Maximierung der IR-Reichweite und des Spitzenstroms

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Warum wurde 38 kHz als Standardfrequenz gewählt, um IR darüber zu modulieren? Warum nicht 1 MHz oder sogar ein paar hundert Hz?

Die kurze Antwort lautet: etwas Geschichte und etwas Technologie (außerdem ist 38 kHz nicht die Standardfrequenz, sondern ein Kanal von vielen, die von der APA in demselben Band zugelassen werden).

Zuerst Frage Nr. 2

Verbraucheranwendungen für drahtlose Fernbedienungstechnologie tauchten erstmals 1955 auf, als Eugene F. McDonald Jr., Gründer und Präsident von Zenith, Inc., sich nach einer drahtlosen Fernbedienung sehnte, die den Ton von Werbespots stummschalten würde. Er war so überzeugt vom bevorstehenden Niedergang des kommerziellen Fernsehens, dass er die Entwicklung des von seinem Ingenieur Eugene Polley entworfenen „Flash-matic“ als vorübergehende Lösung betrachtete, bis das Abonnementfernsehen auf den Markt kam.

Die „Flash-matic“ war die erste kommerzielle Demonstration einer drahtlosen Fernbedienung, die in großem Umfang an die Öffentlichkeit verkauft wurde. Diese Fernsehsteuerung bestand aus einem fokussierten elektrischen Blitzlicht, das der Benutzer auf einen von vier Fotosensoren richtete, die in den vier Ecken des Fernsehgeräts positioniert waren, um die Lautstärkestummschaltung (1 Ecke), die Stromversorgung (1 Ecke) und den Kanal zu ändern ( die letzten beiden Ecken).

Der Ansatz mit unmoduliertem sichtbarem Licht funktionierte jedoch tagsüber schlecht, wenn einfallendes Sonnenlicht zufällig den Fernseher einschaltete oder andere unerwünschte Verhaltensweisen des Geräts verursachte.

Dementsprechend veröffentlichte Zenith 1956 einen verbesserten Controller, der auf einem Design des heute weithin verehrten „Vaters der Fernbedienung“ Dr. Robert Adler basiert (Dr. Adler hielt später weltweit über 180 Patente, darunter wichtige Durchbrüche in der Vakuumröhrentechnologie). ).

Dr. Adlers Fernbedienung, die unter dem Handelsnamen „Space Command“ verkauft wird, basierte auf Ultraschall (Schallfrequenzen oberhalb des menschlichen Hörbereichs) und benötigte keine Batterien in der Handeinheit.

Ein Satz leichter Aluminiumstangen, ähnlich wie Stimmgabeln, wurde einzeln angeschlagen, wenn der Benutzer einen über der Stange positionierten Knopf drückte.

Da die Taste die Stange berühren musste, ohne sie zu dämpfen, um die Audioausgabe zu maximieren, wurde ein Schnappschalter verwendet, der der Fernbedienung ihren liebevollen Namen „Klicker“ gab.

Die Stange klingelte, wenn sie angeschlagen wurde, und erzeugte eine Grundtonhöhe im Nah-Ultraschall-Audiospektrum (20 kHz-40 kHz).

Wir werfen jetzt ein!

Beachten Sie dieses Frequenzband?! Das Design der Ultraschallglocke wird später in der Geschichte auf IR-Emitter "aufgerüstet". Die Modulation im Ultraschall-Audiofrequenzband wurde jedoch beibehalten, sodass der Basisband-Verarbeitungsabschnitt des Fernsehempfängers nicht neu gestaltet werden musste. Clever, oder? Aus diesem Grund wird APA (mehr später) IR-Modulationsfrequenzen zwischen 20k-50k spezifizieren.

...und wir setzen fort... ;-)

In Adlers Fernseher wurde ein Audiowandler zu einem Satz von sechs Vakuumröhren aufgefächert, die eine Reihe von Bandpassfiltern bildeten, um das eingehende Signal zu dekodieren und zu erkennen, welche Taste der Benutzer gedrückt hatte (z. B. welche Glocke er auf der Fernbedienung geläutet hatte).

Trotz ihrer technischen Errungenschaften fand die Ultraschall-Fernbedienung von Adler in den späten 1950er Jahren nur langsam Akzeptanz bei den Verbrauchern, als die zusätzlichen Vakuumröhren den Marktpreis des Fernsehgeräts um 30 % in die Höhe trieben.

