Принцип работы оптических датчиков Основная схема оптического датчика показана на Рисунке 2-2.1 (а). Анод светодиода подключен к линии питания VCC через резистор RE, а катод заземлен. Прямой ток IF протекает через светодиод и излучает инфракрасный свет, невидимый для глаза. Коллектор фототранзистора подключен к линии питания VCC через резистор RL, а эмиттер заземлен. Далее коллектор подключается к входу компаратора или микросхемы следующего каскада. Светоизлучающие и детектирующие устройства расположены, как показано на Рисунке 2-2.1 (b). Когда светозащитная пластина, то есть цель, которую нужно обнаружить, проходит между эмиттером и детектором, фототранзистор выключается, и потенциал на коллекторе повышается. С другой стороны, при его удалении транзистор включается и потенциал коллектора падает. Другими словами, существование вещества обнаруживается и преобразуется в электрический сигнал без контакта с ним. Обычно этот сигнал вводится в следующую схему обработки сигналов следующего каскада для управления различными периферийными функциями.
Рисунок 2-2.1 - Принцип работы оптического датчика
Процедуры проектирования схем оптических датчиков Сначала получите значения RE и RL. На рисунке 2-2.1 (a), когда прямое падение напряжения на светодиодах равно VF, ток IF, протекающий к светодиоду, определяется выражением: (1) IF=(VCC-VF) / RE, и необходимо удовлетворить (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) Из (1) и (2) RE определяется по следующей формуле: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) As can be Как видно на рисунке 2-2.2, чем больше IF, тем больше будет создаваться оптический выходной IE, и поэтому необходимо рассчитать IF (MIN), принимая во внимание колебания допустимых потерь IF и IE после определения RE. Правильное значение RL: получите верхнее предельное значение RL. На рисунке 2-2.1 (b), когда светозащитная пластина находится внутри, фотоэлектрический ток IL, создаваемый световым излучением светодиода, не течет к фототранзистору, а течет через фото утечки. ток IL 'и темновой ток Id только протекают. Потенциал коллектора VOH в это время равен: VOH=VCC - RL x (Id + IL '). Однако предполагается, что входным / выходным током в / из следующего каскада можно пренебречь.
Рисунок 2-2.2
Поскольку Id быстро увеличивается с повышением температуры окружающей среды, как показано на рис. 2-1.5, предполагая, что входное напряжение высокого уровня следующей ступени равно VIH, необходимо выполнить следующее: VIH< voh="" при="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" -="" vih)="" (id="" +="" il="" затем="" получите="" нижнее="" предельное="" значение="" rl.="" когда="" светозащитная="" пластина="" не="" находится="" внутри,="" свет="" принимает="" фототранзистор.="" и="" световой="" ток="" il="" и="" вышеупомянутый="" id="" +="" il="" 'протекают="" к="" фототранзистору.="" обычно,="" если:="" il="Id" +="" il',="" становится="" трудно="" отличить="" наличие="" светозащитной="" пластины="" с="" точки="" зрения="" отношения="" сигнал="" шум,="" потенциал="" коллектора="" vol="" в="" это="" время="" равен="" (4)="" vol="VCC" -="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il="" ')="" предполагая,="" что="" входное="" напряжение="" низкого="" уровня="" для="" следующего="" каскада="" равно="" vil="" 'необходимо="" удовлетворять="" (5)="" vil=""> VOL Формулы (4) и (5) должны выполняться даже при нижнем предельном значении IL. Нижнее предельное значение IL (MIN) равно: IL (MIN )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
Рисунок 2-1.5
Dt: коэффициент ухудшения CTR во время работы (рис. 2-1.7) DTa: изменение температуры CTR (рис. 2-1.6) Dn: изменение CTR из-за пыли и грязи Из формул (4) и (5), RL=(VCC - VIL ) / (IL (MIN) + Id + IL ') Чем меньше RL, тем короче станет время переключения. КАК ПОЛУЧИТЬ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЯЗИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ И ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ В дальнейшем, характеристики связи светоизлучающих и детектирующих устройств рассчитываются в качестве исходной конструкции, чтобы увидеть, применимы ли они. Затем, в качестве второго шага, представлен метод проверки фактической работы и т. Д. Исходная конструкция Характеристики сцепления типичного продукта показаны на рисунках 2-4.1 ~ 2-4.3. Такие характерные диаграммы несколько различаются в зависимости от комбинации светоизлучающих и детектирующих устройств. Обычно, когда d> 1 см или более, используя следующий метод расчета, эти характеристики могут быть получены приблизительно без их индивидуального исследования.
