Princip činnosti optických senzorů Základní obvod optického senzoru je znázorněn na obrázku 2-2.1(a). Anoda LED je připojena k napájecímu vedení VCC přes rezistor RE a katoda je uzemněna. Dopředný proud IF protéká LED a vyzařuje infračervené světlo, které není okem viditelné. Kolektor fototranzistoru je připojen k napájecímu vedení VCC přes rezistor RL a emitor je uzemněn. Dále musí být kolektor připojen ke vstupní svorce komparátoru nebo IC dalšího stupně. Zařízení vyzařující světlo a detekční zařízení jsou uspořádána podle obrázku 2-2.1(b). Když se mezi emitor a detektor dostane světelná dělicí deska, tj. cíl, který má být detekován, fototranzistor se vypne a potenciál na kolektoru se zvýší. Na druhou stranu, když je odstraněn, tranzistor se zapne a kolektorový potenciál klesne. Jinými slovy, existence látky je detekována a převedena na elektrický signál, aniž by se s ní dotkla. Normálně je tento signál přiváděn do následujícího obvodu zpracování signálu dalšího stupně pro řízení různých periferních funkcí.
Obrázek 2-2.1 – Princip činnosti optického senzoru
Postupy návrhu pro obvody optických snímačů Nejprve získejte hodnoty RE a RL. Na obrázku 2-2.1(a), když je úbytek napětí LED v propustném směru VF, proud IF tekoucí do LED je dán vztahem: (1) IF=(VCC-VF) / RE a je nutné splnit (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) Z (1) a (2) je RE dáno následujícím vzorcem: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Jak může být jak je vidět na obrázku 2-2.2, čím větší je IF, tím více optického výstupu IE bude produkováno, a proto je nutné vypočítat IF (MIN) s ohledem na kolísání dovolené ztráty IF a IE po rozhodnutí RE. Správná hodnota RL: Získejte horní mezní hodnotu RL Na obrázku 2-2.1(b), když je uvnitř světelná dělicí destička, fotoelektrický proud IL produkovaný vyzařováním světla z LED neprotéká do fototranzistoru, ale neprotéká foto. proud IL' a temný proud, Id, pouze teče. Potenciál kolektoru VOH v tuto chvíli je: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Předpokládá se však, že vstupní/výstupní proud do/z dalšího stupně může být ignorován.
Obrázek 2-2.2
Vzhledem k tomu, že Id se rychle zvyšuje s rostoucí teplotou okolí, jak je znázorněno na obrázku 2-1.5, za předpokladu, že vysoké vstupní napětí dalšího stupně je VIH, je nutné splnit následující: VIH< voh="" při="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" poté="" získejte="" dolní="" mezní="" hodnotu="" rl.="" když="" není="" světelná="" dělicí="" deska="" uvnitř,="" světlo="" je="" přijímáno="" fototranzistorem="" a="" světelný="" proud="" il="" a="" výše="" uvedené="" id="" +="" il'="" tečou="" do="" fototranzistoru.="" normálně,="" pokud:="" il="Id" +="" il',="" je="" obtížné="" rozlišit="" existenci="" světelné="" dělicí="" desky="" z="" hlediska="" poměru="" s/n="" je="" kolektorový="" potenciál="" vol="" v="" tomto="" okamžiku="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" za="" předpokladu,="" že="" vstupní="" napětí="" nízké="" úrovně="" do="" dalšího="" stupně="" je="" vil'="" je="" nutné="" splnit="" (5)="" vil>,="" vol="" vzorce="" (4)="" a="" (5)="" musí="" být="" splněny="" i="" při="" spodní="" mezní="" hodnotě="" il="" spodní="" mezní="" hodnota="" il="" (min)="" je:="" il="" (min="" )="CTR" (min)="" x="" dt="" x="" dta="" x="">
Obrázek 2-1.5
Dt: CTR degradační faktor během provozu (obr. 2-1.7) DTa: CTR teplotní odchylka (obr. 2-1.6) Dn: CTR odchylka od prachu a nečistot Ze vzorců (4) a (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + Id + IL') Čím menší je RL, tím kratší bude doba přepnutí. JAK ZÍSKAT PROPOJOVACÍ CHARAKTERISTIKY ZAŘÍZENÍ VYSÍLAJÍCÍ A PŘIJÍMACÍ SVĚTLO V následujícím textu jsou vazební charakteristiky zařízení vyzařujících a detekční světlo vypočteny jako počáteční návrh, aby se zjistilo, zda jsou použitelné. Poté je jako druhý krok uveden způsob kontroly skutečného provozu atd. Počáteční konstrukční charakteristiky spojky reprezentativního produktu jsou uvedeny na obrázcích 2-4.1 ~ 2-4.3. Tyto charakteristické diagramy, jako jsou tyto, se poněkud liší v závislosti na kombinaci zařízení vyzařujících světlo a zařízení pro detekci. Obecně, když d> 1 cm nebo více v následující výpočtové metodě lze tyto charakteristiky získat zhruba bez jejich individuálního zkoumání.
