עקרון הפעולה של חיישנים אופטיים המעגל הבסיסי של חיישן אופטי מוצג באיור 2-2.1(א). האנודה של ה-LED מחוברת לקו החשמל VCC באמצעות הנגד RE והקתודה מוארקת. זרם קדימה IF זורם דרך LED ופולט אור אינפרא אדום שאינו נראה לעין. הקולט של טרנזיסטור צילום מחובר לקו החשמל VCC דרך הנגד RL והפולט מוארק. יתר על כן, האספן אמור להיות מחובר למסוף הקלט של קומפרטור או IC של השלב הבא. התקני פולטת וזיהוי אור מסודרים כפי שמוצג באיור 2-2.1(ב). כאשר לוחית חיתוך קלה, כלומר מטרה שתתגלה מגיעה בין הפולט לגלאי, טרנזיסטור הצילום נכבה והפוטנציאל בקולט עולה. מצד שני, כאשר הוא מוסר הטרנזיסטור נדלק ופוטנציאל האספן יורד. במילים אחרות, קיומו של חומר מזוהה ומומר לאות חשמלי מבלי ליצור איתו מגע. בדרך כלל, אות זה מוקלט למעגל עיבוד אותות עוקב של שלב הבא כדי לשלוט בפונקציות היקפיות שונות.
איור 2-2.1 - עקרון הפעולה של חיישן אופטי
נהלי עיצוב עבור מעגלי חיישן אופטיים ראשית, השג ערכים של RE ו-RL. באיור 2-2.1(א), כאשר מפל המתח קדימה של LED הוא VF, זרם IF הזורם ל-LED ניתן על ידי: (1) IF=(VCC-VF) / RE ויש צורך לספק (2) ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) מ-(1) ו-(2), RE ניתן על ידי הנוסחה הבאה: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) כפי שניתן להיות כפי שניתן לראות באיור 2-2.2, ככל שה-IF גדול יותר, כך ייווצר פלט אופטי יותר, ולכן, יש צורך לחשב IF (MIN) על ידי התחשבות בתנודת האובדן המותר של IF ו-IE לאחר החלטה על RE. ערך תקין של RL: השג את ערך הגבול העליון של RL באיור 2-2.1(ב), כאשר לוחית חיתוך אור נמצאת בפנים, זרם צילום חשמלי IL המופק מפליטת אור מה-LED אינו זורם לטרנזיסטור צילום אלא צילום דליפה הנוכחי IL' וזרם כהה, Id, זורם רק. הפוטנציאל של האספן VOH בשלב זה הוא: VOH=VCC – RL x (Id +IL') עם זאת, ההנחה היא שניתן להתעלם מזרם קלט/פלט אל/מן השלב הבא.
איור 2-2.2
מכיוון ש-ID עולה במהירות עם עליית טמפרטורת הסביבה כפי שמוצג באיור 2-1.5, בהנחה שמתח הכניסה ברמה הגבוהה של השלב הבא הוא VIH, יש צורך לעמוד בתנאים הבאים: VIH< voh="" ב-ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" לאחר="" מכן,="" השג="" את="" ערך="" הגבול="" התחתון="" של="" rl.="" כאשר="" לוח="" הניתוק="" האור="" אינו="" בפנים,="" האור="" נקלט="" על="" ידי="" טרנזיסטור="" הצילום="" וזרם="" האור="" il="" וה-id="" +="" il'="" המוזכר="" לעיל="" זורמים="" לטרנזיסטור="" הצילום.="" בדרך="" כלל,="" אלא="" אם="" כן:="" il="Id" +="" il'="" הופך="" להיות="" קשה="" להבחין="" בין="" קיומה="" של="" לוח="" ניתוק="" אור="" מנקודת="" המבט="" של="" יחס="" s/n,="" פוטנציאל="" הקולטור="" vol="" בזמן="" זה="" הוא="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" בהנחה="" שמתח="" הכניסה="" ברמה="" נמוכה="" לשלב="" הבא="" הוא="" vil'="" יש="" צורך="" לספק="" (5)="" vil=""> VOL נוסחאות (4) ו-(5) חייבות להיות מסופקות אפילו בערך הגבול התחתון של IL. ערך הגבול התחתון IL (MIN) הוא: IL (MIN) )=CTR (MIN) x Dt x DTa x Dn
איור 2-1.5
Dt: גורם פירוק CTR במהלך הפעולה (איור 2-1.7) DTa: שינוי טמפרטורת CTR (איור 2-1.6) Dn: שינוי CTR מאבק ולכלוך מנוסחאות (4) ו- (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + מזהה + IL') ככל שה-RL קטן יותר, כך זמן ההחלפה יתקצר. כיצד להשיג מאפייני צימוד של התקני פולטת וקליטת אור בהמשך, מאפייני הצימוד של התקני פולטת וזיהוי אור מחושבים כתכנון הראשוני כדי לראות אם הם ישימים. לאחר מכן, כשלב השני מוצגת שיטה לבדיקת פעולה בפועל וכו'. עיצוב ראשוני מאפייני צימוד של מוצר מייצג מוצגים באיורים 2-4.1 ~ 2-4.3. דיאגרמות אופייניות כאלה שונות במקצת בהתאם לשילוב של התקני פולטת אור וזיהוי. בדרך כלל, כאשר ד> 1 ס"מ או יותר בשיטת החישוב הבאה, ניתן לקבל מאפיינים אלו באופן גס מבלי לחקור אותם בנפרד.
