崑山科技大學 機械工程系 四機械四C --------- 多留言 --------- 多看看 ---------

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第六章 紅外線感測器
6-1
壹􀎕實習目的
一􀎕瞭解紅外線感測器的基本特性􀎖
二􀎕熟悉紅外線感測器的驅動電路􀎖
三􀎕熟悉紅外線感測器的收訊電路􀎖
四􀎕瞭解紅外線感測器在階段控制中的應用􀎖
五􀎕瞭解紅外線感測器在各類儀表電路中的應用􀎖
貳􀎕相關知識
發光元件的種類很多，依光譜大致可分為紅外線發光元件及可見光
的發光元件􀎖在本實習中，所要介紹的紅外線發光元件，是以砷化鎵
􀎰GaAs􀎱的紅外線發光二極體為主體，分別敘述其基本特性及應用電
路􀎖
一. 基本特性
1. 電流—電壓特性：
紅外線發光二極體其電氣的整流特性如圖6-1 所示，陽極􀎰Anode
即P 側􀎱電壓加正，陰極􀎰Cathode 即N 側􀎱電壓加負，此時二極體
所加之電壓為􁂉向電壓，因此電流便產生􀎖而所加上的電壓，須視所用
半導體的結晶種類而異，一般而言砷化鎵的紅外線發光二極體約須
1V，而鎵質的紅色發光二極體切入電壓約須1.8V；綠色發光二極體切
入電壓約須2.0V 左右􀎖當加入之電壓超過切入電壓之後，電流上升極
快，另外周圍的溫度對二極體的切入電壓變化影響亦很大，當溫度上升
時，將使其切入電壓數值降低􀎖
如果，二極體所加的電壓為反向時，其電流流出幾乎等於零，只有
微小的漏電流，但是所加電壓超過逆向耐壓時，便立即有大量的電流通
過，此種方式之連接方式，將損壞到元件之品質，甚而連元件燒燬，一
般紅外線二極體逆向耐壓之值約為3-6V，在使用時儘量避免有此一情
形發生􀎖
第六章 紅外線感測器
6-2
圖6-1 紅外線發光二極體的特性
2. 損失：
紅外線發光二極體的熱損失，是因元件所外加的電壓VF，產生的
電流IF 累積而來的，其一部份能量做為光的發射，而大部份即形成熱能
量之發散􀎖一般的損失值均以瓦特(W)單位表示之􀎖
一般說來，電流及電壓的損失，在最大值的60％ 以下的裕度範圍
內，元件使用上會很安全，又電壓及電流之損失其最大值皆須以周圍溫
度之參數值而定，這點是須注意的􀎖通常元件之最大值都有一定的限
制，若舉紅外線發光二極體為例，表6-1 即為各種紅外線發光二極體之
使用額定值之規範􀎖
表6-1 各種紅外線發光二極體的特性(sharp)(Ta=25°C)
絕 對 最 大 值 ∅e(mW) Vf(V)
型名包裝 If
(mA)
Vr
(V)
P
(mW)
Topr
(°C)
MIN TYP
If
(mA)
TYP MAX
If
(mA)
△θ
deg
TYP
λp
(nm)
TYP
GL-350 陶瓷 60 3 90 -25~+100 1.4 2.9 40 1.2 1.4 40 ±60 950
GL-351 陶瓷 60 3 90 -25~+100 1.7 3.3 40 1.2 1.4 20 ±75 950
GL-352 陶瓷 60 3 90 -25~+100 1.7 3.3 40 1.2 1.4 20 ±55 950
GL-410 環氧樹脂 65 6 100 -25~+85 0.5 1.0 20 1.2 1.4 20 ±85 950
GL-430 環氧樹脂 50 6 75 -25~+85 0.5 1.1 20 1.2 1.4 20 ±13 950
GL-450
雙方向的發
光環氧樹脂
50 6 75 -25~+85 0.7 1.0 20 1.2 1.4 20 ±18 950
GL-504 TO-18 100 6 150 -40~+125 0.72 2.16 50 1.3 1.4 50 ±7 950
GL-514 TO-18 150 6 250 -40~+125 3.3 5.4 100 1.4 1.6 100 ±7 950
GL-513F TO-18 150 6 250 -40~+125 1.4 2.9 100 1.4 1.6 100 ±50 950
GL-518 TO-18 80 6 120 -25~+125 2.0 3.0 50 1.3 1.6 50 ±9 950
GL-519 TO-18 100 6 200 -25~+85 0.5 1.2 20 1.2 1.4 20 ±30 950
GL-520 環氧樹脂 80 6 120 -25~+85 1.0 1.9 20 1.2 1.4 20 ±28 950
GL-521 環氧樹脂 100 6 120 -25~+85 1.6 - 20 1.2 1.4 20 ±13 950
第六章 紅外線感測器
6-3
3. 發射束電流特性：
紅外線發光二極體如加􁂉向電壓而產生電流時，就會發射出光線，
一般可見光的發光二極體其輸出光的強度是以光度表示之，而不可見光
如紅外線發光二極體其輸出光的能量大小，是以發射束φe 表示，其單
位為瓦特􀎖發射束的意義是單位時間內，所能發射􀎕搬移光的能量的多
寡􀎖紅外線發光二極體的發射束是有方向性的，當利用受光元件如光二
極體􀎕光電晶體或紅外線接收二極體來測光的強度時，其方向性就要注
意了，一般的測光均以全光束為之，所以其測定方法有其一定程序，首
先用一積分球為測定裝置，以便於做各方向的發光量測定，求其絕對
值，次之用如圖6-2 所示之裝置，以一光二極體放入到這個球具中，用
來測定受光量，由光二極體之輸出可得相對之光量值，若須正確的光量
值，則須將由積分球，所求出之絕對值，拿來當校正數據，比對而求得
正確之光量值􀎖
