Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang Mạch cơ bản của cảm biến quang được thể hiện trong hình 2-2.1 (a). Cực dương của đèn LED được nối với đường dây nguồn VCC qua điện trở RE và cực âm được nối đất. Dòng chuyển tiếp IF chạy qua đèn LED và phát ra ánh sáng hồng ngoại mà mắt thường không nhìn thấy được. Bộ thu của bóng bán dẫn quang được kết nối với đường dây nguồn VCC qua điện trở RL và bộ phát được nối đất. Hơn nữa, bộ thu phải được kết nối với đầu vào đầu vào của bộ so sánh hoặc IC của giai đoạn tiếp theo. Các thiết bị phát sáng và phát hiện được bố trí như hình 2-2.1 (b). Khi một tấm cắt ánh sáng, tức là, một mục tiêu được phát hiện nằm giữa bộ phát và bộ dò, bóng bán dẫn quang sẽ tắt và điện thế tại bộ thu tăng lên. Mặt khác, khi nó được tháo ra, bóng bán dẫn sẽ bật và điện thế bộ thu giảm xuống. Nói cách khác, sự tồn tại của một chất được phát hiện và chuyển đổi thành tín hiệu điện mà không cần tiếp xúc với nó. Thông thường, tín hiệu này được đưa vào mạch xử lý tín hiệu tiếp theo của giai đoạn tiếp theo để điều khiển các chức năng ngoại vi khác nhau.
Hình 2-2.1 - Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang
Quy trình thiết kế mạch cảm biến quang Trước tiên, hãy lấy các giá trị RE và RL. Trong hình 2-2.1 (a), khi điện áp giảm phía trước của đèn LED là VF, dòng điện IF chạy đến đèn LED được cho bởi: (1) IF=(VCC-VF) / RE và cần phải thỏa mãn (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) Từ (1) và (2), RE được cho bởi công thức sau: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Có thể Hình 2-2.2, IF càng lớn thì IE sẽ tạo ra đầu ra quang càng nhiều và do đó, cần phải tính IF (MIN) bằng cách xem xét sự dao động của tổn thất cho phép của IF và IE sau khi quyết định RE. Giá trị thích hợp của RL: Lấy giá trị giới hạn trên của RL Trong hình 2-2.1 (b), khi tấm cắt ánh sáng ở bên trong, dòng điện quang IL được tạo ra bởi phát xạ ánh sáng từ đèn LED không chạy đến bóng bán dẫn quang mà rò rỉ ảnh dòng điện IL 'và dòng điện tối, Id, chỉ chạy. Tiềm năng của bộ thu VOH tại thời điểm này là: VOH=VCC - RL x (Id + IL ') Tuy nhiên, giả định rằng dòng điện đầu vào / đầu ra đến / từ giai đoạn tiếp theo có thể được bỏ qua.