(משמאל) איור 2-4.1 - מאפייני צימוד של TLN108 ו- TPS601A (ימין) איור 2-4.2 - מאפייני צימוד של TLN105B ו- TPS703
איור 2-4.3 - מאפייני צימוד של TLN107A ו- TPS608A
ראשית, קרא את עוצמת הקרינה IE (MIN) של התקן פולט אור וזרם האור IL (MIN) של התקן זיהוי אור בהתאם לתנאים המוצגים בגיליון הנתונים. מכיוון שעוצמת הקרינה IE (mW/sr) שווה ערך לשכיחות הקרינה EO (mW/cm2) המוקרנת על שטח של 1 cm2 במרחק 1 ס"מ, תקרית קרינה E (בפועל) הניתנת להשגה במרחק d cm מתקבלת על ידי הנוסחה הבאה: E (בפועל) ~ IE/d2 (mW/cm2) בהנחה ששכיחות הקרינה של התקן זיהוי אור בתנאי הרגישות לזיהוי האור היא E זרם האור IL (בפועל) במצב המצמד מתקבלת באופן הבא: IL (בפועל)=IL x(E (actual) / E) כאשר זרם האור המתקבל קטן מאוד וקשה לתכנן את מעגל השלב האחרון, הגדל את זרם DC קדימה IF של המכשיר פולט האור או הגדל את עוצמת הקרינה IE (mW/sr ) על ידי זרם דופק קדימה. כדוגמה בצע בדיקה בתנאים הבאים: פולט: IE(MIN)=1 mW/sr ב-IF=20 mA גלאי: IL(MIN)=20 μA ב-E=0.1 mW/cm2, VCE=3V מרחק בין פולט וגלאי: d=1.5 ס"מ E (בפועל) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1.52)=0.44 mW/cm2 (MIN) IL (בפועל) (MIN) ~ (E (בפועל) / E) x IL (MIN)=(0.44 / 0.1) x 20 μA=88 μA מכיוון ש-IL (בפועל)(MIN) הוא 88 μA, לא ניתן להניע TTL ישירות, אך ניתן לחבר IC C-MOS. לאחר מכן, בעוד שהעומס על מכשיר קולט אור נקבע בהתאם למתח האספקה, מהירות המעבר שלו תלויה מאוד בערך העומס ויש צורך לבדוק זאת מראש. מעגלי יישום של חיישני צילום מעגלים יישום של נוריות אינפרא אדום מכיוון שמוצא הכוח Po, של התקן אינפרא אדום תלוי בזרם ה-LED קדימה, IF, ניתן לטפל במצב ה-On-Off של הפלט באמצעות שליטה בזרם קדימה. כאן מוסברות שיטות תאורה מייצגות כגון תאורת DC וכו' ואמצעי זהירות לתכנון. מוצג באיור. 3-1.1 הוא המעגל הבסיסי לתאורה כאשר נעשה שימוש בכוח DC. IF במקרה זה מבוטא בנוסחה הבאה: IF=(VCC – VF) / R VCC : מתח אספקה VF : מתח קדימה של LED IF : זרם קדימה זורם למעגל תאורה LED PHO DC
(משמאל לימין) איור 3-1.1 - יחידת כונן DC איור 3-1.2 - מעגל כונן זרם קבוע איור 3-1.3 - מעגל כונן רב LED
מוצג באיור. 3-1.2 הוא מעגל המכסה את הווריאציות של VF של LED עם טרנזיסטור. IF במעגל זה מתבטא בנוסחה הבאה: IF=(VB – VBE) / R3 VB : מתח בסיס VBE : מתח בסיס לפולט R3 : התנגדות פולט יתרה מכך, ניתן להפחית את תלות הטמפרטורה של הפלט על ידי הגדרה נכונה VBE ו-VB במעגל זה. כאשר הספק המוצא אינו מספיק או שהמכשיר קולט האור ממוקם רחוק מדי, ניתן להשלים את המעגל באמצעות חיבור סדרתי או מקביל כפי שמוצג באיור 3-1.3. במקרה זה, IF=(VCC – nVF) / R (חיבור סדרתי) IF=(VCC – VF) / R (חיבור מקביל) נהיגת AC המוצגת באיור 3-1.4 הם המעגלים הבסיסיים לתאורת AC כמעט חצי גל . באופן כללי, ישנן שתי שיטות נהיגה. שניהם משתמשים בדיודה מגן כדי להגן על ה-LED ממתח הפוך. ב-(א), דיודה מגן זו היא מסוג מתח הפוך המתאים למתח האספקה VCC, וב-(ב), המתח האחורי של דיודה המגן צריך להיות בערך פי שניים מהמתח קדימה של נורית אינפרא אדום.
