Funktionsprinzip optischer Sensoren Die Grundschaltung eines optischen Sensors ist in Abbildung 2-2.1(a) dargestellt. Die Anode der LED ist über den Widerstand RE mit der Stromleitung VCC verbunden und die Kathode ist geerdet. Der Vorwärtsstrom IF fließt durch die LED und emittiert Infrarotlicht, das für das Auge nicht sichtbar ist. Der Kollektor eines Fototransistors ist über den Widerstand RL mit der Stromleitung VCC verbunden und der Emitter ist geerdet. Außerdem ist der Kollektor mit dem Eingang eines Komparators oder ICs der nächsten Stufe zu verbinden. Die lichtemittierenden und detektierenden Geräte sind wie in Abbildung 2-2.1(b) gezeigt angeordnet. Wenn eine Lichtsperrplatte, dh ein zu detektierendes Ziel, zwischen Emitter und Detektor kommt, schaltet der Fototransistor ab und das Potential am Kollektor steigt an. Andererseits schaltet der Transistor beim Entfernen durch und das Kollektorpotential sinkt. Mit anderen Worten, die Existenz einer Substanz wird erkannt und berührungslos in ein elektrisches Signal umgewandelt. Normalerweise wird dieses Signal in eine nachfolgende Signalverarbeitungsschaltung einer nächsten Stufe eingegeben, um verschiedene Peripheriefunktionen zu steuern.
Abbildung 2-2.1 – Funktionsprinzip des optischen Sensors
Entwurfsverfahren für optische Sensorschaltungen Erhalten Sie zuerst die Werte von RE und RL. In Abbildung 2-2.1(a) ist, wenn der Durchlassspannungsabfall einer LED VF beträgt, der zur LED fließende Strom IF gegeben durch: (1) IF=(VCC-VF) / RE und es muss (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) Aus (1) und (2) ergibt sich RE durch die folgende Formel: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Wie sein kann Wie in Abbildung 2-2.2 zu sehen ist, je größer IF ist, desto mehr optische Ausgangsleistung IE wird erzeugt, und daher ist es notwendig, IF (MIN) zu berechnen, indem die Fluktuation des zulässigen Verlustes von IF und IE nach der Entscheidung für RE berücksichtigt wird. Richtiger Wert von RL: Ermitteln des oberen Grenzwerts von RL In Abbildung 2-2.1(b) fließt der durch die Lichtemission von der LED erzeugte photoelektrische Strom IL nicht zu einem Phototransistor, sondern zu einem Leckphoto ., wenn sich eine Lichtsperrplatte darin befindet Strom IL' und Dunkelstrom Id fließen nur. Das Potential des Kollektors VOH ist zu diesem Zeitpunkt: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Es wird jedoch angenommen, dass der Eingangs-/Ausgangsstrom zur/von der nächsten Stufe vernachlässigt werden kann.
