Prinsip Operasi Sensor Optik Rangkaian dasar dari sensor optik ditunjukkan pada Gambar 2-2.1(a). Anoda LED terhubung ke saluran listrik VCC melalui resistor RE dan katoda dihubungkan ke ground. Arus maju JIKA mengalir melalui LED dan memancarkan cahaya inframerah yang tidak terlihat oleh mata. Kolektor foto transistor terhubung ke saluran listrik VCC melalui resistor RL dan emitor diarde. Selanjutnya kolektor dihubungkan ke terminal input komparator atau IC tahap berikutnya. Perangkat pemancar dan pendeteksi cahaya diatur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-2.1(b). Ketika pelat pemutus cahaya, yaitu target yang akan dideteksi berada di antara emitor dan detektor, transistor foto mati dan potensial pada kolektor naik. Di sisi lain, ketika dilepas transistor menyala dan potensi kolektor turun. Dengan kata lain, keberadaan suatu zat dideteksi dan diubah menjadi sinyal listrik tanpa menghubunginya. Biasanya, sinyal ini dimasukkan ke rangkaian pemrosesan sinyal berikutnya dari tahap berikutnya untuk mengontrol berbagai fungsi periferal.
Gambar 2-2.1 – Prinsip pengoperasian sensor optik
Prosedur Desain Untuk Rangkaian Sensor Optik Pertama, dapatkan nilai RE dan RL. Pada Gambar 2-2.1(a), ketika jatuh tegangan maju LED adalah VF, arus IF yang mengalir ke LED diberikan oleh: (1) IF=(VCC-VF) / RE dan perlu untuk memenuhi (2 ) IF=IF (MAX) (Ta=TOPR (MAX)) Dari (1) dan (2), RE diberikan oleh rumus berikut: (3) IF=(VCC-VF) / IF (MAX) Seperti yang dapat terlihat pada Gambar 2-2.2, semakin besar IF, semakin banyak output optik IE yang akan dihasilkan dan oleh karena itu, perlu untuk menghitung IF (MIN) dengan mempertimbangkan fluktuasi kerugian yang diizinkan dari IF dan IE setelah memutuskan RE. Nilai RL yang Sesuai: Dapatkan nilai batas atas RL Pada Gambar 2-2.1(b), ketika pelat pemutus cahaya berada di dalam, arus listrik foto IL yang dihasilkan oleh pancaran cahaya dari LED tidak mengalir ke foto transistor tetapi bocor foto arus IL' dan arus gelap, Id, hanya mengalir. Potensial VOH kolektor saat ini adalah: VOH=VCC – RL x (Id +IL') Namun, diasumsikan bahwa arus input/output ke/dari tahap berikutnya dapat diabaikan.
Gambar 2-2.2
Karena Id meningkat dengan cepat dengan kenaikan suhu lingkungan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-1,5, dengan asumsi tegangan input tingkat tinggi dari tahap berikutnya adalah VIH, perlu untuk memenuhi hal berikut: VIH< voh="" pada="" ta="Topr" (max)="" rl="(VCC" –="" vih)="" (id="" +="" il="" kemudian,="" dapatkan="" nilai="" batas="" bawah="" rl.="" ketika="" pelat="" pemutus="" cahaya="" tidak="" berada="" di="" dalam,="" cahaya="" diterima="" oleh="" photo="" transistor="" dan="" arus="" cahaya="" il="" dan="" id="" +="" il'="" yang="" disebutkan="" di="" atas="" mengalir="" ke="" transistor="" foto.="" biasanya,="" kecuali:="" il="Id" +="" il'="" menjadi="" sulit="" untuk="" membedakan="" keberadaan="" pelat="" pemutus="" cahaya="" dari="" sudut="" pandang="" dari="" rasio="" s/n,="" vol="" potensial="" kolektor="" saat="" ini="" adalah="" (4)="" vol="VCC" –="" rl="" (il="" +="" id="" +="" il')="" dengan="" asumsi="" tegangan="" input="" level="" rendah="" ke="" tahap="" berikutnya="" adalah="" vil'="" perlu="" memenuhi="" (5)="" vil=""> VOL Rumus (4) dan (5) harus dipenuhi bahkan pada nilai batas bawah IL. Nilai batas bawah IL (MIN) adalah: IL (MIN )=RKT (MIN) x Dt x DTa x Dn
Gambar 2-1,5
Dt: Faktor degradasi CTR selama operasi (Gbr. 2-1.7) DTa: Variasi suhu CTR (Gbr. 2-1.6) Dn: Variasi CTR dari debu dan kotoran Dari formula (4) dan (5), RL=(VCC – VIL ) / (IL(MIN) + Id + IL') Semakin kecil RL, semakin pendek waktu switchingnya. BAGAIMANA CARA MEMPEROLEH KARAKTERISTIK COUPLING PERANGKAT PEMANTA DAN PENERIMA CAHAYA Berikut ini, karakteristik kopling perangkat pemancar dan pendeteksi cahaya dihitung sebagai desain awal untuk melihat apakah dapat diterapkan. Kemudian, sebagai langkah kedua, sebuah metode untuk memeriksa operasi yang sebenarnya, dll. disajikan. Desain Awal Karakteristik kopling produk representatif ditunjukkan pada Gambar 2-4.1 ~ 2-4.3. Diagram karakteristik seperti ini agak berbeda tergantung pada kombinasi perangkat pemancar dan pendeteksi cahaya. Umumnya, ketika d> 1 cm atau lebih dalam metode penghitungan berikut, karakteristik ini dapat diperoleh secara kasar tanpa menyelidikinya satu per satu.
