КИП­­ и Автоматика

Разработка и внедрение средств автоматизации

Оптические датчики 

В качестве оптического датчика чаще всего выступает оптопара светодиод - фотоприемник, называемая также оптроном. Выпускаются оптроны с закрытым оптическим каналом (в монолитном микросхемном исполнении) и открытым оптическим каналом (щелевые и отражательные оптроны).

 

Щелевой оптрон 

     На Рис. 3.6 показан оптический датчик — щелевой оптрон (slotted optical switch). Фототранзистор и направленный на него светодиод укреплены на пластиковое основание и разделены промежутком так, что когда некий предмет движется в зазоре, он прерывает свет между светодиодом и датчиком. 

     Щелевые оптроны часто используются для измерения скорости двигателя при помощи диска с прорезями, размещенного на оси двигателя. Когда ось вращается, диск по очереди прерывает или, наоборот, не прерывает световой путь. 

     Другое применение щелевого оптрона — это индикация, открыта или закрыта дверь или, например, кожух охранного прибора. Флажок на двери, попадая в щель, блокирует свет, когда дверь закрывается. Механическая компьютерная мышь также использует щелевые оптроны. 

 

Отражательный оптрон 

     На Рис. 3.7 показан другой тип оптического датчика — отражательный оптрон (reflective sensor). Принцип работы этого датчика такой же, как и щелевого, с той разницей, что фототранзистор собирает отраженный, а не прямой свет. Большинство датчиков отражения характеризуются фокусным расстоянием — оптимальным расстоянием, на котором должен быть размещен отражающий объект от датчика. Это расстояние составляет обычно величину 0.254 .. 1.270 см . Типичное применение отражательных оптронов — это регистрация вращения двигателя по нанесенным на его ось темным меткам.

 

Когда ось вращается, датчик регистрирует смену темных и отражающих участков. Оба типа оптронов обладают схожими характеристиками, которые необходимо учитывать при проектировании систем. Данные характеристики рассматриваются в следующих разделах.  

 

Скорость срабатывания 

    Поскольку фототранзистор довольно медленнодействующий оптический прибор, то данное обстоятельство ограничивает максимальную скорость регистрации. Типичное время включения фототранзистора 8 мкс, а выключения 50 мкс. Эти временные параметры определяются скоростью носителей под действием света в переходе база-эмиттер транзистора. 

 

Коэффициент усиления по току 

      Оптопара светодиод-фототранзистор имеет ограниченный коэффициент усиления, обычно меньше единицы. 

   Отношение тока, протекающего в коллекторе фототранзистора к току через светодиод, называется коэффициентом передачи по току, КПТ (Current Transfer Ratio, CTR). Типичное значение КПТ для щелевых оптронов составляет 0.1. Это значит, что при токе 10 мА, протекающем через светодиод, ток коллектора фототранзистоpa составит 1 мА. КПТ иногда задается как коэффициент, иногда приводится в виде таблицы, показывающей различные значения токов коллектора для различных величин тока светодиода. КПТ зависит от характеристик светодиода и фототранзистора и может варьироваться от одного изделия к другому. 

    КПТ следует принимать во внимание при создании интерфейса между оптроном и микропроцессорной системой. Во-первых, если вы хотите присоединить оптрон прямо к цифровому входу (Рис. 3.8), выход транзистора необходимо согласовать по логическим уровням со входом цифрового устройства. Для быстрого насыщения фототранзистора величину нагрузочного резистора следует ограничить. Например, если через светодиод протекает ток 10 мА, а минимальная величина КПТ равна 0.1, то величину нагрузочного резистора следует выбрать порядка 5 кОм. Меньшая величина резистора обеспечит лучшую устойчивость к шумам (из-за меньшего импеданса) и, возможно, большую скорость переключения, но не гарантирует совместимости со всеми устройствами, так как транзистор не смог бы пропускать достаточный ток для обеспечения НИЗКОГО логического уровня. Чтобы снизить величину нагрузочного резистора, можно использовать оптопару с более высоким КПТ или питать светодиод большим током. 

      Выпускаются оптроны с составным транзистором Дарлингтона на выходе, что обеспечивает КПТ > 1, но скорость переключения такого оптрона ниже, чем у одиночных транзисторов и составляет 20% от скорости одиночных транзисторов. К тому же напряжение насыщения транзистора Дарлингтона больше, чем у одиночного транзистора.   

 

     Отражательные датчики также характеризуются КПТ. Поскольку датчик рассчитан на прием отраженного света, то КПТ будет зависеть от свойств отражающей поверхности и расстояния до нее. 