Abbildung 2-2.2
Da Id mit dem Anstieg der Umgebungstemperatur schnell ansteigt, wie in Abbildung 2-1.5 gezeigt, muss unter der Annahme, dass die Hochpegeleingangsspannung der nächsten Stufe VIH ist, Folgendes erfüllt werden: VIH< voh="" bei="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" ermitteln="" sie="" dann="" den="" unteren="" grenzwert="" von="" rl.="" wenn="" sich="" die="" lichtsperrplatte="" nicht="" im="" inneren="" befindet,="" wird="" licht="" vom="" fototransistor="" empfangen="" und="" der="" lichtstrom="" il="" und="" das="" oben="" erwähnte="" id="" {{3}="" il'="" fließen="" zum="" fototransistor.="" normalerweise="" wird="" es="" schwierig,="" das="" vorhandensein="" einer="" lichtsperrplatte="" vom="" standpunkt="" aus="" zu="" unterscheiden,="" es="" sei="" denn:="" il="Id" +="" il'="" des="" s/n-verhältnisses="" ist="" das="" kollektorpotential="" vol="" zu="" diesem="" zeitpunkt="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" angenommen,="" die="" niedrigpegel-eingangsspannung="" für="" die="" nächste="" stufe="" ist="" vil'="" muss="" (5)="" vil>="" erfüllt="" sein;="" vol="" formeln="" (4)="" und="" (5)="" müssen="" auch="" beim="" unteren="" grenzwert="" von="" il="" erfüllt="" sein.="" der="" untere="" grenzwert="" il="" (min)="" ist:="" il="" (min="" )="CTR" (min)="" x="" dt="" x="" dta="" x="">
Abbildung 2-1.5
Dt: CTR-Degradationsfaktor während des Betriebs (Abb. 2-1.7) DTa: CTR-Temperaturschwankung (Abb. 2-1.6) Dn: CTR-Schwankung durch Staub und Schmutz Aus den Formeln (4) und (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + Id + IL') Je kleiner RL ist, desto kürzer wird die Schaltzeit. WIE MAN DIE Kopplungseigenschaften von Licht emittierenden und empfangenden Geräten erhält Im Folgenden werden die Kopplungseigenschaften von Licht emittierenden und Detektionsgeräten als anfängliches Design berechnet, um zu sehen, ob sie anwendbar sind. Dann wird als zweiter Schritt ein Verfahren zur Überprüfung des tatsächlichen Betriebs usw. vorgestellt. Die anfänglichen Kupplungseigenschaften eines repräsentativen Produkts sind in den Abbildungen 2-4.1 ~ 2-4.3 dargestellt. Solche charakteristischen Diagramme sind je nach Kombination von lichtemittierenden und Detektionsvorrichtungen etwas unterschiedlich. Im Allgemeinen gilt, wenn d> 1 cm oder mehr in der folgenden Berechnungsmethode können diese Kenngrößen grob ermittelt werden, ohne sie einzeln zu untersuchen.
(links)Abbildung 2-4.1 – Kopplungseigenschaften von TLN108 und TPS601A (rechts)Abbildung 2-4.2 – Kopplungseigenschaften von TLN105B und TPS703
Abbildung 2-4.3 – Kopplungseigenschaften von TLN107A und TPS608A
Lesen Sie zuerst die Strahlungsintensität IE (MIN) einer lichtemittierenden Vorrichtung und den Lichtstrom IL (MIN) einer lichtdetektierenden Vorrichtung gemäß den im Datenblatt gezeigten Bedingungen. Da die Strahlungsintensität IE (mW/sr) dem Strahlungseinfall EO (mW/cm2) entspricht, der auf eine Fläche von 1 cm2 in einer Entfernung von 1 cm abgestrahlt wird, wird die erzielbare Strahlungsintensität E (tatsächlich) in einer Entfernung d cm durch die folgende Formel erhalten: E (Ist) ~ IE/d2 (mW/cm2) Unter der Annahme, dass der Strahlungseinfall einer Lichterfassungsvorrichtung bei den Lichterfassungsempfindlichkeitsbedingungen E ist, wird der Lichtstrom IL (Ist) im gekoppelten Zustand wie folgt erhalten: IL (Ist)=IL x(E (tatsächlich) / E) Wenn der empfangene Lichtstrom sehr klein ist und es schwierig ist, die Schaltung der letzten Stufe zu entwerfen, erhöhen Sie den Gleichstrom-Durchlassstrom IF der lichtemittierenden Vorrichtung oder erhöhen Sie die Strahlungsintensität IE (mW/sr ) durch Impulsdurchlassstrom. Nehmen Sie als Beispiel eine Untersuchung unter folgenden Bedingungen vor: Sender: IE(MIN)=1 mW/sr bei IF=20 mA Detektor: IL(MIN)=20 μA bei E=0,1 mW/cm2, VCE=3V Abstand zwischen Sender und Detektor: d=1,5 cm E (Ist) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (Ist) (MIN) ~ (E (Ist) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 µA=88 µA Da IL (Ist) (MIN) 88 µA beträgt, kann TTL nicht direkt angesteuert werden, aber ein C-MOS-IC kann angeschlossen werden. Während die Last einer Lichtempfangsvorrichtung entsprechend der Versorgungsspannung bestimmt wird, hängt ihre Schaltgeschwindigkeit stark vom Lastwert ab, und es ist notwendig, diesen im Voraus zu überprüfen. Anwendungsschaltkreise von Fotosensoren Anwendungsschaltkreise von Infrarot-LEDs Da die Ausgangsleistung Po eines Infrarotgeräts vom LED-Durchlassstrom IF abhängt, kann der Ein-Aus-Zustand des Ausgangs durch Steuerung des Durchlassstroms adressiert werden. Repräsentative Beleuchtungsmethoden wie DC-Beleuchtung etc. und Vorkehrungen für die Gestaltung werden hier erläutert. In Abb. 3-1.1 ist die Grundschaltung für die Beleuchtung bei Verwendung von Gleichstrom dargestellt. IF wird in diesem Fall durch die folgende Formel ausgedrückt: IF=(VCC – VF) / R VCC : Versorgungsspannung VF : Vorwärtsspannung der LED IF : Vorwärtsstrom, der zum LED-PHO-Beleuchtungskreis fließt DC
(von links nach rechts) Abbildung 3-1.1 – DC-Antriebseinheit Abbildung 3-1.2 – Konstantstrom-Treiberschaltung Abbildung 3-1.3 – Multi-LED-Treiberschaltung
In Abb. 3-1.2 ist eine Schaltung gezeigt, die die Variationen von VF einer LED mit Transistor abdeckt. IF in dieser Schaltung wird durch die folgende Formel ausgedrückt: IF=(VB – VBE) / R3 VB : Basisspannung VBE : Basis-Emitter-Spannung R3 : Emitterwiderstand Außerdem ist es möglich, die Temperaturabhängigkeit des Ausgangs durch richtige Einstellung zu reduzieren VBE und VB in dieser Schaltung. Wenn die Ausgangsleistung nicht ausreicht oder das Lichtempfangsgerät zu weit entfernt ist, ist es möglich, die Schaltung durch eine Reihen- oder Parallelschaltung zu schließen, wie in Abb. 3-1.3 gezeigt. In diesem Fall ist IF=(VCC – nVF) / R (Reihenschaltung) IF=(VCC – VF) / R (Parallelschaltung) AC-Ansteuerung In Abb. 3-1.4 sind die Grundschaltungen für eine nahezu halbwellige AC-Beleuchtung dargestellt . Grundsätzlich gibt es zwei Fahrmethoden. Beide verwenden eine Schutzdiode, um die LED vor Sperrspannung zu schützen. In (a) ist diese Schutzdiode vom Sperrspannungstyp entsprechend der Versorgungsspannung VCC, und in (b) sollte die Sperrspannung der Schutzdiode etwa das Doppelte der Durchlassspannung einer Infrarot-LED betragen.
In der obigen Schaltung wird eine für die Nennspannung geeignete Konstante R entsprechend der Versorgungsspannung VCC verwendet. Außerdem wird R so gewählt, dass es auf einen Nennwert des Vorwärtsstroms IF einer Infrarot-LED an einem Punkt begrenzt ist, an dem die Versorgungsspannung VCC maximal wird.
