Принцип на действие на оптичните сензори Основната схема на оптичния сензор е показана на фигура 2-2.1(a). Анодът на светодиода е свързан към електропровода VCC чрез резистор RE и катодът е заземен. Предният ток IF протича през светодиода и излъчва инфрачервена светлина, която не се вижда от окото. Колекторът на фототранзистор е свързан към електропровода VCC чрез резистор RL и емитерът е заземен. Освен това колекторът трябва да бъде свързан към входния извод на компаратор или IC на следващия етап. Устройствата за излъчване на светлина и засичане са подредени, както е показано на Фигура 2-2.1(b). Когато плоча за прекъсване на светлината, тоест цел, която трябва да бъде открита, дойде между емитера и детектора, фототранзисторът се изключва и потенциалът на колектора се повишава. От друга страна, когато се премахне, транзисторът се включва и потенциалът на колектора пада. С други думи, съществуването на вещество се открива и преобразува в електрически сигнал, без да се контактува с него. Обикновено този сигнал се въвежда в следваща верига за обработка на сигнал от следващ етап за управление на различни периферни функции.
Фигура 2-2.1 – Принцип на действие на оптичния сензор
Процедури за проектиране за вериги на оптични сензори Първо, получете стойности на RE и RL. На фигура 2-2.1(a), когато падането на напрежението в посока на един светодиод е VF, токът IF, протичащ към светодиода, се дава от: (1) IF=(VCC-VF) / RE и е необходимо да се удовлетвори (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) От (1) и (2), RE се дава по следната формула: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Както може да бъде както се вижда на фигура 2-2.2, колкото по-голям е IF, толкова повече оптичен изход IE ще бъде произведен и следователно е необходимо да се изчисли IF (MIN), като се вземат предвид колебанията на допустимата загуба на IF и IE след вземане на решение за RE. Правилна стойност на RL: Получете горната гранична стойност на RL На фигура 2-2.1(b), когато вътре е плоча за прекъсване на светлината, фото електрически ток IL, произведен от светлинно излъчване от светодиода, не тече към фото транзистор, а снимка на изтичане ток IL' и тъмен ток, Id, текат само. Потенциалът на колектора VOH в този момент е: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Въпреки това се приема, че входният/изходният ток към/от следващия етап може да бъде пренебрегнат.
Фигура 2-2.2
Тъй като Id нараства бързо с повишаване на температурата на околната среда, както е показано на Фигура 2-1.5, като се приеме, че високото ниво на входно напрежение на следващия етап е VIH, е необходимо да се удовлетвори следното: VIH< voh="" при="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" след="" това="" получете="" долната="" гранична="" стойност="" на="" rl.="" когато="" пластината="" за="" прекъсване="" на="" светлината="" не="" е="" вътре,="" светлината="" се="" приема="" от="" фототранзистора="" и="" светлинен="" ток="" il="" и="" гореспоменатите="" id="" +="" il'="" протичат="" към="" фототранзистора.="" обикновено,="" освен="" ако:="" il="Id" +="" il',="" става="" трудно="" да="" се="" разграничи="" наличието="" на="" пластина="" за="" прекъсване="" на="" светлината="" от="" гледна="" точка="" от="" съотношението="" s/n,="" потенциалът="" vol="" на="" колектора="" в="" този="" момент="" е="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" ако="" приемем,="" че="" ниското="" ниво="" на="" входно="" напрежение="" към="" следващия="" етап="" е="" vil'="" е="" необходимо="" да="" се="" удовлетвори="" (5)="" vil=""> VOL Формулите (4) и (5) трябва да бъдат изпълнени дори при долната гранична стойност на IL. Долната гранична стойност IL (MIN) е: IL (MIN )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
Фигура 2-1.5
Dt: Коефициент на разграждане на CTR по време на работа (фиг. 2-1.7) DTa: изменение на температурата на CTR (фиг. 2-1.6) Dn: изменение на CTR от прах и мръсотия От формули (4) и (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + Id + IL') Колкото по-малък е RL, толкова по-кратко ще стане времето за превключване. КАК ДА ПОЛУЧИМ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА СВЪРЗВАНЕ НА СВЕТЛОИЗДАВАЩИ И ПРИЕМАЩИ УСТРОЙСТВА По-долу характеристиките на свързване на устройствата за излъчване и детекция на светлина се изчисляват като първоначален проект, за да се види дали са приложими. След това, като втора стъпка е представен метод за проверка на действителната работа и т.н. Първоначално проектиране Характеристиките на свързване на представителния продукт са показани на фигури 2-4.1 ~ 2-4.3. Такива характерни диаграми като тези са малко по-различни в зависимост от комбинацията от устройства, излъчващи светлина и засичащи. Обикновено, когато d> 1 cm или повече в следния метод на изчисление, тези характеристики могат да бъдат получени грубо, без да се изследват индивидуално.