(kiri)Gambar 2-4.1 – Karakteristik kopling TLN108 dan TPS601A (kanan)Gambar 2-4.2 – Karakteristik kopling TLN105B dan TPS703
Gambar 2-4.3 – Karakteristik kopling TLN107A dan TPS608A
Pertama, baca intensitas pancaran IE (MIN) dari perangkat pemancar cahaya dan IL arus cahaya (MIN) dari perangkat pendeteksi cahaya sesuai dengan kondisi yang ditunjukkan pada lembar data. Karena intensitas pancaran IE (mW/sr) ekivalen dengan pancaran insidensi EO (mW/cm2) yang diradiasikan pada area 1 cm2 pada jarak 1 cm, insiden pancaran yang diperoleh E (aktual) pada jarak d cm diperoleh dengan rumus berikut: E (Aktual) ~ IE/d2 (mW/cm2) Dengan asumsi bahwa insiden pancaran perangkat pendeteksi cahaya pada kondisi sensitivitas pendeteksi cahaya adalah E arus cahaya IL (aktual) dalam keadaan berpasangan diperoleh sebagai berikut: IL (aktual)=IL x(E (sebenarnya) / E) Ketika arus cahaya yang diterima sangat kecil dan sulit untuk merancang rangkaian tahap terakhir, naikkan arus maju DC JIKA perangkat pemancar cahaya atau tingkatkan intensitas pancaran IE (mW/sr ) oleh arus maju pulsa. Sebagai contoh lakukan pemeriksaan pada kondisi berikut: Emitter: IE(MIN)=1 mW/sr pada IF=20 mA Detektor: IL(MIN)=20 A pada E=0,1 mW/cm2, VCE=3V Jarak antara Emitter dan Detektor: d=1,5 cm E (aktual) (MIN)=IE / d2=1 x (1/1,52)=0,44 mW/cm2 (MIN) IL (aktual) (MIN) ~ (E (aktual) / E) x IL (MIN)=(0,44 / 0,1) x 20 A=88 A Karena IL (aktual)(MIN) adalah 88 A, TTL tidak dapat dijalankan secara langsung, tetapi IC C-MOS dapat dihubungkan. Kemudian, sementara beban pada perangkat penerima cahaya ditentukan menurut tegangan suplai, kecepatan switching sangat bergantung pada nilai beban dan perlu untuk memeriksanya terlebih dahulu. Sirkuit Aplikasi Sensor Foto Sirkuit Aplikasi LED Inframerah Karena output daya Po, perangkat inframerah bergantung pada arus maju LED, JIKA, status Nyala-Mati dari output dapat diatasi melalui kontrol arus maju. Metode pencahayaan representatif seperti pencahayaan DC, dll. dan tindakan pencegahan untuk desain dijelaskan di sini. Ditunjukkan pada Gambar 3-1.1 adalah rangkaian dasar untuk penerangan ketika daya DC digunakan. JIKA dalam hal ini dinyatakan dengan rumus sebagai berikut: IF=(VCC – VF) / R VCC : Tegangan suplai VF : Tegangan maju LED JIKA : Arus maju mengalir ke Rangkaian Lampu PHO LED DC
(Kiri Ke Kanan) Gambar 3-1.1 – Unit Drive DC Gambar 31.2 – Rangkaian penggerak arus konstan Gambar 3-1.3 – Rangkaian penggerak multi LED
