Интегральная схема управления для диммируемых приложений от ir

Обучаемый IR-контроллер для управления двумя группами светильников

Эта конструкция выходного карантинного дня своими корнями уходит в мои публикации 4-х летней давности. Ну а поводом к написанию стало появившееся, благодаря карантину, время и желание все-же поделиться с народом архиполезной (как показало время) штукой.

Итак, четыре года назад я воплотил свои мечты в реальность о выключении света в комнате, не вставая с дивана. И самое главное, что выключатель работает, как и прежде. Даже внешний вид его не изменился. И для этого мне не пришлось использовать ни всякие радио-брелки, в изобилии предлагающиеся на Али и мгновенно теряющиеся в околодиванном пространстве, ни «умные выключатели», бесполезные без смарта, ни радиовыключатели-дублеры, которые нужно наклеивать на стену рядом с диваном. Все эти решения плодили новые избыточные сущности с их специфическими проблемами.

В комнате ничего не изменилось. Обычный с виду выключатель, который и работает как обычный выключатель: щелк-включил, щелк-выключил. Вот только теперь я еще и могу включать и выключать свет с любого, первого подвернувшегося под руку пульта. Весь секрет внутри:


За снятой клавишей, ровно под ее красным окошком, виден IR-приемник моего контроллера, построенного на Arduino. А сам контроллер с реле и блоком питания находится в выдолбленной в стене нише под выключателем.

За все время использования я несколько раз знакомил выключатель с новыми пультами, поскольку обзавелся проектором и ТВ-боксами. И для этого мне не пришлось даже вставать с дивана. Мое ноу-хау позволяет это делать, не напрягаясь. Об этом ниже.

За четыре года я настолько привык к такому удобству, что, конечно, решил применить это решение и на даче. Но, поскольку на даче в спальне два источника света, то схему пришлось переделать и в этом мне помог карантин, снабдивший меня домашним временем. Как показывает практика, управление двумя источниками света наиболее востребованное решение для большинства помещений, поэтому надеюсь, что мой опыт кому-нибудь да пригодится.

Схема невероятно простая, повторить ее сможет любой, умеющий держать паяльник, а вот результат будет радовать долгие-долгие годы. Детали также стоят копейки на том-же Али. Собрать-же можно, как и я, просто на макетке. Весь функционал контроллера в программе, но я ее выкладываю здесь в исходных кодах в свободное использование. Требование только одно — упоминание авторства при ее использовании на других ресурсах.

Схема:

Опишу работу.
Для знакомства контроллера с новыми пультами я применяю придуманный мной способ, который я назвал «виртуальный цифровой замок» и использовал еще 4 года назад. Для этого я, к примеру, беру любой пульт и последовательно нажимаю на нем три любые клавиши с интервалом не менее полсекунды. Затем повторяю эту операцию еще два раза. Это и есть код входа в режим обучения, в реальной жизни случайно так сделать практически невозможно (шифр можно изменить, изменив код программы).

В данной реализации зажжется светодиод на плате Ардуино и пищалка пискнет один раз. Один раз — это значит, что контроллер ждет нажатия кнопки на пульте, которая будет управлять первой группой светильников. После нажатия кнопки, контроллер запомнит этот код и пикнет два раза. Это, понятно, означает, что следует нажать другую кнопку, которая будет управлять второй группой светильников. После этого контроллер пискнет снова один раз. Значит можно программировать аналогичным образом и второй пульт. И так до 20 пультов. Но если этот пульт последний, то после 1 пика следует еще раз нажать последнюю нажатую клавишу. Тогда контроллер пискнет 5 раз, запишет все введенные коды во внутреннюю постоянную память, погасит светодиод и выйдет из режима обучения.

Процесс работы наглядно показан в видео:

Что понадобится купить:

Еще, для питания контроллера, конечно потребуется БП на 5V и возможность его запитать в месте расположения. Как раз с этим может возникнуть проблема, если проводка уже разведена и в месте расположения контроллера нет фазы или ноля. Конечно, для таких гуру электроники как Ksiman это не проблема, он и в прошлый раз показал как это сделать, но я в этом откровенно слаб и не рискую делать то, чего не понимаю.
Я использую такие БП:

В квартире я, для получения ноля в выключателе, использовал один из фазовых проводов от выключателя к светильнику, переподключив его к нолю на светильнике, пожертвовав, таким образом, одной группой. А на даче разводку делал сам, поэтому там уже все предусмотрено заранее.

Следует упомянуть такой момент. Если вдруг в наше отсутствие отключили свет, а потом включили. Как поведет себя эта конструкция? В этом случае реле встанут в положение «Выключено» и свет будет выключен.

На этом я заканчиваю, надеюсь, что ничего не упустил. А если упустил — спрашивайте, постараюсь ответить на все вопросы и дополнить статью.

Всем здоровья и с пользой провести свалившееся на нас карантинное время!

