Принцип роботи оптичних датчиків Основна схема оптичного датчика показана на рисунку 2-2.1(а). Анод світлодіода підключений до лінії електропередачі VCC через резистор RE і катод заземлений. Прямий струм IF проходить через світлодіод і випромінює інфрачервоне світло, яке не видно оку. Колектор фототранзистора підключається до лінії електропередачі VCC через резистор RL, а емітер заземлюється. Далі колектор підключають до вхідної клеми компаратора або мікросхеми наступного каскаду. Світловипромінюючі та детекторні пристрої розташовані так, як показано на малюнку 2-2.1(b). Коли між випромінювачем і детектором потрапляє світловідсічна пластина, тобто мета, яку потрібно виявити, фототранзистор вимикається, і потенціал на колекторі зростає. З іншого боку, коли його видаляють, транзистор включається і потенціал колектора падає. Іншими словами, існування речовини виявляється і перетворюється в електричний сигнал без контакту з ним. Зазвичай цей сигнал вводиться в наступну схему обробки сигналів наступного етапу для управління різними периферійними функціями.
Рисунок 2-2.1 – Принцип роботи оптичного датчика
Процедури проектування для схем оптичного датчика Спочатку отримайте значення RE та RL. На малюнку 2-2.1(a), коли пряме падіння напруги світлодіода становить VF, струм IF, що тече до світлодіода, визначається як: (1) IF=(VCC-VF) / RE і необхідно задовольнити (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) З (1) і (2) RE визначається такою формулою: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Як можна Як показано на малюнку 2-2.2, чим більше ПЧ, тим більше оптичного вихідного ІЕ буде створено, і тому необхідно обчислити ПЧ (MIN), враховуючи коливання допустимих втрат ПЧ та ІЕ після прийняття рішення про RE. Власне значення RL: Отримайте верхнє граничне значення RL На малюнку 2-2.1(b), коли всередину знаходиться пластина відсікання світла, фотоелектричний струм IL, вироблений світловим випромінюванням від світлодіода, надходить не на фототранзистор, а на фотографію витоку. струм IL' і темний струм, Id, протікають тільки. Потенціал VOH колектора на даний момент становить: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Однак передбачається, що вхідний/вихідний струм до/з наступного каскаду можна знехтувати.
Малюнок 2-2.2
Оскільки Id швидко збільшується з підвищенням температури навколишнього середовища, як показано на рисунку 2-1.5, припускаючи, що вхідна напруга високого рівня наступного етапу є VIH, необхідно задовольняти наступне: VIH< voh="" при="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" потім="" отримайте="" нижнє="" граничне="" значення="" rl.="" коли="" пластина="" відсікання="" світла="" не="" знаходиться="" всередині,="" світло="" приймає="" фототранзистор="" і="" світловий="" струм="" il="" і="" вищезгаданий="" id="" +="" il'="" надходять="" до="" фототранзистора.="" зазвичай,="" якщо:="" il="Id" +="" il',="" стає="" важко="" розрізнити="" наявність="" світловідсічної="" пластини="" з="" точки="" зору="" відношення="" сигнал/шум,="" потенціал="" колектора="" vol="" на="" даний="" момент="" становить="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" припускаючи,="" що="" вхідна="" напруга="" низького="" рівня="" для="" наступного="" етапу="" дорівнює="" vil'="" необхідно="" задовольняти="" (5)="" vil=""> VOL Формули (4) і (5) повинні виконуватися навіть при нижньому граничному значенні IL. Нижнє граничне значення IL (MIN) таке: IL (MIN )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
Малюнок 2-1.5
Dt: коефіцієнт деградації CTR під час роботи (рис. 2-1.7) DTa: зміна температури CTR (рис. 2-1.6) Dn: зміна CTR від пилу та бруду За формулами (4) і (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + Id + IL') Чим менше RL, тим коротшим буде час перемикання. ЯК ОТРИМАТИ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВ'ЯЗАННЯ ПРИСТРОЇВ, ЩО ПРИЙМАЮЧИ СВІТЛОВИПРОМІНАННЯ. Нижче наведені характеристики зв'язку світловипромінюючих і детекторних пристроїв розраховуються як початковий проект, щоб перевірити, чи вони застосовні. Потім, як другий крок, представлено метод перевірки фактичної роботи тощо. Початкові характеристики зчеплення репрезентативного продукту показані на рисунках 2-4.1 ~ 2-4.3. Такі діаграми характеристик дещо відрізняються в залежності від комбінації світловипромінюючих і детекторних пристроїв. Зазвичай, коли d> 1 см або більше в наступному методі розрахунку, ці характеристики можна отримати приблизно, не досліджуючи їх окремо.