(слева) Рисунок 2-4.1 - Характеристики сцепления TLN108 и TPS601A (справа) Рисунок 2-4.2 - Характеристики сцепления TLN105B и TPS703
Рисунок 2-4.3 - Характеристики сцепления TLN107A и TPS608A
Сначала считайте интенсивность излучения IE (MIN) светоизлучающего устройства и световой ток IL (MIN) светодетекторного устройства в соответствии с условиями, указанными в таблице данных. Поскольку интенсивность излучения IE (мВт / ср) эквивалентна падающему излучению EO (мВт / см2), излучаемому на площадь 1 см2 на расстоянии 1 см, достигаемое падающее излучение E (фактическое) на расстоянии d см вычисляется по следующей формуле: E (Фактический) ~ IE / d2 (мВт / см2) Предполагая, что падающая лучистая часть светочувствительного устройства в условиях чувствительности обнаружения света равна E, световой ток IL (фактический) в связанном состоянии получается следующим образом: IL (фактический)=IL x (E (фактический) / E) Когда принимаемый световой ток очень мал и сложно спроектировать схему последней ступени, увеличьте постоянный прямой ток IF светоизлучающего устройства или увеличьте интенсивность излучения IE (мВт / ср. ) импульсным прямым током. В качестве примера выполните проверку при следующих условиях: Излучатель: IE (MIN)=1 мВт / ср при IF=20 мА Детектор: IL (MIN)=20 мкА при E=0,1 мВт / см2, VCE=3V Расстояние между излучателями и детектор: d=1,5 см E (фактический) (MIN)=IE / d2=1 x (1 / 1,52)=0,44 мВт / см2 (MIN) IL (фактический) (MIN) ~ (E (фактический) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 мкА=88 мкА Поскольку IL (фактический) (MIN) составляет 88 мкА, напрямую управлять TTL невозможно, но можно подключить микросхему C-MOS. Затем, в то время как нагрузка на светоприемное устройство определяется в соответствии с напряжением питания, скорость его переключения сильно зависит от величины нагрузки, и ее необходимо проверить заранее. Цепи применения фотодатчиков Цепи применения инфракрасных светодиодов Поскольку выходная мощность Po инфракрасного устройства зависит от прямого тока светодиода, IF, состояние включения-выключения выхода может быть изменено с помощью управления прямым током. Здесь объясняются типичные методы освещения, такие как освещение постоянным током и т. Д., А также меры предосторожности при проектировании. На рис. 3-1.1 показана основная схема освещения при использовании постоянного тока. IF в данном случае выражается следующей формулой: IF=(VCC - VF) / R VCC: Напряжение питания VF: Прямое напряжение светодиода IF: Прямой ток, протекающий к LED PHO Цепь освещения DC
(Слева направо) Рисунок 3-1.1 - Блок привода постоянного тока Рисунок 3-1.2 - Схема привода постоянного тока Рисунок 3-1.3 - Схема привода с несколькими светодиодами
На рис. 3-1.2 показана схема, охватывающая варианты VF светодиода с транзистором. IF в этой схеме выражается следующей формулой: IF=(VB - VBE) / R3 VB: базовое напряжение VBE: напряжение между базой и эмиттером R3: сопротивление эмиттера Кроме того, можно уменьшить температурную зависимость выхода путем правильной настройки VBE и VB в этой схеме. Когда выходная мощность недостаточна или светоприемное устройство расположено слишком далеко, можно замкнуть цепь через последовательное или параллельное соединение, как показано на рис. 3-1.3. В этом случае IF=(VCC - nVF) / R (последовательное соединение) IF=(VCC - VF) / R (параллельное соединение) Управление переменным током На рис. 3-1.4 показаны основные схемы для почти полуволнового освещения переменного тока. . Как правило, существует два способа вождения. Оба они используют защитный диод для защиты светодиода от обратного напряжения. На (a) этот защитный диод имеет тип обратного напряжения, соответствующий напряжению питания VCC, а на (b) обратное напряжение защитного диода должно быть примерно в два раза больше прямого напряжения инфракрасного светодиода.
В приведенной выше схеме используется постоянное R, соответствующее номинальному напряжению, в соответствии с напряжением питания VCC. Кроме того, R выбирается таким образом, чтобы он ограничивался номинальным значением прямого тока IF инфракрасного светодиода в точке, где напряжение питания VCC становится максимальным.