Использование драйвера ключей нижнего и верхнего уровней IR2110 — объяснение и примеры схем

Быть может, после прочтения этой статьи вам не придётся ставить такие же по размерам радиаторы на транзисторы.
Перевод этой статьи.

Во-первых, в данном переводе могут быть серьёзные проблемы с переводом терминов, я не занимался электротехникой и схемотехникой достаточно, но всё же что-то знаю; также я пытался перевести всё максимально понятно, поэтому не использовал такие понятия, как бутсрепный, МОП-транзистор и т.п. Во-вторых, если орфографически сейчас уже сложно сделать ошибку (хвала текстовым процессорам с указанием ошибок), то ошибку в пунктуации сделать довольно-таки просто.
И вот по этим двум пунктам прошу пинать меня в комментариях как можно сильнее.

Теперь поговорим уже больше о теме статьи — при всём многообразии статей о построении различных транспортных средств наземного вида (машинок) на МК, на Arduino, на , само проектирование схемы, а тем более схемы подключения двигателя не описывается достаточно подробно. Обычно это выглядит так:
— берём двигатель
— берём компоненты
— подсоединяем компоненты и двигатель
— …
— PROFIT!1!

Но для построения более сложных схем, чем для простого кручения моторчика с ШИМ в одну сторону через L239x, обычно требуется знание о полных мостах (или H-мостах), о полевых транзисторах (или MOSFET), ну и о драйверах для них. Если ничто не ограничивает, то можно использовать для полного моста p-канальные и n-канальные транзисторы, но если двигатель достаточно мощный, то p-канальные транзисторы придётся сначала обвешивать большим количеством радиаторов, потом добавлять кулеры, ну а если совсем их жалко выкидывать, то можно попробовать и другие виды охлаждения, либо просто использовать в схеме лишь n-канальные транзисторы. Но с n-канальными транзисторами есть небольшая проблема — открыть их «по-хорошему» подчас бывает довольно сложно.

Поэтому я искал что-нибудь, что мне поможет с составлением правильной схемы, и я нашёл статью в блоге одного молодого человека, которого зовут Syed Tahmid Mahbub. Этой статьёй я и решил поделится.

Во многих ситуациях мы должны использовать полевые транзисторы как ключи верхнего уровня. Также во многих ситуациях мы должны использовать полевые транзисторы как ключи как и верхнего, так и нижнего уровней. Например, в мостовых схемах. В неполных мостовых схемах у нас есть 1 MOSFET верхнего уровня и 1 MOSFET нижнего уровня. В полных мостовых схемах мы имеем 2 MOSFETа верхнего уровня и 2 MOSFETа нижнего уровня. В таких ситуациях нам понадобится использовать драйвера как высокого, так и низкого уровней вместе. Наиболее распространённым способом управления полевыми транзисторами в таких случаях является использование драйвера ключей нижнего и верхнего уровней для MOSFET. Несомненно, самым популярным микросхемой-драйвером является IR2110. И в этой статье/учебнике я буду говорить о именно о нём.

Вы можете загрузить документацию для IR2110 с сайта IR. Вот ссылка для загрузки: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir2110.pdf

Давайте для начала взглянем на блок-схему, а также описание и расположение контактов:


Рисунок 1 — Функциональная блок-схема IR2110


Рисунок 2 — Распиновка IR2110


Рисунок 3 — Описание пинов IR2110

Также стоит упомянуть, что IR2110 выпускается в двух корпусах — в виде 14-контактного PDIP для выводного монтажа и 16-контактного SOIC для поверхностного монтажа.

Теперь поговорим о различных контактах.

VCC — это питание нижнего уровня, должно быть между 10В и 20В. VDD — это логическое питание для IR2110, оно должно быть между +3В и +20В (по отношению к VSS). Фактическое напряжение, которое вы выберете для использования, зависит от уровня напряжения входных сигналов. Вот график:


Рисунок 4 — Зависимость логической 1 от питания

Обычно используется VDD равное +5В. При VDD = +5В, входной порог логической 1 немного выше, чем 3В. Таким образом, когда напряжение VDD = +5В, IR2110 может быть использован для управления нагрузкой, когда вход «1» выше, чем 3 (сколько-то) вольт. Это означает, что IR2110 может быть использован почти для всех схем, так как большинство схем, как правило, имеют питание примерно 5В. Когда вы используете микроконтроллеры, выходное напряжение будет выше, чем 4В (ведь микроконтроллер довольно часто имеет VDD = +5В). Когда используется SG3525 или TL494 или другой ШИМ-контроллер, то, вероятно, придётся их запитывать напряжением большим, чем 10В, значит на выходах будет больше, чем 8В, при логической единице. Таким образом, IR2110 может быть использован практически везде.

Читайте также  Парктроник своими руками

Вы также можете снизить VDD примерно до +4В, если используете микроконтроллер или любой чип, который даёт на выходе 3.3В (например, dsPIC33). При проектировании схем с IR2110, я заметил, что иногда схема не работает должным образом, когда VDD у IR2110 был выбран менее + 4В. Поэтому я не рекомендую использовать VDD ниже +4В. В большинстве моих схем уровни сигнала не имеют напряжение меньше, чем 4В как «1», и поэтому я использую VDD = +5V.