(ліворуч) Малюнок 2-4.1 – Характеристики з’єднання TLN108 і TPS601A (праворуч) Рисунок 2-4.2 – Характеристики з’єднання TLN105B і TPS703
Рисунок 2-4.3 – Характеристики зчеплення TLN107A та TPS608A
Спочатку зчитайте інтенсивність випромінювання IE (MIN) світловипромінювального пристрою та світловий струм IL (MIN) світлового детекторного пристрою відповідно до умов, зазначених у паспорті. Оскільки інтенсивність випромінювання IE (мВт/ср) еквівалентна падінню випромінювання EO (мВт/см2), випромінюваному на площу 1 см2 на відстані 1 см, отримане падіння випромінювання E (фактичне) на відстані d см отримується за такою формулою: E (фактичний) ~ IE/d2 (мВт/см2) Якщо припустити, що падіння випромінювання пристрою детектування світла в умовах чутливості виявлення світла є E світловий струм IL (фактичний) у зв'язаному стані, виходить наступним чином: IL (фактичний)=IL x(E (фактичний) / E) Коли отриманий світловий струм дуже малий і важко спроектувати схему останнього етапу, збільште прямий постійний струм IF світловипромінювального пристрою або збільште інтенсивність випромінювання IE (мВт/ср ) імпульсним прямим струмом. Як приклад виконайте дослідження за таких умов: Випромінювач: IE(MIN)=1 мВт/ср при IF=20 мА Детектор: IL(MIN)=20 мкА при E=0,1 мВт/см2, VCE=3 В Відстань між випромінювачем і детектор: d=1,5 см E (фактичний) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 мВт/см2 (MIN) IL (фактичний) (MIN) ~ (E (фактичний) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 мкА=88 мкА Оскільки IL (фактичний)(MIN) становить 88 мкА, неможливо управляти TTL безпосередньо, але можна підключити мікросхему C-MOS. Тоді, коли навантаження на світлоприймальний пристрій визначається відповідно до напруги живлення, швидкість його перемикання сильно залежить від значення навантаження, і це необхідно перевірити заздалегідь. Схеми застосування фотодатчиків Схеми застосування інфрачервоних світлодіодів Оскільки вихідна потужність Po інфрачервоного пристрою залежить від прямого струму світлодіода, IF, статус включення-вимкнення виходу можна вирішувати за допомогою керування прямим струмом. Тут пояснюються репрезентативні методи освітлення, такі як освітлення постійного струму тощо, а також запобіжні заходи щодо дизайну. На рис. 3-1.1 показана основна схема освітлення при використанні постійного струму. IF в цьому випадку виражається такою формулою: IF=(VCC – VF) / R VCC : напруга живлення VF : пряма напруга світлодіода IF : прямий струм, що тече до ланцюга освітлення світлодіода PHO DC
(зліва направо) Малюнок 3-1.1 – Привод постійного струму Рисунок 3-1.2 – Схема приводу постійного струму Рисунок 3-1.3 – Схема приводу з кількома світлодіодами
На рис. 3-1.2 показана схема, що охоплює варіації VF світлодіода з транзистором. IF в цій схемі виражається такою формулою: IF=(VB – VBE) / R3 VB : базова напруга VBE : напруга від бази до емітера R3 : опір емітера Крім того, можна зменшити температурну залежність виходу, правильно налаштувавши VBE і VB в цьому колі. Якщо вихідна потужність недостатня або світлоприймальний пристрій розташований занадто далеко, можна завершити ланцюг через послідовне або паралельне з’єднання, як показано на рис. 3-1.3. У цьому випадку IF=(VCC – nVF) / R (послідовне підключення) IF=(VCC – VF) / R (паралельне з’єднання) AC Driving Показані на рис. 3-1.4 є основними схемами для освітлення майже напівхвильового змінного струму . Як правило, є два способи водіння. Обидва використовують захисний діод для захисту світлодіода від зворотної напруги. У (а) цей захисний діод має тип зворотної напруги, що відповідає напрузі живлення VCC, а в (b) зворотна напруга захисного діода має приблизно вдвічі перевищувати пряму напругу інфрачервоного світлодіода.
У наведеній вище схемі використовується постійна R, яка відповідає номінальній напрузі, відповідно до напруги живлення VCC. Крім того, R вибирається таким чином, щоб він був обмежений номінальним значенням прямого струму IF інфрачервоного світлодіода в точці, де напруга живлення, VCC, стає максимальною.
