Werkingsprincipe van optische sensoren Het basiscircuit van een optische sensor wordt getoond in figuur 2-2.1(a). De anode van de LED is via weerstand RE verbonden met de voedingslijn VCC en de kathode is geaard. Voorwaartse stroom IF stroomt door de LED en straalt infrarood licht uit dat niet zichtbaar is voor het oog. De collector van een fototransistor is via weerstand RL verbonden met de voedingslijn VCC en de emitter is geaard. Verder moet de collector worden aangesloten op de ingangsklem van een comparator of IC van de volgende trap. Lichtgevende en detecterende apparaten zijn gerangschikt zoals weergegeven in figuur 2-2.1(b). Wanneer een lichtscheidingsplaat, dat wil zeggen een te detecteren doel, tussen de emitter en de detector komt, schakelt de fototransistor uit en stijgt de potentiaal op de collector. Aan de andere kant, wanneer deze wordt verwijderd, wordt de transistor ingeschakeld en daalt de collectorpotentiaal. Met andere woorden, het bestaan van een stof wordt gedetecteerd en omgezet in een elektrisch signaal zonder er contact mee te maken. Normaal gesproken wordt dit signaal ingevoerd in een volgende signaalverwerkingsschakeling van een volgende trap om verschillende perifere functies te besturen.
Figuur 2-2.1 – Werkingsprincipe van optische sensor
Ontwerpprocedures voor optische sensorcircuits Verkrijg eerst de waarden van RE en RL. In figuur 2-2.1(a), wanneer de voorwaartse spanningsval van een LED VF is, wordt de stroom IF die naar de LED vloeit gegeven door: (1) IF=(VCC-VF) / RE en het is noodzakelijk om te voldoen aan (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) Uit (1) en (2) wordt RE gegeven door de volgende formule: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Zoals kan worden te zien in figuur 2-2.2, hoe groter IF is, hoe meer optische output IE zal worden geproduceerd en daarom is het noodzakelijk om IF (MIN) te berekenen door rekening te houden met de fluctuatie van toelaatbaar verlies van IF en IE na het beslissen over RE. Juiste waarde van RL: verkrijg de bovenste grenswaarde van RL In figuur 2-2.1(b), wanneer een lichtscheidingsplaat zich binnenin bevindt, stroomt foto-elektrische stroom IL geproduceerd door lichtemissie van de LED niet naar een fototransistor maar lekfoto stroom IL' en donkerstroom, Id, vloeit alleen. Potentieel van de collector VOH op dit moment is: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Er wordt echter aangenomen dat de ingangs-/uitgangsstroom naar/van de volgende trap kan worden verwaarloosd.
Afbeelding 2-2.2
Aangezien Id snel toeneemt met de stijging van de omgevingstemperatuur, zoals weergegeven in figuur 2-1.5, ervan uitgaande dat de ingangsspanning op hoog niveau van de volgende trap VIH is, moet aan het volgende worden voldaan: VIH< voh="" bij="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" bepaal="" vervolgens="" de="" onderste="" grenswaarde="" van="" rl.="" als="" de="" lichtscheidingsplaat="" niet="" binnen="" is,="" wordt="" het="" licht="" opgevangen="" door="" de="" fototransistor="" en="" lichtstroom="" il="" en="" de="" bovengenoemde="" id="" +="" il'="" vloeien="" naar="" de="" fototransistor.="" normaal="" gesproken,="" tenzij:="" il="Id" +="" il'="" wordt="" het="" vanuit="" het="" gezichtspunt="" moeilijk="" om="" het="" bestaan="" van="" een="" lichtscheidingsplaat="" te="" onderscheiden="" van="" de="" s/n-verhouding="" is="" de="" collectorpotentiaal="" vol="" op="" dit="" moment="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" vil'="" moet="" worden="" voldaan="" aan="" (5)="" vil=""> VOL Aan formules (4) en (5) moet zelfs bij de onderste grenswaarde van IL worden voldaan. De onderste grenswaarde IL (MIN) is: IL (MIN )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
Figuur 2-1.5
Dt: CTR-degradatiefactor tijdens bedrijf (Fig. 2-1.7) DTa: CTR-temperatuurvariatie (Fig. 2-1.6) Dn: CTR-variatie door stof en vuil Uit formules (4) en (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + Id + IL') Hoe kleiner RL, hoe korter de schakeltijd wordt. HOE DE KOPPELINGSKENMERKEN VAN LICHTUITZENDENDE EN ONTVANGENDE APPARATEN TE VERKRIJGEN Hieronder worden de koppelingskenmerken van lichtuitstralende en detecterende apparaten berekend als het oorspronkelijke ontwerp om te zien of ze van toepassing zijn. Vervolgens wordt als tweede stap een methode gepresenteerd om de werkelijke werking enz. te controleren. Initiële ontwerp Koppelingskarakteristieken van representatief product worden getoond in figuren 2-4.1 ~ 2-4.3. Dergelijke karakteristieke diagrammen verschillen enigszins, afhankelijk van de combinatie van lichtemitterende en detecterende apparaten. In het algemeen geldt dat wanneer d> 1 cm of meer in de volgende rekenmethode, kunnen deze kenmerken ruwweg worden verkregen zonder ze afzonderlijk te onderzoeken.
