设计篇II:受光元件侧的设计
为了更好地使用微型光电传感器,在此就设计方法进行详细说明。
受光元件侧的设计分为光电晶体管和光电IC共2大类。
光电晶体管时
受光元件的特性
图7. 测定回路
作为受光元件其重要特性是:有光线进入时和无光线进入时的变化。图7表示向LED接通一定正向电流 IF时,测定光电晶体管中电流情况的回路范例。此处的理想环境条件为周围黑暗(0lx)。
首先,在无正向电流 IF流动(=未入光)的状态下,电流表的显示为数nA(nA=10-9A)。这是光电晶体管自身的漏电流,被称为暗电流 ID。这种状态下,即使使用不透明物体对来自LED的光进行遮光也是同样结果。
接着,从流动正向电流 IF的状态来看,电流表的显示为数mA(mA=10-3A),此电流被称为 IL。如右侧所示,这2种电流的对比结果存在106倍的差值。因此,如果利用这个电流(电平)差,即可执行各种物体的检测。
- 遮住射向光电晶体管的光时 … 暗电流 ID: 10-9A
- 向光电晶体管照射光线时 … 光电流 IL: 10-3A
而在实际使用时,由于黑暗环境较少且存在环境光线,所以暗电流 ID附加的电流会在遮光时流动。
图8. 暗电流的温度依赖性(代表范例)
EE-SX1081型
其次是光电流 IL,若将温度依赖性看作受光元件,光电流 IL将随着温度的上升不断增加,但若看作微型光电传感器的输出元件,随着温度的变化,LED发光输出与光电晶体管光电流将呈现图9所示的依赖性,因此微型光电传感器光电流 IIL会相互抵消,呈现相对较小的输出变化(依赖性)。
图10表示EE-SX1081型的光电流 IL的温度依赖性。
依赖性的趋势(右上升曲线,左上升曲线,山形曲线…)尚不确定,火博体育|中国有限公司目录中的记载仅为代表范例。依赖性趋势的不确定也说明进行温度补偿及温度校正的困难。
图9. 发光/受光元件输出的温度依赖性
(代表范例)
图10. 光电流的温度依赖性(代表范例)
EE-SX1081型
关于各种特性的变化
在此,将就设计方面的要点进行说明。
而这里将以称为(Worst-case design)的最坏情况设计方法为例进行说明。
最坏情况设计是指,微型光电传感器各项特性在功能上均处于不佳(最坏)状态时,仍能保证正常动作的设计方法。微型光电传感器中,可假定光电流 IL最小,暗电流 ID等泄漏电流最大后进行设计。即,假定检测物体时的电流和非检测时的电流之比为最小时的状态。
光电流 IL和暗电流 ID的最坏情况可通过参阅火博体育|中国有限公司目录,(电气特性)等规格把握(均用最小值或最大值作为规格采用)。表1表示数种火博体育|中国有限公司微型光电传感器的光电流数 IL和暗电流 ID的极限规格值。
表1. 暗电流 ID和光电流 IL的标准值
型号 | ID(nA) 标准上限值 |
IL(mA) 标准下限值 |
条件 |
---|---|---|---|
EE-SG3 | 200 | 2 | IF=15mA |
EE-SX1081, EE-SX1035 EE-SX1096(-W11)等 |
200 | 0.5 | IF=20mA |
EE-SY110 EE-SF5(-B)等 |
200 | 0.2 | IF=20mA∗1 |
条件 | VCE=10V, 0lx Ta=25°C |
VCE=10V Ta=25°C |
- |
在实际设计上,基于表1的极限标准值进行展开,但只通过这个操作并不能完成最坏情况设计。
暗电流 ID时
- 温度上升
- 电源电压
- 环境干扰光
- 反射型中内部反射引起的泄露电流
等要素而应考虑到“加分”
光电流 IL时
- 温度变化
- 时间变化
等要素而应在设计时加入“减分”。
表2所示为暗电流 ID的“加分”、光电流IL的“减分”。
表2. 各种要素的受光元件依赖性
要素 | 光电晶体管 | |
---|---|---|
暗電流 ID | 环境(扰乱)光 | 通过实验确认 |
温度(上升) | 每+25°C约10倍 | |
电源电压 | 参照图11 | |