Рисунок 3-1.4 – Схема приводу змінного струму
Імпульсне керування Багато переваг можна отримати, коли оптичний сигнал змінено на імпульсно-модульоване світло. Враховуються наступне: Коли робоче відношення імпульсно-модульованого сигналу невелике, миттєвий вихід світла світловипромінювального пристрою збільшується, оптичний сигнал розрізняється від навколишнього світла і забезпечується покращення співвідношення сигнал/шум. Коли батарея використовується як джерело живлення, споживання енергії пристроєм може бути зменшено, а отже, термін служби акумулятора подовжується. Стає можливим RC-зв’язок із наступним етапом у світлоприймальній секції, і можна уникнути ефектів збільшення темнового струму в результаті підвищення температури. Ця імпульсна система керування розроблена в поєднанні з TTL або C-MOS і Tr тощо. У схемі, показаній на рис. 3-1.5, необхідно звернути увагу на електричні характеристики ІОЛ пристрою TTL або C-MOS оскільки надмірно великі струми не можуть бути застосовані для задоволення IF< іол.="" для="" подачі="" більшого="" струму="" необхідно="" використовувати="" буферну="" мікросхему="" з="" великою="" ємністю="" вихідного="" струму,="" як="" показано="" на="" рис.="" 3-1.6,="" або="" встановити="" транзистор="" зовні.="" характеристики="" iol="" і="" vol="" для="" ttl,="" c-mos="" і="" буферної="" ic="" показані="" для="">
Малюнок 3-1.5
Схеми застосування фототранзисторів Основна схема Основна схема фототранзистора показана на рис. 3-2.1 Опір навантаження RL вибирається з урахуванням температурної характеристики темного струму фототранзистора. Якщо RL занадто великий, фототранзистор може бути увімкнений тільки темним струмом при високій температурі. Наприклад, коли фототранзистор TPS601A працює при Ta=100°C, темний струм може стати приблизно 100 мкА. Коли RL встановлено на 50 кВт при VCC=5 В, TPS601A повністю переходить у стан ON через збільшення темнового струму.
Рисунок 3-2.1 – Основна схема фототранзистора
Схема зміщення фототранзистора з базовою клемою. Вплив бази на емітерний резистор RBE на темновий і світловий струм показаний на рис. 3-2.2 (a) і (b). Зазвичай темний струм фототранзистора становить лише кілька нА при нормальній температурі, і можна додатково зменшити темний струм, вставивши резистор RBE між базою і емітером, щоб обійти струм витоку через колектор до точки переходу бази. Якщо RBE зробити занадто малим, видимий hFE фототранзистора зменшується, і необхідний світловий струм IL не може бути отриманий, тому RBE більше 1 МВт є доцільним.
Рисунок 3-2.2 (a) – Зменшення темного струму за RBE / Рисунок 3-2.2 (b) – Зміна світлового струму за RBE
Крім того, можна встановити робочу точку фототранзистора на належному рівні за допомогою базового терміналу. Лінійність характеристик світлового струму в цьому випадку значно покращена в порівнянні з випадком, коли струм зміщення бази дорівнює нулю. Крім того, існує метод зміщення типу bleeder, показаний на малюнку 3-2.4, який покращує термостабільність у робочій точці постійного струму експериментально, 2 ~ 10 МВт вважається правильним для значення RB. Це покликане подати майже весь світловий струм IL фотодіода в точках переходу колектора і бази до основи фототранзистора шляхом підвищення опору на базі.
Рисунок 3-2.4 (b) – Метод зміщення типу Bleeder
Схема температурної компенсації Світловий струм IL і темновий струм Id фототранзистора мають позитивний температурний коефіцієнт. Зокрема, темний струм зростає в геометричній прогресії, як показано в окремих технічних паспортах. Тому для стабільної роботи при температурі навколишнього середовища 50 ~ 60°C стає необхідною температурна компенсація темного струму та фотоелектричного струму фототранзистора. Схема, показана на малюнку 3-2.5, використовує негативний температурний коефіцієнт, що зберігається прямою напругою VF діода. Коли використовується фототранзистор, який не має базової клеми, методом компенсації вихідної напруги буде зменшення опору навантаження фототранзистора за допомогою термістора, як показано на рис. 3-2.6.
Рисунок 3-2.5 – Схема температурної компенсації за допомогою діода опору
Рисунок 3-2.6 – Схема температурної компенсації за допомогою термістера
Основна схема підсилювача, показана на рис. 3-2.7 (а), є з'єднанням Дарлінгтона з використанням транзистора NPN, а рис. 3-2.7 (b) - це з'єднання Дарлінгтона за допомогою транзистора PNP. В обох схемах світловий струм збільшується в рази hFE, а вихідний струм IC стає hFE. ІЛ
Рисунок 3-2.7 – Схема підсилювача для фототранзистора
На рис. 3-2.8 показані приклади базових схем з використанням підсилення операційним підсилювачем.