Ditunjukkan pada Gambar. 3-1.2 adalah rangkaian yang mencakup variasi VF LED dengan Transistor. JIKA di sirkuit ini dinyatakan dengan rumus berikut: IF=(VB – VBE) / R3 VB : Tegangan basis VBE : Tegangan basis ke emitor R3 : Resistansi emitor Selanjutnya, dimungkinkan untuk mengurangi ketergantungan suhu keluaran dengan pengaturan yang benar VBE dan VB di sirkuit ini. Ketika daya keluaran tidak mencukupi atau perangkat penerima cahaya terletak terlalu jauh, dimungkinkan untuk menyelesaikan rangkaian melalui sambungan seri atau paralel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-1.3. Dalam hal ini, IF=(VCC – nVF) / R (koneksi seri) IF=(VCC – VF) / R (koneksi paralel) Penggerak AC Ditunjukkan pada Gambar 3-1.4 adalah rangkaian dasar untuk penerangan AC hampir setengah gelombang . Secara umum, ada dua metode mengemudi. Keduanya menggunakan dioda pelindung untuk melindungi LED dari tegangan balik. Dalam (a), dioda pelindung ini adalah jenis tegangan balik yang sesuai dengan tegangan suplai VCC, dan dalam (b), tegangan balik dioda pelindung harus sekitar dua kali tegangan maju LED inframerah.
Dalam rangkaian di atas, konstanta R yang disesuaikan dengan tegangan pengenal digunakan menurut tegangan suplai VCC. Selanjutnya, R dipilih sehingga dibatasi pada nilai pengenal arus maju JIKA LED inframerah pada titik di mana tegangan suplai, VCC, menjadi maksimum.
Gambar 3-1.4 – Sirkuit penggerak AC
Pulse Driving Banyak keuntungan yang diperoleh ketika sinyal optik diubah menjadi cahaya termodulasi pulsa. Hal-hal berikut dipertimbangkan: Ketika rasio tugas sinyal termodulasi pulsa kecil, output cahaya sesaat dari perangkat pemancar cahaya meningkat, sinyal optik dibedakan dari cahaya sekitar dan peningkatan rasio S/N dipastikan. Ketika baterai digunakan sebagai sumber daya, konsumsi daya perangkat dapat dikurangi dan oleh karena itu, masa pakai baterai diperpanjang. Kopling RC dengan tahap berikutnya di bagian penerima cahaya menjadi mungkin dan efek peningkatan arus gelap akibat kenaikan suhu dapat dihindari. Sistem penggerak pulsa ini dirancang dalam kombinasi dengan TTL atau C-MOS dan Tr, dll. Pada rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 3-1.5, perlu memperhatikan karakteristik listrik IOL perangkat TTL atau C-MOS karena arus yang terlalu besar tidak dapat diterapkan untuk memenuhi IF< iol.="" untuk="" menerapkan="" arus="" yang="" lebih="" tinggi,="" perlu="" menggunakan="" ic="" buffer="" dengan="" kapasitas="" arus="" keluaran="" tinggi="" seperti="" yang="" ditunjukkan="" pada="" gambar="" 3-1.6="" atau="" memasang="" transistor="" secara="" eksternal.="" karakteristik="" iol="" dan="" vol="" dari="" ttl,="" c-mos="" dan="" buffer="" ic="" ditampilkan="" untuk="">
Gambar 3-1.5
Rangkaian Aplikasi Rangkaian Dasar Foto Transistor Rangkaian dasar untuk transistor foto ditunjukkan pada Gambar 3-2.1 Resistansi beban RL dipilih dengan mempertimbangkan karakteristik suhu arus gelap dari transistor foto. Jika RL terlalu besar, transistor foto dapat dihidupkan hanya dengan arus gelap pada suhu tinggi. Misalnya, ketika Photo Transistor TPS601A dioperasikan pada Ta=100 °C, arus gelap dapat menjadi sekitar 100 A. Ketika RL diatur pada 50 kW pada VCC=5V, TPS601A sepenuhnya berubah ke status ON dengan peningkatan arus gelap.