במעגל הנ"ל, נעשה שימוש ב-R קבוע המותאם למתח המדורג בהתאם למתח האספקה VCC. יתרה מכך, R נבחר כך שהוא מוגבל לערך מדורג של IF זרם קדימה של נורית אינפרא אדום בנקודה שבה מתח האספקה, VCC, הופך למקסימלי.
איור 3-1.4 - מעגל כונן AC
הנעת דופק ניתן להשיג יתרונות רבים כאשר האות האופטי משתנה לאור מאופנן דופק. הדברים הבאים נחשבים: כאשר יחס החובה של אות מאופנן דופק קטן, תפוקת האור המיידית של מכשיר פולט אור גדלה, האות האופטי מובחן מאור הסביבה ומובטח שיפור ביחס S/N. כאשר סוללה משמשת כמקור כוח, ניתן להפחית את צריכת החשמל של מכשיר ולכן, חיי השירות של הסוללה מתארכים. צימוד RC עם השלב הבא בקטע קליטת האור הופך לאפשרי וניתן למנוע את ההשפעות של עליות זרם כהה הנובעות מעליית טמפרטורה. מערכת הנעת דופק זו מתוכננת בשילוב עם TTL או C-MOS ו- Tr וכו'. במעגל המוצג באיור 3-1.5, יש צורך לשים לב למאפיינים החשמליים של IOL של מכשיר TTL או C-MOS מכיוון שלא ניתן להפעיל זרמים גדולים מדי כדי לספק את IF< iol.="" כדי="" להפעיל="" זרם="" גבוה="" יותר,="" יש="" צורך="" להשתמש="" ב-buffer="" ic="" עם="" קיבולת="" זרם="" פלט="" גבוה="" כפי="" שמוצג="" באיור.="" 3-1.6="" או="" להתקין="" טרנזיסטור="" חיצוני.="" iol="" ו-vol="" האופייניים="" ל-ttl,="" c-mos="" ו-buffer="" ic="" מוצגים="">
איור 3-1.5
מעגלים יישום של טרנזיסטורי צילום מעגל בסיסי מעגל בסיסי עבור טרנזיסטור צילום מוצג באיור 3-2.1 התנגדות העומס RL נבחרת על ידי התחשבות בטמפרטורת הזרם הכהה האופיינית לטרנזיסטור הצילום. אם RL גדול מדי, טרנזיסטור צילום עשוי להיות מופעל רק על ידי זרם כהה בטמפרטורה גבוהה. לדוגמה, כאשר צילום טרנזיסטור TPS601A מופעל ב-Ta=100°C, זרם כהה עשוי להפוך לכ-100 מיקרומטר. כאשר RL מוגדר ל-50 קילוואט ב-VCC=5V, TPS601A מופנה לחלוטין למצב ON על ידי העלייה בזרם החשוך.
איור 3-2.1 - מעגל בסיסי של טרנזיסטור צילום
מעגל הטיה של טרנזיסטור צילום עם מסוף בסיס ההשפעות של נגד RBE מבסיס לפליט על זרם כהה כמו גם על זרם אור מוצגות באיור 3-2.2 (א) ו-(ב). בדרך כלל, זרם הכהה של טרנזיסטור צילום קטן עד כמה nA בטמפרטורה רגילה וניתן להפחית את זרם הכהה עוד יותר על ידי הכנסת נגד RBE בין הבסיס והפולט כדי לעקוף את זרם הדליפה דרך הקולט לנקודת החיבור של הבסיס. אם ה-RBE קטן מדי, ה-hFE הנראה של טרנזיסטור צילום מצטמצם ולא ניתן להשיג את זרם האור הנדרש IL, לכן מתאים RBE של יותר מ-1 MW.