(vlevo) Obrázek 2-4.1 – Spojovací charakteristiky TLN108 a TPS601A (vpravo) Obrázek 2-4.2 – Spojovací charakteristiky TLN105B a TPS703
Obrázek 2-4.3 – Vazební charakteristiky TLN107A a TPS608A
Nejprve odečtěte intenzitu záření IE (MIN) zařízení emitujícího světlo a světelný proud IL (MIN) zařízení pro detekci světla podle podmínek uvedených v datovém listu. Protože intenzita záření IE (mW/sr) je ekvivalentní dopadu záření EO (mW/cm2) vyzařovanému na plochu 1 cm2 ve vzdálenosti 1 cm, dosažitelný dopadající radiant E (skutečný) ve vzdálenosti d cm se získá podle následujícího vzorce: E (skutečný) ~ IE/d2 (mW/cm2) Za předpokladu, že dopad záření zařízení pro detekci světla za podmínek citlivosti detekce světla je E světelný proud IL (aktuální) ve sdruženém stavu se získá následovně: IL (skutečný)=IL x(E (aktuální) / E) Když je přijímaný světelný proud velmi malý a je obtížné navrhnout obvod druhého stupně, zvyšte stejnosměrný dopředný proud IF zařízení emitujícího světlo nebo zvyšte intenzitu záření IE (mW/sr ) pulzním dopředným proudem. Jako příklad proveďte vyšetření za následujících podmínek: Zářič: IE(MIN)=1 mW/sr při IF=20 mA Detektor: IL(MIN)=20 μA při E=0,1 mW/cm2, VCE=3V Vzdálenost mezi zářičem a Detektor: d=1,5 cm E (aktuální) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (skutečný) (MIN) ~ (E (skutečný) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 μA=88 μA Protože IL (skutečný) (MIN) je 88 μA, není možné řídit TTL přímo, ale lze připojit C-MOS IC. Potom, zatímco se zatížení světelného přijímače určuje podle napájecího napětí, jeho spínací rychlost silně závisí na hodnotě zátěže a je nutné ji předem zkontrolovat. Aplikační obvody fotosenzorů Aplikační obvody infračervených LED Vzhledem k tomu, že výkon Po, infračerveného zařízení závisí na dopředném proudu LED, IF, stav zapnuto-vypnuto výstupu lze řešit řízením dopředného proudu. Zde jsou vysvětleny reprezentativní způsoby osvětlení, jako je stejnosměrné osvětlení atd., a opatření pro návrh. Na obr. 3-1.1 je znázorněn základní obvod pro osvětlení při použití stejnosměrného napájení. IF je v tomto případě vyjádřeno následujícím vzorcem: IF=(VCC – VF) / R VCC : Napájecí napětí VF : Dopředné napětí LED IF : Dopředný proud tekoucí do LED PHO Světelný obvod DC
(zleva doprava) Obrázek 3-1.1 – Jednotka stejnosměrného pohonu Obrázek 3-1.2 – Obvod pohonu konstantního proudu Obrázek 3-1.3 – Obvod pohonu s více LED diodami
