Az optikai érzékelők működési elve Az optikai érzékelő alapáramköre a 2-2.1(a) ábrán látható. A LED anódja az RE ellenálláson keresztül csatlakozik a VCC tápvezetékhez, és a katód földelve van. Az IF előremenő áram átfolyik a LED-en, és szemmel nem látható infravörös fényt bocsát ki. A fototranzisztor kollektora az RL ellenálláson keresztül csatlakozik a VCC tápvezetékhez, és az emitter földelve van. Továbbá a kollektort a következő fokozat komparátorának vagy IC-jének bemeneti csatlakozójához kell csatlakoztatni. A fénykibocsátó és érzékelő eszközök a 2-2.1(b) ábrán látható módon vannak elrendezve. Amikor az emitter és a detektor közé egy fényleválasztó lemez, azaz egy érzékelendő cél kerül, a fototranzisztor kikapcsol, és a kollektor potenciálja megemelkedik. Másrészt, ha eltávolítják, a tranzisztor bekapcsol, és a kollektor potenciál leesik. Más szavakkal, egy anyag létezését észlelik és elektromos jellé alakítják anélkül, hogy érintkezésbe lépnének vele. Normális esetben ez a jel egy következő fokozat következő jelfeldolgozó áramkörébe kerül a különböző perifériás funkciók vezérlésére.
2-2.1 ábra – Az optikai érzékelő működési elve
Tervezési eljárások optikai érzékelő áramkörökhöz Először is, szerezze meg az RE és RL értékeket. A 2-2.1(a) ábrán, amikor egy LED előremenő feszültségesése VF, a LED-hez áramló IF áramot a következő képlettel adjuk meg: (1) IF=(VCC-VF) / RE, és teljesíteni kell (2) ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) (1) és (2) közül az RE a következő képlettel adódik: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Ahogyan lehet A 2-2.2. ábrán látható, hogy minél nagyobb az IF, annál több optikai kimenet IE keletkezik, ezért az IF (MIN) értékét az IF és az IE megengedett veszteségének ingadozásának figyelembevételével kell kiszámítani az RE döntése után. Az RL megfelelő értéke: Az RL felső határértékének megállapítása A 2-2.1(b) ábrán, amikor egy fényleválasztó lemez van benne, a LED fénykibocsátása által termelt IL fotoelektromos áram nem egy fototranzisztorhoz áramlik, hanem szivárog fotó. áram IL' és sötét áram, Id, csak folyik. A VOH kollektor potenciálja jelenleg: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Feltételezzük azonban, hogy a következő fokozatba bemeneti/kimeneti áramot figyelmen kívül lehet hagyni.
2-2.2 ábra
Mivel a 2-1.5. ábrán látható módon az Id a környezeti hőmérséklet emelkedésével gyorsan növekszik, feltételezve, hogy a következő fokozat magas szintű bemeneti feszültsége VIH, a következőket kell teljesíteni: VIH< voh="" at="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il)="" ezután="" kapja="" meg="" az="" rl="" alsó="" határértékét.="" ha="" a="" fényleválasztó="" lemez="" nincs="" bent,="" a="" fényt="" a="" fototranzisztor="" veszi.="" és="" a="" fényáram="" il="" és="" a="" fent="" említett="" id="" +="" il'="" áramlik="" a="" fototranzisztorhoz.="" normális="" esetben,="" hacsak="" nem:="" il="Id" +="" il',="" nehéz="" megkülönböztetni="" a="" fényleválasztó="" lemez="" létezését.="" az="" s/n="" arány,="" a="" kollektor="" potenciál="" vol="" ekkor="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" feltéve,="" hogy="" a="" következő="" fokozat="" alacsony="" szintű="" bemeneti="" feszültsége="" vil'="" teljesülnie="" kell="" (5)="" vil=""> VOL A (4) és (5) képletnek az IL alsó határértékénél is teljesülnie kell. Az IL (MIN) alsó határérték: IL (MIN) )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
2-1.5 ábra
Dt: CTR degradációs tényező működés közben (2-1.7. ábra) DTa: CTR hőmérséklet változás (2-1.6. ábra) Dn: CTR változása portól és szennyeződéstől A (4) és (5) képletből RL=(VCC – VIL) ) / (IL(MIN) + Id + IL') Minél kisebb az RL, annál rövidebb lesz a kapcsolási idő. FÉNYKIBOCSÁTÓ ÉS VEVŐ ESZKÖZÖK CSATLAKOZTATÁSI JELLEMZŐInek beszerzése. Ezután második lépésként bemutatunk egy módszert a tényleges működés ellenőrzésére stb. Kezdeti tervezés A reprezentatív termék csatolási jellemzői a 2-4.1 ~ 2-4.3 ábrákon láthatók. Az ilyen jellemző diagramok a fénykibocsátó és érzékelő eszközök kombinációjától függően némileg eltérőek. Általában, ha d> 1 cm vagy annál nagyobb a következő számítási módszerrel, ezek a jellemzők nagyjából egyedi vizsgálat nélkül is megkaphatók.