Gambar 3-2.1 – Rangkaian dasar transistor foto
Rangkaian Bias Foto Transistor dengan Terminal Basis Pengaruh resistor basis ke emitor RBE pada arus gelap dan arus terang ditunjukkan pada Gambar 3-2.2 (a) dan (b). Biasanya, arus gelap dari transistor foto sekecil beberapa nA pada suhu normal dan dimungkinkan untuk mengurangi arus gelap lebih lanjut dengan memasukkan resistor RBE antara basis dan emitor untuk memotong arus bocor melalui kolektor ke titik persimpangan basis. Jika RBE dibuat terlalu kecil, hFE nyata dari photo transistor berkurang dan arus cahaya yang dibutuhkan IL tidak dapat diperoleh, oleh karena itu, RBE lebih dari 1 MW adalah tepat.
Gambar 3-2.2 (a) – Penurunan arus gelap sebesar RBE / Gambar 3-2.2 (b) – Perubahan arus terang sebesar RBE
Selanjutnya, dimungkinkan untuk mengatur titik operasi transistor foto pada tingkat yang tepat dengan menggunakan terminal basis. Linearitas karakteristik arus penerangan-cahaya dalam kasus ini telah meningkat jauh jika dibandingkan dengan kasus di mana arus bias basis adalah nol. Selain itu, ada metode bias tipe bleeder yang ditunjukkan pada Gambar 3-2.4, yang meningkatkan stabilitas termal pada titik operasi DC secara eksperimental, 2 ~ 10 MW dianggap tepat untuk nilai RB. Ini untuk menerapkan hampir semua arus cahaya IL dari fotodioda pada titik pertemuan kolektor dan basis ke basis foto transistor dengan menaikkan impedansi pada basis.
Gambar 3-2.4 (b) – Metode bias tipe Bleeder
Sirkuit Kompensasi Suhu Arus terang IL dan Id arus gelap dari transistor foto memiliki koefisien suhu positif. Secara khusus, arus gelap meningkat secara eksponensial seperti yang ditunjukkan pada lembar data teknis individual. Oleh karena itu, untuk mendapatkan operasi yang stabil pada suhu sekitar 50 ~ 60 °C, kompensasi suhu untuk arus gelap dan arus listrik foto dari transistor foto menjadi penting. Rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 3-2.5, menggunakan koefisien suhu negatif yang ditahan oleh tegangan maju VF dioda. Ketika foto transistor yang tidak memiliki terminal basis digunakan, metode untuk mengkompensasi tegangan keluaran adalah dengan mengurangi tahanan beban dari transistor foto dengan menggunakan termistor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-2.6.
Gambar 3-2.5 – Sirkuit kompensasi suhu menggunakan dioda resistansi
Gambar 3-2.6 – Sirkuit kompensasi suhu menggunakan termister
Rangkaian Penguat Dasar Pada Gambar 3-2.7 (a) adalah sambungan Darlington menggunakan transistor NPN dan Gambar 3-2.7 (b) merupakan sambungan Darlington menggunakan transistor PNP. Di kedua sirkuit, arus cahaya meningkat sebesar hFE kali dan arus keluaran IC menjadi hFE. saya
Gambar 3-2.7 – Rangkaian penguat untuk transistor foto
Gambar 3-2.8 menunjukkan contoh rangkaian dasar yang menggunakan amplifikasi oleh penguat operasional.
Gambar 3-2.8 – Rangkaian penguat dengan termister operasional
Peningkatan Kecepatan Switching Ketika amplifikasi tegangan dinaikkan dengan meningkatkan impedansi beban sebagai arus cahaya dari transistor foto kecil, karakteristik kecepatan switching dapat dikorbankan sebagai efek sebaliknya. Sebagai solusi, ada metode untuk mendapatkan karakteristik kecepatan switching yang relatif independen dari ukuran beban dengan mengubah impedansi melalui sirkuit berbasis transistor PNP (Gbr. 3-2.9 (a)) atau koneksi kaskade transistor NPN (Gbr 3- 2.9 (b)). Metode pengujian dapat diterapkan pada sirkuit deteksi cahaya termodulasi pulsa kecepatan tinggi untuk sakelar listrik foto/pembaca pita kecepatan tinggi.
