barrière infrarouges : Une barrière à infrarouges simple

Barrière infrarouges : émetteur et récepteur
Cet appareil émetteur/récepteur à infrarouges constitue, entre autres emplois possibles, une excellente et peu coûteuse alarme destinée à vous avertir d’une tentative d’intrusion malveillante lorsque vous êtes dans la maison et notamment la nuit quand vous dormez. Il suffi t de placer cette barrière sur le parcours obligé (et pourquoi pas plusieurs ?) du voleur.

Figure 1 : L’ensemble barrière à infrarouges dans ses deux boîtiers plastique, à

gauche le récepteur et à droite l’émetteur.

L’étage émetteur :
Comme le montre la fi gure 2, l’étage émetteur se compose de deux transistors darlington NPN ZTX601 montés en multivibrateurs astables, capables de fournir des signaux carrés à une fréquence d’environ 1 kHz (voir figure 3), utilisés pour piloter les deux diodes émettrices à infrarouges DTX1 et DTX2. Le schéma électrique montre que C1 (47 nF), relie le collecteur de TR1 à la base de TR2 et C4 (4,7 nF, soit dix fois moins), le collecteur de TR2 à la base de TR1.
Avec ces deux capacités on obtient une onde carrée dont le rapport cyclique est égal à 1/10 (voir fi gure 3) et donc les diodes émettrices conduiront en émettant des rayons infrarouges pendant 80 μs et resteront éteintes pendant 920 μs. Pendant les 80 μs de conduction, les deux diodes consommeront 400 mA pour obtenir un rayon assez puissant pour atteindre une portée de sept mètres. Cette forte consommation n’ayant lieu que pendant 80 μs, la consommation moyenne de l’étage émetteur n’est que de 70 mA.