(balra) 2-4.1 ábra – TLN108 és TPS601A csatolási jellemzői (jobbra) 2-4.2 ábra – TLN105B és TPS703 csatolási jellemzői
2-4.3 ábra – A TLN107A és a TPS608A csatolási jellemzői
Először olvassa le egy fénykibocsátó eszköz IE (MIN) sugárzási intenzitását és egy fényérzékelő eszköz IL (MIN) fényáramát az adatlapon feltüntetett feltételek szerint. Mivel az IE sugárzási intenzitás (mW/sr) egyenértékű az 1 cm2-es területen 1 cm távolságra kisugárzott EO sugárzás beesésével (mW/cm2), a d cm távolságra eső E (tényleges) sugárzási beesést a következő képlettel kapjuk meg: E (tényleges) ~ IE/d2 (mW/cm2) Feltételezve, hogy a fényérzékelő eszköz sugárzási beesése a fényérzékelési feltételek mellett E. Az IL fényáram (tényleges) kapcsolt állapotban a következőképpen kapható: IL (tényleges)=IL x(E (tényleges) / E) Ha a vett fényáram nagyon kicsi, és nehéz megtervezni az utolsó fokozatú áramkört, növelje a fénykibocsátó eszköz DC előremenő áramát IF vagy növelje a sugárzási intenzitást IE (mW/sr). ) impulzus előremenő árammal. Példaként végezzen vizsgálatot a következő feltételek mellett: Emitter: IE(MIN)=1 mW/sr IF=20 mA-nél Detektor: IL(MIN)=20 μA E-nél=0,1 mW/cm2, VCE=3V Távolság az emitterek között és detektor: d=1,5 cm E (tényleges) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (tényleges) (MIN) ~ (E (tényleges) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 μA=88 μA Mivel az IL (tényleges) (MIN) 88 μA, nem lehet közvetlenül TTL-t meghajtani, de C-MOS IC csatlakoztatható. Ekkor, míg egy fényvevő készülék terhelése a tápfeszültség alapján dől el, a kapcsolási sebessége erősen függ a terhelés értékétől, és ezt előzetesen ellenőrizni kell. Fényérzékelők alkalmazási áramkörei Infravörös LED-ek alkalmazási áramkörei Mivel az infravörös eszköz Po teljesítménye a LED előremenő áramától (IF) függ, a kimenet On-Off állapota az előremenő áram szabályozásával szabályozható. Itt ismertetjük a reprezentatív világítási módszereket, például egyenáramú világítást stb., valamint a tervezéssel kapcsolatos óvintézkedéseket. A 3-1.1. ábrán látható a világítás alapáramköre egyenáramú tápellátás esetén. Az IF ebben az esetben a következő képlettel fejezhető ki: IF=(VCC – VF) / R VCC : Tápfeszültség VF : LED előremenő feszültsége IF : A LED PHO világítási áramkörébe DC előremenő áram
(balról jobbra) 3-1.1 ábra – DC meghajtó egység 3-1.2 ábra – Állandó áramú meghajtó áramkör 3-1.3 ábra – Több LED meghajtó áramkör
A 3-1.2. ábrán egy tranzisztoros LED VF-változatait lefedő áramkör látható. Az IF ebben az áramkörben a következő képlettel fejezhető ki: IF=(VB – VBE) / R3 VB : Alapfeszültség VBE : Bázis-emitter feszültség R3 : Emitter ellenállás Továbbá, megfelelő beállítással csökkenthető a kimenet hőmérséklet-függősége VBE és VB ebben az áramkörben. Ha a kimenő teljesítmény nem elegendő, vagy a fényvevő készülék túl távol van, lehetséges az áramkört soros vagy párhuzamos csatlakozással kiegészíteni a 3-1.3. ábrán látható módon. Ebben az esetben az IF=(VCC – nVF) / R (soros csatlakozás) IF=(VCC – VF) / R (párhuzamos csatlakozás) AC Driving A 3-1.4. ábrán látható a közel félhullámú váltakozó áramú világítás alapáramkörei. . Általában két vezetési mód létezik. Mindkettő védődiódával védi a LED-et a fordított feszültségtől. Az (a)-ban ez a védődióda fordított feszültségű, amely megfelel a VCC tápfeszültségnek, és a (b)-ben a védődióda fordított feszültségének körülbelül kétszerese az infravörös LED előremenő feszültségének.