Gambar 3-2.9 – Contoh peningkatan karakteristik frekuensi
Penggunaan Analog Transistor foto memberikan sensitivitas yang lebih tinggi daripada dioda foto karena dilengkapi dengan fungsi amplifikasi secara internal; namun, sensitivitas berfluktuasi secara signifikan tergantung pada perbedaan faktor amplifikasi. Oleh karena itu, perlu menggunakan resistor variabel untuk memperbaiki sensitivitas atau membeli produk yang telah dipilih sebelumnya untuk peringkat sensitivitas tertentu.
Gambar 3-2.14
Ditunjukkan pada Gambar 3-2.14 (a) adalah rangkaian yang mengendalikan arus penguat transistor. Arus kolektor dari transistor foto mengontrol basis transistor tahap berikutnya yang emitornya dibumikan. Fluktuasi sensitivitas foto transistor dikendalikan oleh resistor umpan balik RE di sirkuit emitor. Ditunjukkan pada Gambar 3-2.14 (b) adalah rangkaian yang mengontrol tegangan penguat transistor. Arus kolektor dari transistor foto menghasilkan tegangan untuk mengendalikan transistor tahap akhir oleh resistor variabel. Transistor adalah pengikut dan fluktuasi antara transistor foto individu dikoreksi oleh resistor variabel RA. Oleh karena itu, waktu switching photo transistor diubah oleh RA. Rangkaian Aplikasi Dioda Foto Dalam kombinasi dengan LED inframerah, dioda foto digunakan dalam dua cara; digital untuk mendeteksi keberadaan cahaya dan analog untuk mendeteksi kuantitas cahaya. Penggunaan Digital Karena kecepatan responsnya cepat, dioda foto cocok untuk peralihan kecepatan tinggi. Namun di sisi lain, karena arus cahaya kecil, maka perlu menggunakan FET dengan impedansi input tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-3.1 (a) atau rangkaian dengan amplifikasi tinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3-3.1 ( B). Untuk meningkatkan amplifikasi, penguat operasional digunakan. Ketika respon kecepatan tinggi diperlukan, perlu untuk memilih amplifier untuk aplikasi kecepatan tinggi yang sesuai.
Gambar 3-3.1 – Rangkaian penguat dioda phoro (penggunaan digital)
Penggunaan Analog Karakteristik pencahayaan dan arus foto listrik foto dioda lebih mendekati linier dibandingkan foto transistor dan foto dioda dapat dikatakan produk yang mudah digunakan dalam aplikasi analog. Untuk jenis penggunaan ini, ada amplifikasi linier dan amplifikasi logaritmik.
Gambar 3-3.2 – Rangkaian penguat foto dioda (penggunaan analog)
Sirkuit Aplikasi Sensor Foto Tipe Reflektif Sensor foto tipe reflektif tersedia dalam dua tipe; jenis fokus dan jenis non-fokus. Jenis yang tepat harus dipilih berdasarkan aplikasi. Seperti dapat dilihat dari masing-masing karakteristik posisi pendeteksian dasar yang ditunjukkan pada Gambar. 3-5.1 dan 3-5.2, posisi permukaan batas hitam putih yang mendeteksi karakteristik tipe fokus lebih tajam daripada tipe tanpa fokus. Oleh karena itu, tipe fokus lebih unggul daripada tipe non-fokus untuk aplikasi pendeteksian kode batang. Namun, tipe non-fokus kecil efektif untuk mendeteksi objek.
Gambar 3-5.1 – Contoh karakteristik posisi deteksi tipe non-fokus
Gambar 3-5 – Rangkaian deteksi dasar sensor foto tipe refleksi
Karena sensor foto tipe refleksi diperlukan untuk mengeluarkan secara digital keberadaan objek yang terdeteksi, rangkaian komparator dihubungkan pada tahap output berikutnya dari sensor foto tipe refleksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.5-4.
Gambar 3-5.4 Rangkaian sambungan sensor foto tipe refleksi dengan komparator
Desain aplikasi sensor foto tipe refleksi lebih sulit daripada sensor foto tipe transmisi karena:
Faktor pemantulan zat pemantulan berbeda satu sama lain
Jarak zat yang memantulkan mudah dikontrol
Baik permukaan pemancar cahaya dan pendeteksi berada pada bidang yang sama dan rentan terhadap efek cahaya eksternal, dan arus bocor meningkat.
Oleh karena itu, dapat dikatakan lebih baik untuk merancang sensor foto tipe transmisi jika memungkinkan.
