Infrared Transmitter, Receiver Module

이전 포스트에서 적외선 통신에 사용되는 NEC 프로토콜에 대해 알아보았습니다. 이번 포스트에서는

적외선 발광 수광 소자 및 아두이노에서 IR 통신을 하기 위한 유의점

에 대해 알아보겠습니다.

적외선 발광소자 IRED

IRED (Infrared Emitting Diodes) 는 적외선 발광 소자로, 사람의 눈에 보이지 않는 적외선을 방출하는 다이오드 입니다. 외형은 아래 그림과 같이 LED 와 동일하게 생겼습니다. 이 적외선 발광 소자는 리모컨과 같이 적외선을 송신해야 하는 리모컨과 같은 장치에 달려 있습니다. 예전에는 스마트폰에도 IR 송신 소자가 들어가 있어 전자기기 제어가 가능했었습니다. 

CL-1L5 Spec

IRED 는 다양한 제조사의 여러가지 부품들이 있지만, 여기서는 CL-1L5 부품에 대해 알아보겠습니다. 

CL-1L5 는 여러가지 스펙들이 있지만, 아두이노에서 사용 할 경우 유의해야 하는 내용만 알아보겠습니다. 아래는 데이터 시트의 전기적인 스펙중에 Absolute maximum ratings 입니다. 대부분의 전자 소자 데이터 시트에서 Absolute maximum ratings 은 부품의 최대 퍼포먼스란 의미로 해석하는 경우가 있는데, 최대 퍼포먼스라기 보다는 이 수치를 넘으면 부품이 죽는다는 얘기입니다. 엄밀하게 얘기하면, 이 수치를 넘으면 부품의 품질 보증을 하지 않는 범위입니다. 

CL-1L5 Absolute Maximum ratingsCL-1L5 Absolute Maximum ratings

LED와 같은 발광 소자는 밝기가 전류에 의존하기 때문에, IRED 에 흐르는 전류에 따라 적외선의 세기가 강해집니다. 적외선은 세기가 세진다는 말은 신호를 더 멀리 보낼 수 있다는 의미입니다. 밝은 빛이 멀리 가는 현상과 같은 이치입니다. 

아래 그림은 Electrical Characteristic 특성 표와 입력 전류에 따른 적외선의 강도를 나타낸 그래프입니다. 전자부품의 Electrical Characterstic 은 정상적인 동작 조건 범위를 나타내는 표입니다.

CL-1L5 Electrical CharactersticCL-1L5 Electrical Characterstic

CL-1L5 는 보통의 조건에서 50mA 가 흐를 때 1.4V 의 값을 가집니다. 이 전압 값은 이후 IRED 에 흐를 전류를 컨트롤 하기 위해 필요한 수치입니다. 

우측 그림은 IRED 에 흐르는 전류에 따른 IR의 강도를 나타낸 그래프입니다. 아두이노의 GPIO 에서 공급 가능한 최대 전류는 20mA 정도 입니다. 즉, 아두이노 GPIO에 IRED 를 바로 연결하면 위 그래프에서 알 수 있는 것처럼 약 4mW/Sr 세기 정도로 적외선을 방출 할 수 있습니다. 실제 사용해보면 사용 거리가 아주 짧습니다. 대략 10cm 내외로 파악이 됩니다. 하지만, IRED 에 흐르는 전류를 50mA 로 증가시키면 20mW/Sr 로 적외선의 강도가 세지고, 100mA 로 증가시 40mW/Sr 로 적외선의 강도가 증가합니다.

적외선 송신기에서 송출하는 적외선의 세기는 중요합니다. 단순히 멀리 보내는 것도 중요하지만, 아래 그래프와 같이 각도가 0º 에서 벗어날수록 적외선의 세기는 크게 감소하기 때문입니다. 리모컨에 따라 각도가 틀어져도 잘 인식하는 리모컨이 있고, 각도가 조금만 틀어져도 인식을 잘 하지 못하는 리모컨이 있는 것을 경험하셨을 것이라 생각합니다.

CL-1L5 Radiation PropertyCL-1L5 Radiation Property

IRED Application Circuit

즉, 위의 데이터를 종합하여 아두이노와 함께 사용하는 경우(10cm 이내로 짧은 거리에서 사용하는 것을 제외) IRED 에 충분한 전류를 공급할 수 있는 부가 회로가 필요합니다. 아래 그림은 NPN Transistor 를 사용한 예시 회로입니다. IRED 의 강도를 더 강하게 하기 위해 아래 우측 그림과 같이 IRED 를 2개 이상을 동시에 사용하기도 합니다. R1, R2, R3 의 값은 TR과 IRED 의 전기적 특성에 따라 결정되어야 합니다. 

IRED Circuit ExampleIRED Circuit Example


적외선 수광 소자

흔히 사용되는 IR Sensor 와 IR Sensor Module 이 있습니다. 왼쪽 그림의 IR Sensor 는 Photo Transistor Type 의 수광 소자, 오른쪽 그림의 IR Sensor Module 은 IR Sensor + Low Pass Filter 형태의 IR 수광 소자입니다. 

적외선 수광 소자(왼) IR 센서 ST5811, (오) IR 센서 모듈 603LM

지난 포스트에서 적외선 통신 방식중의 하나인 NEC 프로토콜에 대해서 소개하였습니다. NEC 프로토콜은 38kHz 의 캐리어주파수를 사용하여 데이터를 전송하는 방식입니다. 위의 두 가지 수광 소자에 적외선 송신모듈로 NEC의 데이터를 아래와 같이 송신하는 경우, IR Sensor(Photo Transistor Type) 은 입력 신호를 그대로 출력하고, IR Sensor Module(IR Sensor + Low Pass Filter) 는 캐리어 성분이 제거된 신호로 출력합니다. 

IR 수광 모듈 출력 신호IR 수광 모듈 출력 신호 비교

아두이노로 프로그램을 한다고 가정할 때, LM630을 사용하여 입력 받는 파형이 간단하기 때문에 코드를 작성하는 것도 훨씬 수월합니다. 물론, 라이브러리가 해주긴 합니다. 결론적으로 적외선 통신으로 데이터를 주고 받기 위해서 LM630과 같은 Low Pass Filter 가 포함된 소자를 사용하셔야 합니다. 그렇지 않고, IR Sensor 만 사용하는 경우 부가 회로를 사용하거나 복잡한 코드가 사용되어야 합니다. 물론, 그렇게 사용하는 일은 없을 것입니다.


마무리

이번 포스트는

적외선 통신을 사용할 목적으로 IR 송수신 모듈

에 대해 알아보았습니다. 설명에 사용한 부품은 아두이노 프로젝트에서 많이 사용되는 부품이며, 실제 사용 목적에 따라 모듈은 다양한 제조사의 다양한 모델 중에서 적합한 소자로 선택하셔야 합니다. 본문의 내용을 요약하면 아래와 같습니다.
  • 적외선 송신 : IRED 에 충분한 전류가 흐를 수 있도록 회로 구성이 필요함
  • 적외선 수신 : 적외선 통신을 위한 목적으로 사용하는 경우 LowPass Filter 가 포함되어 있는 603LM 과 같은 적외선 수신 모듈을 사용

다음 포스트는 실제로 아두이노에서 코드를 작성하는 방법에 대해 포스팅할 예정입니다. 끝까지 읽어 주셔서 감사합니다.^^

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