圖6-2 紅外線發光二極體全光束測定
紅外線發光二極體的發射束大體上也是隨電流比例而定，如圖6-3
所示，為發射束與􁂉向電流的特性曲線􀎖同時，發射束亦受周圍溫度影
響，溫度下降時，發射束反而增強；溫度上昇時，則下降􀎰􁂉向電流一
般都有一固定值􀎱，然而因熱損失之故，元件上的溫度便形增加，如此
發光效率就會受到影響而降低􀎖􀎰定義發光效率=發射束／􁂉向電流 x
􁂉向電壓􀎱
第六章 紅外線感測器
6-4
圖6-3 發射束－􁂉向電流特性(GL-514)
4. 電流的最大脈衝驅動值
欲得到大的發射束，就必須有大的電流通過，然而電流的通過又有
一定限度，否則便會使元件本身溫度上昇，甚或損壞􀎖在這種情況下，
有一個變通的方法，就是採用脈衝驅動的方法􀎖脈衝幅度窄時，其工作
比􀎰duty􀎱就變小，而電流峰值就變大，而平均散逸功率仍保持原先定
值，此時發射束相對增強，使得發光效率提高􀎖圖6-4 為峰值􁂉向電流
與工作比特性曲線􀎖
圖6-4 峰值􁂉向電流工作比(GL 514)
峰值順向電流
第六章 紅外線感測器
6-5
使用紅外線發光二極體，還要注意到壽命的問題，紅外線發光二極
體，如長時間連續通電發射光線時，其效率將會降低，此時我們稱之通
電不良􀎖而通電不良的程度則視通電電流大小及通電時問長短決定􀎖基
於此觀點，在設計發射束時，必須考慮這方面的裕度􀎖一般在設計裕度
須以最大值的60％ 為準􀎖通電電流和不良率的關係，可由圖6-5 看出，
圖中虛線為標準元件之全生期與半生期之曲線，實線部份則為不良元件
的全生期及半生期之曲線􀎖
圖6-5 通電電流和不良率的關係
5. 發光頻譜：
發光二極體所發射的光波長，常因其所用的材料而異􀎖圖6-6 所表
示是各種發光二極體的發光頻譜􀎖
砷化鎵的紅外線發光二極體，其峰值發光波長為940~950 nm, 而
人不能看到的光波長，大概就在900 nm 以上，這也就是紅外線的光我
們人眼所不能看到的原因􀎖圖中虛線部分，是 Si 質光電晶體的相對分
第六章 紅外線感測器
6-6
光感度，光電晶體的感光範圍很大，其範圍由500nm 到1100nm，而
其感光峰值約在800nm 左右，所以光電晶體除了平常用來做可見光線
偵測外，也常用來做紅外線接收器􀎖但使用光電晶體當紅外線接收器
時，須注意其它光線的干擾，為排除干擾可以在接收器的放大部份加入
一帶通濾波器，以讓紅外線發光二極體發射出來光線的頻率通過，如此
可以減少很多不必要的干優􀎖
圖6-6 發光二極體的發光頻譜
6. 方向特性
紅外線發光二極體的發射強度因發射方向而異􀎖方向的特性如圖
6-7，圖的發射強度是以最大值為基準，方向角度即為發射強度的相對
值􀎖當方向角度為零度時，其放射強度定義為10％，當方向角度越大
時，其放射強度相對的減少，發射強度如由光軸取其方向角度一半時，
其值即為峰值的一半，此角度稱為方向半值角，此角度越小即代表元件
之指向性越靈敏􀎖一般使用紅外線發光二極體均附有透鏡，使其指向性
更靈敏，而圖6-7􀎰a􀎱的曲線就是附有透鏡的情況􀎖另外每一種編號的
紅外線發光二極體其幅射角度亦有所不同，圖6-7 (b)所示之曲線為另一
種編號之元件，􁇡細之幅射角度之比較，可參閱表6-1 的△θ一欄中之
角度記載􀎖
第六章 紅外線感測器
6-7
(a) (b)
圖6-7 發光元件的方向特性
7. 距離特性
紅外線發光二極體的幅射強度，依光軸上的距離而變，亦隨受光元
件的不同而變􀎖圖6-8 是受光元件的入射光量變化和距離的特性􀎖基本
上光量度是隨距離的平方成反比，且和受光元件特性不同有關􀎖
圖6-8 相對發射輸出與距離特性
8. 響應特性
第六章 紅外線感測器
6-8
響應特性所指的是，紅外線發光二極體加入電流後，至發光的時
間，一般紅外線發光二極體的響應時間是隨其製作方法不同而異􀎖現在
最快的是液體成長型紅外線發光二極體，其響應速度約在1~3μS ，亦
即在適當調節下 , 其使用頻率約在300KHz 以下􀎖
9. 包裝與外型
紅外線發光二極體的包裝種類分為三種，透鏡消除型􀎕陶瓷型及樹
脂分子型，其包裝構造如圖6-9 所示，若在使用環境上，用途上要求嚴
格的話，應使用陶瓷型的最佳􀎖紅外線發光二極體的外型如圖6-10 所
示，圖中的照片完全是實物大小􀎖
圖6-9 紅外線發光二極體的包裝構造
圖由左是：GL350,GL410,GL430,GL504,GL514,GL513F,GL520,GL4509
圖由左是：GL351,GL352,GL521,GL518,GL519
圖6-10 紅外線發光二極體的外型
第六章 紅外線感測器
6-9
二􀎕驅動電路
使用紅外線發光二極體時，驅動電路的設計相當重要，好的設計能
使紅外線發光二極體的發光效率最高，且使用壽命增長，所以在此要特
別介紹驅動電路􀎖
1. 電阻負載驅動：
紅外線發光二極體在使用時，須由電流驅動，又其發光強度是與電
流成比例變化，所以電流控制方式的重要性就相對的增加了􀎖圖6-11
所示為其電阻負載驅動方式，這是最簡單的驅動方式，驅動電源是以直
流為之，根據圖6-12 所示的􁂉向電壓􀎕電流特性可繪出其負載線，並
求出其工作點􀎖􁇠工作點所對應的電壓􀎕電流分別為VF 及IF ，因此可
列出下式：
圖6-11 發光二極體的驅動電路
圖6-12 發光二極體􁂉向電流－電壓特性及其動作點
R
( V V )
I CC F
F
−
=
第六章 紅外線感測器
6-10
在進行設計時，最重要的是在lF 電流的控制，設計出的IF 不能太大，