(links)Figuur 2-4.1 – Koppelingskarakteristieken van TLN108 en TPS601A (rechts)Figuur 2-4.2 – Koppelingskarakteristieken van TLN105B en TPS703
Figuur 2-4.3 – Koppelingskarakteristieken van TLN107A en TPS608A
Lees eerst de stralingsintensiteit IE (MIN) van een lichtgevend apparaat en de lichtstroom IL (MIN) van een lichtdetectieapparaat volgens de voorwaarden in het gegevensblad. Aangezien de stralingsintensiteit IE (mW/sr) gelijk is aan de stralingsinval EO (mW/cm2) uitgestraald op een oppervlak van 1 cm2 op een afstand van 1 cm, wordt de verkrijgbare stralingsinval E (werkelijk) op een afstand d cm verkregen door de volgende formule: E (werkelijk) ~ IE/d2 (mW/cm2) Aannemende dat de stralingsinval van een lichtdetectieapparaat bij de lichtdetectiegevoeligheidscondities E is, wordt de lichtstroom IL (werkelijk) in de gekoppelde toestand als volgt verkregen: IL (werkelijk)=IL x(E (werkelijk) / E) Als de ontvangen lichtstroom erg klein is en het moeilijk is om het circuit van de laatste fase te ontwerpen, verhoog dan de DC-voorwaartse stroom IF van het lichtgevende apparaat of verhoog de stralingsintensiteit IE (mW/sr ) door puls voorwaartse stroom. Voer bijvoorbeeld een onderzoek uit onder de volgende omstandigheden: Emitter: IE(MIN)=1 mW/sr bij IF=20 mA Detector: IL(MIN)=20 μA bij E=0,1 mW/cm2, VCE=3V Afstand tussen emitter en Detector: d=1,5 cm E (werkelijk) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (werkelijk) (MIN) ~ (E (werkelijk) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 μA=88 μA Aangezien IL (actual)(MIN) 88 μA is, is het niet mogelijk om rechtstreeks TTL aan te sturen, maar kan een C-MOS IC worden aangesloten. Terwijl de belasting op een lichtontvangend apparaat wordt bepaald op basis van de voedingsspanning, hangt de schakelsnelheid sterk af van de belastingswaarde en is het noodzakelijk om deze van tevoren te controleren. Toepassingscircuits van fotosensoren Toepassingscircuits van infrarood-LED's Aangezien het uitgangsvermogen Po van een infraroodapparaat afhangt van de voorwaartse stroom van de LED, IF, kan de aan-uit-status van de uitgang worden geadresseerd door regeling van de voorwaartse stroom. Representatieve verlichtingsmethoden zoals DC-verlichting, enz. en voorzorgsmaatregelen voor ontwerp worden hier uitgelegd. Getoond in Fig. 3-1.1 is het basiscircuit voor verlichting wanneer gelijkstroom wordt gebruikt. IF wordt in dit geval uitgedrukt door de volgende formule: IF=(VCC – VF) / R VCC : Voedingsspanning VF : Voorwaartse spanning van LED IF : Voorwaartse stroom die vloeit naar LED PHO Verlichtingscircuit DC
(Links naar rechts) Afbeelding 3-1.1 – DC-aandrijfeenheid Afbeelding 3-1.2 – Constante stroom-aandrijfcircuit Afbeelding 3-1.3 – Multi-LED-aandrijfcircuit
Getoond in Fig. 3-1.2 is een circuit dat de variaties van VF van een LED met transistor dekt. IF in dit circuit wordt uitgedrukt door de volgende formule: IF=(VB – VBE) / R3 VB: basisspanning VBE: basis-naar-emitterspanning R3: emitterweerstand Verder is het mogelijk om de temperatuurafhankelijkheid van de uitgang te verminderen door de juiste instelling VBE en VB in dit circuit. Wanneer het uitgangsvermogen onvoldoende is of het lichtontvangende apparaat te ver weg is geplaatst, is het mogelijk om het circuit te voltooien via een serie- of parallelle verbinding zoals weergegeven in Fig. 3-1.3. In dit geval, IF=(VCC – nVF) / R (serieverbinding) IF=(VCC – VF) / R (parallelle verbinding) AC-aansturing Getoond in Fig. 3-1.4 zijn de basiscircuits voor bijna halfgolf AC-verlichting . Over het algemeen zijn er twee rijmethoden. Beiden gebruiken een beschermende diode om de LED te beschermen tegen sperspanning. In (a) is deze beschermende diode van het sperspanningstype dat overeenkomt met de voedingsspanning VCC, en in (b) moet de sperspanning van de beschermende diode ongeveer tweemaal de voorwaartse spanning van een infrarood-LED zijn.