Hình 2-2.2
Do Id tăng nhanh cùng với sự tăng nhiệt độ môi trường như hình 2-1.5, giả sử điện áp đầu vào mức cao của giai đoạn tiếp theo là VIH, cần phải thỏa mãn các điều kiện sau: VIH< voh="" tại="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" -="" vih)="" (id="" +="" il="" sau="" đó,="" thu="" được="" giá="" trị="" giới="" hạn="" dưới="" của="" rl.="" khi="" tấm="" cắt="" ánh="" sáng="" không="" ở="" bên="" trong,="" ánh="" sáng="" được="" tiếp="" nhận="" bởi="" bóng="" bán="" dẫn="" quang="" và="" dòng="" ánh="" sáng="" il="" và="" dòng="" id="" +="" il="" 'được="" đề="" cập="" ở="" trên="" đến="" bóng="" bán="" dẫn="" quang.="" thông="" thường,="" trừ="" khi:="" il="Id" +="" il',="" rất="" khó="" để="" phân="" biệt="" sự="" tồn="" tại="" của="" tấm="" cắt="" ánh="" sáng="" từ="" quan="" điểm="" của="" tỷ="" lệ="" s="" n,="" điện="" thế="" thu="" vol="" tại="" thời="" điểm="" này="" là="" (4)="" vol="VCC" -="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il="" ')="" giả="" sử="" rằng="" điện="" áp="" đầu="" vào="" mức="" thấp="" cho="" giai="" đoạn="" tiếp="" theo="" là="" vil="" 'cần="" phải="" thỏa="" mãn="" (5)="" vil=""> VOL Công thức (4) và (5) phải được thỏa mãn ngay cả ở giá trị giới hạn dưới của IL. Giá trị giới hạn dưới IL (MIN) là: IL (MIN )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
Hình 2-1.5
Dt: Hệ số suy giảm CTR trong quá trình vận hành (Hình 2-1.7) DTa: Độ biến thiên nhiệt độ của CTR (Hình 2-1.6) Dn: Sự biến thiên của CTR do bụi bẩn Từ công thức (4) và (5), RL=(VCC - VIL ) / (IL (MIN) + Id + IL ') RL càng nhỏ thì thời gian chuyển đổi càng ngắn. LÀM THẾ NÀO ĐỂ CÓ CÁC ĐẶC ĐIỂM KHỐI NỐI CỦA THIẾT BỊ PHÁT VÀ NHẬN ÁNH SÁNG Trong phần sau, các đặc tính ghép nối của các thiết bị phát và phát hiện ánh sáng được tính toán như thiết kế ban đầu để xem chúng có thể áp dụng được hay không. Sau đó, như bước thứ hai, một phương pháp để kiểm tra hoạt động thực tế, v.v. được trình bày. Thiết kế ban đầu Đặc điểm khớp nối của sản phẩm đại diện được thể hiện trong Hình 2-4.1 ~ 2-4.3. Các sơ đồ đặc trưng như vậy có phần khác nhau tùy thuộc vào sự kết hợp của các thiết bị phát hiện và phát hiện ánh sáng. Nói chung, khi d> Từ 1 cm trở lên trong phương pháp tính toán sau đây, các đặc điểm này có thể thu được một cách đại khái mà không cần điều tra riêng lẻ.
(trái) Hình 2-4.1 - Đặc tính khớp nối của TLN108 và TPS601A (phải) Hình 2-4.2 - Đặc tính khớp nối của TLN105B và TPS703
Hình 2-4.3 - Đặc điểm khớp nối của TLN107A và TPS608A
Đầu tiên, đọc cường độ bức xạ IE (MIN) của thiết bị phát sáng và cường độ ánh sáng IL (MIN) của thiết bị phát hiện ánh sáng theo các điều kiện được hiển thị trong bảng dữ liệu. Khi cường độ bức xạ IE (mW / sr) tương đương với bức xạ tới EO (mW / cm2) bức xạ trên diện tích 1 cm2 ở khoảng cách 1 cm, bức xạ tới E (thực tế) thu được ở khoảng cách d cm nhận được theo công thức sau: E (Thực tế) ~ IE / d2 (mW / cm2) Giả sử rằng tỷ lệ bức xạ của thiết bị phát hiện ánh