若大於IF(max)則元件有燒燬之慮，IF 若太小，則其發射束就會變小􀎖
另外在電源電壓的取得亦須注意其穩定性，為求得發射光束的穩
定，電源電壓的穩定要求相對的提高，所以在精密的紅外線控制中，應
儘量做到電源的穩定，有時為求其穩定性也可將電源提高，電源提高之
後，為保持電流的不變，所使用的限流電阻亦相對的提高，此時電源的
微量變動，對電流影響就不大了，以下就介紹電阻負載驅動設計例：假
設電源電壓 VCC=5V，電流IF 取小於IF(max)為20mA，由圖6-1 的特
性曲線求得電壓VF=1.2V 代入驅動公式可得：
R=190Ω
此時R 須採用190Ω，紅外線發光二極體即可取得20mA 的驅動電
流，建議讀者在設計之前，先參考􁇠二極體的特性資料，以免做了錯誤
的設計􀎖
2. 多個紅外線發光二極體的串􀎕並聯驅動
有時候用一個發光二極體的發射，其輸出能力是不夠的，因此也可
同時採用多個發光二極體做發射，以加強其輸出能力，多個紅外線發光
二極體的驅動有兩種，一是串聯，一是並聯􀎖圖6-13 是串聯驅動的方
式，計算􁇠電路的IF
圖6-13 串聯的發光二極體的驅動方式
在設計􁇠電路時，須注意電源電壓必須大於n x VF 值􀎖圖6-14 是並聯
R
( 5V 1.2V )
20 mA
−
=
R
( V n x V )
I CC F
F
−
=
第六章 紅外線感測器
6-11
驅動的方式，計算􁇠電路的IF：
在設計此電路時，須注意電源供應之電流必須大於n x IF 值，否則紅外
線發光二極體的發光效率將降低很多􀎖
圖6-14 並聯的發光二極體之驅動方式
3. 用電晶體做為定電流的驅動電路：
為求紅外線發光二極體所發射出光束的穩定，也可藉定電流電路驅動
之，定電流電路的設計可採用如圖6-15 所示三種方式為之，(a)圖中採
用齊納二極體做定電壓，可以得到IE 電流：
(a)
E
Z BE
E R
( V V )
I
−
=
R
( V V )
I CC F
F
−
=
第六章 紅外線感測器
6-12
(b)
(c)
圖6-15 定電流驅動方式
又IF=Ic ≈ IE，所以IF≒(Vz-VBE)/RE，式中VZ,VBE,RE 皆為定數，所以IF
固定不變，因此可以在晶體集極串接很多個紅外線發光二極體，且能很
穩定的發射光束，但是所串接的紅外線發光二極體，仍有一定限度，必
須滿足下列條件：
VCC≥nVF+VBE+VE
≥nVF+VBE+Vz-VBE
(b)圖中是採用普通矽二極體串聯當定電壓源，計算方式同前式，只將
Vz 改為nVD，n 視串聯n 個偏壓二極體決定，(c)圖中定電壓源改用晶
體為之，利用Tr1 之VBE 電壓當定電壓源，所以IZ2=VBE1/RE 又IF=IC≈IE，
所以IF=VBE1/RE 也是固定的電流􀎖
4. 與TTL IC 及CMOS IC 的連線驅動：
由TTL IC 與CMOS IC 的電氣特性可知，IC 輸出欲直接驅動紅
外線發光二極體，似乎很勉強􀎖由表6-2 可知，普通74 系列的TTL IC，
輸出電流都不足供應紅外線發光二極體動作所需電流，在CMOS IC 方
面40 系列的IC，輸出電流更不足以推動之，所以直接由IC 驅動，並
不是一個十分良好的設計，一般均在IC 的輸出加入一電流放大單元，
若所需發射功率不是很大時，可以採用單晶電流放大，若所需發射功率
很大，那麼可以採用達靈頓對加以驅動之，圖6-16(a)(b)即單晶驅動及
達靈頓對驅動的電路􀎖
第六章 紅外線感測器
6-13
表6-2 TTL 與CMOS IC 電氣特性
表(a) TTL 的電氣特性
參 數
(PARMETET)
最小值
(MIN)
典型值
(TYP)
最大值
(MAX)
單位
units
VIH 高準位輸入電壓 2 V
VIL 低準位輸入電壓 0.8 V
VOH 高準位輸出電壓 2.4 3.4 V
VOL 低準位輸出電壓 0.2 0.4 V
IIH 高準位輸入電流 40 μA
IIL 低準位輸入電流 -1.6 mA
IOH 高準位輸出電流 -400 μA
IOL 低準位輸出電流 16 mA
ICC 供應電流 4 8 mA
tPLH 傳遞延遲時間低到高準位輸出 11 22 ns
tPHL 傳遞延遲時間高到高準位輸出 7 15 ns
表(b) CMOS 的電氣特性
􁂈目
參數
40xx
45xx
74/54
HCxx
74/54
HCTxx
74/54
ACxx
74/54
ACTxx
單
位
備考
工作電壓 3~18 2~6 4.5~5.5 2~5.5 4.5~5.5 V
VOH (min) 4.4 ← 3.98 →
V 電源電壓為
4.5V 之情形
VOL (max) 0.1 ← 0.33 →
V 電源電壓等於
4.5V
VIH (min) 0.7Vdd 0.7Vcc 2 0.7Vcc 2 V
VIL (max) 0.3Vdd 0.3Vcc 0.8 0.3Vcc 0.8 V
IOH (min) -1 -4 -4 -24 -24 mA
IOL (min) 1 -4 -4 24 24 mA
IIH ← 1 → uA
IIL ← -1 → uA
tP 60 7 8 3 3 ns
靜態Pd ← 10 → nW
第六章 紅外線感測器
6-14
圖6-16 IC 驅動電路
5. 正弦波調變驅動電路：
圖6-17 即正弦波調變最簡單的驅動電路，圖中由紅外線發光二極
體，反向並聯一只矽二極體，此作用在防止負半週正弦波加入時，造成
的逆向破壞，當正弦波加入時，只有正半週能使紅外線發光二極體動