Na obr. 3-1.2 je znázorněn obvod pokrývající variace VF LED s tranzistorem. IF v tomto obvodu je vyjádřeno následujícím vzorcem: IF=(VB – VBE) / R3 VB : Napětí báze VBE : Napětí báze k emitoru R3 : Odpor emitoru Dále je možné vhodným nastavením snížit teplotní závislost výstupu. VBE a VB v tomto obvodu. Pokud je výstupní výkon nedostatečný nebo je zařízení pro příjem světla umístěno příliš daleko, je možné obvod dokončit pomocí sériového nebo paralelního zapojení, jak je znázorněno na obr. 3-1.3. V tomto případě IF=(VCC – nVF) / R (sériové zapojení) IF=(VCC – VF) / R (paralelní zapojení) AC řízení Na obr. 3-1.4 jsou znázorněny základní obvody pro téměř půlvlnné AC osvětlení. . Obecně existují dva způsoby jízdy. Oba používají ochrannou diodu k ochraně LED před zpětným napětím. V (a) je tato ochranná dioda typu zpětného napětí odpovídající napájecímu napětí VCC a v (b) by mělo být zpětné napětí ochranné diody přibližně dvojnásobkem propustného napětí infračervené LED.
Ve výše uvedeném obvodu se používá konstanta R, která je vhodná pro jmenovité napětí podle napájecího napětí VCC. Dále je R vybráno tak, že je omezeno na jmenovitou hodnotu dopředného proudu IF infračervené LED v bodě, kde se napájecí napětí, VCC, stává maximálním.
Obrázek 3-1.4 – Obvod střídavého pohonu
Pulzní řízení Mnoho výhod lze získat, když se optický signál změní na pulzně modulované světlo. Je uvažováno následující: Když je poměr střídy pulzně modulovaného signálu malý, okamžitý světelný výkon zařízení emitujícího světlo se zvyšuje, optický signál je rozlišován od okolního světla a je zajištěno zlepšení poměru S/N. Když je jako zdroj energie použita baterie, může být snížena spotřeba energie zařízení, a proto se prodlužuje životnost baterie. RC spojení s dalším stupněm v sekci pro příjem světla je možné a lze se vyhnout účinkům zvýšení temného proudu v důsledku zvýšení teploty. Tento pulzní řídicí systém je navržen v kombinaci s TTL nebo C-MOS a Tr atd. V zapojení na obr. 3-1.5 je nutné věnovat pozornost elektrickým charakteristikám IOL zařízení TTL nebo C-MOS protože pro uspokojení IF< nelze použít příliš velké proudy; IOL. Pro aplikaci vyššího proudu je nutné použít vyrovnávací IC s vysokou výstupní proudovou kapacitou, jak je znázorněno na obr. 3-1.6, nebo externě nainstalovat tranzistor. IOL a VOL charakteristiky TTL, C-MOS a buffer IC jsou uvedeny pro referenci.
Obrázek 3-1.5
Aplikační obvody fototranzistorů Základní obvod Základní obvod pro fototranzistor je znázorněn na obr. 3-2.1 Zatěžovací odpor RL se volí s ohledem na teplotní charakteristiku fototranzistoru při temném proudu. Pokud je RL příliš velký, fototranzistor může být zapnut pouze temným proudem při vysoké teplotě. Například, když je fototranzistor TPS601A provozován při Ta=100°C, temný proud může být asi 100 μA. Když je RL nastaveno na 50 kW při VCC=5V, TPS601A se zcela přepne do stavu ON zvýšením temného proudu.