Если по каким-либо причинам в схеме уровень сигнала логической «1» имеет напряжение меньшее, чем 3В, то вам нужно использовать преобразователь уровней/транслятор уровней, он будет поднимать напряжение до приемлемых пределов. В таких ситуациях я рекомендую повышение до 4В или 5В и использование у IR2110 VDD = +5В.

Теперь давайте поговорим о VSS и COM. VSS это земля для логики. COM это «возврат низкого уровня» — в основном, заземление низкого уровня драйвера. Это может выглядеть так, что они являются независимыми, и можно подумать что, пожалуй, было бы возможно изолировать выходы драйвера и сигнальную логику драйвера. Тем не менее, это было бы неправильно. Несмотря на то что внутренне они не связаны, IR2110 является неизолированным драйвером, и это означает, что VSS и COM должны быть оба подключены к земле.

HIN и LIN это логические входы. Высокий сигнал на HIN означает, что мы хотим управлять верхним ключом, то есть на HO осуществляется вывод высокого уровня. Низкий сигнал на HIN означает, что мы хотим отключить MOSFET верхнего уровня, то есть на HO осуществляется вывод низкого уровня. Выход в HO, высокий или низкий, считается не по отношению к земле, а по отношению к VS. Мы скоро увидим, как усилительные схемы (диод + конденсатор), используя VCC, VB и VS, обеспечивают плавающее питания для управления MOSFETом. VS это плавающий возврат питания. При высоком уровне, уровень на HO равен уровню на VB, по отношению к VS. При низком уровне, уровень на HO равнен VS, по отношению к VS, фактически нулю.

Высокий сигнал LIN означает, что мы хотим управлять нижним ключом, то есть на LO осуществляется вывод высокого уровня. Низкий сигнал LIN означает, что мы хотим отключить MOSFET нижнего уровня, то есть на LO осуществляется вывод низкого уровня. Выход в LO считается относительно земли. Когда сигнал высокий, уровень в LO такой же как и в VCC, относительно VSS, фактически земля. Когда сигнал низкий, уровень в LO такой же как и в VSS, относительно VSS, фактически нуль.

SD используется в качестве контроля останова. Когда уровень низкий, IR2110 включен — функция останова отключена. Когда этот вывод является высоким, выходы выключены, отключая управление IR2110.
Теперь давайте взглянем на частые конфигурации с IR2110 для управления MOSFETами как верхних и нижних ключей — на полумостовые схемы.


Рисунок 5 — Базовая схема на IR2110 для управления полумостом

D1, C1 и C2 совместно с IR2110 формируют усилительную цепь. Когда LIN = 1 и Q2 включен, то C1 и С2 заряжаются до уровня VB, так как один диод расположен ниже +VCC. Когда LIN = 0 и HIN = 1, заряд на C1 и С2 используется для добавления дополнительного напряжения, VB в данном случае, выше уровня источника Q1 для управления Q1 в конфигурации верхнего ключа. Достаточно большая ёмкость должна быть выбрана у C1 для того чтобы её хватило для обеспечения необходимого заряда для Q1, чтобы Q1 был включён всё это время. C1 также не должен иметь слишком большую ёмкость, так как процесс заряда будет проходить долго и уровень напряжения не будет увеличиваться в достаточной степени чтобы сохранить MOSFET включённым. Чем большее время требуется во включённом состоянии, тем большая требуется ёмкость. Таким образом меньшая частота требует большую ёмкость C1. Больший коэффициент заполнения требует большую ёмкость C1. Конечно есть формулы для расчёта ёмкости, но для этого нужно знать множество параметров, а некоторые из них мы может не знать, например ток утечки конденсатора. Поэтому я просто оценил примерную ёмкость. Для низких частот, таких как 50Гц, я использую ёмкость от 47мкФ до 68мкФ. Для высоких частот, таких как 30-50кГц, я использую ёмкость от 4.7мкФ до 22мкФ. Так как мы используем электролитический конденсатор, то керамический конденсатор должен быть использован параллельно с этим конденсатором. Керамический конденсатор не обязателен, если усилительный конденсатор — танталовый.

D2 и D3 разряжают затвор MOSFETов быстро, минуя затворные резисторы и уменьшая время отключения. R1 и R2 это токоограничивающие затворные резисторы.

+MOSV может быть максимум 500В.

+VCC должен идти с источника без помех. Вы должны установить фильтрующие и развязочные конденсаторы от +VCC к земле для фильтрации.

Давайте теперь рассмотрим несколько примеров схем с IR2110.


