phototransistor (récepteur):Il détecte la lumière infrarouge et la convertit ensuite en signaux électriques.

● Ampli-Op:Il s'agit d'un amplificateur opérationnel utilisé pour améliorer le signal du récepteur pour une meilleure sensibilité et un signal propre.

● Résistance et condensateur:Ajouté pour la stabilité, la régulation de la tension et le réglage de la sensibilité.

● Broche de sortie:La sortie est donnée via cette broche, qui est généralement connectée au microcontrôleur ou à d'autres éléments du circuit.

Configuration de l'émetteur et du récepteur IR

L'émetteur et le récepteur LED IR (photodiode ou phototransistor) sont montés dans le module. Dans un capteur IR actif, la lumière infrarouge est projetée par la LED, puis réfléchie par tout obstacle ou, en l'absence d'obstacle, reste ininterrompue. En atteignant un récepteur, cette lumière réfléchie ou transmise produit un signal.

Explication du schéma des broches du module

La configuration typique du module de capteur IR est présentée ci-dessous :

● VCC : Cette broche alimente le module et nécessite généralement 3.3 V ou 5 V.

● GND: GND signifie terre, qui fait référence au circuit.

● ARCHIVER:Ce serait l'entrée pour le signal détecté, qui peut être numérique ou analogique, selon le type de module.

Le schéma des broches du circuit facilite l'identification lors de l'application de l'alimentation et du traitement rapide des signaux de sortie.

Considérations relatives à la conception des circuits

La conception d'un circuit de capteur IR comprend les éléments suivants : l'alimentation, le conditionnement des signaux et le placement des composants pour garantir la fiabilité des performances. Certains des points clés sont brièvement abordés ci-dessous.

● Tension de fonctionnement:La puissance fournie doit être stable, c'est-à-dire dans les limites des tensions de fonctionnement du module capteur IR.

● Conditionnement de signal:Les interférences de bruit n'auraient pas eu lieu puisque, grâce à la résistance et à la capacité, le signal de sortie aurait été réglé.

● Emplacement LED-IR:L'émetteur et le récepteur doivent être alignés autant que possible, en particulier dans les applications réfléchissantes.

Exemples de schémas de circuits de capteurs IR

● Circuit de capteur IR utilisant un transistorDans ce circuit simple, la LED IR agit comme un émetteur, et le signal IR réfléchi tombe sur le phototransistor. Ces ensembles de base sont généralement utilisés en détection de proximité.

● Recommandations de sélection de composants et configurations de circuits imprimés: Bonne disposition sur le PCB pour la réduction de tous les types de bruit et d'interférences ; les séparations de ligne d'alimentation et de terre peuvent être séparées ; positionnement correct de la LED IR et de la photodiode pour obtenir une sensibilité améliorée dans la détection.

Applications des capteurs IR

Les capteurs IR sont des composants flexibles utilisés de diverses manières dans de nombreux secteurs. Parmi les applications courantes des capteurs IR, on peut citer :

Le nombre d'applications impliquant des capteurs IR ne cesse d'augmenter grâce aux avancées technologiques. Ces capteurs sont essentiels à la sécurité, à la surveillance industrielle et au contrôle environnemental grâce à leurs capacités de détection de cibles sans contact basées sur la chaleur, le mouvement et la présence.

Considérations clés en matière de conception et de fabrication

Conception de capteur IR pour PCBA doit être réalisé avec un soin extrême pour garantir sa fiabilité, sa précision et la constance de ses performances. Cette section résume les principaux points à prendre en compte lors de l'intégration de capteurs IR dans un circuit imprimé et souligne l'importance de tests et d'un contrôle qualité rigoureux.

Intégration de capteurs IR dans les conceptions PCBA

Lors de l'intégration de capteurs IR dans une conception de PCB, la conception doit prendre en compte un alignement approprié et une interférence minimale :

● Emplacement et orientation: Il doit être placé de manière à ce que le trajet infrarouge ne soit pas obstrué. En cas d'utilisation en mode réfléchissant, l'émetteur et le récepteur IR sont ajustés avec précision pour une sensibilité et une précision maximales.

● Blindage et mise à la terre:Le bruit et les interférences seront réduits. Des techniques de blindage appropriées doivent être utilisées avec un plan de masse dédié autour du circuit du capteur IR.

● Gestion thermique:Les capteurs IR sont sensibles aux changements de température ; par conséquent, une bonne gestion thermique doit toujours être assurée pour éviter un échauffement qui pourrait altérer les signaux du capteur.

Test et étalonnage des capteurs IR

Il ne fonctionnera bien que s'il est correctement calibré et testé. Étalonnage permet un réglage de la sensibilité, ce qui peut être nécessaire à des niveaux prédéfinis dans certaines applications :

● Étalonnage de la sensibilité:Il pourrait également être affiné pour ajuster le Capteur infrarouge plus loin en termes de distance, de température ou d'autres sensibilités liées à l'environnement pour une application.

● Tests de bruit et d'interférences: le circuit doit être préparé pour les tests EMI. Les EMI peuvent avoir un impact sérieux, en particulier dans des conditions environnementales industrielles ou à haute fréquence.

Tests de fiabilité et contrôle qualité

Pour garantir la longévité du produit, les capteurs IR doivent subir des tests de fiabilité rigoureux dans différentes conditions environnementales :

● Tests de température et d'humidité: Simulez des températures et des taux d'humidité extrêmes pour garantir que le capteur fonctionne sans faille dans la plupart des conditions.

● Tests de vibrations et de chocs:Des tests de vibrations et de chocs pour les applications industrielles ou automobiles doivent être effectués pour garantir que le montage du capteur est maintenu dans de telles conditions en pleine fonctionnalité.

Comparaison des capteurs IR et des capteurs PIR

Bien que les capteurs IR et les capteurs infrarouges passifs fonctionnent tous deux sur l'infrarouge, leur mode de détection et les signaux infrarouges les différencient. Une bonne compréhension de ces différences facilitera le choix du capteur adapté à l'application visée.

Les détecteurs IR et PIR ont chacun leur utilité dans les applications électroniques et d'automatisation. Si les capteurs IR sont efficaces pour les applications exigeant une détection précise, les capteurs PIR sont particulièrement adaptés à la détection passive de mouvement (présence dans une pièce ou intrus à proximité).

Conclusion

Les capteurs infrarouges sont aujourd'hui parmi les composants électroniques les plus polyvalents et les plus précieux, passant de la détection d'objets et de mouvements à l'imagerie thermique et aux systèmes de sécurité. Comprendre leur intégration dans PCB Pour les conceptions de capteurs infrarouges, il est primordial de comprendre leur principe de fonctionnement, leurs configurations et tous les facteurs clés à prendre en compte lors de leur sélection. Une analyse minutieuse du type de capteur, des besoins en énergie, du temps de réponse et de la tolérance environnementale permettra à l'ingénieur et au fabricant d'optimiser les performances de ces capteurs pour des applications très diverses.

Outre une stratégie de conception efficace, seuls des tests et un étalonnage approfondis pourraient garantir la fiabilité et le contrôle qualité des systèmes à capteurs IR. Les connaissances acquises ici devraient permettre de prendre de meilleures décisions de conception et d'obtenir des fonctionnalités fiables, et donc de satisfaire les clients en matière de produits et solutions électroniques, grâce à l'utilisation comparative de capteurs IR-PIR ou à l'intégration de modules IR dans des circuits complexes.