Принцип рада оптичких сензора Основно коло оптичког сензора је приказано на слици 2-2.1(а). Анода ЛЕД-а је преко отпорника РЕ прикључена на струјни вод ВЦЦ и катода је уземљена. Предња струја ИФ тече кроз ЛЕД и емитује инфрацрвено светло које није видљиво оку. Колектор фото транзистора је преко отпорника РЛ спојен на струјни вод ВЦЦ и емитер је уземљен. Даље, колектор треба да се повеже на улазни терминал компаратора или ИЦ следећег степена. Уређаји за емитовање и детекцију светлости су распоређени као што је приказано на слици 2-2.1(б). Када се светлосна гранична плоча, односно циљ који треба детектовати, дође између емитера и детектора, фото транзистор се искључује и потенцијал на колектору расте. С друге стране, када се уклони транзистор се укључује и потенцијал колектора опада. Другим речима, постојање супстанце се детектује и претвара у електрични сигнал без контакта са њом. Нормално, овај сигнал се улази у следеће коло за обраду сигнала следеће фазе за контролу различитих периферних функција.
Слика 2-2.1 – Принцип рада оптичког сензора
Процедуре пројектовања за кола оптичких сензора Прво добијете вредности РЕ и РЛ. На слици 2-2.1(а), када је предњи пад напона ЛЕД диоде ВФ, струја ИФ која тече до ЛЕД диоде је дата са: (1) ИФ=(ВЦЦ-ВФ) / РЕ и потребно је задовољити (2 ) ИФ=ИФ (МАКС) (Та=ТОПР (МАКС)) Из (1) и (2), РЕ је дат следећом формулом: (3) ИФ=(ВЦЦ-ВФ) / ИФ (МАКС) Као што се може приказано на слици 2-2.2, што је већи ИФ, то ће се произвести више оптичког излазног ИЕ и стога је неопходно израчунати ИФ (МИН) узимајући у обзир флуктуацију дозвољеног губитка ИФ и ИЕ након одлучивања о РЕ. Правилна вредност РЛ: Добијте горњу граничну вредност РЛ На слици 2-2.1(б), када је унутрашња плоча за одсецање светлости, фото електрична струја ИЛ произведена емисијом светлости из ЛЕД не тече до фото транзистора, већ фотографије цурења струја ИЛ' и тамна струја, Ид, само тече. Потенцијал колектора ВОХ у овом тренутку је: ВОХ=ВЦЦ – РЛ к (Ид +ИЛ') Међутим, претпоставља се да се улазна/излазна струја до/из следећег степена може занемарити.
Слика 2-2.2
Пошто се Ид брзо повећава са порастом температуре околине као што је приказано на слици 2-1.5, под претпоставком да је улазни напон високог нивоа следећег степена ВИХ, неопходно је задовољити следеће: ВИХ [ГГ] лт; ВОХ на Та=Топр (МАКС) РЛ=(ВЦЦ – ВИХ) / (Ид + ИЛ Затим, добијте доњу граничну вредност РЛ. Када плоча за одсецање светлости није унутра, светло прима фото транзистор и светлосна струја ИЛ и горе поменути Ид + ИЛ' теку до фото транзистора. Нормално, осим ако: ИЛ=Ид + ИЛ' постаје тешко разликовати постојање светлосне плоче са становишта односа С/Н, потенцијал колектора ВОЛ у овом тренутку је (4) ВОЛ=ВЦЦ – РЛ (ИЛ + Ид + ИЛ') Под претпоставком да је улазни напон ниског нивоа за следећу фазу ВИЛ' потребно је задовољити (5) ВИЛ [ГГ] гт; ВОЛ Формуле (4) и (5) морају бити задовољене и при доњој граничној вредности ИЛ. Доња гранична вредност ИЛ (МИН) је: ИЛ (МИН )=ЦТР (МИН) к Дт к ДТа к Дн
Слика 2-1.5
Дт: фактор деградације ЦТР током рада (Слика 2-1.7) ДТа: ЦТР варијација температуре (Слика 2-1.6) Дн: ЦТР варијација од прашине и прљавштине Из формула (4) и (5), РЛ=(ВЦЦ – ВИЛ ) / (ИЛ(МИН) + Ид + ИЛ') Што је РЛ мањи, време пребацивања ће бити краће. КАКО ДОБИТИ КАРАКТЕРИСТИКЕ СПАЈАЊА УРЕЂАЈА ЗА ЕМИСАЊЕ И ПРИМАЊЕ СВЕТЛОСТИ У наставку, карактеристике спајања уређаја који емитују и детектују светлост су израчунате као почетни дизајн да би се видело да ли су применљиве. Затим, као други корак је представљен метод за проверу стварног рада итд. Почетни дизајн Карактеристике спајања репрезентативног производа приказане су на сликама 2-4.1 ~ 2-4.3. Овакви карактеристични дијаграми се донекле разликују у зависности од комбинације уређаја који емитују светлост и детектора. Генерално, када је д [ГГ] гт; 1 цм или више у следећој методи израчунавања, ове карактеристике се могу добити отприлике без њиховог појединачног истраживања.