(вляво) Фигура 2-4.1 – Характеристики на свързване на TLN108 и TPS601A (вдясно) Фигура 2-4.2 – Характеристики на свързване на TLN105B и TPS703
Фигура 2-4.3 – Характеристики на свързване на TLN107A и TPS608A
Първо, прочетете интензитета на излъчване IE (MIN) на светлинно излъчващо устройство и светлинния ток IL (MIN) на устройство за откриване на светлина в съответствие с условията, показани в листа с данни. Тъй като интензитетът на излъчване IE (mW/sr) е еквивалентен на излъчване на излъчване EO (mW/cm2), излъчено върху площ 1 cm2 на разстояние 1 cm, полученото излъчване E (действително) на разстояние d cm се получава по следната формула: E (действително) ~ IE/d2 (mW/cm2) Ако приемем, че излъчването на светлинно детекторно устройство при условията на чувствителност за откриване на светлина е E светлинен ток IL (действителен) в свързано състояние, се получава, както следва: IL (действителен)=IL x(E (действително) / E) Когато полученият светлинен ток е много малък и е трудно да се проектира веригата на последния етап, увеличете постоянния ток IF на излъчващото устройство или увеличете интензитета на излъчване IE (mW/sr ) чрез импулсен ток напред. Като пример направете изследване при следните условия: Излъчвател: IE(MIN)=1 mW/sr при IF=20 mA Детектор: IL(MIN)=20 μA при E=0,1 mW/cm2, VCE=3V Разстояние между излъчвателя и детектор: d=1,5 cm E (действителен) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (действителен) (MIN) ~ (E (действителен) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 μA=88 μA Тъй като IL (действителен)(MIN) е 88 μA, не е възможно да се управлява директно TTL, но може да се свърже C-MOS IC. Тогава, докато натоварването на светоприемното устройство се определя според захранващото напрежение, неговата скорост на превключване зависи силно от стойността на натоварването и е необходимо да се провери предварително. Вериги за приложение на фото сензори Вериги за приложение на инфрачервени светодиоди Тъй като изходната мощност Po на инфрачервеното устройство зависи от предния ток на светодиода, IF, състоянието On-Off на изхода може да бъде адресирано чрез управление на предния ток. Тук са обяснени представителните методи за осветление като DC осветление и др. и предпазните мерки за проектиране. Показаната на фиг. 3-1.1 е основната схема за осветление, когато се използва постоянен ток. IF в този случай се изразява със следната формула: IF=(VCC – VF) / R VCC : Захранващо напрежение VF : Право напрежение на LED IF : Прав ток, протичащ към LED PHO осветителна верига DC
(Отляво надясно) Фигура 3-1.1 – DC задвижващо устройство Фигура 3-1.2 – Верига на задвижване с постоянен ток Фигура 3-1.3 – Верига за задвижване с множество светодиоди
На фиг. 3-1.2 е показана схема, покриваща вариациите на VF на светодиод с транзистор. IF в тази верига се изразява със следната формула: IF=(VB – VBE) / R3 VB : Базово напрежение VBE : Напрежение база към емитер R3 : Съпротивление на емитера Освен това е възможно да се намали температурната зависимост на изхода чрез правилно настройване VBE и VB в тази верига. Когато изходната мощност е недостатъчна или светлоприемащото устройство е разположено твърде далеч, е възможно да завършите веригата чрез последователна или паралелна връзка, както е показано на Фиг. 3-1.3. В този случай, IF=(VCC – nVF) / R (серийна връзка) IF=(VCC – VF) / R (паралелна връзка) AC задвижване Показаните на фиг. 3-1.4 са основните схеми за почти полувълново променливотоково осветление . Като цяло има два начина на шофиране. И двамата използват защитен диод за защита на светодиода от обратно напрежение. В (а) този защитен диод е тип обратно напрежение, съответстващо на захранващо напрежение VCC, а в (b), обратното напрежение на защитния диод трябва да бъде около два пъти по-голямо напрежението в права посока от инфрачервения светодиод.
В горната схема се използва константа R, която е подходяща за номиналното напрежение според захранващото напрежение VCC. Освен това, R е избран така, че да е ограничен до номинална стойност на предния ток IF на инфрачервен светодиод в точка, където захранващото напрежение, VCC, става максимално.