光电流 IL | 温度(变化) | +10~−20%程度 |
时间变化 (2~5万小时) |
结合温度变化, 视为初始的1/2 |
图11. 暗电流的施加电压依赖性(代表范例)
EE-SX1081型
接着,尝试将表1加入并替换表2的依赖性(这里的条件是最高环境温度为Ta=60℃、Vcc=10V、使用时间5万小时左右)。
例如,如果是EE-SX1081型,暗电流 ID的最大值在环境温度Ta=25℃时为200nA,环境温度Ta=60℃时约为4μA。
光电流 IL的最小值在环境温度Ta=25℃时为0.5mA MIN,所以在5万小时候,包括温度依赖性在内可能约为0.25mA左右。
表3中显示了各种微型光电传感器的最差情况预计值,请在设计时使用。
此外,除了上述情况一下,还应考虑到特种特性的不稳定,这方面将在各特性相关内容中进行说明。
而反射型微型光电传感器的光电流 IL数值是本公司在标准测定条件下的数值,会根据检测物体或距离而发生大幅度变化,敬请注意。
表3. 各种微型光电传感器的最差情况预计值
型号 | ID(μA) 最差情况预计值 |
IL(mA) 最差情况预计值 |
条件 |
---|---|---|---|
EE-SG3 | 4 | 1 | IF=15mA |
EE-SX1081 EE-SX1035 EE-SX1096(-W11)等 |
4 | 0.25 | IF=20mA |
EE-SY110 EE-SF5(-B)等 |
4 | 0.1 | IF=20mA∗1 |
条件 | VCE=10V, 0lx Ta=60°C |
VCE=10V, 5~10万小时 Ta=Topr |
- |
- *1. 本公司标准测定条件下的数值
基本回路的设计方法
在前项中,就设计时的重要特性进行了说明,希望大家对该些特性是基于哪些要素、又会发生哪些变化、设计时又该如何利用发生变化的特性相关问题已有所理解。
本项中将就具体设计法和设计时的要领进行说明。
首先,在上一章中已经就LED光进入光电晶体管和被遮住时光电晶体管的变化进行了说明,其中,第1要点为如何将流通于光电晶体管中的电流(IL,ID 等)作为输出进行处理。
图12中显示了微型光电传感器的基本回路。
图中连接光电晶体管侧的电阻RL在光电晶体管入光时,将有光电流 IIL通过,遮光时将有暗电流 ID(+α)通过。
图13. 输出的用法(具体范例)
图12. 基本电路
因此,将电阻RL两端的电压(降)视为输出时,入光时的输出电压为 IL×RL,遮光时的输出电压为 ID(+α)×RL。(后续说明中讲述的IL或 ID请使用先前讲述的最差估算值)
那么,想要将输出作为电压使用时,只需连接电阻RL即可。
举例说明,假设光电流 IL的最差值为0.25mA、暗电流 ID附加的漏电流最大值为0.01mA,如果想要光电晶体管开启时的输出电压应在4V以上、关闭时在1V以下,则需如图13所示将负载电阻RL设定为22kΩ左右,由此在开启时即可达到5.5V(0.25mA×22kΩ)、关闭时达到0.22V(0.01mA×22kΩ)。
而在实际使用时,(先前的计算为最差值时的计算结果),开启时的输出电压为该值以上的电压、关闭时的输出电压为该值以下的电压。
可将如上所述获得的输出电压进行增幅后作为IC的输入,以便灵活使用微型光电传感器。
[ 光电晶体管发射极接地时 ]
将微型光电传感器作为开关使用时,需设定受光侧的负载电阻RL,以便在光电流 IL-集电极/反射极间电压VCE特性的饱和区域使用。
此外,图14所示电路可通过以下公式表示。
IF=(VCC−VF) / RF … (A)
VCC=IC×RL+VCE … (B)
图14 光电晶体管接地时
例如:在R1=220kΩ环境下使用时的具体计算结果如下所示。
1. 计算LED正向电流 IF
通过(A)公式:IF= (VCC−VF) / RF= (5−1.2) / 220=17mA
2. 计算光电流下限值
通过火博体育|中国有限公司标准值、IL (MIN) =0.5mA (IF=20mA时)
此时的 IL−VCE特性下限如图15所示。
