Optiliste andurite tööpõhimõte Optilise anduri põhiahel on näidatud joonisel 2-2.1(a). LED-i anood on takisti RE kaudu ühendatud toiteliiniga VCC ja katood on maandatud. Edasivool IF voolab läbi LED-i ja kiirgab infrapunavalgust, mis pole silmaga nähtav. Fototransistori kollektor on takisti RL kaudu ühendatud toiteliiniga VCC ja emitter on maandatud. Lisaks tuleb kollektor ühendada järgmise etapi komparaatori või IC sisendklemmiga. Valgust kiirgavad ja tuvastusseadmed on paigutatud joonisel 2-2.1(b) näidatud viisil. Kui emitteri ja detektori vahele satub valguse katkestusplaat, see tähendab tuvastatav sihtmärk, lülitub fototransistor välja ja kollektori potentsiaal tõuseb. Teisest küljest lülitub transistor selle eemaldamisel sisse ja kollektori potentsiaal langeb. Teisisõnu, aine olemasolu tuvastatakse ja muundatakse elektriliseks signaaliks ilma sellega kokku puutumata. Tavaliselt sisestatakse see signaal erinevate välisseadmete funktsioonide juhtimiseks järgmise etapi signaalitöötlusahelasse.
Joonis 2-2.1 – Optilise anduri tööpõhimõte
Optiliste andurite vooluringide projekteerimisprotseduurid Esiteks hankige RE ja RL väärtused. Joonisel 2-2.1(a), kui LED-i päripinge langus on VF, on valgusdioodile voolav vool IF antud järgmiselt: (1) IF=(VCC-VF) / RE ja see on vajalik, et täita (2) ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) (1) ja (2) alusel saadakse RE järgmise valemiga: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Nagu võib joonisel 2-2.2 on näha, et mida suurem on IF, seda rohkem toodetakse optilist väljundit IE ja seetõttu on pärast RE otsustamist vaja arvutada IF (MIN), võttes arvesse IF ja IE lubatud kao kõikumist. RL-i õige väärtus: RL-i ülemise piirväärtuse saamine Joonisel 2-2.1(b), kui valguse väljalülitusplaat on sees, ei voola LED-i valguse emissiooni tekitatud fotoelektrivool IL mitte fototransistori, vaid lekkefoto. vool IL' ja tumevool, Id, ainult voolavad. Kollektori VOH potentsiaal sel hetkel on: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Siiski eeldatakse, et järgmisse astmesse suunduva/tuleva sisend-/väljundvoolu võib tähelepanuta jätta.
Joonis 2-2.2
Kuna Id kasvab kiiresti koos ümbritseva õhu temperatuuri tõusuga, nagu on näidatud joonisel 2-1.5, eeldades, et järgmise astme kõrge sisendpinge on VIH, on vaja rahuldada järgmist: VIH< voh="" at="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" seejärel="" saate="" rl-i="" alumine="" piirväärtus.="" kui="" valguse="" katkestusplaat="" pole="" sees,="" võtab="" valguse="" vastu="" fototransistor="" ja="" valgusvool="" il="" ja="" ülalmainitud="" id="" +="" il'="" voolavad="" fototransistorisse.="" tavaliselt,="" välja="" arvatud="" juhul,="" kui:="" il="Id" +="" il',="" on="" valguse="" katkestusplaadi="" olemasolu="" raske="" eristada.="" s/n="" suhtest="" on="" kollektori="" potentsiaal="" vol="" sel="" hetkel="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" eeldusel,="" et="" järgmise="" astme="" sisendpinge="" madal="" tase="" on="" vil'="" on="" vaja="" rahuldada="" (5)="" vil=""> VOL Valemid (4) ja (5) peavad olema täidetud ka IL alumise piirväärtuse korral. Alumine piirväärtus IL (MIN) on: IL (MIN) )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
Joonis 2-1.5
Dt: CTR-i lagunemistegur töö ajal (joonis 2-1.7) DTa: CTR-i temperatuuri kõikumine (joonis 2-1.6) Dn: CTR-i muutus tolmust ja mustusest Valemitest (4) ja (5), RL=(VCC – VIL) ) / (IL(MIN) + Id + IL') Mida väiksem on RL, seda lühemaks muutub lülitusaeg. KUIDAS SAADA VALGUST KIIRGAVATE JA VASTUVÕTTE SEADMETE ÜHENDUSE KARAKTERISTIKE. Järgnevalt arvutatakse valgust kiirgavate ja tuvastusseadmete ühendusomadused esialgse konstruktsioonina, et näha, kas need on rakendatavad. Seejärel esitatakse teise sammuna tegeliku toimimise jms kontrollimise meetod. Esialgne projekt Tüüpilise toote sidumisomadused on näidatud joonistel 2-4.1 ~ 2-4.3. Sellised iseloomulikud diagrammid on mõnevõrra erinevad sõltuvalt valgust kiirgavate ja tuvastavate seadmete kombinatsioonist. Üldiselt, kui d> 1 cm või rohkem järgmise arvutusmeetodi korral saab need omadused ligikaudselt saada ilma neid eraldi uurimata.