A fenti áramkörben a névleges feszültségnek megfelelő állandó R értéket használunk a VCC tápfeszültségnek megfelelően. Továbbá az R úgy van kiválasztva, hogy egy infravörös LED előremenő áramának IF névleges értékére korlátozódjon azon a ponton, ahol a tápfeszültség, a VCC, maximális lesz.
3-1.4 ábra – AC meghajtó áramkör
Impulzusvezérlés Számos előny érhető el, ha az optikai jelet impulzusmodulált fényre változtatjuk. A következőket veszik figyelembe: Ha egy impulzusmodulált jel terhelési aránya kicsi, a fénykibocsátó eszköz pillanatnyi fénykibocsátása nő, az optikai jel megkülönböztethető a környezeti fénytől, és biztosított az S/N arány javítása. Ha akkumulátort használnak áramforrásként, az eszköz energiafogyasztása csökkenthető, és ezáltal az akkumulátor élettartama meghosszabbodik. Lehetővé válik az RC csatolás a következő fokozattal a fényfogadó szakaszban, és elkerülhetőek a hőmérséklet-emelkedésből adódó sötétáram-növekedés hatásai. Ezt az impulzusmeghajtó rendszert TTL vagy C-MOS és Tr stb. kombinációval tervezték. A 3-1.5. ábrán látható áramkörben figyelni kell egy TTL vagy C-MOS eszköz IOL elektromos jellemzőire. mivel túl nagy áramok nem alkalmazhatók az IF< kielégítésére; IOL. Nagyobb áram alkalmazásához nagy kimeneti áramkapacitású puffer IC-t kell használni a 3-1.6. ábrán látható módon, vagy kívülről tranzisztort kell beépíteni. A TTL, a C-MOS és a puffer IC IOL és VOL jellemzői referenciaként láthatók.
3-1.5 ábra
Fototranzisztorok alkalmazási áramkörei Alapáramkör A fototranzisztorok alapáramkörét a 3-2.1 ábra mutatja be. Ha az RL túl nagy, a fototranzisztort csak sötét árammal lehet BE kapcsolni magas hőmérsékleten. Például, ha a TPS601A fotótranzisztort Ta=100°C-on üzemeltetik, a sötétáram körülbelül 100 μA-re válhat. Ha az RL 50 kW-ra van állítva VCC=5 V mellett, a TPS601A teljesen BE állapotba kerül a sötétáram növekedése miatt.
3-2.1 ábra – A fototranzisztor alapáramköre
Fénytranzisztor előfeszített áramköre alapkivezetéssel Az RBE bázis-kibocsátó ellenállás hatása a sötétáramra, valamint a fényáramra a 3-2.2 (a) és (b) ábrán látható. Normál esetben a fototranzisztor sötét árama normál hőmérsékleten akár több nA is lehet, és a sötétáram tovább csökkenthető, ha RBE ellenállást helyezünk a bázis és az emitter közé, hogy megkerülje a szivárgási áramot a kollektor és a bázis csatlakozási pontja között. Ha az RBE túl kicsire van állítva, a fototranzisztor látszólagos hFE-je csökken, és a szükséges IL fényáram nem érhető el, ezért az 1 MW-nál nagyobb RBE megfelelő.