Abbildung 3-1.4 – AC-Antriebskreis
Pulsansteuerung Viele Vorteile sind erreichbar, wenn das optische Signal in pulsmoduliertes Licht geändert wird. Folgendes wird berücksichtigt: Wenn das Tastverhältnis eines pulsmodulierten Signals klein ist, nimmt die augenblickliche Lichtausgabe einer lichtemittierenden Vorrichtung zu, das optische Signal wird vom Umgebungslicht unterschieden und eine Verbesserung des S/N-Verhältnisses wird sichergestellt. Wenn eine Batterie als Stromquelle verwendet wird, kann der Stromverbrauch eines Geräts reduziert und somit die Batterielebensdauer verlängert werden. RC-Kopplung mit der nächsten Stufe im Lichtempfangsabschnitt wird möglich und die Auswirkungen von Dunkelstromerhöhungen aufgrund eines Temperaturanstiegs können vermieden werden. Dieses Impulstreibersystem ist in Kombination mit TTL oder C-MOS und Tr usw. ausgelegt. Bei der in Abb. 3-1.5 gezeigten Schaltung müssen die elektrischen Eigenschaften der IOL eines TTL- oder C-MOS-Bauelements beachtet werden da übermäßig große Ströme nicht angelegt werden können, um IF< zu erfüllen; IOL. Um einen höheren Strom anzulegen, ist es notwendig, einen Puffer-IC mit hoher Ausgangsstrombelastbarkeit wie in Bild 3-1.6 zu verwenden oder extern einen Transistor zu installieren. Die IOL- und VOL-Eigenschaften von TTL, C-MOS und Puffer-IC sind als Referenz gezeigt.
Abbildung 3-1.5
Anwendung Schaltungen von Fototransistoren Grundschaltung Eine Grundschaltung für einen Fototransistor ist in Bild 3-2.1 dargestellt. Der Lastwiderstand RL wird unter Berücksichtigung der Dunkelstrom-Temperatur-Kennlinie des Fototransistors gewählt. Wenn RL zu groß ist, kann ein Fototransistor nur durch Dunkelstrom bei hoher Temperatur eingeschaltet werden. Wenn beispielsweise der Fototransistor TPS601A bei Ta=100 °C betrieben wird, kann der Dunkelstrom etwa 100 μA erreichen. Wenn RL auf 50 kW bei VCC=5 V eingestellt ist, wird TPS601A durch die Zunahme des Dunkelstroms vollständig in den EIN-Zustand geschaltet.
Abbildung 3-2.1 – Grundschaltung des Fototransistors
Bias-Schaltung eines Fototransistors mit Basisanschluss Die Auswirkungen eines Basis-Emitter-Widerstands RBE auf den Dunkelstrom sowie auf den Hellstrom sind in Abb. 3-2.2 (a) und (b) dargestellt. Normalerweise beträgt der Dunkelstrom eines Fototransistors bei normaler Temperatur nur einige nA, und es ist möglich, den Dunkelstrom weiter zu reduzieren, indem ein Widerstand RBE zwischen der Basis und dem Emitter eingefügt wird, um den Leckstrom durch den Kollektor-zu-Basis-Verbindungspunkt zu umgehen. Wenn RBE zu klein gemacht wird, verringert sich der scheinbare hFE eines Fototransistors und der erforderliche Lichtstrom IL kann nicht erhalten werden, daher ist ein RBE von mehr als 1 MW angemessen.
Abbildung 3-2.2 (a) – Abnahme des Dunkelstroms durch RBE / Abbildung 3-2.2 (b) – Änderung des Hellstroms durch RBE
Außerdem ist es möglich, den Arbeitspunkt eines Fototransistors unter Verwendung des Basisanschlusses auf einen geeigneten Pegel einzustellen. Die Linearität der Beleuchtungs-Lichtstrom-Kennlinie wurde in diesem Fall im Vergleich zu dem Fall, bei dem der Basisvorspannungsstrom null ist, erheblich verbessert. Darüber hinaus gibt es ein in Abbildung 3-2.4 gezeigtes Bleeder-Bias-Verfahren, das die thermische Stabilität am DC-Arbeitspunkt experimentell verbessert, 2 ~ 10 MW werden für einen Wert von RB als angemessen angesehen. Dies dient dazu, fast den gesamten Lichtstrom IL einer Fotodiode an den Kollektor- und Basisübergangspunkten an die Basis eines Fototransistors anzulegen, indem die Impedanz an der Basis erhöht wird.