(vasakul)Joonis 2-4.1 – TLN108 ja TPS601A ühendusomadused (paremal)Joonis 2-4.2 – TLN105B ja TPS703 ühendusomadused
Joonis 2-4.3 – TLN107A ja TPS608A ühendusomadused
Esmalt lugege valgust kiirgava seadme kiirgusintensiivsust IE (MIN) ja valgustuvastusseadme valgusvoolu IL (MIN) vastavalt andmelehel näidatud tingimustele. Kuna kiirguse intensiivsus IE (mW/sr) on võrdne 1 cm2 suurusel alal 1 cm kaugusel kiiritatud kiirguse langemissagedusega EO (mW/cm2), saadakse saadav kiirguse langemine E (tegelik) kaugusel d cm järgmise valemiga: E (tegelik) ~ IE/d2 (mW/cm2) Eeldades, et valguse tuvastamise seadme kiirguse esinemissagedus valguse tuvastamise tundlikkuse tingimustes on E. Valgusvool IL (tegelik) ühendatud olekus saadakse järgmiselt: IL (tegelik)=IL x(E (tegelik) / E) Kui vastuvõetav valgusvool on väga väike ja viimase astme vooluringi on keeruline projekteerida, suurendage valgust kiirgava seadme alalisvoolu edasivoolu IF või suurendage kiirguse intensiivsust IE (mW/sr). ) impulsi edasivooluga. Näitena tehke uuring järgmistel tingimustel: Emitter: IE(MIN)=1 mW/sr IF=20 mA juures Detektor: IL(MIN)=20 μA at E=0,1 mW/cm2, VCE=3V emitteri vaheline kaugus ja detektor: d=1,5 cm E (tegelik) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (tegelik) (MIN) ~ (E (tegelik) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 μA=88 μA Kuna IL (tegelik) (MIN) on 88 μA, ei ole võimalik TTL-i otse juhtida, kuid saab ühendada C-MOS IC-i. Siis, kui valgust vastuvõtva seadme koormus määratakse toitepinge järgi, sõltub selle lülituskiirus tugevalt koormuse väärtusest ja seda on vaja eelnevalt kontrollida. Fotoandurite rakendusahelad Infrapuna-LED-de rakendusahelad Kuna infrapunaseadme väljundvõimsus Po sõltub LED-i edasivoolust IF, saab väljundi sisse-välja olekut reguleerida pärivoolu juhtimisega. Siin selgitatakse tüüpilisi valgustusmeetodeid nagu alalisvoolu valgustus jne ja ettevaatusabinõusid projekteerimisel. Joonisel 3-1.1 on näidatud valgustuse põhiahel, kui kasutatakse alalisvoolu. IF väljendatakse sel juhul järgmise valemiga: IF=(VCC – VF) / R VCC : toitepinge VF : LED-i päripinge IF : edasisuunas vool, mis voolab LED PHO valgustusahelasse DC
(vasakult paremale) Joonis 3-1.1 – alalisvoolu ajamiüksus Joonis 3-1.2 – konstantse voolu ajami vooluahel Joonis 3-1.3 – mitme LED-i ajami ahel