In het bovenstaande circuit wordt een constante R gebruikt die geschikt is voor de nominale spanning volgens de voedingsspanning VCC. Verder is R zo gekozen dat deze beperkt is tot een nominale waarde van de voorwaartse stroom IF van een infrarood LED op een punt waar de voedingsspanning, VCC, maximaal wordt.
Afbeelding 3-1.4 – AC-aandrijfcircuit
Pulssturing Er zijn veel voordelen te behalen wanneer het optische signaal wordt gewijzigd in pulsgemoduleerd licht. Het volgende wordt overwogen: Wanneer de duty-ratio van een pulsgemoduleerd signaal klein is, neemt de onmiddellijke lichtopbrengst van een lichtemitterende inrichting toe, wordt het optische signaal onderscheiden van omgevingslicht en wordt een verbetering van de S/N-verhouding gegarandeerd. Wanneer een batterij als stroombron wordt gebruikt, kan het stroomverbruik van een apparaat worden verminderd en daardoor wordt de levensduur van de batterij verlengd. RC-koppeling met de volgende fase in het lichtontvangende gedeelte wordt mogelijk en de effecten van donkerstroomverhogingen als gevolg van een temperatuurstijging kunnen worden vermeden. Dit pulsaanstuursysteem is ontworpen in combinatie met TTL of C-MOS en Tr, enz. In het circuit dat wordt getoond in Fig. 3-1.5, is het noodzakelijk om aandacht te besteden aan de elektrische kenmerken van IOL van een TTL- of C-MOS-apparaat aangezien buitensporig grote stromen niet kunnen worden toegepast om te voldoen aan IF< iol.="" om="" een="" hogere="" stroom="" toe="" te="" passen,="" is="" het="" noodzakelijk="" om="" een="" buffer-ic="" te="" gebruiken="" met="" een="" hoge="" uitgangsstroomcapaciteit="" zoals="" weergegeven="" in="" fig.="" 3-1.6="" of="" om="" extern="" een="" transistor="" te="" installeren.="" iol-="" en="" vol-kenmerken="" van="" ttl,="" c-mos="" en="" buffer-ic="" worden="" ter="" referentie="">
Afbeelding 3-1,5
Toepassingsschakelingen van fototransistors Basisschakeling Een basisschakeling voor een fototransistor wordt getoond in Fig. 3-2.1 Belastingsweerstand RL wordt geselecteerd door rekening te houden met de donkerstroomtemperatuurkarakteristiek van de fototransistor. Als RL te groot is, kan een fototransistor alleen worden ingeschakeld door donkerstroom bij hoge temperatuur. Als de fototransistor TPS601A bijvoorbeeld wordt gebruikt bij Ta=100°C, kan de donkerstroom ongeveer 100 A worden. Wanneer RL is ingesteld op 50 kW bij VCC=5V, wordt de TPS601A volledig in de AAN-stand gezet door de toename van de donkerstroom.