作，而發射出光束，至於負半週則由反向並聯的矽二極體旁路，所以紅
外線發光二極體的放射光束只有正半週，無法將全部的信號，完全放射
這是其缺點􀎖為彌補此一缺點，可將反向並接的矽二極體改為同一編號
的紅外線發光二極體，如此一來，這反向並接的二極體可兼具發射光束
的功能，使得正弦波的信號能完全輸出，但其中正負半週的連接部份仍
然會有少許的失真，為避免此類失真，也可改換另一電路形態，如圖
6-18 所示，為晶體式的調變電路，此類電路兼具放大功能，其原理乃
利用晶體的工作區做A 類放大，如圖6-19 所示，其輸出信號是一個不
失真的正弦波，由於紅外線發光二極體是單向導電的元件，所以利用此
一偏壓方式，提高其直流準位，如此一來才可以使輸入的正弦波能夠全
部輸出，下列即為􁇠電路的分析􀎖
第六章 紅外線感測器
6-15
圖6-17 正弦波調變驅動電路
圖6-18 在發光二極體的線性部份加入偏壓的驅動方式
令調變輸入為零，計算其直流偏壓：
20mA
220
) 0.7
2.2K 2.2K
2.2K
10 (
R
) V
R R
R
V (
I I I
E
BE
1 2
1
CC
F1 C E ≅
−
+
×
=
−
+
= ≈ =
第六章 紅外線感測器
6-16
圖6-19 輸入信號與輸出信號的轉換關係
20mA 是􀘣加入調變信號時，流過紅外線發光二極體的電流，當加入調
變信號之後，晶體會按比例將輸入信號放大，此時，流過紅外線發光二
極體的電流變成20mA±ie，利用提昇準位的交流變動信號，即能完整的
將輸入調變信號傳送出去􀎖
6. 脈衝波調變驅動電路：
紅外線發光二極體用脈衝調變，亦是傳達信號的一種方法，而且也
是一種較理想的方式，在前節􀽘經提過，如果紅外線發光二極體，流過
大量電流就會得到大的發射束，但是電流的極限，受到規格的限制，因
此，利用脈衝調變方式降低其平均電流，就可能容許有比較大的峰值電
流流過，使得發射光束相對的增強􀎖
圖6-20 所示，為電晶體多諧振盪驅動方式，利用Tr1,2 形成無穩
態振盪器，其工作週期可由R1,R2,C1,C2 決定，Tr3 則負責電流放大，
GL520 則為紅外線發光二極體􀎖
第六章 紅外線感測器
6-17
圖6-20 電晶體多諧振盪驅動電路
圖6-21，6-22 均是利用IC 形成振盪電路，為了控制工作週期，我
們可以分別在圖6-21 及6-22 加入D1 及D2，如此一來就可以控制振
盪週期，兩個電路的輸出驅動均利用達靈頓電路，圖6-21 中ZD1，則
是保護Tr1 及Tr2 用的，C2 則為濾波電容用以穩定電源􀎕消除雜訊􀎖
圖6-21 IC 式振盪驅動電路(一)
圖6-22 IC 式振盪驅動電路(二)
第六章 紅外線感測器
6-18
圖6-23 單接合面電晶體振盪驅動電路
圖6-23 為一UJT 振盪驅動電路，為求得很窄的脈衝調變，則使用
UJT 是最恰當不過的，UJT 本身是負電阻元件，可以做為弛張振盪器，
利用R1 與C1 之充電方式，獲得激發電壓，形成振盪，在GL520 上可
取得峰值很高的脈衝􀎖
圖6-24 555 組成之振盪驅動電路
圖6-24，則是利用NE555，做為脈衝產生電路，為調整其工作週
期，也可分別加入D1 及D2 控制之􀎖其輸出之脈衝仍然利用晶體驅動
之􀎖
圖6-25，為一經過載波調變的脈衝，其調變出來的信號如圖6-25
所示，此種方式的調變可以提高S／N 比，亦可防止同頻率信號的干擾，
因為在空間中要出現和此類信號完全一樣雜訊，幾乎是不可能􀎖
第六章 紅外線感測器
6-19
圖6-25 調變信號的振盪驅動電路
三. 收訊電路
收訊電路和驅動電路是相對應的，驅動電路是負責將信號發射出
去，而收訊電路則是將發射出的信號接收並予以處理，紅外線的信號經
過空間的傳輸之後，勢必會受到衰減及干擾，因此一般收訊電路，利用
光電晶體或紅外線接收二極體接收到信號之後，一定得送入放大級，有
時為了使信號能原形重現，也可加入些許補償電路，下面就介紹幾個常
用的收訊電路􀎖
1. 晶體放大收訊電路：
利用晶體放大做為收訊電路的方式也有很多種，如圖6-26 所示有
四種簡單的收訊電路，(a)圖為集極回授放大電路，計算其輸出電壓
Vo=RF x (Ip+Ic/hfe)+VBE ，式中Ip 電流隨外來紅外線信號而變，因此，
所取出之Vo 電壓，即為紅外線信號的函數􀎖將(a)圖的收訊二極體，並
聯上RBE 電阻，其輸出的直流準位可以進行調整，而輸出電壓Vo 將變
為：
第六章 紅外線感測器
6-20
(a)集極回授放大電路(一) (b)集極回授放大電路(二)
(c)加入射極隨耦器放大電路 (d)光電晶體放大電路
圖6-26 晶體收訊放大電路
將(a)圖的電路多加上射極隨耦器，即如(c)圖的電路，加上了射極
隨耦器之後，將更有益於信號的檢出及信號的耦合，(d)圖是直接由一個
射極隨耦器組成，􁇠晶體直接放大光電晶體，所偵檢出的電流，將之轉
換成電壓輸出􀎖電路中0.01μ的電容是做消除雜訊的功能􀎖
Vo ( Rf R ) ( Ip Ic / hfe )
) Rf ( Ip Ic / hfe )
( Rf R )
R
Vo( 1
Vo
( Rf R )
R
Vo Rf ( Ip Ic / hfe )
BE
BE
BE
BE
BE
= + ×
= × +
+
−
×
+
= × × +
Vo
第六章 紅外線感測器
6-21
2. 運算放大器的放大收訊電路：
使用OPA 來當做收訊放大電路，是一個很理想的選擇，理論上OPA