L’étage récepteur :
Comme le montre la fi gure 5, l’étage récepteur comporte deux circuits intégrés ordinaires (IC1 est un LM358 contenant deux amplificateurs opérationnels et IC2 un HCF4093 constitué de quatre NAND) plus une diode réceptrice à infrarouges DRX1 BPW41 et un transistor NPN TR1.
Le signal infrarouge émis par les diodes DTX1 et DTX2 de l’émetteur visible figure 2, est envoyé de façon à
venir recouvrir la surface sensible de la diode réceptrice DRX1 du récepteur visible fi gure 5. La cathode de cette dernière est reliée au positif 12 V à travers R1 (10 kilohms) et son anode est orientée vers R2 (330 kilohms).
Quand cette diode réceptrice ne reçoit pas le rayon infrarouge, elle ne conduit pas. Dès que ce rayon l’atteint, un signal de 1 kHz à impulsions sort de son anode et C2 le transfère à l’entrée non inverseuse de l’amplificateur opérationnel IC1-A (voir fi gure 5). Les résistances montées sur l’entrée opposée inverseuse (R8 22 kilohms et R3 1 kilohm) servent à produire une amplification d’environ 23 fois du signal de
la diode réceptrice. C3 (330 nF), en série avec R3 (1 kilohm), constitue un filtre passe-haut servant à empêcher l’amplification du secteur 50 Hz.
Les impulsions amplifi ées 23 fois sortent de la broche de sortie 7 du premier amplificateur opérationnel IC1-A pour être appliquées directement à la broche inverseuse du second amplificateur opérationnel IC1-B monté en comparateur de tension.
La broche non inverseuse 3 de IC1-B est polarisée par une tension positive de référence de 2,24 V seulement, donc quand les impulsions de 1 kHz arrivant sur la broche inverseuse 2 dépassent cette valeur, de la broche de sortie de cet amplifi cateur opérationnel sort un signal formé par des impulsions positives atteignant 12 V pendant 920 μs avec des intervalles d’impulsions négatives de 80 μs. DS1, à la sortie de IC1-B laisse passer ces impulsions négatives vers C8 (100 nF) pour qu’elles neutralisent la tension positive arrivant aux extrémités de ce condensateur à travers R13 (47 kilohms). Jusqu’à ce que DRX1 reçoive le rayon infrarouge, aux bornes de C8 se trouve une tension positive infi me (<0,95 V) : cette tension
étant appliquée à l’entrée de la première NAND IC2-A montée en “inverter” (inverseur), elle sera considérée comme niveau logique 0.
Donc à la sor tie de IC2-A se trouvera un niveau logique 1, soit une tension de 12 V allumant DL1.
Si, pour un quelconque motif, le rayon infrarouge couvrant la diode réceptrice était interrompu, les impulsions de 1 kHz ne se trouveraient plus à la sortie du second amplificateur opérationnel IC1-B.
Par conséquent, DS1 ne pouvant plus envoyer aucune impulsion négative à C8, ne pourrait plus le maintenir déchargé, c’est-à-dire au niveau logique 0.
L’entrée de la NAND IC2-A passerait donc au niveau logique 1 à travers R13 et sa sortie au niveau logique
0 : la tension positive à la sor tie de IC2-A venant ainsi à manquer, DL1 resterait éteinte.
Récapitulons : DL1 s’allume seulement quand le rayon infrarouge couvre la BPW41 et s’éteint quand ce
rayon est interrompu.
La sortie de la NAND IC2-A est reliée à travers C10 à la broche d’entrée 6 de la seconde NAND IC2-C laquelle, avec la NAND IC2-B, constitue un FLIP-FLOP de type “set/reset”.
Quand DL1 est allumée, R15 force la broche 6 du FLIP-FLOP composé de IC2-C et IC2-B au niveau logique 1 et sur la broche de sortie 4 de IC2-C nous avons un niveau logique 0, soit aucune tension.
Par conséquent, la NAND IC2-D reste bloquée et le buzzer CP1 n’émet aucun son.
Si le rayon infrarouge est interrompu, même très brièvement, DL1 s’éteint, ce qui produit une impulsion négative laquelle, passant à travers C10, atteint la broche 6 de la NAND IC2-C et fait commuter le FLIP-FLOP “set/ reset” : sur la broche de sortie 4 de IC2-C se trouve donc un niveau logique 1 faisant conduire la NAND IC2-D qui produit l’émission sonore à 4 kHz environ de CP1
Ce même niveau logique 1, correspondant à une tension positive, charge à travers R19 et R18 l’électrolytique C12 pendant un maximum de neuf secondes.
Quand ce condensateur atteint sa charge maximale, TR1 se met à conduire et court-circuite à la masse la broche 13 de la NAND IC2-B qui fait commuter à nouveau le FLIP-FLOP “set/reset”.
Sur la broche 4 de la NAND IC2-C se trouve un niveau logique 0 déchargeant C12 et bloquant le fonctionnement de la NAND IC2-D, ce qui interrompt l’émission sonore de CP1. Le cavalier J1, en série avec CP1, sert seulement à exclure le buzzer pendant l’alignement de l’émetteur et du récepteur.

Figure 2 : Schéma électrique de l’étage émetteur produisant des impulsions à

onde carrée à 1 kHz (voir fi gure 3). Les anodes des deux diodes à infrarouges

sont vers le 12 V positif.

Figure 3 : L’étage émetteur de la figure 2 excite les diodes émettrices

pendant 80 μs avec des impulsionscapables de leur faire consommer un

courant de 400 mA.

Figure 4 : Brochages de la LED à infrarouges ou diode émettrice (la

patte anode est plus longue que la cathode) et du transistor ZTX601

vus de dessous.