Figuur 3-2.1 - Basisschakeling van fototransistor
Biascircuit van fototransistor met basisterminal De effecten van een basis-naar-emitterweerstand RBE op zowel donkerstroom als lichtstroom worden getoond in Fig. 3-2.2 (a) en (b). Normaal gesproken is de donkerstroom van een fototransistor zo klein als enkele nA bij normale temperatuur en het is mogelijk om de donkerstroom verder te verminderen door een weerstand RBE tussen de basis en de emitter te plaatsen om lekstroom door de collector naar het basisknooppunt te omzeilen. Als RBE extreem klein wordt gemaakt, wordt de schijnbare hFE van een fototransistor verminderd en kan de vereiste lichtstroom IL niet worden verkregen, daarom is een RBE van meer dan 1 MW geschikt.
Figuur 3-2.2 (a) – Afname van donkerstroom door RBE / Figuur 3-2.2 (b) – Verandering van lichtstroom door RBE
Verder is het mogelijk om het werkpunt van een fototransistor op een juist niveau in te stellen door gebruik te maken van de basisklem. De lineariteit van de karakteristieken van de verlichtingsstroomstroom is in dit geval aanzienlijk verbeterd in vergelijking met het geval waarin de basisvoorspanningsstroom nul is. Bovendien is er een bias-methode van het bleeder-type weergegeven in figuur 3-2.4, die de thermische stabiliteit op het DC-werkpunt experimenteel verbetert, 2 ~ 10 MW wordt als geschikt beschouwd voor een waarde van RB. Dit is om bijna alle lichtstroom IL van een fotodiode op de collector- en basisknooppunten toe te passen op de basis van een fototransistor door de impedantie aan de basis te verhogen.
Afbeelding 3-2.4 (b) – biasmethode van het type Bleeder
Temperatuurcompensatiecircuit De lichtstroom IL en donkerstroom Id van een fototransistor hebben een positieve temperatuurcoëfficiënt. In het bijzonder neemt de donkerstroom exponentieel toe, zoals blijkt uit de afzonderlijke technische gegevensbladen. Om een stabiele werking bij omgevingstemperaturen van 50 ~ 60°C te verkrijgen, wordt daarom temperatuurcompensatie voor donkerstroom en foto-elektrische stroom van een fototransistor noodzakelijk. Het circuit dat wordt getoond in figuur 3-2.5, gebruikt een negatieve temperatuurcoëfficiënt die wordt vastgehouden door de voorwaartse spanning VF van een diode. Wanneer een fototransistor zonder basisklem wordt gebruikt, zou een methode om de uitgangsspanning te compenseren het verminderen van de belastingsweerstand van de fototransistor zijn door een thermistor te gebruiken, zoals weergegeven in Fig. 3-2.6.
Afbeelding 3-2.5 - Temperatuurcompensatiecircuit met weerstandsdiode
Afbeelding 3-2.6 – Temperatuurcompensatiecircuit met thermister
Basisversterkerschakeling Getoond in Fig. 3-2.7 (a) is een Darlington-verbinding met behulp van een NPN-transistor en Fig. 3-2.7 (b) is een Darlington-verbinding met behulp van een PNP-transistor. In beide circuits wordt de lichtstroom verhoogd met hFE-tijden en wordt uitgangsstroom IC hFE. IL
Figuur 3-2.7 - Versterkercircuit voor fototransistor
Fig. 3-2.8 toont voorbeelden van basiscircuits die versterking gebruiken door een operationele versterker.
Afbeelding 3-2.8 - Versterkercircuit met operationele thermister
Verbetering van de schakelsnelheid Wanneer de spanningsversterking wordt verhoogd door de belastingsimpedantie te verhogen, aangezien de lichtstroom van een fototransistor klein is, kan de schakelsnelheidskarakteristiek worden opgeofferd als een omgekeerd effect. Als remedie zijn er methoden om schakelsnelheidskarakteristieken te verkrijgen die relatief onafhankelijk zijn van de grootte van de belasting door impedantie om te zetten via op PNP-transistor gebaseerde circuits (Fig. 3-2.9 (a)) of cascadeverbinding van NPN-transistor (Fig 3- 2.9 (b)). Testmethoden zijn toepasbaar op een hogesnelheidspulsgemoduleerd lichtdetectiecircuit voor een foto-elektrische schakelaar/hogesnelheidsbandlezer.
