Zasada działania czujników optycznych Podstawowy obwód czujnika optycznego pokazano na rysunku 2-2.1(a). Anoda diody LED jest podłączona do linii zasilającej VCC za pośrednictwem rezystora RE, a katoda jest uziemiona. Prąd przewodzenia IF przepływa przez diodę LED i emituje niewidoczne dla oka światło podczerwone. Kolektor fototranzystora jest podłączony do linii zasilającej VCC za pośrednictwem rezystora RL, a emiter jest uziemiony. Ponadto kolektor należy podłączyć do zacisku wejściowego komparatora lub układu scalonego następnego etapu. Urządzenia emitujące i wykrywające światło są rozmieszczone tak, jak pokazano na rysunku 2-2.1(b). Kiedy płytka odcinająca światło, to znaczy wykrywany cel, znajdzie się między emiterem a detektorem, fototranzystor wyłącza się i wzrasta potencjał na kolektorze. Z drugiej strony po jego wyjęciu włącza się tranzystor i spada potencjał kolektora. Innymi słowy, obecność substancji jest wykrywana i przekształcana w sygnał elektryczny bez kontaktu z nią. Zwykle sygnał ten jest wprowadzany do następnego obwodu przetwarzania sygnału następnego stopnia w celu sterowania różnymi funkcjami peryferyjnymi.
Rysunek 2-2.1 – Zasada działania czujnika optycznego
Procedury projektowe dla obwodów czujników optycznych Najpierw uzyskaj wartości RE i RL. Na rysunku 2-2.1(a), gdy spadek napięcia diody LED w kierunku przewodzenia wynosi VF, prąd IF płynący do diody LED jest określony przez: (1) IF=(VCC-VF) / RE i konieczne jest spełnienie (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) Z (1) i (2), RE jest wyrażona następującym wzorem: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Jak można Jak widać na Rysunku 2-2.2, im większe jest IF, tym więcej optycznego IE zostanie wytworzone i dlatego konieczne jest obliczenie IF (MIN) poprzez uwzględnienie fluktuacji dopuszczalnych strat IF i IE po podjęciu decyzji o RE. Prawidłowa wartość RL: Uzyskaj górną wartość graniczną RL Na rysunku 2-2.1(b), gdy wewnątrz znajduje się płytka odcinająca światło, fotoelektryczny prąd IL wytwarzany przez emisję światła z diody LED nie płynie do fototranzystora, ale fotoprzepływ prąd IL' i prąd ciemny, Id, płyną tylko. Potencjał kolektora VOH w tym czasie wynosi: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Zakłada się jednak, że prąd wejściowy/wyjściowy do/z następnego stopnia może zostać pominięty.
Rysunek 2-2.2
Ponieważ Id rośnie gwałtownie wraz ze wzrostem temperatury otoczenia, jak pokazano na Rysunku 2-1.5, zakładając wysoki poziom napięcia wejściowego następnego stopnia to VIH, konieczne jest spełnienie następujących warunków: VIH< voh="" przy="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" następnie="" uzyskaj="" dolną="" wartość="" graniczną="" rl.="" gdy="" płytka="" odcięcia="" światła="" nie="" znajduje="" się="" wewnątrz,="" światło="" jest="" odbierane="" przez="" fototranzystor="" a="" prąd="" świetlny="" il="" i="" w/w="" id="" +il'="" płyną="" do="" fototranzystora.normalnie,="" o="" ile:="" il="Id" +il'="" trudno="" jest="" odróżnić="" istnienie="" płytki="" odcinającej="" światło="" z="" punktu="" widzenia="" stosunku="" s/n,="" potencjał="" kolektora="" vol="" w="" tym="" czasie="" wynosi="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" zakładając,="" że="" niski="" poziom="" napięcia="" wejściowego="" do="" następnego="" stopnia="" jest="" vil'="" konieczne="" jest="" spełnienie="" (5)="" vil=""> VOL Wzory (4) i (5) muszą być spełnione nawet przy dolnej wartości granicznej IL. Dolna wartość graniczna IL (MIN) wynosi: IL (MIN )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
Rysunek 2-1.5
Dt: Współczynnik degradacji CTR podczas pracy (Rys. 2-1.7) DTa: Zmiana temperatury CTR (Rys. 2-1.6) Dn: Zmiana CTR od kurzu i brudu Ze wzorów (4) i (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + Id + IL') Im mniejszy RL, tym krótszy będzie czas przełączania. JAK UZYSKAĆ CHARAKTERYSTYKI SPRZĘŻENIA URZĄDZEŃ EMISJI I ODBIORU ŚWIATŁA Poniżej oblicza się charakterystyki sprzężenia urządzeń emitujących i wykrywających światło jako projekt początkowy, aby sprawdzić, czy mają one zastosowanie. Następnie, jako drugi krok, prezentowana jest metoda sprawdzenia rzeczywistej pracy itp. Wstępne charakterystyki konstrukcyjne sprzęgła reprezentatywnego produktu pokazano na rysunkach 2-4.1 ~ 2-4.3. Takie charakterystyczne wykresy różnią się nieco w zależności od kombinacji urządzeń emitujących światło i urządzeń wykrywających. Ogólnie, gdy d> 1 cm lub więcej w następującej metodzie obliczeniowej, cechy te można uzyskać z grubsza bez badania ich indywidualnie.