sáng tại các điều kiện độ nhạy phát hiện ánh sáng là E dòng điện IL (thực tế) ở trạng thái kết hợp thu được như sau: IL (thực tế)=IL x (E (thực tế) / E) Khi dòng điện ánh sáng nhận được rất nhỏ và khó thiết kế mạch giai đoạn sau, hãy tăng dòng điện thuận DC IF của thiết bị phát sáng hoặc tăng cường độ bức xạ IE (mW / sr ) bằng dòng chuyển tiếp xung. Ví dụ, hãy kiểm tra trong các điều kiện sau: Bộ phát: IE (MIN)=1 mW / sr tại IF=20 mA Bộ phát hiện: IL (MIN)=20 μA tại E=0,1 mW / cm2, VCE=3V Khoảng cách giữa bộ phát và Máy dò: d=1,5 cm E (thực tế) (MIN)=IE / d2=1 x (1 / 1,52)=0,44 mW / cm2 (MIN) IL (thực tế) (MIN) ~ (E (thực tế) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 μA=88 μA Vì IL (thực tế) (MIN) là 88 μA, không thể điều khiển TTL trực tiếp, nhưng có thể kết nối IC C-MOS. Sau đó, trong khi tải trên thiết bị nhận ánh sáng được quyết định theo điện áp cung cấp, tốc độ chuyển đổi của nó phụ thuộc nhiều vào giá trị tải và cần phải kiểm tra trước. Mạch ứng dụng của cảm biến ảnh Mạch ứng dụng của đèn LED hồng ngoại Vì công suất đầu ra Po, của thiết bị hồng ngoại phụ thuộc vào dòng chuyển tiếp của đèn LED, IF, trạng thái Bật-Tắt của đầu ra có thể được giải quyết thông qua điều khiển dòng chuyển tiếp. Các phương pháp chiếu sáng đại diện như chiếu sáng DC, v.v. và các biện pháp phòng ngừa khi thiết kế được giải thích ở đây. Hình 3-1.1 là mạch cơ bản để chiếu sáng khi sử dụng nguồn DC. IF trong trường hợp này được biểu thị bằng công thức sau: IF=(VCC - VF) / R VCC: Điện áp cung cấp VF: Điện áp chuyển tiếp của LED IF: Dòng chuyển tiếp chạy tới Mạch chiếu sáng LED PHO DC
(Trái sang phải) Hình 3-1.1 - Bộ truyền động DC Hình 3-1.2 - Mạch điều khiển dòng điện không đổi Hình 3-1.3 - Mạch điều khiển nhiều LED
Hình 3-1.2 là một mạch bao gồm các biến thể của VF của đèn LED có bóng bán dẫn. IF trong mạch này được biểu thị bằng công thức sau: IF=(VB - VBE) / R3 VB: Điện áp cơ sở VBE: Điện áp cơ sở đến máy phát R3: Điện trở máy phát Hơn nữa, có thể giảm sự phụ thuộc nhiệt độ của đầu ra bằng cách cài đặt đúng VBE và VB trong mạch này. Khi công suất đầu ra không đủ hoặc thiết bị nhận ánh sáng được đặt quá xa, có thể hoàn thành mạch thông qua kết nối nối tiếp hoặc song song như trong Hình 3-1.3. Trong trường hợp này, IF=(VCC - nVF) / R (kết nối nối tiếp) IF=(VCC - VF) / R (kết nối song song) Điều khiển AC Hình 3-1.4 là các mạch cơ bản cho chiếu sáng xoay chiều gần nửa sóng . Nói chung, có hai phương pháp lái xe. Cả hai đều sử dụng một diode bảo vệ để bảo vệ đèn LED khỏi điện áp ngược. Trong (a), điốt bảo vệ này là loại điện áp ngược tương ứng với điện áp cung cấp VCC, và trong (b), điện áp ngược của điốt bảo vệ phải bằng khoảng hai lần điện áp thuận của đèn LED hồng ngoại.
Trong mạch trên, R không đổi phù hợp với điện áp định mức được sử dụng theo điện áp nguồn VCC. Hơn nữa, R được chọn để nó được giới hạn ở giá trị danh định của dòng điện thuận IF của đèn LED hồng ngoại tại điểm mà điện áp nguồn, VCC, trở nên cực đại.