能將輸入信號做無窮大的放大，雖然實際無法做到，但只要稍加補償，
就能將輸入信號做相當大的線性放大􀎖圖6-27(a)所示為一非反相放
大，它可將紅外線接收二極體所偵檢出的信號做(1+R2/R1)倍的放大，
在放大倍數太大時，輸出信號會有一些振鈴，我們可以在R2 兩端並聯
一5P~15P 的小電容，用以衰減高頻增益，取得響應良好的信號􀎖圖
6-27(b)所示，為一微小信號的取出電路，其增益理論上是無窮大，所以
在一微小的照度下，還能保證到照度和輸出的比例關係􀎖圖6-27(C)所
示，紅外線接收二極體是加在反相輸入端，同時有供給直流偏壓，由於
加入的直流偏壓是反偏，將使接收二極體的接面電容減少，使得響應速
率增高􀎖但是在高溫時，將造成逆向漏電流的增加，影響到信號檢出的
真實性􀎖圖6-27(d)為消除逆向漏電流的影響，而利用電容做連結交流
放大電路，因此直流成份將被濾除，只對外來的交流信號做放大功能􀎖
另外還有一點需注意的是OPA 偏壓電流的補償，一般若做反相放大，
則必須在非反相輸入端串一個電阻至地，其阻值和非反相端的等效總電
阻值相等􀎖
(a)非反相放大 (b)電流／電壓放大
第六章 紅外線感測器
6-22
(c)反相放大(一) (d)反相放大(二)
圖6-27 OPA 式收訊放大電路
3. 各種類型放射信號的收訊檢出：
由於放射束，放射過來的信號有直流􀎕交流弦波􀎕脈衝􀎕載波調變
信號等不同信號，所以在接收信號時必須瞭解放射束所放射出來的信號
類型，才能予以接收處理，同時也必須決定要以何種信號型態檢出，在
檢出信號方面的類型大致也可分為兩類，直流與交流􀎖在直流信號的檢
出方面，如果接收到的信號是直流􀎕一般是可以直接輸出，但為了消除
空間中的雜訊干擾，也可加入濾波電路􀎖如果接收到的信號是交流信
號，欲得直流檢出，則可加入適當的整流濾波予以直流化􀎖在交流信號
的檢出方面，如果是要做原型信號的檢出，則只要在做一般的交流放大
之後，再略做補償，使得原來的放射信號重現即可，在交流檢出方面有
一個比較特殊的信號，即經載波調變過的放射信號，由於此類信號包含
有兩種頻率，收訊電路接收了信號之後，為處理􁇠信號，則須先經帶通
濾波器，經過了帶通濾波器之後，可將信號分離，再做處理􀎖這是一種
很理想的信號傳輸方式，只是在接收訊號的處理方式上較麻煩罷了􀎖下
面是一種較簡單的帶通濾波器介紹，圖6-28 所示是一種簡單的帶通濾
波器電路，其設計方法加下所述：
(1)決定fo,Q，Go 令Fo=1KHz，Q=20，G=100
(2)選擇Rm 值及C 值􀎖利用Fo=1/2π x CRm 的公式決定C=0.1μ，則
Rm=1.59KΩ
第六章 紅外線感測器
6-23
(3)決定R1 值及R2//R3 之值􀎖利用R1= x Rm，R2//R3=Rm/ 􀎕得
R1=63.6KΩ，R2//R3=40Ω
(4)決定R3 值􀎖利用G=R1//2R3，得R3=318Ω
(5)決定R2 值􀎖利用R2//R3=40Ω，代入得R2=46Ω
如上列之設計方式，如果找不到合適之阻值，也可利用可變電阻代􀽙之􀎖
中心頻率
增益G=R1/2R3
選擇度
其中
圖6-28 帶通濾波器的電路設計
四. 應用電路
1. 磁帶􀘣端的檢出電路：
圖6-29 所示是視頻上或磁帶記錄的磁帶起始位置及終止檢出用的
電路􀎖光源是使用2 個鎢絲燈或發光二極體,用兩個發光二極體做雙方
向的照射，在實際裝配上是一使用簡便的機構􀎖在這個機構上，磁帶的
捲軸終端及起始部份均是透明的，這時光電晶體可感知發光二極體的光
線，使得電路的輸出有高準位的變化，在磁帶只有磁粉的部份是半透明
的所以光電晶體，無法感受到內部的光源,因此輸出低準位􀎖􁇠機構就是
藉此來檢測磁帶的起始與終結，電路中的收訊元件若是怕外界光源之干
擾，也可採用成本較高的紅外線收發訊元件來控制 􀎖
2 CRm
1
Fo
π
=
Q = n / 2
R1 = n × Rm , R2 // R3 = Rm / n
n n
第六章 紅外線感測器
6-24
圖6-29 磁帶􀘣端的檢出電路
2. 警報電路：
圖6-30 為一紅外線警報電路，其發射器包含三個部份，一個500 HZ
的定時脈波產生器，一個定時脈衝整型器，一個驅動器，定時脈波產生
器是由三個反相閘組成，它能提供頻率約為500HZ 的方波􀎖定時脈衝
整型器乃是由兩個雙重輸入的閘路與一個反相器組成，此整型器本身為
一個單擊電路，它能產生頻率500HZ，而任務週期為1％的波形，本警
報器所使用的紅外線發光二極體為快捷公司的FLD 100，它能放射一強
而窄的紅外光，一般在使用時為增長其感知距離，均加上透鏡裝置􀎖在
接收器方面主要是由FPT 100 的光電晶體與相關電路組成，FPT 100
所偵儉出紅外線信號由反相閘做放大整型，然後信號傳輸至uA9601 的
單擊器中其延遲時間約4.5msec􀎰0.36R4C3􀎱比定時脈波頻率的週期
2ms 稍高，若以單擊器被輸入脈波連續激發則輸出Q 一直保持高電位，
此時栓鎖電路不動作，SCR 也不被激發􀎖一旦當紅外線被侵入者擋住
時間超過4.5ms 時單擊器輸出為低電位，栓鎖電路動作，SCR 也被激
發，致使警報作響，欲清除此狀態，只要將Reset 開關，按一下即能回
復原始􀘢激發狀態􀎖
第六章 紅外線感測器
6-25
圖6-30 警報電路
3. 無線式收發信機：
紅外線除了做簡單的階段控制之外，也可做較複雜的通訊電路，圖
6-31 即為紅外線發信機的全部電路，發信用的紅外線發光二極體係使用
東芝推出的TLN-101 規格的製品，􁇠產品的光束較尖銳，恰好適合業
