Princip rada optičkih senzora Osnovni krug optičkog senzora prikazan je na slici 2-2.1(a). Anoda LED je spojena na strujni vod VCC preko otpornika RE i katoda je uzemljena. Prednja struja IF teče kroz LED i emitira infracrveno svjetlo koje nije vidljivo oku. Kolektor fototranzistora je preko otpornika RL spojen na strujni vod VCC i emiter je uzemljen. Nadalje, kolektor treba spojiti na ulazni terminal komparatora ili IC sljedećeg stupnja. Uređaji za emitiranje i detekciju svjetlosti raspoređeni su kako je prikazano na slici 2-2.1(b). Kada se svjetlosna granična ploča, odnosno cilj koji treba detektirati, dođe između emitera i detektora, foto tranzistor se isključuje i potencijal na kolektoru raste. S druge strane, kada se ukloni tranzistor se uključuje i potencijal kolektora pada. Drugim riječima, postojanje tvari se detektira i pretvara u električni signal bez kontakta s njom. Obično se ovaj signal ulazi u sljedeći krug za obradu signala sljedeće faze za kontrolu različitih perifernih funkcija.
Slika 2-2.1 – Princip rada optičkog senzora
Postupci projektiranja za krugove optičkih senzora Najprije dobijte vrijednosti RE i RL. Na slici 2-2.1(a), kada je pad napona LED diode prema naprijed VF, struja IF koja teče do LED diode je dana sa: (1) IF=(VCC-VF) / RE i potrebno je zadovoljiti (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) Iz (1) i (2), RE je dan sljedećom formulom: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Kako se može vidi se na slici 2-2.2, što je veći IF, to će se proizvesti više optičkog izlaznog IE i stoga je potrebno izračunati IF (MIN) uzimajući u obzir fluktuaciju dopuštenog gubitka IF i IE nakon odlučivanja o RE. Ispravna vrijednost RL: Dobijte gornju graničnu vrijednost RL Na slici 2-2.1(b), kada je ploča za odsječenje svjetla unutra, foto električna struja IL proizvedena emisijom svjetlosti iz LED ne teče do foto tranzistora, već fotografije curenja struja IL' i tamna struja, Id, samo teče. Potencijal kolektora VOH u ovom trenutku je: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Međutim, pretpostavlja se da se ulazna/izlazna struja u/iz sljedećeg stupnja može zanemariti.
Slika 2-2.2
Budući da se Id brzo povećava s porastom temperature okoline kao što je prikazano na slici 2-1.5, uz pretpostavku da je ulazni napon visoke razine sljedeće faze VIH, potrebno je zadovoljiti sljedeće: VIH< voh="" na="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" zatim,="" dobijte="" donju="" graničnu="" vrijednost="" rl.="" kada="" ploča="" za="" odsječenje="" svjetlosti="" nije="" unutra,="" svjetlo="" prima="" foto="" tranzistor="" i="" svjetlosna="" struja="" il="" i="" gore="" spomenuti="" id="" +="" il'="" teku="" do="" foto="" tranzistora.="" normalno,="" osim="" ako:="" il="Id" +="" il'="" postaje="" teško="" razlikovati="" postojanje="" svjetlosne="" granične="" ploče="" s="" gledišta="" omjera="" s/n,="" potencijal="" kolektora="" vol="" u="" ovom="" trenutku="" je="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" pod="" pretpostavkom="" da="" je="" ulazni="" napon="" niske="" razine="" za="" sljedeću="" fazu="" vil'="" potrebno="" je="" zadovoljiti="" (5)="" vil=""> VOL Formule (4) i (5) moraju biti zadovoljene i pri donjoj graničnoj vrijednosti IL. Donja granična vrijednost IL (MIN) je: IL (MIN )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
Slika 2-1.5
Dt: faktor degradacije CTR-a tijekom rada (slika 2-1.7) DTa: varijacija temperature CTR-a (slika 2-1.6) Dn: varijacija CTR-a zbog prašine i prljavštine Iz formula (4) i (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + Id + IL') Što je RL manji, vrijeme prebacivanja će biti kraće. KAKO DOBITI SPOJNE KARAKTERISTIKE UREĐAJA ZA ODJELJAVANJE I PRIMANJE SVJETLOSTI U nastavku su karakteristike spajanja uređaja za emitiranje i detekciju svjetlosti izračunate kao početni dizajn kako bi se utvrdilo jesu li primjenjive. Zatim se kao drugi korak prikazuje metoda za provjeru stvarnog rada itd. Početne karakteristike spajanja reprezentativnog proizvoda prikazane su na slikama 2-4.1 ~ 2-4.3. Takvi karakteristični dijagrami ponešto se razlikuju ovisno o kombinaciji uređaja za emitiranje svjetlosti i uređaja za detekciju. Općenito, kada je d> 1 cm ili više u sljedećoj metodi izračuna, ove karakteristike se mogu dobiti otprilike bez njihovog pojedinačnog istraživanja.