Joonisel 3-1.2 on kujutatud ahel, mis hõlmab transistoriga LED-i VF-i variatsioone. IF selles vooluringis väljendatakse järgmise valemiga: IF=(VB – VBE) / R3 VB : baaspinge VBE : baasi ja emitteri pinge R3 : emitteri takistus Lisaks on õigesti seadistades võimalik vähendada väljundi temperatuuri sõltuvust VBE ja VB selles vooluringis. Kui väljundvõimsus on ebapiisav või valgust vastuvõttev seade asub liiga kaugel, on võimalik ahelat lõpetada jada- või paralleelühenduse kaudu, nagu on näidatud joonisel 3-1.3. Sel juhul IF=(VCC – nVF) / R (jadaühendus) IF=(VCC – VF) / R (paralleelühendus) AC Driving Joonisel 3-1.4 kujutatud vahelduvvoolu juhtimine on peaaegu poollaine vahelduvvoolu valgustuse põhiahelad. . Üldiselt on kaks sõiduviisi. Mõlemad kasutavad LED-i kaitsmiseks pöördpinge eest kaitsedioodi. Punktis (a) on see kaitsediood pöördpingetüüp, mis vastab toitepingele VCC, ja punktis b peaks kaitsedioodi pöördpinge olema ligikaudu kaks korda suurem infrapuna-LED-i päripingest.
Ülaltoodud ahelas kasutatakse konstantset R, mis sobib nimipingega vastavalt toitepingele VCC. Lisaks valitakse R nii, et see on piiratud infrapuna-LED-i pärivoolu IF nimiväärtusega punktis, kus toitepinge VCC muutub maksimaalseks.
Joonis 3-1.4 – Vahelduvvoolu ajami ahel
Impulssjuhtimine Kui optiline signaal muudetakse impulssmoduleeritud valguseks, on palju eeliseid. Arvesse võetakse järgmist: Kui impulssmoduleeritud signaali töösuhe on väike, suureneb valgust kiirgava seadme hetkevalgusvõimsus, optiline signaal eristatakse ümbritsevast valgusest ja on tagatud S/N suhte paranemine. Kui toiteallikana kasutatakse akut, saab seadme energiatarbimist vähendada ja seega pikeneb aku kasutusiga. Valgusvastuvõtu sektsioonis saab võimalikuks RC-sidustamine järgmise etapiga ja saab vältida temperatuuri tõusust tulenevaid pimedusvoolu suurenemise mõjusid. See impulssjuhtimissüsteem on konstrueeritud kombineerituna TTL-i või C-MOS-i ja Tr-ga jne. Joonisel 3-1.5 näidatud vooluringis on vaja pöörata tähelepanu TTL- või C-MOS-seadme IOL-i elektrilistele omadustele. kuna liiga suuri voolusid ei saa rakendada IF< rahuldamiseks; IOL. Suurema voolu rakendamiseks on vaja kasutada suure väljundvooluvõimsusega puhver-IC-d, nagu näidatud joonisel 3-1.6, või paigaldada väliselt transistor. Võrdluseks on näidatud TTL-i, C-MOS-i ja puhvri IC-i IOL ja VOL karakteristikud.
Joonis 3-1.5
Fototransistoride rakendusahelad Põhiahel Fototransistori põhiahel on näidatud joonisel 3-2.1 Koormustakistus RL valitakse fototransistori tumevoolu temperatuurikarakteristikut arvesse võttes. Kui RL on liiga suur, võib fototransistori SISSE lülitada ainult kõrgel temperatuuril tumeda vooluga. Näiteks kui fototransistor TPS601A töötab temperatuuril Ta=100 °C, võib tumevool muutuda umbes 100 μA. Kui RL on seatud väärtusele 50 kW, kui VCC=5 V, lülitatakse TPS601A tumevoolu suurenemise tõttu täielikult sisselülitatud olekusse.