Obwohl der Transistor 1947 von Dr. William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain erfunden wurde, tauchte er erst in den frühen 1960er Jahren in Verbraucherprodukten auf. Das Aufkommen des Transistors (Festkörperhalbleiter) führte zu dramatischen Kostensenkungen bei der Herstellung von Fernsteuerungselektronik. Das Ultraschalldesign von Adler wurde als batteriebetriebene elektronische Version wiedergeboren und fand breite Anwendung. Bis 1981 wurden mehr als 9 Millionen Ultraschall-Fernbedienungen verkauft.

Diese groß angelegte Einführung erzeugte Marktdruck für neue Produkte mit immer größeren Fähigkeiten und Komfort. Die Ingenieure wiederum begannen, eine größere Reichweite, eine längere Batterielebensdauer und eine bessere Kontrolle über eine größere Anzahl von Funktionen (dh mehr Tasten auf der Fernbedienung) von ihren Fernbedienungsschnittstellen zu fordern, während sie gleichzeitig die Herstellungskosten der Baugruppe senkten.

Fortschritte bei Halbleitertransistoren, die parallel zur Optoelektronik auf Halbleiterbasis stattfanden, führten zur modernen Infrarot (IR)-Fernbedienung, dem ersten kommerziellen Produkt, das 1978 auf den Markt kam.

Die Elektronikunternehmen Plessey und Philips, die beide auf Halbleiter spezialisierte Abteilungen hatten, waren die ersten Hersteller von Chips, die den gesamten IR-Sender und -Empfänger enthielten. Leider konnten sie die Vielfalt und Popularität des Mediums nicht vorhersagen und gingen davon aus, dass sich zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein Empfänger in Reichweite einer Fernbedienung befinden würde.

Ihre Protokolle und Modulationsschemata machten keinen Versuch, einen Empfänger von einem anderen zu unterscheiden.

Im Juli 1987 standardisierte die Appliance Product Association (APA) das Protokoll, das von den meisten kommerziellen IR-Fernbedienungen verwendet wird. Der Standard wurde anschließend von der AEHA, einer staatlichen Regulierungsbehörde für Verbraucherprodukte, in Japan übernommen, und Philips startete einen Produktregistrierungsdienst, um den korrekten Betrieb über mehrere Anbieter und Geräte hinweg weiter sicherzustellen.

Kooperationsprojekte verzweigen sich jedoch immer, und im Jahr 2000 waren mehr als 99 Prozent aller Fernsehgeräte und 100 Prozent aller in den Vereinigten Staaten verkauften Videorecorder und DVD-Player mit einer IR-Fernbedienung ausgestattet, die auf einer der fünf Hauptvarianten des APA-Protokolls basiert.

Alle Varianten spezifizierten eine feste Trägerfrequenz, typischerweise irgendwo zwischen 33 und 40 kHz oder 50 bis 60 kHz. Das am häufigsten verwendete Protokoll ist das NEC-Protokoll, das eine Trägerfrequenz von 38 kHz vorgibt.

• Das NEC-Protokoll wird von der überwiegenden Mehrheit der in Japan hergestellten Unterhaltungselektronik verwendet.
• Die Protokolle Philips RC-5 und RC-6 spezifizieren beide eine Trägerfrequenz von 36 kHz. Die frühen RC-5-Codierchips teilten jedoch die Hauptfrequenz des 4-Bit-Mikrocontrollers durch 12. Dies erforderte einen Keramikresonator von 432 kHz, um einen 36-kHz-Träger zu erreichen, der nicht allgemein verfügbar war. Viele Unternehmen verwendeten daher einen 455-kHz-Keramikresonator, was aufgrund der Verwendung dieser Frequenz in den Zwischenfrequenzstufen von AM-Rundfunkgeräten üblich ist, was zu einer Trägerfrequenz von 37,92 kHz (im Wesentlichen 38 kHz) führt. Sogar die Dokumentation für Philips-eigene Controller-Chips empfahl einen einfacher zu beschaffenden 429-kHz-Keramikresonator, der eine Trägerfrequenz von 35,75 kHz ergibt.
• Moderne IR-Sender verwenden typischerweise 8-Bit-Mikrocontroller mit einer Haupttaktfrequenz von 4 MHz, was eine nahezu beliebige Auswahl der Trägerfrequenz ermöglicht.