Фигура 3-1.4 – Верига за задвижване на променлив ток
Импулсно управление Много предимства се получават, когато оптичният сигнал се промени на импулсно модулирана светлина. Взема се предвид следното: Когато коефициентът на натоварване на импулсно модулиран сигнал е малък, моментната светлинна мощност на светлинно излъчващо устройство се увеличава, оптичният сигнал се разграничава от околната светлина и се осигурява подобряване на съотношението S/N. Когато батерията се използва като източник на енергия, консумацията на енергия на устройството може да бъде намалена и следователно животът на батерията се удължава. RC свързването със следващия етап в секцията за приемане на светлина става възможно и ефектите от увеличаване на тъмния ток в резултат на повишаване на температурата могат да бъдат избегнати. Тази система за задвижване на импулси е проектирана в комбинация с TTL или C-MOS и Tr и др. В схемата, показана на фиг. 3-1.5, е необходимо да се обърне внимание на електрическите характеристики на IOL на TTL или C-MOS устройство тъй като прекалено големи токове не могат да бъдат приложени за задоволяване на IF< вол.="" за="" да="" приложите="" по-висок="" ток,="" е="" необходимо="" да="" използвате="" буферна="" ис="" с="" висок="" капацитет="" на="" изходния="" ток,="" както="" е="" показано="" на="" фиг.="" 3-1.6="" или="" да="" инсталирате="" транзистор="" външно.="" характеристиките="" на="" iol="" и="" vol="" на="" ttl,="" c-mos="" и="" буферния="" ic="" са="" показани="" за="">
Фигура 3-1.5
Приложни вериги на фототранзистори Основна схема Основната схема за фототранзистор е показана на Фиг. 3-2.1 Съпротивлението на натоварването RL се избира, като се вземе предвид температурната характеристика на тъмния ток на фототранзистора. Ако RL е твърде голям, фототранзисторът може да бъде включен само от тъмен ток при висока температура. Например, когато фототранзисторът TPS601A работи при Ta=100°C, тъмният ток може да стане около 100 μA. Когато RL е настроен на 50 kW при VCC=5V, TPS601A се превръща напълно в състояние ON чрез увеличаване на тъмния ток.
Фигура 3-2.1 – Основна схема на фототранзистор
Верига на отклонение на фототранзистор с базов терминал Ефектите на резистор RBE от база към емитер върху тъмния ток, както и тока на светлината, са показани на фиг. 3-2.2 (a) и (b). Обикновено тъмният ток на фототранзистора е толкова малък, колкото няколко nA при нормална температура и е възможно да се намали допълнително тъмният ток чрез вмъкване на резистор RBE между базата и емитера, за да се заобиколи токът на утечка през колектора към точката на свързване на основата. Ако RBE е прекалено малък, привидният hFE на фототранзистора се намалява и необходимият светлинен ток IL не може да бъде получен, следователно е подходящ RBE от повече от 1 MW.
Фигура 3-2.2 (a) – Намаляване на тъмния ток от RBE / Фигура 3-2.2 (b) – Промяна на тока на светлината от RBE
Освен това е възможно да се настрои работната точка на фототранзистора на подходящо ниво с помощта на базовия терминал. Линейността на характеристиките на тока на осветяване и светлина в този случай е подобрена значително в сравнение със случая, при който базовият ток на отклонение е нула. В допълнение, има метод на отклонение от типа на изпускане, показан на фигура 3-2.4, който подобрява термичната стабилност в работната точка на постоянен ток експериментално, 2 ~ 10 MW се счита за подходящо за стойност на RB. Това е, за да се приложи почти целият светлинен ток IL на фотодиод в точките на колектора и базовия преход към основата на фото транзистор чрез повишаване на импеданса в основата.
Фигура 3-2.4 (b) – Метод на отклонение от типа Bleeder
Верига за компенсиране на температурата Светлинният ток IL и тъмният ток Id на фототранзистор имат положителен температурен коефициент. По-специално, тъмният ток се увеличава експоненциално, както е показано в индивидуалните технически спецификации. Следователно, за да се получи стабилна работа при околни температури от 50 ~ 60°C, е необходима температурна компенсация за тъмния ток и фотоелектрическия ток на фототранзистора. Веригата, показана на Фигура 3-2.5, използва отрицателен температурен коефициент, задържан от предното напрежение VF на диода. Когато се използва фототранзистор без базов терминал, метод за компенсиране на изходното напрежение би бил да се намали съпротивлението на натоварването на фототранзистора чрез използване на термистор, както е показано на Фиг. 3-2.6.
Фигура 3-2.5 – Верига за температурна компенсация с помощта на съпротивителен диод
Фигура 3-2.6 – Верига за температурна компенсация с помощта на термистер
Основна схема на усилвател, показана на фиг. 3-2.7 (a), е връзка на Дарлингтън, използваща NPN транзистор, а фиг. 3-2.7 (b) е връзка на Дарлингтън, използваща PNP транзистор. И в двете вериги светлинният ток се увеличава с hFE пъти и изходният ток IC става hFE. I Л
Фигура 3-2.7 – Схема на усилвател за фото транзистор
Фиг. 3-2.8 показва примери за основни схеми, използващи усилване от операционен усилвател.