Figuur 3-2.9 – Voorbeelden van verbetering van frequentiekarakteristieken
Analoog gebruik Fototransistors bieden een hogere gevoeligheid dan fotodiodes omdat ze intern zijn uitgerust met een versterkingsfunctie; de gevoeligheid fluctueert echter aanzienlijk, afhankelijk van het verschil in versterkingsfactoren. Daarom is het noodzakelijk om ofwel een variabele weerstand te gebruiken om de gevoeligheid te corrigeren of een product aan te schaffen dat vooraf is geselecteerd voor een specifieke gevoeligheidsclassificatie.
Afbeelding 3-2.14
Getoond in Fig. 3-2.14 (a) is een circuit dat de stroom van een transistorversterker regelt. De collectorstroom van een fototransistor regelt de basis van de volgende traptransistor waarvan de emitter is geaard. Fluctuatie in de gevoeligheid van de fototransistor wordt geregeld door feedbackweerstand RE in het emittercircuit. Getoond in figuur 3-2.14 (b) is een circuit dat de spanning van een transistorversterker regelt. De collectorstroom van een fototransistor genereert een spanning voor het besturen van een transistor in een latere fase door middel van een variabele weerstand. Een transistor is een volger en fluctuaties tussen individuele fototransistoren worden gecorrigeerd door een variabele weerstand RA. Daarom wordt de schakeltijd van de fototransistor gewijzigd door RA. Toepassingsschakelingen van fotodiodes In combinatie met infrarood-LED's worden fotodiodes op twee manieren gebruikt; digitaal om het bestaan van licht te detecteren en analoog om de hoeveelheid licht te detecteren. Digitaal gebruik Omdat de reactiesnelheid hoog is, zijn fotodiodes geschikt voor snel schakelen. Aan de andere kant, aangezien de lichtstroom klein is, is het noodzakelijk om een FET te gebruiken met een hoge ingangsimpedantie zoals getoond in Fig. 3-3.1 (a) of een circuit met hoge versterking zoals getoond in Fig. 3-3.1 ( B). Om de versterking te verhogen, wordt een operationele versterker gebruikt. Wanneer een snelle respons vereist is, is het noodzakelijk om een versterker te selecteren voor geschikte hogesnelheidstoepassingen.
Figuur 3-3.1 - Versterkercircuit van phoro-diode (digitaal gebruik)
Analoog gebruik De karakteristieken van de verlichtingssterkte en foto-elektrische stroom van fotodiodes zijn meer lineair dan die van fototransistors en van fotodiodes kan worden gezegd dat het een product is dat gemakkelijk in analoge toepassingen kan worden gebruikt. Voor dit type gebruik is er lineaire versterking en logaritmische versterking.
Figuur 3-3.2 - Versterkercircuits van fotodiode (analoog gebruik)
Toepassingscircuits van fotosensoren van het reflecterende type De fotosensor van het reflecterende type is verkrijgbaar in twee typen; focustype en niet-focustype. Het juiste type moet worden geselecteerd op basis van de toepassing. Zoals kan worden gezien aan de hand van de respectieve basiskenmerken van de detectiepositie getoond in Fig. 3-5.1 en 3-5.2 is de detectiekarakteristiek van de zwart-witte grensoppervlakpositie van het focustype scherper dan die van het type zonder focus. Daarom is het focustype superieur aan het niet-focustype voor toepassingen voor streepjescodedetectie. Het kleine niet-focustype is echter effectief voor de detectie van objecten.
Afbeelding 3-5.1 – Voorbeeld van detectiepositiekarakteristiek zonder focus
Afbeelding 3-5 - Basisdetectiecircuit voor fotosensor van het reflectietype
Aangezien het voor het reflectietype fotosensor noodzakelijk is om het bestaan van een gedetecteerd object digitaal uit te voeren, is een comparatorcircuit aangesloten op de volgende uitgangstrap van de reflectietype fotosensor, zoals weergegeven in figuur 3.5-4.
Afbeelding 3-5.4 Aansluitcircuit van fotosensor van het reflectietype met comparator
Toepassingsontwerp van de fotosensor van het reflectietype is moeilijker dan de fotosensor van het transmissietype omdat:
Reflectiefactoren van reflecterende stoffen verschillen van elkaar
Afstanden van reflecterende stoffen zijn gemakkelijk te controleren
Zowel lichtemitterende als detecterende oppervlakken bevinden zich op hetzelfde vlak en zijn gevoelig voor de effecten van extern licht, en de lekstroom neemt toe.
Daarom kan worden gezegd dat het beter is om indien mogelijk een fotosensor van het transmissietype te ontwerpen.
