微型光电传感器基础知识:设计篇Ⅰ

为了更好地使用微型光电传感器,在此就发光元件侧的设计进行详细说明。

发光元件的特性

新利官方网站-新利(中国)微型光电传感器的发光元件上使用了红外LED和可见(红色)LED。图3所示表示使用了红外LED的EE-SX1081型的LED真相电流-正向电压特性。

此处最大的特点在于这些正向特性各有差异(正向特性是指正向电流 IF由正极流向负极时,LED两端的电压(压降)变化)。根据图3可以发现,与红外LED相比,红色LED的正向电压VF更大。

在常用(实际使用)电流水平下,红外LED的正向电压VF为1.2V左右,红色LED为1.8~2.0V,请作为基本概念留心。

图3. LED正向电流正向电压特性(代表范例) EE-SX1081型

LED正向电流正向电压特性(代表范例)

驱动电流水平

发光元件侧尤为重要的是接通多大的正向电流 IF。正如微型光电传感器中额定值的说明一样,因为有使用条件上的限制,因此不可多也不可少。
首先,就上限进行说明。上限根据绝对最大额定值所示数值而规定,请查看新利官方网站-新利(中国)目录等。以EE-SX1081型为例,绝对最大额定值(Ta=25°C)项目下面第一条即为直流正向电流 IF=50mA,由此推算正向电流IF的最大值为50mA。
但是,此规定的环境温度为Ta=25°C,而实际使用(温度范围)时,通常需要相应减少,这也可以参阅新利官方网站-新利(中国)目录中记载的温度额定值图(图4EE-SX1081型的范例)。范例)。
图4中的横轴表示环境温度Ta,纵轴表示直流正向电流 IF。根据该图,假设使用温度的上限为60°C,横轴60°C所对应的纵轴值即为该使用温度范围内可通过的上限电流值。
图4表示Ta=60°C时的正向电流 IF约为27mA,故请在使用时注意切勿超出27mA。

图4. 温度额定值图 EE-SX1081型

温度额定值图(EE-SX1081型)

■ 绝对最大额定值(Ta=25℃) EE-SX1081型

项目 记号 额定值 单位
发光侧 正向电流 IF 50*1 mA
正向脉冲电流 IFP 1*2 A
反向电压 VR 4 V
受光侧 集电极
发射极之间的
电压
VCEO 30 V
发射极
集电极之间的
电压
VECO --- V
集电极电流 IC 20 mA
集电极损耗 PC 100*1 mW
动作温度 Topr -25~+85
保存温度 Tstg -30~+100
焊接温度 Tsol 260*3

*1. 环境温度超过25°C时,请参阅温度额定值图。
*2. 脉冲宽度≤10μs,重复100Hz。
*3. 焊接时间请控制在10秒以内。

其次,就下限进行说明。正向电流 IF=0时不会发光,所以必须流入一些电流。在此不作详细说明,但使用了红外LED时请确保在5mA以上,使用了红色LED时确保在2mA以上(如果过低将无法获得稳定的发光输出)。
就新利官方网站-新利(中国)的微型光电传感器而言,若把合适的值做如下考虑,将十分方便。首先,请看新利官方网站-新利(中国)目录电气特性中光电流 IL这个项目。后面将对光电流 IL进行详细讲解,它表示LED通过多少正向电流 IF便能得到多少输出电流的性能,是微型光电传感器重要的特性之一。将该光电流 IL中记载的正向电流 IF条件下(如EE-SX1081型则 IF=20mA)的值作为正常水平(虽然没有理论依据),可得到方便使用的输出,输出处理(回路设计)也将变得更加简单。

■ 电气及光学特性(Ta=25°C) EE-SX1081型

项目 记号 特性值 单位 条件
MIN. TYP. MAX.
发光侧 正向电压 VF - 1.2 1.5 V IF=30 mA
反向电流 VR - 0.01 10 μA VR=4 V
最大
发光波长
λP - 940 - nm IF=20 mA
受光侧 光电流 IL 0.5 - 14 mA IF=20 mA,
VCE=10 V
暗电流 ID - 2 200 nA VCE=10 V,
0 ℓx
泄漏电流 ILEAK - - - μA -
集电极发射
极之间的
饱和电压
VCE
(sat)
- 0.1 0.4 V IF=20 mA,
IL=0.1 mA
最大光谱灵
敏度波长
λP - 850 - nm VCE=10 V
上升时间 tr - 4 - μs VCC=5 V,
RL=100 Ω
IL=5 mA
下降时间 tf - 4 - μs VCC=5 V,
RL=100 Ω
IL=5 mA

*d 表示传感器上面至反射物的距离

设计法

图5. 基本电路

基本电路

接下来,就如何设计常数的具体方法进行说明。
图5为驱动发光元件的基本电路。
这里应该注意的是,必须插入限制电阻R。若在无电阻状态下向LED施加正向偏压,由于正向的电阻(阻抗)较低,理论上将产生无限大的电流,导致LED烧坏。

我们经常收到有关向LED施加多少电压才好的问题,其实只要插入电流限制电阻,无论多少V都可以。
但是,下限问题必须引起注意,从图5的正向特性范例中可以看出,如果不施加1.2V~2V左右的电压则不会流动正向电流,所以需要该数值范围以上的电压。

电子电路的电源电压需施加LED的正向电压最大值以上的电压,所以请将红外LED为2V以上、红色LED为3V以上作为标准最大值参考值。

具体设计方法如以下所示2点。

  1. 确定正向电流 IF
  2. 确定电阻R(图5)

首先是确定正向电流 IF,规定为上述较合适水平的电流。因为EE-SX1081型上的 IF=20mA,所以确定电阻R以确保 IF=20mA左右。

电阻R计算公式

电阻R可通过(公式1)算出。例如,电源电压VCC=5V时,(公式1)中的未知数为正向电压VF,此数值通过图3的正向特性算出。根据图3所示,IF=20mA时的正向电压VF约为1.2V,将此些数值代入(公式1)。(公式2)。

此外,电源电压VCC,正向电压以及电阻值可能不稳定,IF将产生波动,因此,请确认是否在绝对最大额定值的允许范围之内。
图6的电阻R与LED的位置可以互换。

图6. 反向电压保护电路

逆向电压保护电路

若对LED施加有反向电压(包括噪声,浪涌)时,请如图6所示,与LED反向并联插入整流二极管。此外,LED的驱动方式前面已有说明,除了直流通电(驱动)之外还有脉冲驱动,但微型光电传感器中并不常用,在此不再赘述。

综上所述,设计要点可以归纳如下。

  • 红外LED的VF约为1.2V,红色LED的VF约为2V。
  • IF有合适水平。
  • 选择 IF后设计限制电阻值。
  • 施加逆向电压时,与LED反向并联上插入整流二极管。

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