Фигура 3-2.8 – Схема на усилвател с работен термистер
Подобряване на скоростта на превключване Когато усилването на напрежението се повишава чрез увеличаване на импеданса на товара, тъй като светлинният ток на фототранзистора е малък, характеристиката на скоростта на превключване може да бъде пожертвана като обратен ефект. Като средство за защита има методи за получаване на характеристики на скоростта на превключване, които са относително независими от размера на товара чрез преобразуване на импеданса чрез PNP транзисторни вериги (фиг. 3-2.9 (a)) или каскадно свързване на NPN транзистор (фиг. 3- 2.9 (б)). Методите за изпитване са приложими за високоскоростна импулсно модулирана верига за откриване на светлина за фото електрически превключвател/високоскоростен четец на лента.
Фигура 3-2.9 – Примери за подобряване на честотната характеристика
Аналогово използване Фототранзисторите осигуряват по-висока чувствителност от фотодиодите, тъй като са оборудвани с вътрешна функция за усилване; обаче, чувствителността варира значително в зависимост от разликата в коефициентите на усилване. Следователно е необходимо или да използвате променлив резистор, за да коригирате чувствителността, или да закупите продукт, който е предварително избран за специфичен рейтинг на чувствителност.
Фигура 3-2.14
На фиг. 3-2.14 (а) е показана схема, управляваща тока на транзисторен усилвател. Токът на колектора на фототранзистора управлява основата на транзистора на следващия етап, чийто емитер е заземен. Флуктуацията в чувствителността на фототранзистора се контролира от резистор за обратна връзка RE в емитерната верига. На Фиг. 3-2.14 (b) е показана схема, управляваща напрежението на транзисторен усилвател. Колекторният ток на фототранзистор генерира напрежение за управление на транзистор от последен етап чрез променлив резистор. Транзисторът е последовател и флуктуациите между отделните фото транзистори се коригират с променлив резистор RA. Следователно времето за превключване на фото транзистора се променя от RA. Приложни схеми на фотодиоди В комбинация с инфрачервени светодиоди, фотодиодите се използват по два начина; цифрово за откриване на съществуването на светлина и аналогово за откриване на количеството светлина. Цифрова употреба Тъй като скоростта на реакция е бърза, фотодиодите са подходящи за високоскоростно превключване. От друга страна обаче, тъй като светлинният ток е малък, е необходимо да се използва FET с висок входен импеданс, както е показано на Фиг. 3-3.1 (a) или верига с високо усилване, както е показано на Фиг. 3-3.1 ( б). За повишаване на усилването се използва операционен усилвател. Когато се изисква високоскоростна реакция, е необходимо да изберете усилвател за подходящи високоскоростни приложения.
Фигура 3-3.1 – Схема на усилвател на фородиод (цифрово използване)
Аналогово използване. Характеристиките на осветеността и фотоелектрическия ток на фотодиодите са по-близки до линейните от тези на фототранзисторите и може да се каже, че фотодиодите са продукт, който лесно се използва в аналогови приложения. За този тип употреба има линейно усилване и логаритмично усилване.
Фигура 3-3.2 – Усилвателни вериги на фотодиод (аналогово използване)
Приложни вериги на светлоотразителни фото сензори Фотосензорът с отразяващ тип се предлага в два типа; тип фокус и тип без фокус. Подходящият тип трябва да бъде избран въз основа на приложението. Както може да се види от съответните основни характеристики на позицията за откриване, показани на фиг. 3-5.1 и 3-5.2, характеристиката за откриване на позицията на повърхността на черно-бялата граница на типа на фокуса е по-рязка от тази на типа без фокус. Следователно типът на фокус е по-добър от нефокусния тип за приложения за откриване на баркод. Малкият тип без фокус обаче е ефективен за откриване на обекти.
Фигура 3-5.1 – Пример за характеристика на позиция за откриване без фокус
Фигура 3-5 – Основна схема за откриване на фото сензор тип отражение
Тъй като е необходимо отразителният тип фотосензор да изведе цифрово съществуването на открит обект, към следващото изходно стъпало на фотосензора с отражение е свързана схема за сравнение, както е показано на Фиг. 3.5-4.
Фигура 3-5.4 Верига на свързване на фотосензор отразителен тип с компаратор
Дизайнът на приложението на фото сензора от отразяващ тип е по-труден от фотосензора от предавателен тип, защото:
Коефициентите на отражение на отразяващите вещества са различни един от друг
Разстоянията на отразяващите вещества се контролират лесно
Както излъчващите светлина, така и откриващите повърхности са в една и съща равнина и са податливи на въздействието на външната светлина, а токът на утечка се увеличава.
Следователно може да се каже, че е по-добре да се проектира фотосензор от трансмисионен тип, ако е възможно.