(po lewej) Rysunek 2-4.1 – Charakterystyka sprzęgania TLN108 i TPS601A (po prawej) Rysunek 2-4.2 – Charakterystyka sprzęgania TLN105B i TPS703
Rysunek 2-4.3 – Charakterystyka sprzężenia TLN107A i TPS608A
Najpierw odczytaj natężenie promieniowania IE (MIN) urządzenia emitującego światło i prąd świetlny IL (MIN) urządzenia wykrywającego światło zgodnie z warunkami przedstawionymi w arkuszu danych. Ponieważ natężenie promieniowania IE (mW/sr) jest równoważne padaniu promieniowania EO (mW/cm2) wypromieniowanemu na powierzchnię 1 cm2 w odległości 1 cm, możliwe do uzyskania promieniowanie padające E (rzeczywiste) w odległości d cm uzyskuje się z następującego wzoru: E (rzeczywiste) ~ IE/d2 (mW/cm2) Zakładając, że promieniowanie urządzenia wykrywającego światło w warunkach czułości wykrywania światła wynosi E prąd świetlny IL (rzeczywisty) w stanie sprzężonym otrzymuje się w następujący sposób: IL (rzeczywisty)=IL x(E (rzeczywiste) / E) Gdy odbierany prąd świetlny jest bardzo mały i trudno jest zaprojektować drugi obwód stopnia, zwiększ prąd przewodzenia DC IF urządzenia emitującego światło lub zwiększ natężenie promieniowania IE (mW/sr ) przez impulsowy prąd przewodzenia. Jako przykład wykonaj badanie w następujących warunkach: Emiter: IE(MIN)=1 mW/sr przy IF=20 mA Detektor: IL(MIN)=20 μA przy E=0,1 mW/cm2, VCE=3V Odległość między emiterem i detektor: d=1,5 cm E (rzeczywisty) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (rzeczywisty) (MIN) ~ (E (rzeczywisty) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 μA=88 μA Ponieważ IL (rzeczywisty) (MIN) wynosi 88 μA, nie jest możliwe bezpośrednie sterowanie TTL, ale można podłączyć układ scalony C-MOS. Następnie, podczas gdy obciążenie odbiornika światła jest ustalane na podstawie napięcia zasilania, jego prędkość przełączania silnie zależy od wartości obciążenia i należy to wcześniej sprawdzić. Obwody aplikacyjne fotoczujników Obwody aplikacyjne diod LED na podczerwień Ponieważ moc wyjściowa Po urządzenia na podczerwień zależy od prądu przewodzenia diody LED, IF, stan włączenia-wyłączenia wyjścia można rozwiązać poprzez kontrolę prądu przewodzenia. W tym miejscu wyjaśniono reprezentatywne metody oświetlenia, takie jak oświetlenie DC itp., oraz środki ostrożności przy projektowaniu. Na rys. 3-1.1 pokazano podstawowy obwód oświetlenia, gdy jest używane zasilanie DC. IF w tym przypadku wyraża się następującym wzorem: IF=(VCC – VF) / R VCC : Napięcie zasilania VF : Napięcie przewodzenia LED IF : Prąd przewodzenia płynący do obwodu oświetlenia LED PHO DC
(od lewej do prawej) Rysunek 3-1.1 – Jednostka napędu prądu stałego Rysunek 3-1.2 – Obwód napędu prądu stałego Rysunek 3-1.3 – Obwód napędu z wieloma diodami LED
Na ryc. 3-1.2 pokazano obwód obejmujący wariacje VF diody LED z tranzystorem. IF w tym obwodzie wyraża się następującym wzorem: IF=(VB – VBE) / R3 VB : Napięcie bazowe VBE : Napięcie bazowe do emitera R3 : Rezystancja emitera Ponadto można zmniejszyć zależność temperaturową wyjścia poprzez odpowiednie ustawienie VBE i VB w tym obwodzie. Gdy moc wyjściowa jest niewystarczająca lub urządzenie odbierające światło znajduje się zbyt daleko, możliwe jest uzupełnienie obwodu poprzez połączenie szeregowe lub równoległe, jak pokazano na rys. 3-1.3. W tym przypadku IF=(VCC – nVF) / R (połączenie szeregowe) IF=(VCC – VF) / R (połączenie równoległe) AC Driving Pokazane na rys. 3-1.4 są podstawowymi obwodami dla prawie półfalowego oświetlenia AC . Generalnie istnieją dwie metody jazdy. Oba wykorzystują diodę ochronną, aby chronić diodę LED przed odwrotnym napięciem. W (a) ta dioda ochronna jest typu napięcia wstecznego odpowiadającego napięciu zasilania VCC, aw (b) napięcie wsteczne diody ochronnej powinno być około dwukrotnością napięcia przewodzenia diody podczerwieni.