Рисунок 3-2.8 – Схема підсилювача з робочим термістером
Покращення швидкості перемикання Коли посилення напруги підвищується за рахунок збільшення опору навантаження, оскільки світловий струм фототранзистора невеликий, характеристика швидкості перемикання може бути принесена в жертву як зворотний ефект. Як засіб захисту, існують методи отримання характеристик швидкості перемикання, які відносно не залежать від розміру навантаження шляхом перетворення опору через схеми на основі PNP-транзистора (рис. 3-2.9 (a)) або каскадного підключення транзистора NPN (рис. 3- 2.9 (b)). Методи випробування застосовні до високошвидкісної схеми виявлення світла з імпульсною модуляцією для фотоелектричного перемикача/швидкісного зчитувача стрічки.
Рисунок 3-2.9 – Приклади покращення частотної характеристики
Аналогове використання Фототранзистори забезпечують більш високу чутливість, ніж фотодіоди, оскільки вони оснащені внутрішньою функцією підсилення; однак чутливість істотно коливається залежно від різниці коефіцієнтів посилення. Тому необхідно або використовувати змінний резистор для корекції чутливості, або придбати продукт, який попередньо вибрано для певного рейтингу чутливості.
Малюнок 3-2.14
На рис. 3-2.14 (а) показана схема управління струмом транзисторного підсилювача. Колекторний струм фототранзистора керує базою транзистора наступного каскаду, емітер якого заземлений. Коливання чутливості фототранзистора контролюються резистором зворотного зв'язку RE в ланцюзі емітера. На рис. 3-2.14 (b) показана схема управління напругою транзисторного підсилювача. Струм колектора фототранзистора створює напругу для управління транзистором останнього каскаду змінним резистором. Транзистор є повторником, і коливання між окремими фототранзисторами коригуються змінним резистором RA. Таким чином, час перемикання фототранзистора змінюється RA. Схеми застосування фотодіодів У поєднанні з інфрачервоними світлодіодами фотодіоди використовуються двома способами; цифровий для визначення існування світла і аналоговий для визначення кількості світла. Цифрове використання Оскільки швидкість відгуку висока, фотодіоди підходять для високошвидкісного перемикання. З іншого боку, однак, оскільки світловий струм невеликий, необхідно використовувати FET з високим вхідним опором, як показано на рис. 3-3.1 (а), або схему з високим підсиленням, як показано на рис. 3-3.1 ( б). Для підвищення підсилення використовується операційний підсилювач. Якщо потрібна висока швидкість реакції, необхідно вибрати підсилювач для відповідних високошвидкісних застосувань.
Рисунок 3-3.1 – Схема підсилювача фородиода (цифрове використання)
Аналогове використання. Характеристики освітлення та фотоелектричного струму фотодіодів є більш близькими до лінійних, ніж характеристики фототранзисторів, і фотодіодами можна сказати, що це продукт, який легко використовується в аналогових додатках. Для цього типу використання існує лінійне посилення та логарифмічне посилення.
Рисунок 3-3.2 – Схеми підсилювача фотодіода (аналогове використання)
Схеми застосування фотодатчиків світловідбиваючого типу Фотодатчик світловідбиваючого типу доступний у двох типах; тип фокусування та нефокусний тип. Відповідний тип слід вибрати на основі застосування. Як видно з відповідних основних характеристик положення виявлення, показаних на рис. 3-5.1 і 3-5.2, характеристика визначення положення поверхні чорно-білої межі для типу фокусування є чіткішою, ніж у безфокусного типу. Таким чином, тип фокусування є кращим за тип без фокусування для програм виявлення штрих-коду. Однак невеликий нефокусний тип ефективний для виявлення об’єктів.
Рисунок 3-5.1 – Приклад характеристики положення визначення нефокусного типу
Рисунок 3-5 – Основна схема виявлення фотодатчика відбиття
Оскільки фотодатчик типу відбиття необхідний для цифрового виведення існування виявленого об’єкта, на наступному вихідному каскаді фотодатчика відбиття підключається схема порівняння, як показано на рис. 3.5-4.
Рисунок 3-5.4 Схема підключення фотодатчика відбиття з компаратором
Конструкція застосування фотодатчика відбиваючого типу є складнішою, ніж фотодатчика трансмісійного типу, тому що:
Коефіцієнти відбиття відбиваючих речовин відрізняються один від одного
Відстані відбиваючих речовин легко регулюються
Як світловипромінюючі, так і детекторні поверхні знаходяться в одній площині і сприйнятливі до впливу зовнішнього світла, а струм витоку збільшується.
Тому можна сказати, що краще, якщо це можливо, створити фотодатчик трансмісійного типу.