 х датчиков используются . Это значит, что реакция датчика может отличаться от предположительной реакции в видимом диапазоне спектра. Объекты, хорошо отражающие в видимом свете, могут отражать менее эффективно в инфракрасных лучах. Следует также учитывать помехи, вносимые естественным и искусственным освещением. 

 

Определение неисправности оптрона 

    На Рис. 3.11 показан простой способ определения неисправного светодиода. Компаратор следит за напряжением на аноде светодиода. Когда светодиод включен, падение напряжения на нем составляет примерно 1.2 В, так что на выходе компаратора установится ВЫСОКИЙ логический уровень. Если светодиод перегорит (цепь разомкнётся), напряжение на аноде повысится до +V (уровень +V должен быть выше 3 В для этой схемы), и на выходе компаратора установится НИЗКИЙ уровень. В этой цепи светодиод постоянно находится во включенном состоянии. Данный метод можно использовать и для переключающихся светодиодов, однако следует учитывать падение напряжения на переключаемых транзисторах для выбора напряжения смещения. Естественно, сигнал на выходе компаратора действителен только тогда, когда очередной светодиод включен. 

     Хотя разрыв в цепи светодиода более вероятен, чем короткое замыкание, можно добавить второй компаратор для регистрации и этого события. Напряжение смещения следовало бы установить на уровне 0.6 В, и падение напряжения ниже этой величины сформировало бы сигнал ошибки.

 

 

Оптрон с закрытым оптическим каналом

   Оптрон с закрытым оптическим каналом (optoisolator), представленный на Рис. 3.12, герметично упакован, чтобы не было возможности прерывания светового потока. Оптроны чаще всего применяются для изоляции цепи с высоким напряжением, допустим от низковольтной цепи управляющего микропроцесора. Например, в специализированном последовательном цифровом интерфейсе для музыкальных инструментов ( MIDI) предусмотрено использование оптической изоляции при соединении синтезаторов, компьютеров и электромузыкальных инструментов (ЭМИ). В этом случае использование оптронов предотвращает проблемы, связанные с тем, что потенциалы земли различных инструментов могут значительно отличаться. 

       На Рис. 3.12 показано, как оптрон может быть использован для передачи сигналов от одной системы к другой. Земля и шины питания могут быть полностью разделены. Даже в одной системе, где земля номинально одна и та же, использование оптрона может уберечь от пагубного влияния плавающих токов. 

     Мощные импульсные устройства, например, такие как двигатель с ШИМ-управлением, могут создавать помехи на шинах питания и земли. Оптрон может быть использован в таком случае для предотвращения проникновения шумов по шине земли в логические блоки.

 

     Некоторые оптроны дополняются на выходе формирователем логических уровней. Данный формирователь размещается обычно в том же корпусе. Оптроны с закрытым оптическим каналом имеют ту же скорость нарастания сигнала и выходную мощность, что и оптроны с открытым оптическим каналом. Однако коэффициент передачи по току (КПТ) такого оптрона может быть выше, обычно в пределах 20... 100%, так как в чипе его микросхемы излучающий светодиод располагается максимально близко к базе фототранзистора. Оптрон с закрытым оптическим каналом общего назначения 4N35 имеет время включения и выключения порядка 10 мкс, таким образом, он может передавать сигналы на частотах выше 10 кГц. Тем не менее, при приближении скорости следования сигналов к предельной скорости срабатывания оптрона, выходной сигнал все более отличается от входного. Поэтому там, где нужна высокая скорость передачи данных, следует использовать быстродействующий оптрон. 6N136 (Рис. 3.13), например, способен работать на частотах до 1 МГц. В этом оптроне для достижения высокой скорости срабатывания использована схема включения фотодиода последовательно с выходным транзистором.

 

 

Дискретные оптические датчики 

 

    В некоторых приложениях иногда требуется использование дискретных оптических датчиков: светодиода и фототранзистора. Они обычно рассчитаны на работу в инфракрасном (ИК) диапазоне, как и те, что применяются в щелевых и отражательных оптронах. Дискретные оптопары обычно используются в системах, где большой объект преграждает путь световому лучу между светодиодом и фототранзистором или там, где расстояние слишком велико для применения оптрона. 