Obrázek 3-2.1 – Základní zapojení fototranzistoru
Obvod předpětí fototranzistoru se svorkou báze Vlivy odporu mezi bází a emitorem RBE na temný i světelný proud jsou znázorněny na obr. 3-2.2 (a) a (b). Normálně je temný proud fototranzistoru při normální teplotě jen několik nA a je možné dále snížit temný proud vložením odporu RBE mezi základnu a emitor, aby se obcházel svodový proud přes kolektor do bodu spojení základny. Pokud je RBE příliš malé, zdánlivé hFE fototranzistoru se snižuje a nelze dosáhnout požadovaného světelného proudu IL, proto je vhodné RBE větší než 1 MW.
Obrázek 3-2.2 (a) – Snížení temného proudu pomocí RBE / Obrázek 3-2.2 (b) – Změna světelného proudu pomocí RBE
Dále je možné nastavit pracovní bod fototranzistoru na správnou úroveň pomocí základní svorky. Linearita charakteristik osvětlení-světelný proud se v tomto případě značně zlepšila ve srovnání s případem, kdy je základní předpětí nulový. Kromě toho existuje metoda vychýlení typu bleeder zobrazená na obrázku 3-2.4, která experimentálně zlepšuje tepelnou stabilitu ve stejnosměrném pracovním bodě, 2 ~ 10 MW se považuje za správnou hodnotu pro hodnotu RB. To znamená přivést téměř veškerý světelný proud IL fotodiody v bodech kolektoru a základny na základnu fototranzistoru zvýšením impedance na základně.
Obrázek 3-2.4 (b) – Metoda vychýlení typu Bleeder
Teplotní kompenzační obvod Světelný proud IL a temný proud Id fototranzistoru mají kladný teplotní koeficient. Zejména temný proud narůstá exponenciálně, jak je uvedeno v jednotlivých technických listech. Proto pro dosažení stabilního provozu při okolních teplotách 50 ~ 60 °C je nezbytná teplotní kompenzace pro temný proud a fotoelektrický proud fototranzistoru. Obvod znázorněný na obrázku 3-2.5 využívá záporný teplotní koeficient zadržený propustným napětím VF diody. Pokud je použit fototranzistor bez základního terminálu, způsob kompenzace výstupního napětí by spočíval ve snížení zátěžového odporu fototranzistoru pomocí termistoru, jak je znázorněno na obr. 3-2.6.
Obrázek 3-2.5 – Obvod teplotní kompenzace pomocí odporové diody
Obrázek 3-2.6 – Obvod teplotní kompenzace pomocí termistru
Základní obvod zesilovače Na obr. 3-2.7 (a) je znázorněno Darlingtonovo zapojení využívající tranzistor NPN a na obr. 3-2.7 (b) je znázorněno Darlingtonovo zapojení využívající tranzistor PNP. V obou obvodech se světelný proud zvýší o časy hFE a výstupní proud IC se změní na hFE . IL
Obrázek 3-2.7 – Obvod zesilovače pro fototranzistor
Na obr. 3-2.8 jsou ukázky základních obvodů využívajících zesílení operačním zesilovačem.
Obrázek 3-2.8 – Obvod zesilovače s provozním termistorem
Zlepšení rychlosti spínání Když se zesílení napětí zvýší zvýšením impedance zátěže, protože světelný proud fototranzistoru je malý, charakteristika rychlosti spínání může být obětována jako opačný efekt. Jako náprava existují způsoby, jak získat charakteristiky spínací rychlosti, které jsou relativně nezávislé na velikosti zátěže, převodem impedance přes obvody na bázi PNP tranzistoru (obr. 3-2.9 (a)) nebo kaskádovým zapojením tranzistoru NPN (obr. 3- 2,9 (b)). Zkušební metody jsou použitelné pro vysokorychlostní pulzně modulovaný obvod detekce světla pro fotoelektrický spínač/vysokorychlostní čtečku pásek.