(лево) Слика 2-4.1 – Карактеристике спајања ТЛН108 и ТПС601А (десно) Слика 2-4.2 – Карактеристике спајања ТЛН105Б и ТПС703
Слика 2-4.3 – Карактеристике спајања ТЛН107А и ТПС608А
Прво, очитајте интензитет зрачења ИЕ (МИН) уређаја који емитује светлост и светлосну струју ИЛ (МИН) уређаја за детекцију светлости у складу са условима приказаним у техничком листу. Како је интензитет зрачења ИЕ (мВ/ср) еквивалентан инциденци зрачења ЕО (мВ/цм2) који се зрачи на површини од 1 цм2 на удаљености од 1 цм, добијени упад зрачења Е (стварни) на удаљености д цм добија се следећом формулом: Е (стварно) ~ ИЕ/д2 (мВ/цм2) Под претпоставком да је инциденца зрачења уређаја за детекцију светлости у условима осетљивости детекције светлости Е светлосна струја ИЛ (стварна) у спрегнутом стању добија се на следећи начин: ИЛ (стварна)=ИЛ к(Е (стварно) / Е) Када је примљена светлосна струја веома мала и тешко је дизајнирати коло последње фазе, повећајте једносмерну струју унапред ИФ уређаја који емитује светлост или повећајте интензитет зрачења ИЕ (мВ/ср ) импулсном струјом унапред. Као пример урадите испитивање под следећим условима: Емитер: ИЕ(МИН)=1 мВ/ср при ИФ=20 мА Детектор: ИЛ(МИН)=20 μА при Е=0,1 мВ/цм2, ВЦЕ=3В Удаљеност између емитера и детектор: д=1,5 цм Е (стварно) (МИН)=ИЕ / д2=1 к (1/1,52)=0,44 мВ/цм2 (МИН) ИЛ (стварно) (МИН) ~ (Е (стварно) / Е) к ИЛ (МИН)=(0,44 / 0,1) к 20 μА=88 μА Како је ИЛ (стварни)(МИН) 88 μА, није могуће директно покретати ТТЛ, али се може повезати Ц-МОС ИЦ. Затим, док се оптерећење светлосног уређаја одређује према напону напајања, његова брзина пребацивања у великој мери зависи од вредности оптерећења и неопходно је то унапред проверити. Примјенски кругови фото сензора Примјенски кругови инфрацрвених ЛЕД диода Пошто излазна снага По инфрацрвеног уређаја зависи од предње струје ЛЕД-а, ИФ, статус укључено-искључено излаза може се адресирати кроз контролу предње струје. Овде су објашњене репрезентативне методе осветљења као што је ДЦ осветљење, итд. и мере предострожности за дизајн. На слици 3-1.1 приказано је основно коло за осветљење када се користи једносмерно напајање. ИФ у овом случају се изражава следећом формулом: ИФ=(ВЦЦ – ВФ) / Р ВЦЦ : Напон напајања ВФ : Предњи напон ЛЕД ИФ : Права струја која тече до ЛЕД ПХО кола осветљења ДЦ
(с лева на десно) Слика 3-1.1 – ДЦ погонска јединица Слика 3-1.2 – Погонско коло са константном струјом Слика 3-1.3 – Мулти ЛЕД погонско коло
На слици 3-1.2 приказано је коло које покрива варијације ВФ ЛЕД са транзистором. ИФ у овом колу се изражава следећом формулом: ИФ=(ВБ – ВБЕ) / Р3 ВБ : Напон базе ВБЕ : Напон базе према емитеру Р3 : Отпор емитера Даље, могуће је смањити температурну зависност излаза правилним подешавањем ВБЕ и ВБ у овом колу. Када је излазна снага недовољна или је уређај за пријем светлости лоциран превише далеко, могуће је завршити коло кроз серијску или паралелну везу као што је приказано на слици 3-1.3. У овом случају, ИФ=(ВЦЦ – нВФ) / Р (серијска веза) ИФ=(ВЦЦ – ВФ) / Р (паралелна веза) Вожња наизменичном струјом Приказана на слици 3-1.4 су основна кола за скоро полуталасно АЦ осветљење . Генерално, постоје два начина вожње. Оба користе заштитну диоду за заштиту ЛЕД од обрнутог напона. У (а), ова заштитна диода је типа обрнутог напона који одговара напону напајања ВЦЦ, ау (б), реверзни напон заштитне диоде треба да буде око два пута већи од напона унапред од инфрацрвене ЛЕД диоде.