איור 3-2.2 (א) – ירידה בזרם כהה על ידי RBE / איור 3-2.2 (ב) – שינוי זרם האור על ידי RBE
יתר על כן, ניתן להגדיר את נקודת הפעולה של טרנזיסטור צילום ברמה נאותה על ידי שימוש במסוף הבסיס. הליניאריות של מאפייני זרם תאורה-אור במקרה זה שופרה במידה ניכרת בהשוואה למקרה בו זרם הטיית הבסיס הוא אפס. בנוסף, קיימת שיטת הטיה מסוג דימום המוצגת באיור 3-2.4, אשר משפרת את היציבות התרמית בנקודת ההפעלה DC באופן ניסיוני, 2 ~ 10 MW נחשב לנכון עבור ערך של RB. זה נועד להפעיל כמעט את כל זרם האור IL של פוטודיודה בנקודות החיבור של האספן והבסיס לבסיס של טרנזיסטור צילום על ידי העלאת עכבה בבסיס.
איור 3-2.4 (ב) - שיטת הטיה מסוג Bleeder
מעגל פיצוי טמפרטורה לזרם האור IL וזרם כהה Id של טרנזיסטור צילום יש מקדם טמפרטורה חיובי. במיוחד, זרם כהה גדל באופן אקספוננציאלי כפי שמוצג בדפי הנתונים הטכניים הבודדים. לכן, כדי להשיג פעולה יציבה בטמפרטורות סביבה של 50 ~ 60 מעלות צלזיוס, יש צורך בפיצוי טמפרטורה עבור זרם כהה וזרם צילום חשמלי של טרנזיסטור צילום. המעגל המוצג באיור 3-2.5, משתמש במקדם טמפרטורה שלילי שנשמר על ידי המתח קדימה VF של דיודה. כאשר נעשה שימוש בטרנזיסטור צילום שאין לו מסוף בסיס, שיטה לפיצוי על מתח המוצא תהיה הפחתת התנגדות העומס של טרנזיסטור הצילום באמצעות תרמיסטור כפי שמוצג באיור 3-2.6.
איור 3-2.5 - מעגל פיצוי טמפרטורה באמצעות דיודת התנגדות
איור 3-2.6 - מעגל פיצוי טמפרטורה באמצעות תרמיסטר
מעגל מגבר בסיסי המוצג באיור 3-2.7 (א) הוא חיבור דרלינגטון באמצעות טרנזיסטור NPN ואיור 3-2.7 (ב) הוא חיבור דרלינגטון המשתמש בטרנזיסטור PNP. בשני המעגלים, זרם האור גדל בזמני hFE וזרם הפלט IC הופך ל-hFE. IL
איור 3-2.7 - מעגל מגבר לטרנזיסטור צילום
איור 3-2.8 מציג דוגמאות של מעגלים בסיסיים המשתמשים בהגברה על ידי מגבר תפעולי.
איור 3-2.8 - מעגל מגבר עם תרמיסטר תפעולי
שיפור מהירות המיתוג כאשר הגברת המתח מוגברת על ידי הגדלת עכבת העומס מכיוון שזרם האור של טרנזיסטור צילום קטן, מאפיין מהירות המיתוג עשוי להיות מוקרב כאפקט הפוך. כתרופה, ישנן שיטות להשיג מאפייני מהירות מיתוג שאינם תלויים יחסית בגודל העומס על ידי המרת עכבה באמצעות מעגלים מבוססי טרנזיסטור PNP (איור 3-2.9 (א)) או חיבור מדורג של טרנזיסטור NPN (איור 3- 2.9 (ב)). שיטות הבדיקה ניתנות ליישום במעגל זיהוי אור מאופנן דופק במהירות גבוהה עבור מתג צילום חשמלי/קורא קלטות במהירות גבוהה.
איור 3-2.9 - דוגמאות לשיפור מאפייני תדר
שימוש אנלוגי צילום טרנזיסטורי צילום מספקים רגישות גבוהה יותר מדיודות צילום מכיוון שהם מצוידים בפונקציית הגברה פנימית; עם זאת, הרגישות משתנה באופן משמעותי בהתאם להבדל בגורמי ההגברה. לכן, יש צורך להשתמש בנגד משתנה כדי לתקן את הרגישות או לרכוש מוצר שנבחר מראש עבור דירוג רגישות ספציפי.