W powyższym obwodzie stosuje się stałą R, która jest dostosowana do napięcia znamionowego zgodnie z napięciem zasilania VCC. Ponadto, R jest wybrane tak, że jest ograniczone do wartości znamionowej prądu przewodzenia IF diody LED na podczerwień w punkcie, w którym napięcie zasilania, VCC, staje się maksymalne.
Rysunek 3-1.4 – Obwód napędu AC
Sterowanie impulsowe Wiele korzyści można uzyskać po zmianie sygnału optycznego na światło modulowane impulsowo. Uwzględniane są następujące czynniki: Gdy współczynnik wypełnienia sygnału modulowanego impulsowo jest mały, chwilowa moc wyjściowa światła urządzenia emitującego światło wzrasta, sygnał optyczny jest odróżniany od światła otoczenia i zapewniona jest poprawa stosunku sygnału do szumu. Gdy bateria jest używana jako źródło zasilania, można zmniejszyć zużycie energii przez urządzenie, a tym samym wydłużyć żywotność baterii. Możliwe staje się sprzężenie RC z kolejnym stopniem w sekcji odbiorczej światła i można uniknąć skutków narastania prądu ciemnego wynikającego ze wzrostu temperatury. Ten impulsowy układ napędowy jest zaprojektowany w połączeniu z TTL lub C-MOS i Tr, itp. W obwodzie pokazanym na rys. 3-1.5 należy zwrócić uwagę na charakterystykę elektryczną IOL urządzenia TTL lub C-MOS ponieważ zbyt duże prądy nie mogą być zastosowane w celu spełnienia IF< iol.="" aby="" zastosować="" wyższy="" prąd,="" konieczne="" jest="" zastosowanie="" bufora="" ic="" o="" dużej="" wydajności="" prądowej="" wyjściowej,="" jak="" pokazano="" na="" rys.="" 3-1.6="" lub="" zainstalowanie="" tranzystora="" na="" zewnątrz.="" charakterystyki="" iol="" i="" vol="" dla="" ttl,="" c-mos="" i="" bufora="" ic="" są="" pokazane="" w="" celach="">
Rysunek 3-1.5
Obwody aplikacyjne fototranzystorów Obwód podstawowy Podstawowy obwód fototranzystora pokazano na rys. 3-2.1 Rezystancja obciążenia RL jest wybierana z uwzględnieniem charakterystyki temperaturowej prądu ciemnego fototranzystora. Jeśli RL jest zbyt duże, fototranzystor może być włączony tylko przez ciemny prąd w wysokiej temperaturze. Na przykład, gdy fototranzystor TPS601A pracuje przy Ta=100°C, ciemny prąd może wynosić około 100 μA. Gdy RL jest ustawione na 50 kW przy VCC=5 V, TPS601A jest całkowicie przełączany do stanu ON przez wzrost prądu ciemnego.