Рисунок 3-1.4 - Схема привода переменного тока
Импульсное возбуждение Многие преимущества можно получить, если изменить оптический сигнал на импульсно-модулированный свет. Учитывается следующее: когда скважность сигнала с импульсной модуляцией мала, мгновенный световой поток светоизлучающего устройства увеличивается, оптический сигнал отделяется от окружающего света и обеспечивается улучшение отношения сигнал / шум. Когда в качестве источника питания используется аккумулятор, можно снизить энергопотребление устройства и, следовательно, продлить срок службы аккумулятора. RC-соединение со следующей ступенью в секции приема света становится возможным, и можно избежать эффектов увеличения темнового тока в результате повышения температуры. Эта импульсная система управления разработана в сочетании с TTL или C-MOS и Tr и т. Д. В схеме, показанной на рис. 3-1.5, необходимо обратить внимание на электрические характеристики ИОЛ устройства TTL или C-MOS. поскольку слишком большие токи не могут быть применены для удовлетворения IF< иол.="" для="" подачи="" более="" высокого="" тока="" необходимо="" использовать="" буферную="" ис="" с="" высокой="" выходной="" токовой="" нагрузкой,="" как="" показано="" на="" рис.="" 3-1.6,="" или="" установить="" транзистор="" снаружи.="" характеристики="" iol="" и="" vol="" для="" ttl,="" c-mos="" и="" буферной="" ic="" показаны="" для="">
Рисунок 3-1.5
Схемы применения базовой схемы фототранзисторов Базовая схема фототранзистора показана на рис. 3-2.1. Сопротивление нагрузки RL выбирается с учетом температурной характеристики темнового тока фототранзистора. Если RL слишком велико, фототранзистор можно включить только темновым током при высокой температуре. Например, когда фототранзистор TPS601A работает при Ta=100 ° C, темновой ток может стать около 100 мкА. Когда RL установлен на 50 кВт при VCC=5 В, TPS601A полностью переключается во включенное состояние за счет увеличения темнового тока.
Рисунок 3-2.1 - Принципиальная схема фототранзистора
Схема смещения фототранзистора с клеммой базы Влияние резистора RBE база-эмиттер на темновой ток, а также световой ток показано на рис. 3-2.2 (a) и (b). Обычно темновой ток фототранзистора составляет всего несколько нА при нормальной температуре, и можно дополнительно уменьшить темновой ток, вставив резистор RBE между базой и эмиттером для обхода тока утечки через коллектор в точку перехода базы. Если ОБЭ делается чрезмерно малым, кажущееся hFE фототранзистора уменьшается, и требуемый световой ток IL не может быть получен, следовательно, RBE более 1 МВт является подходящим.
Рисунок 3-2.2 (а) - Уменьшение темнового тока за счет ОБЭ / Рисунок 3-2.2 (б) - Изменение светового тока за счет ОБЭ
Кроме того, можно установить рабочую точку фототранзистора на должном уровне с помощью клеммы базы. Линейность токовых характеристик освещения-света в этом случае была значительно улучшена по сравнению со случаем, когда ток смещения базы равен нулю. Кроме того, существует метод смещения сточного типа, показанный на рис. 3-2.4, который экспериментально улучшает термическую стабильность в рабочей точке постоянного тока, 2 ~ 10 МВт считается подходящим для значения RB. Это сделано для того, чтобы приложить почти весь световой ток IL фотодиода в точках соединения коллектора и базы к базе фототранзистора за счет увеличения импеданса на базе.
Рисунок 3-2.4 (b) - Метод смещения типа Bleeder
Схема компенсации температуры Световой ток IL и темновой ток Id фототранзистора имеют положительный температурный коэффициент. В частности, темновой ток увеличивается экспоненциально, как показано в отдельных технических паспортах. Следовательно, для обеспечения стабильной работы при температуре окружающей среды 50 ~ 60 ° C становится необходимой температурная компенсация темнового тока и фотоэлектрического тока фототранзистора. В схеме, показанной на рис. 3-2.5, используется отрицательный температурный коэффициент, сохраняемый прямым напряжением VF диода. Когда используется фототранзистор, не имеющий базового вывода, способ компенсации выходного напряжения заключается в уменьшении сопротивления нагрузки фототранзистора с помощью термистора, как показано на рис. 3-2.6.
Рисунок 3-2.5 - Схема температурной компенсации с использованием резистивного диода
Рисунок 3-2.6 - Схема температурной компенсации с использованием термистора
Базовая схема усилителя, показанная на рис. 3-2.7 (a), представляет собой соединение Дарлингтона с использованием транзистора NPN, а рис. 3-2.7 (b) - соединение Дарлингтона с использованием транзистора PNP. В обеих схемах световой ток увеличивается в hFE раз, а выходной ток IC становится hFE. Иллинойс
Рисунок 3-2.7 - Схема усилителя для фототранзистора
На рис. 3-2.8 показаны примеры принципиальных схем, использующих усиление операционным усилителем.