איור 3-2.14
מוצג באיור 3-2.14 (א) הוא מעגל השולט בזרם של מגבר טרנזיסטור. זרם האספן של טרנזיסטור צילום שולט בבסיסו של הטרנזיסטור בשלב הבא, שהפולט שלו מקורקע. תנודות ברגישות טרנזיסטור הצילום נשלטת על ידי נגד משוב RE במעגל הפולט. באיור 3-2.14 (ב) מוצג מעגל השולט על המתח של מגבר טרנזיסטור. זרם הקולטור של טרנזיסטור צילום יוצר מתח לשליטה בטרנזיסטור בשלב אחרון על ידי נגד משתנה. טרנזיסטור הוא עוקב ותנודות בין טרנזיסטורי צילום בודדים מתוקנות על ידי נגד משתנה RA. לכן, זמן המעבר של טרנזיסטור צילום משתנה על ידי RA. מעגלי יישום של דיודות צילום בשילוב עם נוריות אינפרא אדום, דיודות צילום משמשות בשתי דרכים; דיגיטלית כדי לזהות את קיומו של אור ואנלוגית כדי לזהות את כמות האור. שימוש דיגיטלי מכיוון שמהירות התגובה מהירה, דיודות צילום מתאימות למעבר במהירות גבוהה. אולם מצד שני, מכיוון שזרם האור קטן, יש צורך להשתמש ב-FET עם עכבת כניסה גבוהה כפי שמוצג באיור 3-3.1 (א) או במעגל עם הגברה גבוהה כפי שמוצג באיור 3-3.1 ( ב). כדי להעלות הגברה, נעשה שימוש במגבר תפעולי. כאשר נדרשת תגובה במהירות גבוהה, יש צורך לבחור מגבר עבור יישומים מתאימים במהירות גבוהה.
איור 3-3.1 - מעגל מגבר של דיודת פורו (שימוש דיגיטלי)
שימוש אנלוגי מאפייני הארה וזרם צילום של דיודות צילום קרובים יותר ללינאריות מאלו של טרנזיסטורי צילום ודיודות צילום, ניתן לומר שהם מוצר המשמש בקלות ביישומים אנלוגיים. עבור סוג זה של שימוש, יש הגברה לינארית והגברה לוגריתמית.
איור 3-3.2 - מעגלי מגבר של דיודה צילום (שימוש אנלוגי)
מעגלי יישום של חיישני צילום מסוג רפלקטיבי חיישן צילום מסוג רפלקטיבי זמין בשני סוגים; סוג מיקוד וסוג שאינו פוקוס. יש לבחור את הסוג המתאים בהתאם ליישום. כפי שניתן לראות ממאפייני מיקום הזיהוי הבסיסיים המוצגים באיורים. 3-5.1 ו-3-5.2, זיהוי מיקום משטח הגבול בשחור ולבן המאפיין את סוג הפוקוס חד יותר מזה של הסוג ללא מיקוד. לכן, סוג הפוקוס עדיף על הסוג הלא-פוקוס עבור יישומי זיהוי ברקוד. עם זאת, הסוג הקטן שאינו ממוקד יעיל לזיהוי עצמים.
איור 3-5.1 - דוגמה למאפיין מיקום זיהוי לא-מיקוד
איור 3-5 - מעגל זיהוי בסיסי של חיישן צילום מסוג השתקפות
מכיוון שיש צורך שסוג ההשתקפות של חיישן הצילום יוציא באופן דיגיטלי את קיומו של אובייקט שזוהה, מעגל השוואה מחובר בשלב הפלט הבא של חיישן הצילום מסוג השתקפות כפי שמוצג באיור 3.5-4.
איור 3-5.4 מעגל חיבור של חיישן צילום מסוג השתקפות עם משווה
עיצוב יישום של חיישן צילום מסוג השתקפות קשה יותר מחיישן צילום מסוג שידור מכיוון:
גורמי השתקפות של חומרים מחזירים שונים זה מזה
מרחקים של חומרים מחזירי אור ניתנים לשליטה בקלות
גם משטחים פולטי אור וגם משטחים מזהים נמצאים על אותו מישור ורגישים להשפעות של אור חיצוני, וזרם הדליפה עולה.
לכן, ניתן לומר שעדיף לתכנן חיישן צילום מסוג שידור במידת האפשר.