要想在电路上使光电晶体管(PTr)稳定开启,需在PTr的饱和区域使用。
IF=17mA时的 IL下限值与 IL− IF特性成正比关系,通过计算得出的结果为 IL(MIN)=0.5×17/20=0.425mA (IF=17mA时)。
- RL过小时,IL−VCE曲线与负载线交点处的VCE=将会变大,从而导致上述电路上的VOUT=VCE=变大,PTr:ON时的VOUT得不到充分下降。
- 将RL假设为 IL(MIN)的50%执行设定后,在 IL−VCE特性的饱和区域开启即可实现稳定的开关效果。
图15. 光电流 IL - 集电极/反射极间电压VCE
3. 考虑设计余度
微型光电传感器采用即使出现正常的经时老化、温度特性所致变化也可执行动作的电路设计,IL假设为初始值的50%进行设计,所以将IL(MIN)=0.425mA (IF=17mA时)的50%、也就是约0.212mA视为电路电流 IC。
4. 计算RL
通过(B)公式:RL=(VCC−VCE(sat)) / IC≒VCC / IC=5 / 0.212=23.6kΩ
因此,为RL=22kΩ左右。
应用回路设计法
接下来,就图16中所示的应用电路设计法进行说明。
如图16所示,LED的光入光与光电晶体管后,即会产生光电流 IL,此光电流 IL从R1流向R2。然后,R2两端的电压超过晶体管Q1的基极/发射极之间的偏置电压(0.6~0.9V)后,除了R2方向以外,光电流 IL还会分流并流向Q1的基极/发射极方向,此分流变为Q1的基极电流,Q1进入开启状态。
Q1切换为开启状态后,集电极电流穿过R3流动,Q1的集电极电位下降,在逻辑电平中称为“L(低)”水平。
其次是遮光时,虽然会有暗电流 ID+α的泄漏电流,但此时(ID+α)×R2的电位尚未达到 Q1基极发射极之间的偏置电压,因此,不会有基极电流通过Q1,Q1为OFF状态,Q1输出为“H(高)”水平。
图16. 应用回路
图17. 等效电路
微型光电传感器切换为开启后,微型光电传感器看上去似乎在Q1的基极/发射极之间(于二极管等效)上为短路状态(图17),如果微型光电传感器的光电流 IL较大,微型光电传感器上则会产生过大的集电极损耗PC,此时加入R1即可抑制这种现象的发生。
图16中的要领是
- IL× R2的电压要大大高于基极发射极的偏置电压;
- (ID+α)×R2的电压要大大低于基极发射极的偏置电压,
如何设定作为此些通用项目的R2可谓决定因素。
在此,以使用EE-SX1081型微型光电传感器时、电源电压Vcc=5V、驱动标准TTL IC(74系列)时为具体范例,就作为要领的R2和R1相关设计法进行说明(图18)。
图18. 应用电路范例
[ R2的计算 ]
R2应大于(公式2)右边数值,所以在实际设计时,请使其大于(公式2)求得数值的2~3倍(本次为R2=10kΩ)
[ R2的验证 ]
基于(公式5),可见完全可以满足(公式3)表示R2得到验证。此验证中若未发现问题,设计到此基本完成。
[ R1的确定 ]
如先前所述,如果加入较大的微型光电传感器的光电流 IL,Q1的基极/发射极之间看上去为短路状态(图17)且流动过大电流,为了抑制这种现象的发生,插入R1可降低光电晶体管的集电极损耗PC。
确定R1时,需根据“光电晶体管的集电极损耗PC的允许上限值。(基于绝对最大额定值)”,所以应通过火博体育|中国有限公司目录中所示集电极损耗的温度额定值图进行计算,结果为数百Ω(此处为200Ω),这里省略中途计算(设计法)和相关说明。
设计到此结束。
总而言之,微型光电传感器受光元件的设计要领是使用1管晶体管使微型光电传感器的输出增幅。从提高电路可靠性及动作稳定性方面来看,与只使用微型光电传感器单体的输出相比也会出现较大的性能差。
与图12的基本电路相比,图18的电路基于微型光电传感器的外显阻抗(负载电阻)R1的较小值而确定,应答性方面也发挥较大性能差。
此外,最近还推出了将光电IC这种增幅电路内置于受光元件的火博体育|中国有限公司,设计简单且方便使用,所以也出现了常用光电IC输出的倾向。