Joonis 3-2.1 – Fototransistori põhiahel
Baasklemmiga fototransistori nihkeahel Baasi ja emitteri takisti RBE mõju tumevoolule ja valgusvoolule on näidatud joonistel 3-2.2 (a) ja (b). Tavaliselt on fototransistori tumevool tavatemperatuuril nii väike kui mitu nA ja tumedat voolu on võimalik veelgi vähendada, sisestades aluse ja emitteri vahele takisti RBE, et juhtida kollektori ja baasi ristmikupunkti läbivast lekkevoolust mööda. Kui RBE tehakse liiga väikeseks, väheneb fototransistori näiv hFE ja vajalikku valgusvoolu IL ei ole võimalik saada, seetõttu on sobiv RBE üle 1 MW.
Joonis 3-2.2 (a) – Tumevoolu vähenemine RBE võrra / Joonis 3-2.2 (b) – Valgusvoolu muutus RBE võrra
Lisaks on võimalik seada fototransistori tööpunkt õigele tasemele kasutades baasterminali. Valgustuse-valguse voolu karakteristikute lineaarsus on sel juhul oluliselt paranenud, võrreldes juhtumiga, kus baasnihkevool on null. Lisaks on joonisel 3-2.4 näidatud õhuvoolu tüüpi kallutatuse meetod, mis parandab eksperimentaalselt termilist stabiilsust alalisvoolu tööpunktis, RB väärtuse jaoks peetakse sobivaks 2–10 MW. Selle eesmärk on rakendada peaaegu kogu fotodioodi valgusvoolu IL kollektori ja baasi ühenduspunktides fototransistori alusele, tõstes aluse takistust.
Joonis 3-2.4 (b) – Bleederi tüüpi kallutatuse meetod
Temperatuuri kompensatsiooniahel Fototransistori valgusvoolul IL ja tumevoolul Id on positiivne temperatuuritegur. Eelkõige suureneb tumevool eksponentsiaalselt, nagu on näidatud üksikutel tehnilistel andmelehtedel. Seetõttu on stabiilse töö tagamiseks ümbritseva õhu temperatuuril 50–60 °C vajalik tumevoolu ja fototransistori fotoelektrivoolu temperatuuri kompenseerimine. Joonisel 3-2.5 näidatud vooluahel kasutab negatiivset temperatuurikoefitsienti, mida säilitab dioodi päripinge VF. Kui kasutatakse fototransistori, millel puudub baasklemm, on väljundpinge kompenseerimiseks võimalik fototransistori koormustakistust vähendada termistori abil, nagu on näidatud joonisel 3-2.6.
Joonis 3-2.5 – Temperatuuri kompenseerimise ahel takistusdioodi abil
Joonis 3-2.6 – Temperatuuri kompenseerimise ahel termistriga
Joonisel 3-2.7 (a) kujutatud võimendi põhiahel on Darlingtoni ühendus, mis kasutab NPN-transistori, ja joonisel 3-2.7 (b) on Darlingtoni ühendus, mis kasutab PNP-transistori. Mõlemas ahelas suurendatakse valgusvoolu hFE korda ja väljundvoolu IC muutub hFE . IL
Joonis 3-2.7 – Fototransistori võimendiahel
Joon. 3-2.8 näitab näiteid põhiskeemidest, mis kasutavad võimendust operatiivvõimendiga.
Joonis 3-2.8 – Võimendiahel koos töötermistriga
Lülituskiiruse parandamine Kui pingevõimendust tõstetakse koormuse impedantsi suurendamisega, kuna fototransistori valgusvool on väike, võib lülituskiiruse karakteristikud ohverdada vastupidise efektina. Abinõuna on olemas meetodid koormuse suurusest suhteliselt sõltumatute lülituskiiruse karakteristikute saamiseks, teisendades impedantsi PNP-transistoripõhiste ahelate (joonis 3-2.9 (a)) või NPN-transistori kaskaadühenduse kaudu (joonis 3-). 2.9 (b)). Katsemeetodid on rakendatavad kiire impulssmoduleeritud valgustuvastusahela jaoks fotoelektrilise lüliti/kiire lindilugeja jaoks.
Joonis 3-2.9 – Sageduskarakteristiku täiustamise näited
Analoogkasutus Fototransistorid pakuvad suuremat tundlikkust kui fotodioodid, kuna need on varustatud sisemiselt võimendusfunktsiooniga; aga tundlikkus kõigub oluliselt sõltuvalt võimendustegurite erinevusest. Seetõttu on vaja tundlikkuse korrigeerimiseks kasutada muutuvat takistit või osta toode, mis on eelnevalt valitud konkreetse tundlikkuse reitingu jaoks.