3-2.2 (a) ábra – Sötétáram csökkenése RBE által / 3-2.2 (b) ábra – A fényáram változása RBE által
Ezen túlmenően az alapkapocs segítségével a fototranzisztor működési pontja megfelelő szintre állítható. A megvilágítás-fényáram-jellemzők linearitása ebben az esetben jelentősen javult ahhoz az esethez képest, amikor az alap előfeszítő áram nulla. Ezen kívül létezik a 3-2.4. ábrán bemutatott légtelenítő típusú torzítási módszer, amely kísérletileg javítja a termikus stabilitást az egyenáramú működési ponton, 2 ~ 10 MW tekinthető megfelelőnek az RB értékéhez. Ez azt jelenti, hogy a fotodióda szinte teljes IL fényáramát a kollektor és a bázis csatlakozási pontjainál a fototranzisztor alapjára kell alkalmazni az impedancia növelésével a bázison.
3-2.4 (b) ábra – Légtelenítő típusú torzítási módszer
Hőmérséklet-kiegyenlítő áramkör A fototranzisztor IL fényáramának és Id sötétáramának pozitív hőmérsékleti együtthatója van. Különösen a sötétáram növekszik exponenciálisan, amint az az egyes műszaki adatlapokon látható. Ezért a stabil működés eléréséhez 50-60°C környezeti hőmérsékleten szükség van a fototranzisztor sötétáramának és fotoelektromos áramának hőmérséklet-kompenzációjára. A 3-2.5 ábrán látható áramkör negatív hőmérsékleti együtthatót használ, amelyet egy dióda VF előremenő feszültsége tart meg. Ha alapkivezetés nélküli fototranzisztort használunk, a kimeneti feszültség kompenzálására a fototranzisztor terhelési ellenállásának csökkentése lenne a 3-2.6. ábrán látható termisztor használatával.
3-2.5 ábra – Hőmérséklet-kompenzációs áramkör ellenállásdiódával
3-2.6 ábra – Hőmérséklet-kompenzációs áramkör termiszterrel
A 3-2.7 (a) ábrán látható erősítő alapáramkör egy NPN tranzisztort használó Darlington-csatlakozás, a 3-2.7 (b) ábra pedig egy PNP-tranzisztort használó Darlington-csatlakozás. Mindkét áramkörben a fényáram hFE-szerekkel nő, és az IC kimeneti áram hFE lesz. IL
3-2.7 ábra – Erősítő áramkör fotótranzisztorhoz
A 3-2.8. ábra műveleti erősítővel történő erősítést használó alapáramkörök példáit mutatja be.
3-2.8 ábra – Erősítő áramkör működési termisztorral
A kapcsolási sebesség javítása Ha a feszültségerősítést a terhelési impedancia növelésével növeljük, mivel a fototranzisztor fényárama kicsi, akkor a kapcsolási sebesség karakterisztikája fordított hatásként feláldozható. Megoldásként léteznek módszerek a terhelés nagyságától viszonylag független kapcsolási sebesség-jellemzők előállítására az impedancia átalakításával PNP tranzisztor alapú áramkörökön (3-2.9 (a) ábra) vagy NPN tranzisztor kaszkádcsatlakozásán keresztül (3. ábra). 2.9 (b)). A vizsgálati módszerek nagy sebességű impulzusmodulált fényérzékelő áramkörre alkalmazhatók fotoelektromos kapcsolóhoz/nagy sebességű szalagolvasóhoz.
3-2.9 ábra – Példák a frekvenciakarakterisztika javítására
Analog Usage Photo tranzisztorok nagyobb érzékenységet biztosítanak, mint a fotodiódák, mivel belső erősítő funkcióval vannak felszerelve; az érzékenység azonban jelentősen ingadozik az amplifikációs faktorok különbségétől függően. Ezért vagy változtatható ellenállást kell használni az érzékenység korrigálásához, vagy olyan terméket kell vásárolni, amely előre kiválasztott egy adott érzékenységi besorolásra.