(lijevo)Slika 2-4.1 – Karakteristike spajanja TLN108 i TPS601A (desno)Slika 2-4.2 – Karakteristike spajanja TLN105B i TPS703
Slika 2-4.3 – Karakteristike spajanja TLN107A i TPS608A
Najprije očitajte intenzitet zračenja IE (MIN) uređaja koji emitira svjetlo i svjetlosnu struju IL (MIN) uređaja za detekciju svjetlosti prema uvjetima prikazanim u podatkovnoj tablici. Kako je intenzitet zračenja IE (mW/sr) ekvivalentan incidenciji zračenja EO (mW/cm2) koji se zrači na površini od 1 cm2 na udaljenosti 1 cm, dobiveni upad zračenja E (stvarni) na udaljenosti d cm dobiva se sljedećom formulom: E (stvarno) ~ IE/d2 (mW/cm2) Uz pretpostavku da je incidencija zračenja uređaja za detekciju svjetlosti u uvjetima osjetljivosti detekcije svjetlosti E svjetlosna struja IL (stvarno) u spojenom stanju dobiva se kako slijedi: IL (stvarno)=IL x(E (stvarno) / E) Kada je primljena svjetlosna struja vrlo mala i teško je dizajnirati krug posljednje faze, povećajte istosmjernu struju naprijed IF uređaja za emitiranje svjetlosti ili povećajte intenzitet zračenja IE (mW/sr ) impulsnom strujom naprijed. Kao primjer napravite ispitivanje pod sljedećim uvjetima: Emiter: IE(MIN)=1 mW/sr pri IF=20 mA Detektor: IL(MIN)=20 μA pri E=0,1 mW/cm2, VCE=3V Udaljenost između emitera i detektor: d=1,5 cm E (stvarni) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (stvarni) (MIN) ~ (E (stvarni) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 μA=88 μA Kako je IL (stvarni)(MIN) 88 μA, nije moguće izravno pokretati TTL, ali se može spojiti C-MOS IC. Zatim, dok se opterećenje svjetlosnog uređaja određuje prema naponu napajanja, njegova brzina uključivanja jako ovisi o vrijednosti opterećenja i potrebno ju je unaprijed provjeriti. Primjenski krugovi fotosenzora Primjenski krugovi infracrvenih LED dioda Budući da izlazna snaga Po infracrvenog uređaja ovisi o prednjoj struji LED-a, IF, status uključeno-isključeno izlaza može se adresirati kroz kontrolu naprijed struje. Ovdje su objašnjene reprezentativne metode osvjetljenja kao što je istosmjerna rasvjeta itd. i mjere opreza za dizajn. Prikazan na slici 3-1.1 je osnovni krug za rasvjetu kada se koristi istosmjerna struja. IF se u ovom slučaju izražava sljedećom formulom: IF=(VCC – VF) / R VCC : Napon napajanja VF : Napon LED IF : Prednja struja koja teče do LED PHO rasvjetnog kruga DC
(Slijeva na desno) Slika 3-1.1 – DC pogonska jedinica Slika 3-1.2 – Pogonski krug konstantne struje Slika 3-1.3 – Pogonski krug s više LED dioda