餘無線電所使用的波道寬，在調變方面係使用型號為LM-386 的IC􀎖此
IC 幾乎不需要外加零件，電源電壓使用4~12V，即可動作，無信號時
的消耗電流為3mA，而且具有可得輸出0.9W(12V 時)的優越性能􀎖
圖6-31 發訊電路
第六章 紅外線感測器
6-26
此IC，原設計電壓增益為20 倍，但為增加其增益可在第1 腳和第
8 腳之間接人電容器，可藉以提高增益約至200 倍，􁇠 IC 的輸入是第
3 腳，輸出是第5 腳，一般若輸出要連接至喇叭，中間必須串一個阻隔
直流的電容，但是現在輸出接的是紅外線發光二極體，為了保持發射束
的不失真，傳送到紅外線發光二極體的交流信號必須有直流位準(可參
閱驅動電路(五))因此，電路中不加電容，直接串接紅外線發光二極體􀎖
此時，經由MIC 接收到的聲音，便可由紅外線發光二極體傳送出去􀎖
圖6-32 是紅外線收信機的電路圖，因為紅外線從發信機發射出來，
所以收信機就必須要能接收􁇠紅外線，能夠接收紅外線的元件，普通的
Cds 是不行的􀎰因其感度太低了􀎱􀎖由此緣故，我們可選用東芝的矽光
導電晶體TPS-601􀎖此光電晶體對940nm 的缸外線感度相當高􀎖在接
收方面的放大同樣亦使用LM-386，其電路形式和發訊電路差異不大，
輸入部份是由TPS 601 光電晶體和10K 電阻組成,所取出的信號，經由
電容的耦合進入到LM-386 放大，第5 腳輸出經電容阻隔直流，送到耳
機或喇叭，完成傳送信號的動作􀎖
圖6-32 收訊電路
裝配完成之後，可以先試試收訊部份，將光電晶體朝向日光燈等光
源，應􁇠可以很清楚的聽到 " Boon"的交流聲，此時可以確定收訊電路
是正常的，接著把收訊及發訊兩電路的傳輸元件俟近測試，讀者可在
MIC 邊發聲，確定耳機或喇叭是否有聲音出現，接著是距離測試，逐漸
把雙方的間隔，隨光軸的方向拉遠，約至1m 左右，聲音將突然降低􀎖
讀者不要認為其傳遞距離只有1m，因為一般在使用時，還得加上透鏡，
此時距離可能到達22m 之遠約􀎖讀者不妨試試，但是對焦的工作可不
是一件簡單的工作􀎖􀎰附圖6-33 為TLN-101􀎕TPS-601 的指向特性圖
及規格特性􀎖􀎱
+9V
第六章 紅外線感測器
6-27
最大規格：
直流􁂉向電壓(IF)
脈衝􁂉向電流(IFP)
(脈衝寬10μs，重覆率100Hz)
直流逆向電壓(VR)
容許損向(P)
動作溫度(Topr)
保存溫度(Tstg)
電氣的特性
􁂉向電壓(VF)IF=50mA/TYP
逆向電流(IX)VR=5V
光輸出(PO)IF=50mA/MIN
端子間電容(CT)VR=0,f1MHz
峰值發光長(λp)IF=50mA
光譜半值寬(△λ)IF=50mA
100mA
1A
5V
150mW
-30~125°C
-55~125°C
1.2V MAX1.4V
10μA
0.5 TYP 1.8mW
50PF
940nm
50nm
最大規格：
Vcec30V
Vceo5
30V
5
電氣的特性
暗電流I 0.5μA MAX(VCE30 VE=0)
光電流IL 10mA MIN,30mA MAX
第六章 紅外線感測器
6-28
IC
PC
動作溫度
保存溫度
50
150mW
-30~125°C
-60~125°C
(VCE=3V,E=100mW/cm2)
集射極間飽和電壓 0.25V TYP
0.5V MAX
轉換特性
升起 Tr 2μs
下降 Tf 2μs
圖6-33
4. 紅外線遙控系統(一)
紅外線遙控是一種無線的遙控，一般在做此類的電路，均採單晶IC
為之，本系統為簡化電路，將採用一種抗干擾性極強供PCM 傳送的收
發射機用的CMOS-IC，其編號為SLB 3801 及SLB 3802􀎖在還沒介
紹實際電路前，先介紹一下本系統的特徵：
(1)採用2 相形體調變，其響應安全度極高，不易受干擾􀎖
(2)消耗電流低，電池壽命極長􀎖
(3)具有64 波道可供使用􀎖
(4)接收IC 內部藏有AGC 前置放大，具有穩定信號振幅之功能􀎖
首先就介紹發射部門，如圖6-34 所示，SLB 3801，是負責發射的
IC，祇要按下XY 鍵陣網中的1 個鍵，即可將所輸入的命令變換成8 位
元寬的連續通報信號􀎖這個IC 共有六個輸入終端分為4 列􀎰X􀎱及2
行􀎰Y􀎱，欲傳送信號以要使4 列􀎰X􀎱中的1 腳和2 行􀎰Y􀎱中的1 腳
短路即可，所以􁇠電路具有8 個波道，另外於 Co‧控制端部份又有3
個位址控制，司設定8 個位址，因此兩兩相互配合，共可做到64 個波
道的遙控􀎖
第六章 紅外線感測器
6-29
(a)SLB3801 內部略圖
(b)實際電路
圖6-34 紅外線發射部門
8 位元的連續通報信號，又是如何處理呢？如圖6-35(a)所示，8 個
第六章 紅外線感測器
6-30
位元中，第一固bit 是起動位元，均設定為1􀎖第二􀎕三􀎕四個bit 是波
道位元：由XY 鍵陣網決定􀎖第五􀎕六􀎕七個 bit 是位址位元，由bit 位
址控制決定，第八個 bit 是停止位元,若設定為1 則表示後面還有通報信
號，若設定為0 則表示通報完畢􀎖至於什麼是2 相形體調變呢？它是為
防止信號的干擾，而採取的一種措施，其運算的方式是將原本bit 中1
與0 的信號改以相位的方式來表示，由圖6-35(b)的例子中，若bit 信
號為1 則產生一正相位信號，若以信號為0 則產生一反相位之信號，信
號運算完之後，再加入25KHZ 的調變載波信號，如此一來便萬無一失，