Рисунок 6 — Схема с IR2110 для высоковольтного полумоста


Рисунок 7 — Схема с IR2110 для высоковольтного полного моста с независимым управлением ключами (кликабельно)

На рисунке 7 мы видим IR2110, использованный для управления полным мостом. В ней нет ничего сложного и, я думаю, уже сейчас вы это понимаете. Также тут можно применить достаточно популярное упрощение: HIN1 мы соединяем с LIN2, а HIN2 мы соединяем с LIN1, тем самым мы получаем управление всеми 4 ключами используя всего 2 входных сигнала, вместо 4, это показано на рисунке 8.


Рисунок 8 — Схема с IR2110 для высоковольтного полного моста с управлением ключами двумя входами (кликабельно)


Рисунок 9 — Схема с IR2110 как высоковольтного драйвера верхнего уровня

На рисунке 9 мы видим IR2110 использованный как драйвер верхнего уровня. Схема достаточно проста и имеет такую же функциональность как было описано выше. Есть вещь которую нужно учесть — так как мы больше не имеем ключа нижнего уровня, то должна быть нагрузка подключённая с OUT на землю. Иначе усилительный конденсатор не сможет зарядится.


Рисунок 10 — Схема с IR2110 как драйвера нижнего уровня


Рисунок 11 — Схема с IR2110 как двойного драйвера нижнего уровня

Если у вас проблемы с IR2110 и всё постоянно выходит из строя, горит или взрывается, то я уверен, что это из-за того, что вы не используете резисторы на затвор-исток, при условии, конечно, что вы всё спроектировали тщательно. НИКОГДА НЕ ЗАБЫВАЙТЕ О РЕЗИСТОРАХ НА ЗАТВОР-ИСТОК. Если вам интересно, вы можете прочитать о моем опыте с ними здесь (я также объясняю причину, по которой резисторы предотвращают повреждения): http://tahmidmc.blogspot.com/2012/10/magic-of-knowledge.html

Я видел как на многих форумах, люди бьются с проектированием схем на IR2110. У меня тоже было много трудностей прежде чем я cмог уверенно и последовательно строить успешные схемы драйвера на IR2110. Я попытался объяснить применение и использование IR2110 довольно тщательно, попутно всё объясняя и используя большое количество примеров, и я надеюсь, что это поможет вам в ваших начинаниях с IR2110.

Принцип работы ИК пульта управления

Большая часть современной бытовой электронной аппаратуры имеет пульт дистанционного управления, использующий инфракрасное (ИК) излучение в качестве способа передачи информации. ИК канал передачи данных используется в некоторых устройствах системы «умный дом», которую мы производим.

Принцип ИК передачи информации

Инфракрасное, или тепловое излучение — это электромагнитное излучение, которое испускает любое нагретое до определенной температуры тело. ИК диапазон лежит в ближайшей к видимому свету области спектра, в его длинноволновой части и занимает область приблизительно от 750 нм до 1000 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, около половины излучения Солнца. Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении отличаются от их свойств в видимом свете. Например, некоторые стекла непрозрачны для инфракрасных лучей, а парафин, в отличие от видимого света, прозрачен для ИК излучения и используется для изготовления ИК линз. Для его регистрации используют тепловые и фотоэлектрические приемники и специальные фотоматериалы. Источником ИК лучей, кроме нагретых тел, наиболее часто используются твердотельные излучатели — инфракрасные светодиоды, ИК лазеры, для регистрации применяются фотодиоды, форотезисторы или болометры. Некоторые особенности инфракрасного излучения делают его удобным для применения в устройствах передачи данных:

  • ИК твердотельные излучатели (ИК светодиоды) компактны, практически безинерционны, экономичны и недороги.
  • ИК приемники малогабаритны и также недороги
  • ИК лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости
  • Несмотря на распространенность ИК лучей и высокий уровень «фона», источников импульсных помех в ИК области мало
  • ИК излучение низкой мощности не сказывается на здоровье человека
  • ИК лучи хорошо отражаются от большинства материалов (стен, мебели)
  • ИК излучение не проникает сквозь стены и не мешает работе других аналогичных устройств

Все это позволяет с успехом использовать ИК способ передачи информации во многих устройствах. ИК передатчики и приемники находят применение в бытовой и промышленной электронике, компьютерной технике, охранных системах, системах передачи данных на большие расстояния по оптоволокну. Рассмотрим более подробно работу систем (пультов) управления бытовой электроники.