Na slici 3-1.2 prikazan je krug koji pokriva varijacije VF diode s tranzistorom. IF u ovom krugu izražava se sljedećom formulom: IF=(VB – VBE) / R3 VB : Osnovni napon VBE : Napon baze prema emiteru R3 : Otpor emitera Nadalje, moguće je smanjiti temperaturnu ovisnost izlaza pravilnim podešavanjem VBE i VB u ovom krugu. Kada je izlazna snaga nedovoljna ili je uređaj za prijam svjetlosti lociran predaleko, moguće je sklopiti krug kroz serijsku ili paralelnu vezu kao što je prikazano na slici 3-1.3. U ovom slučaju, IF=(VCC – nVF) / R (serijska veza) IF=(VCC – VF) / R (paralelna veza) AC Vožnja Prikazani na slici 3-1.4 su osnovni krugovi za gotovo poluvalnu izmjeničnu rasvjetu . Općenito, postoje dvije metode vožnje. Oba koriste zaštitnu diodu za zaštitu LED od obrnutog napona. U (a), ova zaštitna dioda je tipa obrnutog napona koji odgovara naponu napajanja VCC, a u (b), obrnuti napon zaštitne diode trebao bi biti oko dva puta veći od napona naprijed od infracrvene LED diode.
U gornjem krugu se koristi konstanta R koja odgovara nazivnom naponu prema naponu napajanja VCC. Nadalje, R je odabran tako da je ograničen na nazivnu vrijednost struje naprijed IF infracrvene LED u točki gdje napon napajanja, VCC, postaje maksimalan.
Slika 3-1.4 – AC pogonski krug
Pulsna vožnja Mnoge prednosti se mogu postići kada se optički signal promijeni u impulsno modulirano svjetlo. Uzima se u obzir sljedeće: Kada je omjer rada impulsno moduliranog signala mali, trenutni izlaz svjetla uređaja koji emitira svjetlo se povećava, optički signal se razlikuje od ambijentalnog svjetla i osigurava se poboljšanje omjera S/N. Kada se baterija koristi kao izvor napajanja, potrošnja energije uređaja može se smanjiti i stoga se produljuje vijek trajanja baterije. RC spajanje sa sljedećim stupnjem u sekciji za primanje svjetla postaje moguće i mogu se izbjeći učinci povećanja tamne struje kao rezultat porasta temperature. Ovaj sustav za pokretanje impulsa dizajniran je u kombinaciji s TTL ili C-MOS i Tr itd. U krugu prikazanom na slici 3-1.5 potrebno je obratiti pozornost na električne karakteristike IOL-a TTL ili C-MOS uređaja budući da se pretjerano velike struje ne mogu primijeniti da bi se zadovoljilo IF< iol.="" za="" primjenu="" veće="" struje="" potrebno="" je="" koristiti="" međuspremnik="" ic="" s="" velikim="" kapacitetom="" izlazne="" struje="" kao="" što="" je="" prikazano="" na="" slici="" 3-1.6="" ili="" eksterno="" ugraditi="" tranzistor.="" iol="" i="" vol="" karakteristike="" ttl,="" c-mos="" i="" pufera="" ic="" prikazane="" su="" za="">
Slika 3-1.5
Sklopovi primjene foto tranzistora Osnovni krug Osnovni krug za foto tranzistor prikazan je na slici 3-2.1 Otpor opterećenja RL se odabire uzimajući u obzir temperaturu tamne struje karakterističnu za foto tranzistor. Ako je RL prevelik, foto tranzistor se može uključiti samo tamnom strujom na visokoj temperaturi. Na primjer, kada foto tranzistor TPS601A radi na Ta=100°C, tamna struja može postati oko 100 μA. Kada je RL postavljen na 50 kW pri VCC=5V, TPS601A se potpuno pretvara u ON stanje povećanjem tamne struje.