У горњем колу, константа Р која је прилагођена називном напону се користи у складу са напоном напајања ВЦЦ. Даље, Р је одабран тако да је ограничен на номиналну вредност напредне струје ИФ инфрацрвене ЛЕД диоде у тачки где напон напајања, ВЦЦ, постаје максималан.
Слика 3-1.4 – АЦ погонско коло
Пулсна вожња Многе предности се добијају када се оптички сигнал промени у импулсно модулисано светло. Разматра се следеће: Када је радни однос импулсно модулисаног сигнала мали, тренутни излаз светлости уређаја који емитује светлост се повећава, оптички сигнал се разликује од амбијенталног светла и обезбеђује се побољшање односа С/Н. Када се батерија користи као извор напајања, потрошња енергије уређаја се може смањити и самим тим се продужава радни век батерије. РЦ спајање са следећим степеном у секцији за пријем светлости постаје могуће и могу се избећи ефекти повећања тамне струје као резултат пораста температуре. Овај систем покретања импулса је дизајниран у комбинацији са ТТЛ или Ц-МОС и Тр итд. У колу приказаном на слици 3-1.5 потребно је обратити пажњу на електричне карактеристике ИОЛ ТТЛ или Ц-МОС уређаја пошто се претерано велике струје не могу применити да би се задовољило ИФ [ГГ] лт; ИОЛ. Да бисте применили већу струју, потребно је користити бафер ИЦ са великим капацитетом излазне струје као што је приказано на слици 3-1.6 или уградити транзистор споља. ИОЛ и ВОЛ карактеристике ТТЛ, Ц-МОС и пуфера ИЦ су приказане за референцу.
Слика 3-1.5
Кола примене фото транзистора Основно коло Основно коло за фото транзистор је приказано на слици 3-2.1 Отпор оптерећења РЛ се бира узимајући у обзир температуру тамне струје карактеристичну за фото транзистор. Ако је РЛ превелик, фото транзистор се може укључити само тамном струјом на високој температури. На пример, када фото транзистор ТПС601А ради на Та=100°Ц, тамна струја може постати око 100 μА. Када је РЛ подешен на 50 кВ на ВЦЦ=5В, ТПС601А се потпуно претвара у ОН стање повећањем тамне струје.
Слика 3-2.1 – Основно коло фото транзистора
Биас круг фото транзистора са базним терминалом Ефекти отпорника базе на емитор РБЕ на тамну струју као и струју светлости приказани су на слици 3-2.2 (а) и (б). Нормално, тамна струја фото транзистора је само неколико нА на нормалној температури и могуће је даље смањити тамну струју уметањем отпорника РБЕ између базе и емитера да би се заобишла струја цурења кроз колектор до тачке спајања базе. Ако је РБЕ претерано мали, привидни хФЕ фото транзистора се смањује и не може се добити потребна светлосна струја ИЛ, стога је РБЕ већи од 1 МВ одговарајући.
Слика 3-2.2 (а) – Смањење тамне струје према РБЕ / Слика 3-2.2 (б) – Промена струје светлости према РБЕ
Даље, могуће је подесити радну тачку фото транзистора на одговарајући ниво коришћењем базног терминала. Линеарност карактеристика струје осветљења и светлости у овом случају је значајно побољшана у поређењу са случајем где је струја основног преднапона нула. Поред тога, постоји метода пристрасности типа блеедер приказана на слици 3-2.4, која експериментално побољшава термичку стабилност на радној тачки једносмерне струје, 2 ~ 10 МВ се сматра исправним за вредност РБ. Ово треба да примени скоро све светлосне струје ИЛ фотодиоде на тачкама спајања колектора и базе на базу фото транзистора подизањем импедансе на бази.
Слика 3-2.4 (б) – Метода пристрасности типа Блеедер
Коло за компензацију температуре Струја светлости ИЛ и струја таме Ид фото транзистора имају позитиван температурни коефицијент. Конкретно, тамна струја расте експоненцијално као што је приказано у појединачним техничким подацима. Стога, да би се постигао стабилан рад на амбијенталним температурама од 50 ~ 60°Ц, постаје неопходна температурна компензација за тамну струју и фото електричну струју фото транзистора. Коло приказано на слици 3-2.5, користи негативни температурни коефицијент који се задржава предњим напоном ВФ диоде. Када се користи фото транзистор који нема базни терминал, метода за компензацију излазног напона би била смањење отпора оптерећења фото транзистора коришћењем термистора као што је приказано на слици 3-2.6.