Читайте также  Датчик положения дроссельной заслонки

Пульт ИК управления при нажатии кнопки излучает кодированную посылку, а приемник, установленный в управляемом устройстве, принимает её и выполняет требуемые действия. Для того, чтобы передать логическую последовательность, пульт формирует импульсный пакет ИК лучей, информация в котором модулируется или кодируется длительностью или фазой составляющих пакет импульсов. В первых устройствах управления использовались последовательности коротких импульсов, каждый из которых представлял собою часть полезной информации. Однако в дальнейшем, стали использовать метод модулирования постоянной частоты логической последовательностью, в результате чего в пространство излучаются не одиночные импульсы, а пакеты импульсов определенной частоты. Данные уже передаются закодированными длительностью и положением этих частотных пакетов. ИК приемник принимает такую последовательность и выполняет демодулирование с получением огибающей. Такой метод передачи и приема отличается высокой помехозащищенностью, поскольку приемник, настроенный на частоту передатчика, уже не реагирует на помехи с другой частотой. Сегодня для приема ИК сигнала обычно применяется специальная микросхема, объединяющая фотоприемник, усилитель с полосовым фильтром, настроенным на определенную несущую частоту, усилитель с АРУ и детектор для получения огибающей сигнала. Кроме электрического фильтра, такая микросхема имеет в своем составе оптический фильтр, настроенный на частоту принимаемого ИК излучения, что позволяет в максимальной степени использовать преимущество светодиодного излучателя, спектр излучения которого имеет небольшую ширину. В результате таких технических решений, стало возможным принимать маломощный полезный сигнал на фоне ИК излучения других источников, бытовых приборов, радиаторов отопления и т.д. Работа современных устройств ИК управления достаточно надежна, а дальность составляет от нескольких метров до 40 и более метров, в зависимости от варианта реализации и уровня помех.

Передатчик ИК сигнала

Передатчик ИК сигнала, ИК пульт, чаще всего имеет питание от батарейки или аккумулятора. Следовательно его потребление должно быть максимально низким. С другой стороны, излучаемый сигнал должен быть значительной мощности для обеспечения большой дальности передачи. Такие противоположные по энергетическим затратам задачи успешно решаются способом передачи коротких импульсных кодированных пакетов. В промежутках между передачами пульт практически не потребляет энергии. Задача контроллера пульта — опрос кнопок клавиатуры, кодирование информации, модулирование опорной частоты и выдача сигнала на излучатель. Для изготовления пультов выпускаются различные специализированные микросхемы, однако для этих целей могут быть использованы и современные микроконтроллеры общего применения типа AVR или PIC. Основное требование к таким микроконтроллерам — это наличие режима сна с чрезвычайно низким потреблением и способность чувствовать нажатия кнопок в этом состоянии.

Излучатель ИК сигнала испускает инфракрасные лучи под действием тока возбуждения. Ток на излучатель обычно превышает возможности микроконтроллера, поэтому для формирования необходимого тока устанавливается простейший светодиодный драйвер на одном транзисторе. Для снижения потерь, при выборе транзистора необходимо обратить внимание на его коэффициент усиления тока — β или h21. Чем выше этот коэффициент, тем выше эффективность устройства. Современные передатчики используют полевые или CMOS транзистоы, эффективность которых на используемых частотах можно считать предельной.

Приведенная схема не лишена недостатков, в частности при снижении уровня заряда батареи, мощность излучения будет падать, что приведет к снижению дальности. Для снижения зависимости от напряжения питания, можно использовать простейший стабилизатор тока.

Большинство передатчиков работают на частоте 30 — 50 кГц. Такой диапазон частот был выбран исторически при создании первых подобных устройств. Была выбрана область с наименьшим уровнем помех. Кроме того, принимались в расчет ограничения на элементную базу. В дальнейшем, по мере стандартизации и распространения аппаратуры с таким способом управления, переход на другие частоты стал нецелесообразным.

В целях увеличения импульсной мощности передатчика, а соответственно и его дальности, сигнал основной частоты отличается от меандра и имеет скважность 3 — 6. Таким образом повышается импульсная мощность с сохранением или даже уменьшением средней мощности. Импульсный ток светодиода выбирается исходя из его паспортных значений и может достигать одного и более Ампер. Импульсный ток в большинстве пультов ИК не превышает 100 мА. При этом, поскольку и опорная частота имеет малый коэффициент заполнения и длительность кодированной посылки не превышает 20-30 мс, средний ток при нажатой кнопке не превышает одного миллиампера. Повышение импульсного тока светодиода сопряжено с снижением эффективности и уменьшением срока службы. Современные инфракрасные светодиоды имеют эффективность 100-200 мВт излучаемой энергии при токе 50 мА. Допустимый средний ток не должен превышать 10-20 мА. Питание светодиода должно иметь RC фильтр, который снижает воздействие импульсной помехи на питание микроконтроллера. Спектр применяемых светодиодов для ИК пультов большинства бытовой аппаратуры имеет максимум в области 940 нм.

Длительность единичного пакета опорной частоты для уверенного приема составляет не менее 12-15 и не более 200 периодов. При передаче кодированной посылки, передатчик формирует в начале преамбулу, которая представляет собой один или несколько пакетов опорной частоты и позволяет приемнику установить необходимый уровень усиления и фона. Данные в кодированной посылке передаются в виде нулей и единиц, которые определяются длительностью или фазой (расстоянием между соседними пакетами). Общая длительность кодированной посылки чаще всего составляет от нескольких бит до нескольких десятков байт. Порядок следования, признак начала и количество данных определяется форматом посылки.