Slika 3-2.1 – Osnovni sklop fototranzistora
Bias krug foto tranzistora s baznim terminalom Učinci otpornika baze i emitera RBE na tamnu struju kao i na svjetlosnu struju prikazani su na slici 3-2.2 (a) i (b). Normalno, tamna struja foto tranzistora je samo nekoliko nA pri normalnoj temperaturi i moguće je dodatno smanjiti tamnu struju umetanjem otpornika RBE između baze i emitera kako bi se zaobišla struja curenja kroz kolektor do spojne točke baze. Ako se RBE učini pretjerano malim, prividni hFE foto tranzistora se smanjuje i ne može se dobiti potrebna svjetlosna struja IL, stoga je prikladan RBE veći od 1 MW.
Slika 3-2.2 (a) – Smanjenje tamne struje RBE / Slika 3-2.2 (b) – Promjena struje svjetlosti RBE
Nadalje, moguće je postaviti radnu točku foto tranzistora na odgovarajuću razinu korištenjem terminala baze. Linearnost karakteristika struje osvjetljenja i svjetla u ovom slučaju je znatno poboljšana u usporedbi sa slučajem gdje je struja bazne prednapone nula. Osim toga, postoji metoda bleeder tipa pristranosti prikazana na slici 3-2.4, koja eksperimentalno poboljšava toplinsku stabilnost na radnoj točki istosmjerne struje, 2 ~ 10 MW se smatra ispravnim za vrijednost RB. Ovo je primjena gotovo svih svjetlosnih struja IL fotodiode na spojnim točkama kolektora i baze na bazu foto tranzistora podizanjem impedancije na bazi.
Slika 3-2.4 (b) – Bleederova metoda pristranosti
Krug za kompenzaciju temperature Struja svjetla IL i struja tame Id foto tranzistora imaju pozitivan temperaturni koeficijent. Konkretno, tamna struja raste eksponencijalno kao što je prikazano u pojedinačnim tehničkim listovima. Stoga, za postizanje stabilnog rada pri temperaturama okoline od 50 ~ 60°C, postaje neophodna temperaturna kompenzacija za tamnu struju i fotoelektričnu struju foto tranzistora. Krug prikazan na slici 3-2.5 koristi negativni temperaturni koeficijent koji je zadržan prednjim naponom VF diode. Kada se koristi foto tranzistor koji nema bazni terminal, metoda za kompenzaciju izlaznog napona bila bi smanjenje otpora opterećenja foto tranzistora korištenjem termistora kao što je prikazano na slici 3-2.6.
Slika 3-2.5 – Krug temperaturne kompenzacije pomoću otporne diode
Slika 3-2.6 – Krug temperaturne kompenzacije pomoću termistera
Sklop osnovnog pojačala prikazan na slici 3-2.7 (a) je Darlingtonova veza pomoću NPN tranzistora, a slika 3-2.7 (b) je Darlington veza pomoću PNP tranzistora. U oba kruga struja svjetlosti se povećava za hFE puta i izlazna struja IC postaje hFE. IL
Slika 3-2.7 – Krug pojačala za foto tranzistor
Slika 3-2.8 prikazuje primjere osnovnih sklopova koji koriste pojačanje operacijskim pojačalom.
Slika 3-2.8 – Krug pojačala s radnim termisterom
Poboljšanje brzine prebacivanja Kada se pojačanje napona poveća povećanjem impedancije opterećenja jer je svjetlosna struja fototranzistora mala, karakteristika brzine prebacivanja može se žrtvovati kao obrnuti učinak. Kao lijek, postoje metode za dobivanje karakteristika brzine prebacivanja koje su relativno neovisne o veličini opterećenja pretvaranjem impedancije kroz sklopove bazirane na PNP tranzistoru (slika 3-2.9 (a)) ili kaskadno povezivanje NPN tranzistora (slika 3- 2.9 (b)). Metode ispitivanja primjenjive su na brzobrzinski pulsno modulirani krug za detekciju svjetla za foto električni prekidač/čitač vrpce velike brzine.
Slika 3-2.9 – Primjeri poboljšanja frekvencijskih karakteristika
Analogna upotreba Foto tranzistori pružaju veću osjetljivost od foto dioda jer su interno opremljeni funkcijom pojačanja; međutim, osjetljivost značajno fluktuira ovisno o razlici u faktorima pojačanja. Stoga je potrebno ili koristiti promjenjivi otpornik za korekciju osjetljivosti ili kupiti proizvod koji je unaprijed odabran za određenu ocjenu osjetljivosti.