La réalisation pratique :

L’émetteur :
Quand vous êtes en possession du circuit imprimé EN1568 (dessin, à l’échelle 1, figure 7b), montez les

quelques composants comme le montre la figure 7a et vous ne devriez pas rencontrer de problème pour construire l’émetteur à infrarouges : procédez par ordre, afin de ne rien oublier, de ne pas intervertir les composants se ressemblant, de ne pas inverser la polarité des composants polarisés et de ne faire en soudant ni court-circuit entre pistes et pastilles ni soudure froide collée. Faites très attention en particulier à l’orientation de TR1 et TR2, ainsi que de DTX1 et DTX2 (voir fi gures 4 et 9). C2 et C3 sont montés couchés et donc pattes repliées à 90°. Attention aussi à la polarité du 12 V sur le bornier à 3 pôles : le + est près de C3.

Figure 5 : Schéma électrique de l’étage récepteur captant les impulsions produites par l’émetteur à une distance maximale

d’environ sept mètres. Le cavalier J1 à droite sert à exclure le buzzer CP1 pendant l’alignement TX/RX.

Figure 6 : Brochages des deux circuits intégrés LM358 et 4093 vus de dessus, du transistor BC547 vu de dessous, de la

diode réceptrice BPW41 vue de 3/4 côté et de la LED vue en contre plongée (voir fi gure 16).

Figure 7a : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur. Le côté plat de TR1

regarde C1 et celui de TR2 est tourné vers l’extérieur. La bague de DS1 vers C3.

Figure 7b : Dessin, à l’échelle 1, du

circuit imprimé de l’émetteur.

Figure 8 : Photo d’un des prototypes

de l’émetteur à infrarouges. Le bornier

reçoit le 12 V d’alimentation.

Figure 9 : L’anode des diodes émettrices

CQX89 est la patte la plus

longue (les anodes sont tournées

vers R5 et R7). Laissez une longueur

de pattes, au-dessus du circuit

imprimé, de 10 mm.

Le récepteur :

Là aussi, quand vous êtes en possession du circuit imprimé double face à trous métallisés EN1569 (dessins,
à l’échelle 1, des deux faces figure 12b-1 et 2), montez tous les composants comme le montre la figure 12a et vous ne devriez pas rencontrer beaucoup plus de difficultés pour construire le récepteur : attention
surtout à l’orientation de DRX1 dont la face sensible (celle qui n’est pas marquée BPW41, comme le montre la figure 16) doit “regarder” vers l’extérieur de la platine puis du boîtier. Attention aussi à la polarité du 12 V sur le bornier à trois pôles : le + arrive près de C12. Placez d’abord J1 en AB pour les essais d’alignement, puis en BC pour un fonctionnement normal.
Le récepteur comme l’émetteur seront alimentés par une tension stabilisée de 12 V ou par une batterie rechargeable hermétique comme on en utilise avec le matériel d’alarme ou l’électromédical. Une seule suffi t pour les deux étages.

Figure 10 : La platine est insérée dans un petit boîtier plastique

Figure 11 : Le couvercle doit être percé pour laisser affl eurer les deux diodes

émettrices.

Comment et où fixer TX et RX :

Comme le montre la fi gure 17, la barrière à infrarouges est à placer en travers du passage obligé du voleur, soit de par t et d’autre d’une allée, d’un couloir, d’un escalier, etc. En coupant le rayon infrarouge l’intrus fera retentir le buzzer d’alarme. Attention, la portée maximale du rayon infrarouge est de sept mètres environ.
Le seul travail de réglage que vous avez à faire est de bien aligner le trou du récepteur devant capter le rayon
infrarouge (au fond duquel se trouve la diode photoréceptrice) et le centre du faisceau infrarouge venant de
l’émetteur : pour cela, coupez le buzzer en mettant J1 sur AB et servezvous de DL1 comme lampe témoin
en procédant par tâtonnement (quand elle s’allume, les TX/RX sont alignés). Centrez bien le trou du récepteur au milieu du faisceau infrarouge, sans quoi vous diminueriez la sensibilité et la portée du système. Puis vous pouvez remettre J1 en BC. Vérifi ez qu’en coupant le rayon infrarouge, DL1 s’éteint et le buzzer retentit pendant environ neuf secondes.