Слика 3-2.5 – Коло за компензацију температуре помоћу отпорне диоде
Слика 3-2.6 – Коло за компензацију температуре помоћу термистера
Коло основног појачала приказано на слици 3-2.7 (а) је Дарлингтонова веза која користи НПН транзистор, а слика 3-2.7 (б) је Дарлингтонова веза која користи ПНП транзистор. У оба кола, струја светлости се повећава за хФЕ пута и излазна струја ИЦ постаје хФЕ. И Л
Слика 3-2.7 – Коло појачала за фото транзистор
На слици 3-2.8 приказани су примери основних кола која користе појачање помоћу операционог појачавача.
Слика 3-2.8 – Коло појачала са радним термистером
Побољшање брзине пребацивања Када се појачање напона повећа повећањем импедансе оптерећења пошто је струја светлости фото транзистора мала, карактеристика брзине пребацивања може бити жртвована као обрнути ефекат. Као лек, постоје методе за добијање карактеристика брзине пребацивања које су релативно независне од величине оптерећења конвертовањем импедансе преко ПНП транзисторских кола (слика 3-2.9 (а)) или каскадне везе НПН транзистора (слика 3- 2.9 (б)). Методе испитивања су применљиве на кола за детекцију светлости са импулсном модулацијом велике брзине за фото електрични прекидач/читач траке велике брзине.
Слика 3-2.9 – Примери побољшања фреквенцијских карактеристика
Аналогна употреба Фото транзистори пружају већу осетљивост од фото диода пошто су интерно опремљени функцијом појачања; међутим, осетљивост значајно флуктуира у зависности од разлике у факторима појачања. Због тога је неопходно или користити променљиви отпорник за корекцију осетљивости или купити производ који је унапред изабран за одређену оцену осетљивости.
Слика 3-2.14
На слици 3-2.14 (а) приказано је коло које контролише струју транзисторског појачала. Струја колектора фото транзистора контролише базу транзистора следеће фазе чији је емитер уземљен. Флуктуација у осетљивости фото транзистора контролише се повратним отпорником РЕ у колу емитера. На слици 3-2.14 (б) приказано је коло које контролише напон транзисторског појачала. Струја колектора фото транзистора генерише напон за контролу транзистора последње фазе помоћу променљивог отпорника. Транзистор је следбеник и флуктуације између појединачних фото транзистора се коригују променљивим отпорником РА. Стога се време пребацивања фото транзистора мења РА. Кола примене фото диода У комбинацији са инфрацрвеним ЛЕД диодама, фото диоде се користе на два начина; дигитално да детектује постојање светлости и аналогно да детектује количину светлости. Дигитална употреба Пошто је брзина одзива велика, фото диоде су погодне за брзо пребацивање. С друге стране, међутим, пошто је струја светлости мала, неопходно је користити ФЕТ са високом улазном импедансом као што је приказано на слици 3-3.1 (а) или коло са високим појачањем као што је приказано на слици 3-3.1 ( б). За подизање појачања користи се операциони појачавач. Када је потребан одзив велике брзине, потребно је одабрати појачало за одговарајуће апликације велике брзине.
Слика 3-3.1 – Појачивачко коло форо диоде (дигитална употреба)
Аналогна употреба Карактеристике осветљења и фото-електричне струје фото диода су ближе линеарним од оних фото транзистора и фото диоде се може рећи да су производ који се лако користи у аналогним апликацијама. За ову врсту употребе постоји линеарно појачање и логаритамско појачање.
Слика 3-3.2 – Појачавајућа кола фото диоде (аналогна употреба)
Кругови примене фотосензора рефлективног типа Фотосензор рефлективног типа доступан је у два типа; тип фокуса и нефокусни тип. Одговарајући тип треба изабрати на основу апликације. Као што се може видети из одговарајућих основних карактеристика положаја детекције приказаних на Сл. 3-5.1 и 3-5.2, карактеристика детекције положаја површине црне и беле границе за тип фокуса је оштрија него код типа без фокуса. Према томе, тип фокуса је супериорнији од нефокусног типа за апликације детекције бар кода. Међутим, мали тип без фокуса је ефикасан за детекцију објеката.
Слика 3-5.1 – Пример карактеристике положаја детекције типа без фокуса
Слика 3-5 – Основно коло детекције фотосензора типа рефлексије
Пошто је неопходно да фотосензор типа рефлексије дигитално емитује постојање детектованог објекта, компараторско коло се повезује на следећу излазну фазу фотосензора типа рефлексије као што је приказано на слици 3.5-4.
Слика 3-5.4 Коло везе фотосензора рефлексивног типа са компаратором
Дизајн апликације фотосензора типа рефлексије је тежи од фотосензора типа трансмисије јер:
Фактори рефлексије рефлектујућих супстанци се разликују једни од других
Удаљености рефлектујућих супстанци се лако могу контролисати
И површине које емитују светлост и површине које детектују су у истој равни и подложне су ефектима спољашње светлости, а струја цурења се повећава.
Стога се може рећи да је боље дизајнирати фото сензор типа трансмисије ако је могуће.