3-2.14 ábra
A 3-2.14 (a) ábrán egy tranzisztoros erősítő áramát szabályozó áramkör látható. A fototranzisztor kollektorárama vezérli a következő fokozatú tranzisztor alapját, amelynek emittere földelt. A fototranzisztor érzékenységének ingadozását az emitter áramkörében lévő RE visszacsatoló ellenállás szabályozza. A 3-2.14 (b) ábrán egy tranzisztoros erősítő feszültségét szabályozó áramkör látható. A fototranzisztor kollektorárama feszültséget generál az utóbbi fokozat tranzisztorának változó ellenállással történő vezérléséhez. A tranzisztor egy követő, és az egyes fototranzisztorok közötti ingadozásokat egy RA változó ellenállás korrigálja. Ezért a fototranzisztor kapcsolási idejét az RA megváltoztatja. A fotodiódák alkalmazási áramkörei Az infravörös LED-ekkel kombinálva a fotodiódákat kétféleképpen használják; digitálisan a fény és analóg módon a fény mennyiségének kimutatására. Digitális használat Mivel a válaszsebesség gyors, a fotodiódák alkalmasak nagy sebességű kapcsolásra. Másrészt azonban, mivel a fényáram kicsi, nagy bemeneti impedanciájú FET-et kell használni, amint az a 3-3.1 (a) ábrán látható, vagy a 3-3.1. ábrán látható nagy erősítésű áramkört. b). Az erősítés növelésére műveleti erősítőt használnak. Ha nagy sebességű válaszreakcióra van szükség, ki kell választani egy erősítőt a megfelelő nagy sebességű alkalmazásokhoz.
3-3.1 ábra – Phoro dióda erősítő áramköre (digitális használat)
Analóg használat A fotodiódák megvilágítási és fotoelektromos áramának jellemzői közelebb állnak a lineárishoz, mint a fototranzisztoréké, és a fotodiódákról elmondható, hogy analóg alkalmazásokban könnyen használható termék. Az ilyen típusú felhasználáshoz létezik lineáris erősítés és logaritmikus erősítés.
3-3.2 ábra – Fotodióda erősítő áramkörei (analóg használat)
Fényvisszaverő típusú fotóérzékelők alkalmazási áramkörei A fényvisszaverő típusú fotóérzékelő két típusban kapható; fókusz típus és nem fókusz típus. A megfelelő típust az alkalmazás alapján kell kiválasztani. Amint az az 1-1. ábrán látható megfelelő alapvető detektálási pozíció jellemzőkből látható. A 3-5.1 és 3-5.2 ábrákon látható, hogy a fekete-fehér határfelület helyzetérzékelési jellemzője a fókusz típusra élesebb, mint a nem fókuszú típusé. Ezért a vonalkód-felismerési alkalmazásoknál a fókusztípus jobb, mint a nem élességállítás típusa. A kisméretű, nem fókuszáló típus azonban hatékony az objektumok észlelésére.
3-5.1 ábra – Példa a nem fókusz típusú érzékelési helyzetjellemzőre
3-5. ábra – Reflexiós típusú fotóérzékelő alapvető érzékelő áramkör
Mivel a reflexiós típusú fotóérzékelőnek digitálisan ki kell adnia egy észlelt tárgy meglétét, egy komparátor áramkört kell csatlakoztatni a reflexiós típusú fotóérzékelő következő kimeneti fokozatához, amint az a 3.5-4. ábrán látható.
3-5.4 ábra Reflexiós típusú fotóérzékelő és komparátor csatlakozó áramköre
A reflexiós típusú fotóérzékelő alkalmazási tervezése nehezebb, mint az átviteli típusú fotóérzékelőé, mivel:
A visszaverő anyagok reflexiós tényezői különböznek egymástól
A fényvisszaverő anyagok távolsága könnyen szabályozható
Mind a fénykibocsátó, mind a érzékelő felületek egy síkban vannak, és érzékenyek a külső fény hatására, és a szivárgási áram nő.
Ezért elmondható, hogy lehetőség szerint jobb egy átviteli típusú fotóérzékelőt tervezni.