Приемник ИК сигнала

Приемник ИК сигнала как правило имеет в своем составе собственно приемник ИК излучения и микроконтроллер. Микроконтроллер раскодирует принимаемый сигнал и выполняет требуемые действия. Поскольку приемник в большинстве случаев устанавливается в аппаратуре с сетевым питанием, его потребление не существенно. Микроконтроллер чаще всего выполняет и другие сервисные функции в устройстве и является его центральным логическим устройством.

Приемник ИК излучения чаще всего выполняется в виде отдельного интегрального модуля, который располагается за передней панелью управляемой аппаратуры. В передней панели имеется прозрачное для ИК лучей окошко. Как правило, такая микросхема имеет три вывода – питание, общий и выход сигнала. Производители электронных компонентов предлагают приемники ИК сигналов различного типа и исполнения. Однако, принцип их работы схож. Внутри такая микросхема имеет:

  • фотоприемник — фотодиод
  • интегрирующий усилитель, выделяющий полезный сигнал на уровне фона
  • ограничитель, приводящий сигнал к логическому уровню
  • полосовой фильтр, настроенный на частоту передатчика
  • демодулятор — детектор, выделяющий огибающую полезного сигнала.

Корпус такого приемника выполняется из материала, выполняющего роль дополнительного фильтра, пропускающего ИК лучи определенной длины волны. Современные интегральные приемники позволяют принимать полезный сигнал на уровне фона, превышающего его в несколько десятков раз и при этом чувствовать посылки частоты, имеющие всего от 4 — 5 периодов.

Питание приемника излучения должно быть выполнено с RC фильтром для увеличения чувствительности. Микроконтроллер производит помеху широкого спектра на линиях питания, что может повлиять на работу приемника.

Форматы ИК передачи данных

Различные производители бытовой аппаратуры применяют в своих изделиях различные пульты ИК управления. Поскольку пульт должен общаться только с конкретным устройством, он формирует последовательность данных, уникальную для своего типа оборудования. Передаваемые данные содержат кроме собственно команды управления адрес устройства, проверочные данные и другую сервисную информацию. Более того, различные производители используют различные способы формирования последовательности данных и различные способы передачи логических состояний. Наиболее распространенные способы кодирования битов информации — это изменение длительности паузы между пакетами (метод интервалов) и кодирование сочетанием состояний (бифазный метод). Однако, встречаются способы кодирования бит информации длительностью, сочетанием длительности и паузы и т.д. Наиболее распространенные форматы передачи:

Форматы RC-5 и NEC используются многими производителями электроники. Некоторые производители разработали свой стандарт, но в основном используют его сами. Менее распространенные форматы пультов управления:

  • JVC
  • ITT
  • Mitsubishi
  • Nokia NRC17
  • Philips RC6
  • Phiilps RC-MM
  • Philips RECS80
  • RCA Protocol
  • Samsung
  • Sharp
  • Sony SIRC
  • X-Sat Protocol

В отличие от пультов управления бытовой электроникой, которые передают только одну команду, соответствующую нажатой кнопке, пульты управления кондиционерами передают при каждом нажатии всю информацию о параметрах, выбранных пользователем на экране пульта, такие как температура, режим охлаждения, нагрева или вентиляции, мощность вентилятора и другие. В результате, посылка становится достаточно длительной. Например, пульт бытового кондиционера Daikin FTXG передает единовременно 35 байт информации, скомпонованной в трех последовательных посылках. Форматы пакетов ИК передачи кондиционеров:

Инфракрасные передатчики служат для синхронизации активных 3D очков затворного типа с телевизором.

Двунаправленная передача информации используется в некоторых мобильных устройствах: ноутбуках, телефонах, смартфонах, плеерах и т.д. Передача информации по протоколу IrDA основана на форматах асинхронной передачи данных, реализованных в COM портах компьютера.

Передача информации на большие расстояния не обходится сегодня без ИК излучения. Оптоволоконные линии связи используют ИК излучение ближней и средней области спектра (некоторые и видимого) для передачи данных.

  • Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)
  • Беспроводная передача данных в инфракрасном диапазоне

Интегральная схема: что это + кто создал интегральную схему?

Главная страница » Интегральная схема: что это + кто создал интегральную схему?

Достаточно открыть корпус телевизора, радиоприёмника или компьютера, чтобы увидеть, устройство электронной печатной платы. Это устройство напоминает своего рода электрическую карту «улиц», где расположились различные электронные компоненты. Вместо «дорожек, тротуаров и шоссе» на плате присутствуют печатные медные связи, соединяющие миниатюрные компоненты. Печатные платы вполне удобны для производства небольших по габаритам приборов. Но что делать, когда создаётся сложная электронная машина, к примеру, высокопроизводительный компьютер? Решением такой задачи выступила интегральная схема – миниатюрное устройство, вместившее все электронные компоненты, необходимые для создания того же компьютера.