Hình 3-1.4 - Mạch truyền động xoay chiều
Điều khiển xung Nhiều ưu điểm có được khi tín hiệu quang được thay đổi thành ánh sáng điều chế xung. Các yếu tố sau được xem xét: Khi tỷ lệ làm việc của tín hiệu điều chế xung nhỏ, công suất phát sáng tức thời của thiết bị phát sáng tăng lên, tín hiệu quang được phân biệt với ánh sáng xung quanh và đảm bảo cải thiện tỷ lệ S / N. Khi pin được sử dụng làm nguồn điện, mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị có thể giảm xuống và do đó, tuổi thọ của pin được kéo dài. Có thể ghép nối RC với giai đoạn tiếp theo trong phần nhận ánh sáng và có thể tránh được ảnh hưởng của sự gia tăng dòng điện tối do tăng nhiệt độ. Hệ thống dẫn động xung này được thiết kế kết hợp với TTL hoặc C-MOS và Tr, v.v ... Trong mạch như hình 3-1.5, cần chú ý đến các đặc tính điện của IOL của thiết bị TTL hoặc C-MOS. vì dòng điện quá lớn không thể được áp dụng để thỏa mãn IF< iol.="" để="" áp="" dụng="" một="" dòng="" điện="" cao="" hơn,="" cần="" phải="" sử="" dụng="" một="" ic="" đệm="" có="" công="" suất="" dòng="" điện="" đầu="" ra="" cao="" như="" trong="" hình="" 3-1.6="" hoặc="" để="" lắp="" đặt="" một="" bóng="" bán="" dẫn="" bên="" ngoài.="" iol="" và="" đặc="" tính="" vol="" của="" ttl,="" c-mos="" và="" ic="" đệm="" được="" hiển="" thị="" để="" tham="">
Hình 3-1.5
Mạch ứng dụng của bóng bán dẫn quang Mạch cơ bản Mạch cơ bản cho bóng bán dẫn quang được thể hiện trong Hình 3-2.1 Điện trở tải RL được chọn bằng cách xem xét đặc tính nhiệt độ dòng điện tối của bóng bán dẫn quang. Nếu RL quá lớn, bóng bán dẫn quang chỉ có thể được BẬT bởi dòng điện tối ở nhiệt độ cao. Ví dụ, khi Photo Transistor TPS601A hoạt động ở Ta=100 ° C, dòng điện tối có thể trở thành khoảng 100 μA. Khi RL được đặt ở mức 50 kW tại VCC=5V, TPS601A được chuyển hoàn toàn sang trạng thái BẬT do sự gia tăng của dòng điện tối.
Hình 3-2.1 - Mạch cơ bản của bóng bán dẫn quang
Mạch phân cực của bóng bán dẫn quang có đầu nối cơ sở Các tác động của giá trị gốc đến điện trở phát RBE đối với dòng điện tối cũng như dòng điện sáng được thể hiện trong Hình 3-2.2 (a) và (b). Thông thường, dòng điện tối của bóng bán dẫn quang nhỏ bằng vài nA ở nhiệt độ bình thường và có thể giảm dòng điện tối hơn nữa bằng cách chèn một điện trở RBE giữa đế và bộ phát để bỏ qua dòng điện rò qua bộ góp đến điểm tiếp giáp cơ sở. Nếu RBE được tạo quá nhỏ, hFE biểu kiến của bóng bán dẫn quang bị giảm và không thể thu được dòng ánh sáng yêu cầu IL, do đó, RBE lớn hơn 1 MW là thích hợp.
Hình 3-2.2 (a) - Giảm dòng tối bằng RBE / Hình 3-2.2 (b) - Thay đổi dòng sáng bằng RBE
Hơn nữa, có thể đặt điểm hoạt động của bóng bán dẫn quang ở mức thích hợp bằng cách sử dụng thiết bị đầu cuối cơ sở. Tính tuyến tính của các đặc tính dòng điện chiếu sáng trong trường hợp này đã được cải thiện đáng kể khi so sánh với trường hợp dòng điện phân cực cơ bản bằng 0. Ngoài ra, có một phương pháp phân cực kiểu bleeder được thể hiện trong hình 3-2.4, giúp cải thiện độ ổn định nhiệt tại điểm hoạt động DC theo thực nghiệm, 2 ~ 10 MW được coi là phù hợp với giá trị của RB. Điều này là để áp dụng hầu hết tất cả dòng ánh sáng IL của một điốt quang tại các điểm tiếp giáp bộ thu và đế vào đế của bóng bán dẫn quang bằng cách tăng trở kháng ở chân đế.