Nun siehst du...

Aus mechanischem Ultraschall-Audio wurde elektrisches Ultraschall-Audio wurde Infrarot-Ultraschallmodulation. Währenddessen könnte sich die Verarbeitungselektronik weiterentwickeln, ohne die anderen Parteien zu stören, und könnte mit ihren unmittelbaren Legacy-Gegenstücken kompatibel bleiben.

Darüber hinaus würde der Betrieb mit Modulationen im MHz-Maßstab die Reichweite stark einschränken und die Kosten erhöhen, da kürzere Akkumulationszeiten im Empfänger erforderlich wären, was den Empfänger anfälliger für Rauschen machen würde (geringeres Signal pro Impuls, also niedrigeres SNR).

Dies hat zu einer Fülle von preisgünstigen IR-Emittern, Detektoren, Demodulatoren und Kodierern geführt, die in erstaunlichen Mengen hergestellt werden.

Zurück zu Frage #1...

Modulieren Entwickler von IR-Schaltungen Daten über eine feste Frequenz (z. B. 38 kHz), um dem IR-Sender (Diode) den „Spitzen-DC-Durchlassstrom“ anstelle des „Max teilen?

Nö. Sie modulieren Daten aus drei Gründen:

1. Eliminieren Sie falsch positive Signale . Im Gegensatz zu den ersten Fernbedienungen (Taschenlampen) verwendet die moderne IR-Kommunikation eine Modulation, um die übertragenen Signale so unnatürlich wie möglich erscheinen zu lassen . Dies macht es äußerst unwahrscheinlich, dass Sonnenlicht oder andere Phänomene vom Empfänger als vom Bediener gesendete Daten verwechselt werden.
2. Erweitern Sie den Codebereich . Die Verwendung von Modulation bedeutet, dass viele verschiedene Befehle auf demselben Kanal übertragen werden können und der Empfänger sie unterscheiden kann. Die Daten werden nun durch eine Kombination aus Träger, Unterträger, Timing und Sequenz dargestellt. Es gibt viele gültige einzigartige Kombinationen, die es ermöglichen, Lautstärke lauter und leiser mit derselben Hardware und derselben Umgebung zu senden – im Gegensatz zu den frühen Fernbedienungen, bei denen Ihr Befehl nur ein Signal vorhanden oder nicht vorhanden war.
3. Geräte entkonflikten . Die Verwendung der Modulation ermöglicht es verschiedenen Geräten und verschiedenen Herstellern, zu identifizieren, an wen sie senden wollen. Dies verhindert die Erfahrung der frühen Tage der Fernbedienung, bei der das Einschalten Ihres Fernsehgeräts Ihren Videorecorder ausschalten könnte.

In Bezug auf die Sendeleistung sind viele IR-Sender tatsächlich auf ihre gepulsten Grenzen ausgelegt (die 10x-100x höher sein können als ihre kontinuierlichen Grenzen). Dies ermöglicht die Verwendung kleinerer/billigerer Dioden.

Auf der Empfangsseite ist die Menge an Sendeleistung, die zum "Durchbrennen" eines IR-Empfängers (Diode, Fototransistor oder anderes) erforderlich wäre, extrem und spielt im praktischen erdbasierten Systemdesign keine Rolle. Dieser Ausgangsleistungspegel wäre für Menschen gefährlich, lange bevor er für das Silizium gefährlich wäre.

Abschließend Frage Nr. 3

Wenn die Antwort auf Frage 1 ja lautet, könnte ich dann damit davonkommen, einen einmaligen kurzen Burst von Rohdaten (Byte wechselt jede Millisekunde) an einen IR-Sender (Diode) zu senden, wobei ich den Spitzenstrom anstelle des maximalen Stroms verwende?

Ja. Wenn Sie vorsichtig sind. So wird es normalerweise gemacht. Das heißt, Sie müssen dieses System nicht selbst entwerfen/bauen. Es gibt viele handelsübliche Teile, die die gesamte Handhabung des Protokolls der physikalischen Schicht (Modulation/Demodulation) für Sie erledigen.

Siehe die Sharp GP1-Familie:

Es hat den kompletten demodulierenden Empfänger drin! :)