可以解決信號干擾的麻煩了􀎖
(a)通報位元分配
(b)通報信號
圖6-35 通報位元的波形及分配
回到圖6-34(b)，電路中的載波信號是由CSB 455A 的石英晶體負
責產生，其通訊信號的輸出為增強光束，採用定電流晶體推動串􀎕並聯
方式所以共有4 個發射元件􀎰若採用LD 273 則用兩個就夠了􀎱􀎖為了確
定信號的發射，又追加一個LD1 發光二極體，其放射光的變化和紅外
線發光二極體完全一樣􀎖在發訊電路中還值得一提的，就是SLB 3801
本身具有按鍵防跳方塊，所以讀者不必在按鏈區加入任何輔助元件􀎖
圖6-36 為收訊部門􀎖(a)圖是SLB 3802 的方塊略圖，其輸入級中
內藏著可變增益前置放大器，隨著接收狀況的不同，振幅有著極大變化
的光二極體信號，由於AGC 放大器的作用，可與內部邏輯的信號階層
相配合，故既具有高靈敏度而又兼具防止過調變的兩立性功能，至於
AGC 時間常數，則取決於外部的R􀎕C 值􀎖接受通報後的 2 相形體調
變信號，須先接受數位解調，恢復原先的位元信號，再加以處理，得到
8 個波道的輸出，此系統在操作中為擴充其波道數到64，必須配合Co
控制來完成，也就是發訊電路與收訊電路的Co 控制開關必須撥在同一
位置，如此一來才能在輸出端得到真正的波道輸出，否則信號將遺失在
這網路中􀎖
第六章 紅外線感測器
6-31
(b)圖是收訊的實際電路，受光元件是採用PIN 光二極體SFH 205，
L1， C3 是調諧在25KHZ 的並聯諧振，因此只有25KHZ 的信號才能
􁂉利的經由SFH 205 偵檢出到前級放大，BC 239C 是一個電流放大率
極大的低雜音型製品，此級之電壓放大約130 倍􀎖做完前級放大的信號,
經電容耦合到SLB 3802，做處理􀎖處理完的信號便呈現在CH1~CH8 的
某一個波道中􀎖
(a)SLB3802 內部略圖
(b)實際電路
圖6-36 紅外線收訊電路
第六章 紅外線感測器
6-32
完成後的紅外線遙控器，遙控距離約16m，若加上透鏡則可達
20m，如果將牆壁反射也算進去的話，距離將長達30m􀎖
5. 紅外線遙控電路(二)
紅外線遙控電路的應用很多，如電視􀎕音響的各個控制開關，均可
用遙控的方式，予以控制􀎖使用者也下必走到機器前面打開開關􀎖諸如
此類的應用，不勝枚舉，在此再列舉一個遙控電路例：電腦鍵盤與電腦
連線的無線化􀎖由於前一個單元所介紹的遙控電路，只有64 個波道的
空間，不足鍵盤的使用，因此在這個單元中，再介紹一個具有512 波道
空間的單晶IC，SDA 2208-2 是一值相當方便使用的一個IC，使用時只
要外加一個石英晶體即可􀎰一般均選擇500KHZ 之石英晶體􀎱，它共有
512 種選擇輸出，在使用時只要任意在圖6-37 中按下一個鍵，IRA 端
立即有十個位元的通報信號出現，如果按下不放則會斷續出現通報信
號，如圖6-38 所示，是其通報信號的位元分配􀎖
圖6-37 SDA 2208-2 發訊電路
第六章 紅外線感測器
6-33
圖6-38 通報位元位置分配
在十個通報位元出現之前，會先有一個引導位元，其波寬為256／
Fclk，引導位元之後經過5 x 256／Fclk 的時間之後才正式出現十個位
元的通報信號出現，在這十個位元的第一個位元是為起始位元，平常均
為1􀎖剩下的九個位元均為資料，如果讀者還記得剛剛所提的兩相形體
調變信號，這通報信號，不正就是兩相形體調變信號􀎖至於按鍵與輸出
信號的對應關係，讀者可以參閱表6-3 即可一目了然􀎖SDA 2208-2 的
單晶IC 做完信號處理之後，要發射信號出去，可以直接推動紅外線發
光二極體，所以，我們可以採用直接推動方式，而接在第三腳的輸出端􀎖
為增加其放射光束，也可採用串聯方式􀎖有了512 個波道的空間，讀者
就可以針對電腦鍵盤任意編碼綽綽有餘了􀎖如圖6-39 為電腦鍵盤和電
腦連線的無線化的方塊圖􀎖
第六章 紅外線感測器
6-34
表6-3 編碼器
Binary code
IRA information istruction
Binary code
IRA information instrucion
No.of the
instruction
Matrix
connection
row-column A B C D E F G H I
No.of the
instruction
Matrix
connection
row-column A B C D E F G H I
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
6B
6C
6D
6E
6F
6G
6H
7A
7B
7C
7D
7E
7F
7G
7H
8A
8B
8C
8D
8E
8F
8G
8H
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2
3
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5
6
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9
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11
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20
21
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26