Obrázek 3-2.9 – Příklady zlepšení frekvenční charakteristiky
Analogové použití Fototranzistory poskytují vyšší citlivost než fotodiody, protože jsou interně vybaveny funkcí zesílení; citlivost však významně kolísá v závislosti na rozdílu v amplifikačních faktorech. Proto je nutné buď použít proměnný odpor pro korekci citlivosti, nebo zakoupit produkt, který je předem vybrán pro konkrétní hodnocení citlivosti.
Obrázek 3-2.14
Na obr. 3-2.14 (a) je znázorněn obvod řídící proud tranzistorového zesilovače. Kolektorový proud fototranzistoru řídí bázi tranzistoru dalšího stupně, jehož emitor je uzemněn. Kolísání citlivosti fototranzistoru je řízeno zpětnovazebním rezistorem RE v obvodu emitoru. Na obr. 3-2.14 (b) je znázorněn obvod řídící napětí tranzistorového zesilovače. Kolektorový proud fototranzistoru generuje napětí pro ovládání tranzistoru druhého stupně pomocí proměnného odporu. Tranzistor je sledovač a kolísání mezi jednotlivými fototranzistory koriguje proměnný odpor RA. Proto se spínací čas fototranzistoru mění pomocí RA. Aplikační obvody fotodiod V kombinaci s infračervenými LED se fotodiody používají dvěma způsoby; digitálně pro detekci přítomnosti světla a analogově pro detekci množství světla. Digitální použití Protože rychlost odezvy je vysoká, fotodiody jsou vhodné pro vysokorychlostní přepínání. Na druhou stranu, protože světelný proud je malý, je nutné použít FET s vysokou vstupní impedancí, jak je znázorněno na obr. 3-3.1 (a), nebo obvod s velkým zesílením, jak je znázorněno na obr. 3-3.1 ( b). Pro zvýšení zesílení se používá operační zesilovač. Když je vyžadována vysoká rychlost odezvy, je nutné vybrat zesilovač pro vhodné vysokorychlostní aplikace.
Obrázek 3-3.1 – Obvod zesilovače phoro diody (digitální použití)
Analogové použití Charakteristiky osvětlení a fotoelektrického proudu u fotodiod jsou blíže lineárním než u fototranzistorů a lze říci, že fotodiody jsou produktem, který lze snadno použít v analogových aplikacích. Pro tento typ použití existuje lineární zesílení a logaritmické zesílení.
Obrázek 3-3.2 – Obvody zesilovače fotodiody (analogové použití)
Aplikační obvody fotosenzorů reflexního typu Fotosenzor reflexního typu je k dispozici ve dvou typech; typ zaostření a typ bez zaostření. Správný typ by měl být vybrán na základě aplikace. Jak lze vidět z příslušných základních detekčních polohových charakteristik znázorněných na Obr. 3-5.1 a 3-5.2, charakteristika detekce polohy černé a bílé hraniční plochy u typu zaostření je ostřejší než u typu bez zaostření. Proto je typ zaostření lepší než typ bez zaostření pro aplikace detekce čárových kódů. Malý nezaostřený typ je však účinný pro detekci objektů.
Obrázek 3-5.1 – Příklad detekční charakteristiky polohy bez zaostření
Obrázek 3-5 – Základní detekční obvod fotosenzoru typu odraz
Protože je nutné, aby reflexní typ fotosenzoru digitálně vydával existenci detekovaného objektu, je na další výstupní stupeň fotosenzoru reflexního typu zapojen komparační obvod, jak je znázorněno na obr. 3.5-4.
Obrázek 3-5.4 Spojovací obvod fotosnímače odrazového typu s komparátorem
Návrh aplikace fotosnímače odrazového typu je obtížnější než fotosenzor přenosového typu, protože:
Faktory odrazu reflexních látek se navzájem liší
Vzdálenosti odrážejících látek jsou snadno ovladatelné
Povrchy vyzařující světlo i detekční povrchy jsou ve stejné rovině a jsou náchylné na účinky vnějšího světla a svodový proud se zvyšuje.
Proto lze říci, že je lepší navrhnout fotosnímač přenosového typu, pokud je to možné.