Читайте также  Технология изготовления катушек

Анализ построения сложной электронной машины

Даже самому простейшему компьютеру необходимы как минимум восемь электронных переключателей, чтобы сохранить один байт (символ) информации. Так что, если действительно предполагается сборка компьютера с приличным объёмом памяти для хранения информации, необходимо минимум 750 символов (байт), увеличенных восьмикратно. Теоретически получается 6000 электронных переключателей.

Если все эти 6000 переключателей применить в образе старых конструкций – вакуумных ламп, получится огромных размеров энергоёмкая машина, для питания которой потребуется индивидуальная мини-электростанция. Благо в 1947 году три американских физика (Уильям Шокли, Уолтер Браттейн, Джон Бардин) изобрели транзисторы. Ситуация несколько улучшилась. Транзисторы — приборы, существенно меньше размеров ламп, требующие малых объёмов энергии, оказались вполне надежными и эффективными.

Конструкция одного из первых ламповых компьютеров. Аналог такой системы в современном исполнении интегральной схемы допустимо без особых проблем вместить в корпус размерами чуть больше спичечного коробка

Однако проблема построения сложного компьютера от внедрения транзисторов сгладилась лишь частично. Объединение массы транзисторов в сложные схемы сопровождалось применением множества проводников. Для сборки компьютера такой вариант опять же виделся крайне неудобным. Ситуация поменялась кардинально, когда появились интегральные схемы.

Идея устройства интегральной схемы

Идея устройства микросхемы состояла в том, чтобы взять полную схему со всеми многочисленными электронными компонентами и связями, с последующим воссозданием в микроскопической форме на поверхности куска кремния. Благодаря этой идее появились всевозможные виды «микроэлектронных» гаджетов, которые сейчас воспринимаются как должное:

  • цифровые часы,
  • карманные калькуляторы,
  • космические ракеты,
  • спутниковая навигация и многое другое.

Интегральные схемы произвели настоящую революцию в электронике и вычислительной технике в период 1960 — 1970-х годов. Постепенно интегральные схемы модернизировались, что сопровождалось увеличением масштабов интеграции электронных компонентов при сохранении (и даже уменьшении) малых габаритных размеров:

  • Маломасштабная интеграция (SSI)
  • Среднемасштабная интеграция (MSI)
  • Крупномасштабная интеграция (LSI)
  • Очень крупномасштабная интеграция (VLSI)
  • Ультра крупномасштабная интеграция (ULSI)

Как создаются интегральные схемы?

Как изготовить чип памяти или процессор компьютера? Процесс производства начинается с химического элемента — кремния, который химически обрабатывается (легируется) для придания различных электрических свойств.

Современное исполнение интегральной схемы (одна из многочисленных форм), установленной на электронной плате устройства. Это далеко не самый продвинутый вариант, а лишь один из многих

Традиционно для нужд электроники используются материалы двух категорий:

  1. Проводники.
  2. Изоляторы.

Но технически всё сложнее, особенно когда дело касается определенных элементов середины таблицы Менделеева (группы 14 и 15), в частности, кремния и германия. Что примечательно — материалы изоляторы способны переходить в разряд проводников, если к этим материалам добавить некоторое количество примесей. Процесс, известный как легирование.

Принцип легирования химических элементов

Если добавить некоторое количество сурьмы кремнию, структура этого химического элемента насыщается большей массой электронов, чем обычно. Обеспечивается проводимость электричества. Кремний, «легированный» подобным образом, приобретает характеристику N-типа.

В другом случае, когда вместо сурьмы добавляется бор, масса электронов кремния уменьшается, оставляя своеобразные «дыры», которые функционируют подобно «отрицательно заряженным электронам». Благодаря «дырам» положительный электрический ток пропускается в противоположном направлении. Такая разновидность кремния характеризуется P-типом.

Расположение областей кремния N-типа и P-типа рядом одна с другой, способствует созданию соединения, где отмечается поведение электронов, характерное для электронных компонентов на основе полупроводников:

  • диодов,
  • транзисторов,
  • запоминающих устройств и других.

Структурная интегральная схема внутри чипа

Итак, процесс создания интегральной схемы начинается от монокристалла кремния, напоминающего по форме длинную сплошную трубу, «нарезанную» тонкими дисками — пластинами. Такие пластины размечаются на множество одинаковых квадратных или прямоугольных областей, каждая из которых представляет один кремниевый чип (микрочип).

Пример внутренней структуры интегральной схемы, демонстрирующий возможности такой уникальной технологии интеграции полноценных электронных схемотехнических решений

Затем на каждом таком чипе создаются тысячи, миллионы или даже миллиарды компонентов путём легирования различных участков поверхности — превращения в кремний N-типа или P-типа. Легирование осуществляется различными способами. Один из вариантов — распыление, когда ионами легирующего материала «бомбардируют» кремниевую пластину.

Другой вариант — осаждение из паровой фазы, включающий введение легирующего материала газовой фазой с последующей конденсацией. В результате такого ввода примесные атомы образуют тонкую пленку на поверхности кремниевой пластины. Самым точным вариантом осаждения считается молекулярно-лучевая эпитаксия.