Joonis 3-2.14
Joonisel 3-2.14 (a) on kujutatud transistorvõimendi voolu juhtimist. Fototransistori kollektorivool juhib järgmise astme transistori baasi, mille emitter on maandatud. Fototransistori tundlikkuse kõikumist kontrollib emitteri ahela tagasisidetakisti RE. Joonisel 3-2.14 (b) on kujutatud ahel, mis juhib transistorvõimendi pinget. Fototransistori kollektorivool genereerib pinge viimase astme transistori juhtimiseks muutuva takisti abil. Transistor on järgija ja üksikute fototransistoride vahelisi kõikumisi korrigeeritakse muutuva takisti RA abil. Seetõttu muudab RA fototransistori lülitusaega. Fotodioodide rakendusahelad Koos infrapuna-LED-dega kasutatakse fotodioode kahel viisil; digitaalselt valguse olemasolu tuvastamiseks ja analoogselt valguse hulga tuvastamiseks. Digitaalne kasutamine Kuna reageerimiskiirus on kiire, sobivad fotodioodid kiireks ümberlülitamiseks. Teisest küljest, kuna valgusvool on väike, on vaja kasutada suure sisendtakistusega FET-i, nagu on näidatud joonisel 3-3.1 (a) või suure võimendusega vooluringi, nagu on näidatud joonisel 3-3.1. b). Võimendi suurendamiseks kasutatakse operatiivvõimendit. Kui on vaja kiiret reageerimist, tuleb sobivate kiirete rakenduste jaoks valida võimendi.
Joonis 3-3.1 – Foorodioodi võimendiahel (digitaalne kasutamine)
Analoogkasutus Fotodioodide valgustuse ja fotoelektrivoolu omadused on rohkem lähedased lineaarsele kui fototransistoride omad ja võib öelda, et fotodioodid on analoograkendustes hõlpsasti kasutatavad tooted. Seda tüüpi kasutuse jaoks on olemas lineaarne võimendus ja logaritmiline võimendus.
Joonis 3-3.2 – Fotodioodi võimendi ahelad (analoogkasutus)
Peegeldava tüüpi fotosensorite rakendusahelad Peegeldavat tüüpi fotosensor on saadaval kahte tüüpi; fookuse tüüp ja mittefookuse tüüp. Õige tüüp tuleks valida rakenduse põhjal. Nagu on näha joonistel fig. 3-5.1 ja 3-5.2, on fookuse tüübi mustvalge piirpinna asukoha tuvastamise tunnusjoon teravam kui teravustamata tüübi puhul. Seetõttu on fookuse tüüp parem kui mittefookuse tüüp vöötkoodi tuvastamise rakenduste jaoks. Väike mittefookuse tüüp on aga efektiivne objektide tuvastamiseks.
Joonis 3-5.1 – Fookuseta tüüpi asukoha tuvastamise karakteristikute näide
Joonis 3-5 – Peegeldustüüpi fotoanduri põhituvastusahel
Kuna peegeldustüüpi fotosensori jaoks on vaja tuvastatud objekti olemasolu digitaalselt väljastada, ühendatakse peegeldustüüpi fotosensori järgmises väljundfaasis võrdlusahel, nagu on näidatud joonisel 3.5-4.
Joonis 3-5.4 Peegeldustüüpi fotoanduri ja komparaatori ühendusahel
Peegeldustüüpi fotosensori rakenduse disain on keerulisem kui ülekande tüüpi fotosensori, kuna:
Peegeldavate ainete peegeldustegurid on üksteisest erinevad
Peegeldavate ainete kaugused on kergesti kontrollitavad
Nii valgust kiirgavad kui ka tuvastavad pinnad on samal tasapinnal ja vastuvõtlikud välise valguse mõjudele ning lekkevool suureneb.
Seetõttu võib öelda, et võimalusel on parem kujundada ülekande tüüpi fotosensor.