Rysunek 3-2.1 - Podstawowy obwód fototranzystora
Obwód polaryzacji fototranzystora z zaciskiem bazowym Wpływ rezystora baza-emiter RBE na prąd ciemny oraz prąd lekki pokazano na rys. 3-2.2 (a) i (b). Normalnie ciemny prąd fototranzystora jest tak mały, jak kilka nA w normalnej temperaturze i możliwe jest dalsze zmniejszenie ciemnego prądu poprzez wstawienie rezystora RBE między bazę a emiter, aby ominąć prąd upływu przez kolektor do punktu połączenia bazy. Jeśli RBE jest nadmiernie małe, pozorne hFE fototranzystora jest zmniejszone i nie można uzyskać wymaganego prądu świetlnego IL, dlatego odpowiednia jest RBE większa niż 1 MW.
Rysunek 3-2.2 (a) – Zmniejszenie prądu ciemnego przez RBE / Rysunek 3-2.2 (b) – Zmiana prądu jasnego przez RBE
Ponadto możliwe jest ustawienie punktu pracy fototranzystora na odpowiednim poziomie za pomocą zacisku bazy. Liniowość charakterystyk prądu oświetlenia i światła w tym przypadku uległa znacznej poprawie w porównaniu z przypadkiem, w którym prąd polaryzacji bazy wynosi zero. Ponadto istnieje metoda polaryzacji typu bleeder pokazana na rysunku 3-2.4, która eksperymentalnie poprawia stabilność termiczną w punkcie pracy DC, 2 ~ 10 MW jest uważane za właściwe dla wartości RB. Ma to na celu przyłożenie prawie całego prądu świetlnego IL fotodiody w punktach połączenia kolektora i bazy do bazy fototranzystora poprzez zwiększenie impedancji w bazie.
Rysunek 3-2.4 (b) – Metoda błędu systematycznego typu Bleeder
Obwód kompensacji temperatury Prąd świetlny IL i prąd ciemny Id fototranzystora mają dodatni współczynnik temperaturowy. W szczególności ciemny prąd wzrasta wykładniczo, jak pokazano w poszczególnych kartach technicznych. Dlatego, aby uzyskać stabilną pracę w temperaturze otoczenia 50 ~ 60°C, niezbędna staje się kompensacja temperatury dla prądu ciemnego i prądu fotoelektrycznego fototranzystora. Obwód pokazany na rysunku 3-2.5 wykorzystuje ujemny współczynnik temperaturowy utrzymywany przez napięcie przewodzenia VF diody. Gdy używany jest fototranzystor bez zacisku bazy, metodą kompensacji napięcia wyjściowego byłoby zmniejszenie rezystancji obciążenia fototranzystora za pomocą termistora, jak pokazano na rys. 3-2.6.
Rysunek 3-2.5 - Obwód kompensacji temperatury za pomocą diody rezystancyjnej
Rysunek 3-2.6 – Obwód kompensacji temperatury za pomocą termistora
Podstawowy obwód wzmacniacza pokazany na rys. 3-2.7 (a) to połączenie Darlingtona z wykorzystaniem tranzystora NPN, a rys. 3-2.7 (b) to połączenie Darlingtona z wykorzystaniem tranzystora PNP. W obu obwodach prąd świetlny jest zwiększany o razy hFE, a prąd wyjściowy IC staje się hFE . IL
Rysunek 3-2.7 - Obwód wzmacniacza fototranzystora
Na rys. 3-2.8 przedstawiono przykłady podstawowych obwodów wykorzystujących wzmocnienie przez wzmacniacz operacyjny.
Rysunek 3-2.8 – Obwód wzmacniacza z działającym termistorem
Poprawa szybkości przełączania Gdy wzmocnienie napięciowe jest zwiększane przez zwiększenie impedancji obciążenia, ponieważ prąd świetlny fototranzystora jest mały, charakterystyka szybkości przełączania może zostać poświęcona jako efekt odwrotny. Jako środek zaradczy istnieją metody uzyskiwania charakterystyk prędkości przełączania, które są stosunkowo niezależne od wielkości obciążenia, poprzez konwersję impedancji przez obwody oparte na tranzystorze PNP (rys. 3-2.9 (a)) lub kaskadowe połączenie tranzystora NPN (rys. 3- 2.9 (b)). Metody testowe mają zastosowanie do szybkiego obwodu detekcji światła modulowanego impulsowo dla przełącznika fotoelektrycznego/szybkiego czytnika taśmy.
Rysunek 3-2.9 – Przykłady poprawy charakterystyki częstotliwościowej
Zastosowanie analogowe Fototranzystory zapewniają wyższą czułość niż fotodiody, ponieważ są wyposażone w wewnętrzną funkcję wzmocnienia; jednak czułość zmienia się znacznie w zależności od różnicy współczynników amplifikacji. Dlatego konieczne jest albo użycie zmiennego rezystora, aby skorygować czułość, albo zakup produktu, który jest wstępnie dobrany do określonej oceny czułości.