Hình 3-2.4 (b) - Phương pháp định vị kiểu Bleeder
Mạch bù nhiệt độ Dòng điện sáng IL và dòng điện tối Id của một bóng bán dẫn quang có hệ số nhiệt độ dương. Đặc biệt, dòng điện tối tăng theo cấp số nhân được thể hiện trong các bảng thông số kỹ thuật riêng lẻ. Do đó, để có được hoạt động ổn định ở nhiệt độ môi trường 50 ~ 60 ° C, việc bù nhiệt độ cho dòng điện tối và dòng điện quang của bóng bán dẫn quang trở nên cần thiết. Mạch hiển thị trong hình 3-2.5, sử dụng hệ số nhiệt độ âm được giữ lại bởi điện áp thuận VF của một diode. Khi sử dụng bóng bán dẫn quang không có cực cơ sở, một phương pháp để bù cho điện áp đầu ra sẽ là giảm điện trở tải của bóng bán dẫn quang bằng cách sử dụng một điện trở nhiệt như trong Hình 3-2.6.
Hình 3-2.5 - Mạch bù nhiệt độ sử dụng diode điện trở
Hình 3-2.6 - Mạch bù nhiệt độ sử dụng thermister
Mạch Khuếch đại Cơ bản Hình 3-2.7 (a) là kết nối Darlington sử dụng bóng bán dẫn NPN và Hình 3-2.7 (b) là kết nối Darlington sử dụng bóng bán dẫn PNP. Trong cả hai mạch, dòng điện ánh sáng được tăng lên lần hFE và dòng điện ngõ ra IC trở thành hFE. IL
Hình 3-2.7 - Mạch khuếch đại cho bóng bán dẫn quang
Hình 3-2.8 cho thấy các ví dụ về các mạch cơ bản sử dụng bộ khuếch đại bằng bộ khuếch đại hoạt động.
Hình 3-2.8 - Mạch khuếch đại có lò sưởi hoạt động
Cải thiện tốc độ chuyển mạch Khi khuếch đại điện áp tăng lên bằng cách tăng trở kháng tải khi dòng điện của bóng bán dẫn quang nhỏ, đặc tính tốc độ chuyển mạch có thể bị hy sinh như một hiệu ứng ngược. Để khắc phục, có các phương pháp để có được các đặc tính tốc độ chuyển mạch tương đối độc lập với kích thước của tải bằng cách chuyển đổi trở kháng thông qua các mạch dựa trên bóng bán dẫn PNP (Hình 3-2.9 (a)) hoặc kết nối tầng của bóng bán dẫn NPN (Hình 3) 2,9 (b)). Các phương pháp thử nghiệm có thể áp dụng cho mạch phát hiện ánh sáng điều chế xung tốc độ cao dùng cho công tắc điện quang / đầu đọc băng tốc độ cao.
Hình 3-2.9 - Các ví dụ về cải thiện đặc tính tần số
Sử dụng tương tự Bóng bán dẫn ảnh cung cấp độ nhạy cao hơn điốt quang vì chúng được trang bị chức năng khuếch đại bên trong; tuy nhiên, độ nhạy dao động đáng kể tùy thuộc vào sự khác biệt trong các hệ số khuếch đại. Do đó, cần phải sử dụng một biến trở để hiệu chỉnh độ nhạy hoặc mua một sản phẩm được chọn trước để đánh giá độ nhạy cụ thể.