Abbildung 3-2.4 (b) – Bleeder-Typ-Bias-Methode
Temperaturkompensationsschaltung Der Hellstrom IL und der Dunkelstrom Id eines Fototransistors haben einen positiven Temperaturkoeffizienten. Insbesondere der Dunkelstrom steigt exponentiell an, wie in den einzelnen technischen Datenblättern dargestellt. Um einen stabilen Betrieb bei Umgebungstemperaturen von 50 bis 60 °C zu erreichen, wird daher eine Temperaturkompensation für Dunkelstrom und Fotostrom eines Fototransistors erforderlich. Die in Abbildung 3-2.5 gezeigte Schaltung verwendet einen negativen Temperaturkoeffizienten, der von der Durchlassspannung VF einer Diode gehalten wird. Wenn ein Fototransistor ohne Basisanschluss verwendet wird, besteht eine Methode zur Kompensation der Ausgangsspannung darin, den Lastwiderstand des Fototransistors durch Verwendung eines Thermistors zu verringern, wie in Abb. 3-2.6 gezeigt.
Abbildung 3-2.5 – Temperaturkompensationsschaltung mit Widerstandsdiode
Abbildung 3-2.6 – Temperaturkompensationsschaltung mit Thermistor
Die in Abb. 3-2.7 (a) gezeigte grundlegende Verstärkerschaltung ist eine Darlington-Verbindung mit einem NPN-Transistor und Abb. 3-2.7 (b) ist eine Darlington-Verbindung mit einem PNP-Transistor. In beiden Schaltungen wird der Lichtstrom um das hFE-fache erhöht und der Ausgangsstrom IC wird zu hFE. IL
Abbildung 3-2.7 – Verstärkerschaltung für Fototransistor
Bild 3-2.8 zeigt Beispiele für Grundschaltungen mit Verstärkung durch einen Operationsverstärker.
Abbildung 3-2.8 – Verstärkerschaltung mit Betriebsthermister
Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit Wenn die Spannungsverstärkung durch Erhöhen der Lastimpedanz erhöht wird, da der Lichtstrom eines Fototransistors klein ist, kann die Schaltgeschwindigkeitscharakteristik als umgekehrter Effekt geopfert werden. Als Abhilfe gibt es Methoden, um Schaltgeschwindigkeitskennlinien zu erhalten, die relativ unabhängig von der Größe der Last sind, indem die Impedanz durch Schaltungen auf Basis von PNP-Transistoren (Abb. 3-2.9 (a)) oder Kaskadenschaltung von NPN-Transistoren (Abb. 3- 2.9 (b)). Testverfahren sind auf eine Hochgeschwindigkeits-Pulsmodulierte-Licht-Erfassungsschaltung für einen photoelektrischen Schalter/Hochgeschwindigkeits-Bandlesegerät anwendbar.
Abbildung 3-2.9 – Beispiele für die Verbesserung der Frequenzcharakteristik
Analoge Verwendung Fototransistoren bieten eine höhere Empfindlichkeit als Fotodioden, da sie intern mit einer Verstärkungsfunktion ausgestattet sind; jedoch schwankt die Empfindlichkeit erheblich in Abhängigkeit vom Unterschied der Verstärkungsfaktoren. Daher ist es notwendig, entweder einen variablen Widerstand zu verwenden, um die Empfindlichkeit zu korrigieren, oder ein Produkt zu kaufen, das für eine bestimmte Empfindlichkeitsbewertung vorselektiert ist.