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28
29
30
31
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35
36
37
38
39
40
1A
1B
1C
1D
1E
1F
1G
1H
2A
2B
2C
2D
2E
2F
2G
2H
3A
3B
3C
3D
3E
3F
3G
3H
4A
4B
4C
4D
4E
4F
4G
4H
5A
5B
5C
5D
5E
5F
5G
5H
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0
0
0
0
Instruction
Instruction
Instruction
Instruction
Instruction
Instruction
Instruction
Instruction
0
64
128
192
256
320
384
448
to
to
to
to
to
to
to
to
63
127
191
255
319
383
447
511
:PPIN free
:PPIN connected with CB
:PPIN connected with CC
:PPIN connected with CD
:PPIN connected with CE
:PPIN connected with CF
:PPIN connected with CG
:PPIN connected with CH
G H I
0 0 0
1 0 0
0 1 0
1 1 0
0 0 1
1 0 1
0 1 1
1 1 1
第六章 紅外線感測器
6-35
圖6-39 電腦鍵盤和電腦連線無線化方塊圖
當按下電腦鍵盤的按鍵時，紅外線發射電路便會發射一經過編碼的
數據，透過紅外線傳送到電腦主體，當然電腦主體為了接收這紅外線的
信號，也必須裝有紅外線接收電路及解碼電路，才能使電腦接收到鍵盤
傳遞過來的信號􀎖致於紅外線接收電路，在這裹我們提供編號TDA
4050B 單晶IC 供做使用，這個IC 可以為所接收的紅外線信號做預放大
的工作，而且其效率極高，很適合在這一方面使用􀎖如圖6-40 所示為
其電路，在電路中BP 104 為光二極體，負責接收紅外線信號，接收進
來的信號則由BC 414C 負責放大，做完放大之後，由集極輸出至TDA
4050B，在TDA 4050B 的附屬電路中，為防止雜訊干擾，所以又在4，
5 腳加入動態濾波器，信號經過TDA4050B 的處理之後，於第3 腳輸
出，此時的輸出信號，可以說是原先發射出來信號的複製，但是這個通
報信號並不能直接由電腦所接受，必須再經由解碼電路，執行解碼的功
能􀎖若讀者不想利用硬體來做，也可以直接設計軟體程式，將通報信號
改為電腦所能接受的信號􀎖在使用TDA 4050B 時，須注意使用電源，
在9~16V 之間才能正常動作􀎖
圖6-40 TDA 4050B 收訊電路
電腦鍵盤
編碼電路
紅外線
發射電路
DSA2208-2
電腦
解碼電路或
解碼程式
紅外線
接收電路
TDA4050B
第六章 紅外線感測器
6-36
參􀎕實習電路原理說明
計件器
如圖6-41 所示，雖然是分離的電路，但是一一加以組合即能組成
一個計件器􀎖首先可將發光二極體及光二極體放在輸送帶的兩端􀎖紅外
線發光部份可採用直流或交流方式激發，讀者可自行取用，接收部份是
由BPW43 的PIN 光二極體負責，接收進來的信號由 U2 做1000 倍的
反相放大，再由U3 執行一次22 倍的反相放大，注意當你使用交流激
發時，可連接上L1，C4 且使激發頻率剛好是L1，C4 的諧振頻率，此
時可使激發的信號􁂉利的通過，而排除其它干擾信號，處理完的交流信
號經整流濾波後可取出一正值電壓,為確保􁇠信號能驅動計數器，於是多
加入U4 執行比較功能，當電壓高於0.85V 就視為高電位，此時物體若
通過輸送帶至偵測點時，則將遮住紅外線發光二極體，所發射出來的紅
外光線，此時，光二極體沒有接收到信號，於是U3 沒有輸出信號，整
流濾波出來的電位勢必比0.85V 小，所以U4 的輸出將為負電位，當物
體離開偵測點時，輸出電位又恢復高電位􀎖若計數器為正緣觸發，則當
物體離開時，計數器，則往上計數1，如此一來這個電路就能計算物體
通過的數量􀎖
第六章 紅外線感測器
6-37
圖6-41 紅外線實驗電路
第六章 紅外線感測器
6-38
肆􀎕實習儀器􀎕設備
1. 雙時基示波器
2. KL-62001 實驗器
3. KL-64006 實驗模板
4. 計數器
伍􀎕實習步驟與記錄
工作一：交流特性測試
1. 取KL-64006 實驗模板置於實驗器上􀎖
2. 將KL-62001 DCV INPUT+,-端與KL-64006 之Vo17 與地端連
接􀎕並將RANGE 置於20V􀎖
3. 頻率測試：調整R2，改變紅外線發光二極體發射須率，記錄輸
出於下表中(發射頻率以示波器觀察NE555 輸出端) 􀎖
頻率 1KHz 5KHz 10KHz 15KHz 20KHz 25KHz 30KHz
電壓
工作二：計件器
1. 取KL-64006 實驗模板置於實驗器上，接上電源􀎖
2. 利用導線連接KL-64006 的輸出Vo17 至計數器或示波器􀎖
3. 取一件物品或利用手在接收􀎕發射紅外線感測器中穿越，觀察
每穿越一次計數器(或示波器)有何變化􀎖