Рисунок 3-2.8 - Схема усилителя с работающим термистором
Повышение скорости переключения. Когда усиление напряжения увеличивается за счет увеличения импеданса нагрузки, поскольку световой ток фототранзистора невелик, характеристика скорости переключения может быть принесена в жертву как обратный эффект. В качестве решения проблемы существуют методы получения характеристик скорости переключения, которые относительно независимы от размера нагрузки, путем преобразования импеданса через схемы на основе транзистора PNP (рис. 3-2.9 (a)) или каскадного подключения транзистора NPN (рис. 3- 2.9 (б)). Методы испытаний применимы к высокоскоростной схеме обнаружения света с импульсной модуляцией для фотоэлектрического переключателя / высокоскоростного считывающего устройства.
Рисунок 3-2.9 - Примеры улучшения частотных характеристик
Использование аналоговых фототранзисторов обеспечивает более высокую чувствительность, чем фотодиоды, поскольку они имеют внутреннюю функцию усиления; однако чувствительность значительно колеблется в зависимости от разницы в коэффициентах усиления. Следовательно, необходимо либо использовать переменный резистор для корректировки чувствительности, либо приобрести продукт, который предварительно выбран для определенного рейтинга чувствительности.
Рисунок 3-2.14.
На рис. 3-2.14 (а) показана схема управления током транзисторного усилителя. Коллекторный ток фототранзистора управляет базой транзистора следующего каскада, эмиттер которого заземлен. Колебания чувствительности фототранзистора контролируются резистором обратной связи RE в цепи эмиттера. На рис. 3-2.14 (b) показана схема, управляющая напряжением транзисторного усилителя. Коллекторный ток фототранзистора генерирует напряжение для управления транзистором последней ступени с помощью переменного резистора. Транзистор является повторителем, и колебания между отдельными фототранзисторами корректируются переменным резистором RA. Следовательно, время переключения фототранзистора изменяется на RA. Схемы применения фотодиодов В сочетании с инфракрасными светодиодами фотодиоды используются двумя способами; в цифровом виде для определения наличия света и аналоговом виде для определения количества света. Цифровое использование Поскольку скорость отклика высока, фотодиоды подходят для высокоскоростного переключения. С другой стороны, однако, поскольку световой ток невелик, необходимо использовать полевой транзистор с высоким входным сопротивлением, как показано на рис. 3-3.1 (a), или схему с высоким усилением, как показано на рис. 3-3.1 ( б). Для увеличения усиления используется операционный усилитель. Когда требуется высокая скорость отклика, необходимо выбрать усилитель для соответствующих высокоскоростных приложений.
Рисунок 3-3.1 - Схема усилителя фордиода (цифровое использование)
Использование аналогового сигнала Характеристики освещенности и фотоэлектрического тока фотодиодов более близки к линейным, чем характеристики фототранзисторов, и можно сказать, что фотодиоды являются продуктом, который легко использовать в аналоговых приложениях. Для этого типа использования есть линейное усиление и логарифмическое усиление.
Рисунок 3-3.2 - Усилительные схемы фотодиода (аналоговое использование)
Схемы применения фотодатчиков отражательного типа Фотодатчики отражательного типа доступны двух типов; тип фокуса и тип без фокуса. Подходящий тип следует выбирать в зависимости от области применения. Как видно из соответствующих основных характеристик положения обнаружения, показанных на фиг. 3-5.1 и 3-5.2, характеристика определения положения черно-белой граничной поверхности для типа фокуса более резкая, чем у типа без фокуса. Таким образом, тип фокуса превосходит тип фокуса для приложений обнаружения штрих-кода. Однако небольшой тип без фокусировки эффективен для обнаружения объектов.
Рисунок 3-5.1 - Пример характеристики положения обнаружения нефокусного типа
Рисунок 3-5 - Базовая схема обнаружения фотодатчика отражательного типа.
Поскольку для фотодатчика отражательного типа необходимо выводить цифровой сигнал о существовании обнаруженного объекта, к следующему выходному каскаду фотодатчика отражательного типа подключается схема компаратора, как показано на рис. 3.5-4.
Рисунок 3-5.4 Схема подключения фотодатчика отражательного типа с компаратором
Применение фотодатчика отражающего типа сложнее, чем фотодатчика трансмиссионного типа, потому что:
Коэффициенты отражения отражающих веществ отличаются друг от друга.
Расстояния до отражающих веществ легко регулируются
И светоизлучающие, и светоизлучающие поверхности находятся в одной плоскости и чувствительны к воздействию внешнего света, и ток утечки увеличивается.
Следовательно, можно сказать, что лучше, если возможно, сконструировать фотодатчик трансмиссионного типа.