Abbildung 3-2.14
In Abb. 3-2.14 (a) ist eine Schaltung gezeigt, die den Strom eines Transistorverstärkers steuert. Der Kollektorstrom eines Fototransistors steuert die Basis des Transistors der nächsten Stufe, dessen Emitter geerdet ist. Schwankungen in der Empfindlichkeit des Fototransistors werden durch den Rückkopplungswiderstand RE in der Emitterschaltung gesteuert. In Abb. 3-2.14 (b) ist eine Schaltung gezeigt, die die Spannung eines Transistorverstärkers steuert. Der Kollektorstrom eines Fototransistors erzeugt eine Spannung zum Steuern eines Transistors der letzten Stufe durch einen variablen Widerstand. Ein Transistor ist ein Folger und Schwankungen zwischen einzelnen Fototransistoren werden durch einen variablen Widerstand RA korrigiert. Daher wird die Schaltzeit des Fototransistors um RA geändert. Anwendung Schaltungen von Fotodioden In Kombination mit Infrarot-LEDs werden Fotodioden auf zwei Arten verwendet; digital, um die Existenz von Licht zu erkennen, und analog, um die Lichtmenge zu erkennen. Digitale Verwendung Da die Reaktionsgeschwindigkeit schnell ist, eignen sich Fotodioden für Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Da jedoch der Lichtstrom klein ist, ist es erforderlich, einen FET mit hoher Eingangsimpedanz wie in Abb. 3-3.1 (a) oder eine Schaltung mit hoher Verstärkung wie in Abb. 3-3.1 ( B). Um die Verstärkung zu erhöhen, wird ein Operationsverstärker verwendet. Wenn eine Hochgeschwindigkeitsantwort erforderlich ist, ist es notwendig, einen Verstärker für geeignete Hochgeschwindigkeitsanwendungen auszuwählen.
Abbildung 3-3.1 – Verstärkerschaltung der Phorodiode (digitale Verwendung)
Analoge Verwendung Beleuchtungsstärke und Fotostromeigenschaften von Fotodioden sind eher linear als die von Fototransistoren und Fotodioden können als ein Produkt angesehen werden, das in analogen Anwendungen leicht verwendet werden kann. Für diese Nutzungsart gibt es eine lineare Verstärkung und eine logarithmische Verstärkung.
Abbildung 3-3.2 – Verstärkerschaltungen der Fotodiode (analoge Verwendung)
Anwendungsschaltkreise von Fotosensoren des reflektierenden Typs Der Fotosensor des reflektierenden Typs ist in zwei Typen erhältlich; Fokustyp und Nichtfokustyp. Der richtige Typ sollte basierend auf der Anwendung ausgewählt werden. Wie aus den jeweiligen grundlegenden Erfassungspositionscharakteristiken, die in den Fign. 3-5.1 und 3-5.2 ist die Erfassungscharakteristik der Schwarz-Weiß-Grenzflächenposition des Fokustyps schärfer als die des Nichtfokustyps. Daher ist der Fokustyp dem Nichtfokustyp für Strichcode-Erfassungsanwendungen überlegen. Der kleine Nichtfokustyp ist jedoch für die Erkennung von Objekten effektiv.
Abbildung 3-5.1 – Beispiel für eine Erkennungspositionscharakteristik des Nicht-Fokus-Typs
Abbildung 3-5 – Basiserkennungsschaltung des Reflexions-Fotosensors
Da es für den Reflexions-Fotosensor erforderlich ist, die Existenz eines erkannten Objekts digital auszugeben, wird eine Komparatorschaltung an die nächste Ausgangsstufe des Reflexions-Fotosensors angeschlossen, wie in Abb. 3.5-4 gezeigt.
Abbildung 3-5.4 Anschlussschaltung des Reflexions-Fotosensors mit Komparator
Das Anwendungsdesign des Reflexions-Fotosensors ist schwieriger als der des Transmissions-Fotosensors, weil:
Reflexionsfaktoren von reflektierenden Substanzen sind unterschiedlich
Abstände von reflektierenden Stoffen sind leicht kontrollierbar
Sowohl die Lichtemissions- als auch die Lichtdetektionsoberfläche befinden sich auf derselben Ebene und sind anfällig für die Auswirkungen von externem Licht, und der Kriechstrom nimmt zu.
Daher kann gesagt werden, dass es besser ist, wenn möglich, einen Photosensor vom Transmissionstyp zu konstruieren.