Hình 3-2.14
Hình 3-2.14 (a) là một mạch điều khiển dòng điện của bộ khuếch đại bóng bán dẫn. Dòng điện thu của bóng bán dẫn quang điều khiển chân đế của bóng bán dẫn giai đoạn tiếp theo mà bộ phát được nối đất. Sự dao động trong độ nhạy của bóng bán dẫn quang được điều khiển bởi điện trở phản hồi RE trong mạch phát. Hình 3-2.14 (b) là một mạch điều khiển điện áp của bộ khuếch đại bóng bán dẫn. Dòng điện thu của bóng bán dẫn quang tạo ra điện áp để điều khiển bóng bán dẫn giai đoạn sau bằng một biến trở. Một bóng bán dẫn là bộ nối tiếp và sự dao động giữa các bóng bán dẫn hình ảnh riêng lẻ được hiệu chỉnh bằng một biến trở RA. Do đó, thời gian chuyển mạch của bóng bán dẫn quang bị thay đổi bởi RA. Mạch ứng dụng của điốt quang Kết hợp với đèn LED hồng ngoại, điốt quang được sử dụng theo hai cách; kỹ thuật số để phát hiện sự tồn tại của ánh sáng và tương tự để phát hiện lượng ánh sáng. Sử dụng kỹ thuật số Vì tốc độ phản hồi nhanh, điốt ảnh thích hợp cho chuyển mạch tốc độ cao. Tuy nhiên, mặt khác, do dòng điện nhẹ nên cần sử dụng FET có trở kháng đầu vào cao như trong Hình 3-3.1 (a) hoặc mạch có độ khuếch đại cao như trong Hình 3-3.1 ( b). Để nâng cao độ khuếch đại, một bộ khuếch đại hoạt động được sử dụng. Khi cần đáp ứng tốc độ cao, cần chọn bộ khuếch đại cho các ứng dụng tốc độ cao thích hợp.
Hình 3-3.1 - Mạch khuếch đại của phoro diode (sử dụng kỹ thuật số)
Sử dụng tương tự Đặc điểm độ sáng và dòng điện quang của điốt quang gần với tuyến tính hơn so với của bóng bán dẫn quang và có thể nói điốt quang là một sản phẩm dễ sử dụng trong các ứng dụng tương tự. Đối với kiểu sử dụng này, có khuếch đại tuyến tính và khuếch đại logarit.
Hình 3-3.2 - Các mạch khuếch đại của diode quang (sử dụng tương tự)
Mạch Ứng Dụng Của Cảm Biến Ảnh Loại Phản Quang Cảm biến ảnh loại phản xạ có hai loại; loại lấy nét và loại không lấy nét. Loại thích hợp nên được chọn dựa trên ứng dụng. Như có thể thấy từ các đặc điểm vị trí phát hiện cơ bản tương ứng được thể hiện trong Hình. 3-5.1 và 3-5.2, đặc tính phát hiện vị trí bề mặt ranh giới trắng và đen của loại lấy nét là sắc nét hơn so với loại không lấy nét. Do đó, loại lấy nét ưu việt hơn loại không lấy nét cho các ứng dụng phát hiện mã vạch. Tuy nhiên, loại không lấy nét nhỏ có hiệu quả trong việc phát hiện các đối tượng.
Hình 3-5.1 - Ví dụ về đặc tính vị trí phát hiện kiểu không lấy nét
Hình 3-5 - Mạch phát hiện cơ bản của cảm biến ảnh kiểu phản xạ
Vì cần thiết để loại phản xạ của cảm biến ảnh xuất ra kỹ thuật số sự tồn tại của đối tượng được phát hiện, một mạch so sánh được kết nối ở giai đoạn đầu ra tiếp theo của cảm biến ảnh loại phản xạ như trong Hình 3.5-4.
Hình 3-5.4 Mạch kết nối của cảm biến ảnh loại phản xạ với bộ so sánh
Thiết kế ứng dụng của cảm biến ảnh loại phản xạ khó hơn cảm biến ảnh loại truyền dẫn vì:
Các yếu tố phản ánh của các chất phản ánh khác xa nhau
Khoảng cách của các chất phản xạ có thể dễ dàng kiểm soát
Cả hai bề mặt phát sáng và phát hiện đều nằm trên cùng một mặt phẳng và dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng bên ngoài, và dòng điện rò rỉ tăng lên.
Do đó, có thể nói tốt hơn là nên thiết kế cảm biến ảnh kiểu truyền dẫn nếu có thể.