Конечно, создание интегральных микросхем, когда упаковываются сотни, миллионы или миллиарды компонентов в кремниевый чип размером с ноготь, видится сложнейшим процессом. Можно представить, какой хаос принесёт даже небольшая крупинка в условиях работы в микроскопическом (наноскопическом) масштабе.

Вот почему полупроводники производятся в лабораторных условиях безупречно чистых. Воздух лабораторных помещений тщательно фильтруется, а рабочие обязательно проходят защитные шлюзы и облачаются в защитную одежду.

Кто создал интегральную схему?

Разработка интегральной схемы приписывается двум физикам — Джеку Килби и Роберту Нойсу, как совместное изобретение. Однако фактически Килби и Нойс вынашивали идею интегральной схемы независимо друг от друга. Между учёными даже существовала своего рода конкуренция за права на изобретение.

Джек Килби трудился в «Texas Instruments», когда учёному удалось реализовать идею монолитного принципа размещения различных частей электронной схемы на кремниевом чипе. Учёный вручную создал первую в мире интегральную микросхему (1958 год), использовав чип на основе германия. Компания «Texas Instruments» спустя год подала заявку на патент.

Тем временем представитель другой компании «Fairchild Semiconductor» — Роберт Нойс, проводил эксперименты с миниатюрными цепями своего устройства. Благодаря серии фотографических и химических методов (планарный процесс), учёный всего лишь на год позже Килби создал практичную интегральную схему. Методика получения также была оформлена заявкой на патент.

При помощи информации: TechTerms

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

4.4.3 Интегральные микросхемы в системах управления

Большинство устройств систем управления выполняют функции формирования и преобразования по определенным законам электрических сигналов информационного уровня. В целях повышения КПД и уменьшения массогабаритных показателей системы управления стремятся к снижению мощности сигналов, преобразуемых и вырабатываемых СУ. Эта тенденция привела к широкому использованию в узлах СУ интегральных микросхем (ИМС).

Интегральные микросхемы представляют собой микроэлектронные устройства с высокой плотностью компоновки элементов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д. Номенклатура ИМС определяется их функциями и масштабом производства. Наиболее широко употребляемые массовые ИМС можно отнести условно к группе базовых ИМС. По желанию заказчика могут создаваться ИМС со специализированными функциями. Такие ИМС называют «заказными» и целесообразность их применения зависит от технико-экономических факторов.

По технологии изготовления различают полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС. В основе полупроводниковых ИМС лежит кристалл полупроводника, в котором выполнены все элементы микросхемы. Пленочные ИМС выполнены в виде пленок проводящих и непроводящих материалов. Гибридные содержат более сложные компоненты (например несколько полупроводниковых кристаллов в одном корпусе).

По функциональному назначению микросхемы принято разделять на аналоговые и цифровые. Особенностью цифровых ИМС является то, что обрабатываемые сигналы имеют вид импульсов с двумя ярко выраженными уровнями: высокий уровень, соответствующий логической «1» (как правило напряжение порядка 5-10В) и низкий уровень, соответствующий логическому «0» (как правило напряжение порядка 0-1В). Аналоговые ИМС преобразуют непрерывные переменные во времени сигналы.

Сложность ИМС определяется степенью интеграции , гдеN число элементов входящих в ИМС. В соответствии с этой формулой микросхема первой степени интеграции содержит до 10 элементов, второй степени – от 11 до 100, третьей степени – от 101 до 1000 и т.д. Соответственно различают малые МИС (, средние СИС (), большие БИС () и сверхбольшие СБИС () ИМС.

Наиболее сложными ИМС являются микропроцессоры (программируемые устройства), которые нашли широкое применение и являются перспективным узлом управления силовых электронных аппаратов.

МИС реализуют простейшие логические преобразования (ИЛИ, И, И-НЕ и др.) и обладают универсальностью – на них может быть построено любое цифровое устройство. В виде СИС выпускаются в готовом виде такие схемы, как регистры, счетчики, дешифраторы, сумматоры и т. п. СИС менее универсальны, чем МИС, поэтому номенклатура СИС более широкая и разнообразная.

БИС и СБИС содержат тысячи и миллионы логических элементов в одном кристалле. Для ИС с жесткой структурой рост уровня интеграции приводил бы к проблеме снижения универсальности, вследствие чего пришлось бы производить огромное число типов ИС при снижении объема производства каждого из типов, что увеличило бы их стоимость.

Решение этой проблемы было найдено путем переноса специализации микросхем в область программирования. Появились процессоры и БИС/СБИС с программируемой структурой.

У каждого микропроцессора есть набор (система) команд. Меняя последовательность и состав команд (программу), можно решать различные задачи на одном и том же микропроцессоре. Промышленность, таким образом, получает возможность массового производства кристаллов, не ориентируясь на определенного потребителя. Это существенно снижает стоимость таких ИС.