家电控制器用红外接收头可靠性测试研究与优化

摘要：到目前为止，红外接收头仍是国内外很多家电企业广泛使用的整机接收遥控信号的主要电子元器件，如空调、电视机、机顶盒、遥控电扇等，其接收性能直接影响着用户使用的舒适度和便捷性。本文重点研究和分析了在大型家电企业中如何快速、有效地识别和鉴定红外接收头的主要接收性能。

前言

　　各大家电企业中，为保证整机产品性能合格，对其整机的信号接收性能或者信号接收系统的主要元器件红外接收头的接收性能主要依赖于企业内部的远距离(水平距离约10m或16m不等)接收测试，但是由于遥控器发射管发射的是红外信号，信号受外界环境的干扰度较大，测试中出现接收不稳定或多台控制器接收不同步等问题，对测试效率的影响较大。

　　为有效解决此测试缺陷，增加测试效率，本文结合发射管和接收头的工作原理等就使用衰减遥控器代替远距离测试的可行性进行分析。

1 红外信号特征

　　遥控器发射的是红外信号，即红外线，一种电磁波性质的光线，波长在0.75μm～1000μm之间，属于不可见光线。以红外信号峰值为900nm～950nm的遥控器为例，其发射的信号是红外线中的近红外线。普通环境下均存在不同成分的红外信号，如太阳光、照明灯，甚至任何发热体都会发出红外线。红外信号的强度及稳定性一定程度上受环境的温湿度、空气颗粒物比例和空气对流等约束，这都给远距离测试的不稳定性和低效性带来了伏笔。

2 接收头原理

　　接收头主要由光电二极管(PD)、芯片(IC)、支架和胶体(色素、环氧树脂)4大部分组成。PD主要功能是接收遥控器发出的光信号;IC是接收头的CPU，主要由硅晶核电路组成，主要功能有滤波、整形、解码和放大等。

　　工作原理：红外接收头一般可以接收850nm～1100nm波段的红外光，其中主要以接收940nm的红外光为主。PD将红外发射管发射出来的光信号转换为微弱的电信号，此信号经由IC内部放大器(Input Amplifier)进行放大，通过自动增益控制(AGC)、带通滤波器(Band Pass)和解调器(Demodulator)，波形整形后还原为遥控器发射出的原始编码，再经由接收头的信号输出引脚输入到电路板上的编码识别电路和控制电路进行工作。

3 遥控器发射管工作原理

3.1 发光二极管的工作原理

　　发光二极管由半导体PN结组成，P区的空穴由于扩散作用移动到N区，N区的电子扩散到P区，在PN结处形成势垒，从而抑制空穴和电子的继续扩散，达到空穴和电子扩散的稳定状态。当PN结加正电压时，势垒降低，势垒区变窄，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区。注入到P区的电子和P区里的空穴复合，注入到N区的空穴和N区的电子复合，复合的同时伴随着以光子的形式释放能量，即PN结出现发光现象。

3.2 遥控器基本发射电路原理

　　衰减遥控器的设计思路即改变红外发光二极管的限流电阻R12，根据设计要求将R12由实际使用的2.2Ω改为5.1kΩ或者其它衰减距离对应阻值的电阻。此时电路中的供电电压不变，流经红外发射二极管的电流减小。

　　结合以上发光二极管的工作原理不难看出，流经发光二极管电流大小的改变，微观中改变的是PN结电子和空穴的复合能力或者电子和空穴的个数和速率，表现出的微观现象就是二极管发射光子的个数多少，宏观中表现出的现象即为发光强度。红外光的本质或者能量都没有实质的改变，不涉及类似于接收头需要正常遥控器第一次远距离测试唤醒的说法。

　　再进一步分析，电子和空穴复合所释放的光子能量hν，也就是PN结的禁带宽度(能量间隔)Eg：

　　Eg=hν=hc/λ (1)

　　式(1)中：h——普朗克常数，h=60626×10^-34J•s;

　　c——光速，c=3×10⁸m/s;

　　λ——波长。

　　禁带宽度Eg作为既定材料制成的PN结，是一个常数，由此，红外光的波长λ为：

　　λ=hc/ Eg (2)

　　公式中三个参数均为常数，因此，得出的波长也是一个常数值，也就是说发光二极管发出的光的光谱或者光的本质没有改变——对接收头的接收性能无影响。

4 衰减测试优化分析

　　遥控器中红外接收头的核心部件PD(光电二极管)实质是一个光敏二极管。

　　光敏二极管的管芯是一个具有光敏特性的PN结，在电路中处于反向偏置。它的工作原理可用内光电效应——光生伏特效应阐释：在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。在无光照的条件下，反向电阻很大，电路中仅有很小的反向饱和漏电流，一般为10^-8A～10^-9A，此时二极管处于截止状态(未正常投入工作或使用);当有光照射在PN结上时，PN结附近受到光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量被激发，产生光生电子-空穴对，使少数载流子(P区中的少数载流子为电子，N区中的少数载流子为空穴)浓度大大增加，因此，PN结的反向电流也随着增加，形成光电流，光敏二极管导通。如果入射光照度变化，光生“电子-空穴”对的浓度也相应变化，通过外电路的光电流强度随之变化。光生伏特效应之势垒效应指出：光线照射PN结时，如果光子能量大于禁带宽度Eg，即可使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子-空穴对，形成光电动势。既定光敏二极管的禁带宽度不变，不随外界信号的变化而发生性质的变化，亦即入射光对光敏二级管的工作性能不会产生影响。

　　红外发射二极管限流电阻R12增大后，红外发射二极管发射的光电子数减少，加之远距离光子的流失，此时接收头就会出现不接收或接收不灵敏(非接收头质量问题造成的)的情况。调整为近距离的目的就是使有限的光电子有效地被接收头所接收，进而产生光电流，被放大电路放大，使电路正常接收信号。

5 优化措施

　　1)正常测试和使用过程中遥控器使用的是七号普通AAA电池(1.5V)，当电池使用久了电压下降，流过红外发射二极管LED1的电流降低，如图2，即流经三极管Q1的集电极-发射极电流ICE值降低，红外发光二极管的电流受电源的影响较大。

　　如果使用射极输出电路来驱动红外发光二极管即可有效解决以上弊端。如图4所示，把两个硅材料制成的二极管(正向压降约0.7V)与R13电阻并联，使得三极管的基极电位钳位在1.4V左右，此时三极管的发射极电压Ue会固定在约0.7V，发射极电流Ie基本不变，而Ie≈Ic(Ie=Ic+Ib)，这样流过红外发射二极管的电流也就基本可以保持稳定。

　　2)为了有效控制衰减遥控器的使用距离(如测试距离要求20cm)，设计遥控器固定支架，固定遥控器发射管与控制器接收头之间的接收距离，以有效测试或筛选故障品。

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第6期第37页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。