Slika 3-2.14
Na slici 3-2.14 (a) prikazan je krug koji kontrolira struju tranzistorskog pojačala. Struja kolektora foto tranzistora kontrolira bazu tranzistora sljedećeg stupnja čiji je emiter uzemljen. Fluktuacija osjetljivosti foto tranzistora kontrolira se povratnim otpornikom RE u krugu emitera. Na slici 3-2.14 (b) prikazan je krug koji kontrolira napon tranzistorskog pojačala. Struja kolektora foto tranzistora stvara napon za kontrolu tranzistora posljednje faze pomoću promjenjivog otpornika. Tranzistor je sljedbenik i fluktuacije između pojedinačnih foto tranzistora se korigiraju promjenjivim otpornikom RA. Stoga se vrijeme uključivanja foto tranzistora mijenja RA. Primjenski krugovi foto dioda U kombinaciji s infracrvenim LED diodama, foto diode se koriste na dva načina; digitalno za otkrivanje postojanja svjetlosti i analogno za detekciju količine svjetlosti. Digitalna uporaba Budući da je brzina odziva velika, foto diode su prikladne za brzo prebacivanje. S druge strane, međutim, budući da je svjetlosna struja mala, potrebno je koristiti FET s visokom ulaznom impedancijom kao što je prikazano na slici 3-3.1 (a) ili sklop s visokim pojačanjem kao što je prikazano na slici 3-3.1 ( b). Za podizanje pojačanja koristi se operacijsko pojačalo. Kada je potreban odziv velike brzine, potrebno je odabrati pojačalo za odgovarajuće aplikacije velike brzine.
Slika 3-3.1 – Pojačalački sklop phoro diode (digitalna upotreba)
Analogna upotreba Karakteristike osvjetljenja i fotoelektrične struje foto dioda su bliže linearnim od onih foto tranzistora i foto diode se može reći da su proizvod koji se lako koristi u analognim aplikacijama. Za ovu vrstu uporabe postoji linearno pojačanje i logaritamsko pojačanje.
Slika 3-3.2 – Sklopovi pojačala foto diode (analogna upotreba)
Krugovi primjene fotosenzora reflektirajućeg tipa Fotosenzor reflektirajućeg tipa dostupan je u dvije vrste; vrsta fokusa i vrsta nefokusa. Odgovarajuću vrstu treba odabrati na temelju aplikacije. Kao što se može vidjeti iz odgovarajućih osnovnih karakteristika položaja detekcije prikazanih na sl. 3-5.1 i 3-5.2, karakteristika detekcije položaja crne i bijele granične površine za tip fokusa oštrija je od one bez fokusa. Stoga je tip fokusa superiorniji od nefokusnog tipa za aplikacije detekcije crtičnog koda. Međutim, mali tip bez fokusa učinkovit je za detekciju objekata.
Slika 3-5.1 – Primjer karakteristike položaja detekcije tipa bez fokusa
Slika 3-5 – Osnovni krug detekcije fotosenzora tipa refleksije
Budući da je potrebno da fotosenzor tipa refleksije digitalno odašilje postojanje detektiranog objekta, na sljedećoj izlaznoj fazi fotosenzora refleksijskog tipa spojen je komparatorski krug kao što je prikazano na slici 3.5-4.
Slika 3-5.4 Priključni krug fotosenzora refleksijskog tipa s komparatorom
Dizajn primjene fotosenzora refleksivnog tipa teži je od fotosenzora tipa prijenosa jer:
Faktori refleksije reflektirajućih tvari međusobno se razlikuju
Udaljenosti reflektirajućih tvari lako se kontroliraju
I površine koje emitiraju i detektiraju svjetlost su u istoj ravnini i osjetljive su na učinke vanjske svjetlosti, a struja curenja se povećava.
Stoga se može reći da je bolje dizajnirati fotosenzor tipa prijenosa ako je moguće.