Rysunek 3-2.14
Na rys. 3-2.14 (a) pokazano obwód sterujący prądem wzmacniacza tranzystorowego. Prąd kolektora fototranzystora steruje bazą tranzystora następnego stopnia, którego emiter jest uziemiony. Wahania czułości fototranzystora są kontrolowane przez rezystor sprzężenia zwrotnego RE w obwodzie emitera. Na rys. 3-2.14 (b) pokazano obwód sterujący napięciem wzmacniacza tranzystorowego. Prąd kolektora fototranzystora wytwarza napięcie do sterowania tranzystorem drugiego stopnia za pomocą rezystora zmiennego. Tranzystor jest wtórnikiem, a wahania pomiędzy poszczególnymi fototranzystorami są korygowane przez zmienny rezystor RA. Dlatego czas przełączania fototranzystora jest zmieniany przez RA. Obwody aplikacyjne fotodiod W połączeniu z diodami podczerwieni, fotodiody są używane na dwa sposoby; cyfrowo do wykrywania istnienia światła i analogowo do wykrywania ilości światła. Zastosowanie cyfrowe Ponieważ szybkość reakcji jest duża, fotodiody nadają się do szybkiego przełączania. Z drugiej jednak strony, ponieważ prąd świetlny jest mały, konieczne jest użycie FET o wysokiej impedancji wejściowej, jak pokazano na rys. 3-3.1 (a) lub obwodu o wysokim wzmocnieniu, jak pokazano na rys. 3-3.1 ( b). Aby zwiększyć wzmocnienie, używany jest wzmacniacz operacyjny. Gdy wymagana jest szybka odpowiedź, konieczne jest dobranie wzmacniacza do odpowiednich aplikacji o dużej szybkości.
Rysunek 3-3.1 - Obwód wzmacniacza diody foro (zastosowanie cyfrowe)
Zastosowanie analogowe Charakterystyki natężenia oświetlenia i prądu fotoelektrycznego fotodiod są bardziej zbliżone do liniowych niż charakterystyk fototranzystorów i można powiedzieć, że fotodiody są produktem, który można z łatwością stosować w zastosowaniach analogowych. Dla tego typu zastosowań istnieje amplifikacja liniowa i amplifikacja logarytmiczna.
Rysunek 3-3.2 - Obwody wzmacniacza fotodiody (zastosowanie analogowe)
Obwody aplikacyjne fotoczujników typu refleksyjnego Fotoczujnik typu refleksyjnego jest dostępny w dwóch typach; typ ostrości i typ bez ostrości. Właściwy rodzaj należy dobrać w zależności od zastosowania. Jak widać z odpowiednich podstawowych charakterystyk pozycji wykrywania pokazanych na rys. 3-5.1 i 3-5.2, charakterystyka wykrywania położenia granicy czerni i bieli dla typu z ogniskową jest ostrzejsza niż w przypadku typu bez ogniskowania. Dlatego typ ogniskowania jest lepszy niż typ bez ogniskowania w zastosowaniach do wykrywania kodów kreskowych. Jednak mały typ bez ogniskowania jest skuteczny w wykrywaniu obiektów.
Rysunek 3-5.1 – Przykładowa charakterystyka pozycji wykrywania bez ogniskowej
Rysunek 3-5 - Podstawowy obwód wykrywania fotoczujnika typu odbicia
Ponieważ konieczne jest, aby fotoczujnik typu odbiciowego wyprowadzał cyfrowo istnienie wykrytego obiektu, obwód komparatora jest podłączony na następnym stopniu wyjściowym fotoczujnika typu odbiciowego, jak pokazano na rys. 3.5-4.
Rysunek 3-5.4 Obwód połączeniowy fotoczujnika typu odbicia z komparatorem
Projekt aplikacji fotoczujnika typu refleksyjnego jest trudniejszy niż fotosensora transmisyjnego, ponieważ:
Współczynniki odbicia substancji odbijających różnią się od siebie
Odległości substancji odbijających światło można łatwo kontrolować
Zarówno powierzchnie emitujące, jak i detekcyjne znajdują się na tej samej płaszczyźnie i są podatne na działanie światła zewnętrznego, a prąd upływu wzrasta.
Dlatego można powiedzieć, że lepiej zaprojektować fotoczujnik typu transmisyjnego, jeśli to możliwe.