Figure 12a : Schéma d’implantation des composants du récepteur. Le buzzer

CP1 peut être fi xé sur le circuit imprimé avec des entretoises plastiques ou

sur le couvercle avec des vis. J1 en haut à droite est inséré en BC.

Figure 12b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous

métallisés du récepteur (côté composants).

Figure 12b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous

métallisés du récepteur (côté soudures).

Figure 13 : Photo d’un des prototypes du récepteur à infrarouges. Le bornier

reçoit le 12 V d’alimentation

Figure 16 : La face sensible de la

diode réceptrice est celle qui ne

comporte pas le marquage BPW41,

elle est à orienter vers la gauche

(voir fi gure 12).

Figure 14 : La platine est

insérée dans un petit boîtier

plastique préalablement

percé et fi xée par vis.

Figure 15 : Le couvercle

doit être percé aussi pour

laisser sortir le son du buzzer

lorsque celui-ci n’est

pas disposé dessus.

Figure 17 : La portée maximale du système à infrarouges TX/RX est de sept mètres. La barrière est à placer entre les

deux murs d’un passage obligé, comme par exemple un corridor, un escalier, un hall d’entrée, etc., en cherchant la

position idéale pour que le centre du faisceau infrarouge de l’émetteur atteigne le trou d’entrée du récepteur. Ledit

faisceau étant invisible, pour aligner ce trou sur le centre du faisceau, vous pouvez utiliser DL1 comme témoin (elle

s’éteint quand le trou du récepteur et le faisceau émis ne sont pas alignés).

Liste des composants émetteur à infrarouges :

R1 .............. 4,7 Ω 1/2 W

R2 .............. 680 Ω

R3 .............. 27 kΩ

R4 .............. 27 kΩ

R5 .............. 680 Ω

R6 .............. 27 Ω

R7 .............. 27 Ω

C1 .............. 47 nF polyester

C2 .............. 470 μF électrolytique

C3 .............. 1 μF électrolytique

C4 .............. 4,7 nF polyester

DS1 ............ diode 1N4148

DTX1........... diode TX CQX89

DTX2........... diode TX CQX89

TR1............. NPN ZTX601

TR2............. NPN ZTX601

Liste des composants récepteur à infrarouges :

R1 .............. 10 kΩ

R2 .............. 330 kΩ

R3 .............. 1 kΩ

R4 .............. 10 kΩ

R5 .............. 100 Ω

R6 .............. 1 MΩ

R7 .............. 2,2 kΩ

R8 .............. 22 kΩ

R9 .............. 10 kΩ

R10 ............ 1 kΩ

R11 ............ 1 MΩ

R12 ............ 1 kΩ

R13 ............ 47 kΩ

R14 ............ 1 kΩ

R15 ............ 47 kΩ

R16 ............ 47 kΩ

R17 ............ 10 kΩ

R18 ............ 1 MΩ

R19 ............ 1 kΩ

R20 ............ 33 kΩ

R21 ............ 470 Ω

C1 .............. 10 μF électrolytique

C2 .............. 330 pF céramique

C3 .............. 330 nF polyester

C4 .............. 10 μF électrolytique

C5 .............. 10 μF électrolytique

C6 .............. 100 nF polyester

C7 .............. 1 nF polyester

C8 .............. 100 nF polyester

C9 .............. 100 nF polyester

C10 ............ 10 nF polyester

C11 ............ 100 nF polyester

C12 ............ 220 μF électrolytique

C13 ............ 10 nF polyester

DS1 ............ diode 1N4148

DS2 ............ diode 1N4148

DRX1 .......... diode RX BPW41

DL1 ............ LED

TR1............. NPN BC547

IC1 ............. intégré LM358

IC2 ............. CMOS HCF4093

J1 ............... cavalier

CP1 ............ capsule piézo

Sauf spécifi cation contraire, toutes les

résistances sont des 1/4 W à 5 %.