     Дискретные оптопары имеют аналогичные схемы включения и используются так же, как рассмотренные ранее оптроны. Однако существует несколько дополнительных замечаний. Поскольку расстояние между светодиодом и фототранзистором в такой системе обычно больше, чем в стандартной ИС, КПТ, соответственно, ниже. Часто появляется необходимость подстроить ток светодиода или порог чувствительности для надежной и повторяемой работы схемы. В некоторых случаях может понадобиться линза (объектив) на один из элементов оптопары для фокусировки света. 

     Необходимость фокусировки — довольно распространенная проблема, возникающая при использовании дискретных элементов. Эта проблема будет особенно ощутима, если светодиод и фототранзистор расположены на различных механических основаниях. Следует учитывать, что отклонение в направлении даже в допустимых пределах может привести к потере оптической связи между светодиодом и фототранзистором. 

   В оптроне светодиод и фототранзистор согласованы по длине световой волны. Хотя большая часть фототранзисторов и светодиодов ИК-диапазона могут работать совместно, но положение максимума их спектральной чувствительности все же может отличаться. Так что, при использовании дискретных элементов, выбираются светодиод и фототранзистор, работающие в одной и той же области ИК-спектра. Если же элементы имеют различные спектральные диапазоны, хотя и перекрывающиеся, то светодиод, работающий в одной области спектра, а фототранзистор — в другой, могут привести в результате к значительному снижению КПТ системы.  

       На Рис. 3.14 показаны три основных способа подключения оптического датчика к микропроцессору. Во всех случаях светодиод подключен через ограничивающий ток резистор, эмиттер фототранзистора соединен с землей, а коллектор подключен к питанию через нагрузочный резистор и соединен также с микропроцессором или другим устройством — компаратором или АЦП. Все эти способы также оправдывают себя и при иных подключениях управляющих цепей, как, например, с использованием микропроцессора для включения и выключения светодиода. Оптроны с закрытым оптическим каналом будут работать и при иной схеме подключения фототранзистора, например, не по приведенной выше схеме с общим коллектором, а по другой — с общим эмиттером (питание положительной полярности подается на коллектор и сигнал снимается через резистор, соединяющий эмиттер с землей).

 

      На Рис. 3.15 показано, как оптроны с закрытыми оптическими каналами могут быть использованы для развязки двунаправленного сигнала между двумя системами. На рисунке показано, что вывод I/O (Input/Output) устройства, использующего интерфейс SPI, нужно изолировать по постоянному току от микропроцессора. Для обеспечения требуемой развязки используются два оптрона с закрытыми оптическими каналами. Выход SPI-устройства снабжен буфером (для обеспечения требуемого тока светодиода), и выход оптрона U1 переходит в изолированное состояние НИЗКОГО уровня, когда SPI-устройство устанавливает на выводе I/O НИЗКИЙ логический уровень. Выход U1 может быть присоединен к биту порта микропроцессора или порта микроконтроллера. 

   Второй оптрон (U2) устанавливает вывод I/O в ноль, когда микропроцессор формирует на светодиоде сигнал НИЗКОГО уровня. Если микропроцессор не передает данные на вывод I/O, он должен оставить светодиод в выключенном состоянии (OFF state), так, чтобы SPI-устройство могло подавать сигналы на этот вывод. Когда микропроцессор устанавливает на выводе I/O НИЗКИЙ логический уровень, выход оптрона U2 также установится в НИЗКИЙ уровень, чтобы микропроцессор игнорировал передачи на выходе U2 в то время, когда он управляет SPI-устройством. С другой стороны, может быть использован ответный сигнал (return), для проверки корректного прохождения данных через SPI-устройство.

   На Рис. 3.15 не показана цепь, дополненная еще одной оптопарой и еще одним портом микропроцессора, которые понадобятся для формирования тактового сигнала интерфейса SPI.

 

    В этом случае управление двунаправленным выводом потребует, чтобы управляющий микропроцессор использовал два вывода порта (один вход и один выход), что позволяет обеспечить изоляцию по постоянному току периферийного блока или системы. В большинстве случаев понадобятся высокоскоростные оптроны с закрытыми оптическими каналами. Вполне возможно, что подойдут диодно-транзисторные оптроны или оптроны с логическим выходом, но следует помнить, что оптрон U2 (Рис. 3.15), напрямую соединенный с двунаправленным выводом, должен иметь выход с открытым коллектором. Для обеспечения достаточной скорости переключения следует тщательно подобрать нагрузочный резистор, чтобы избежать чрезмерного времени нарастания, без превышения нагрузочной способности вывода. Если в качестве U2 применяется оптрон с диодно-тран- зисторным выходом, то он должен обеспечивать достаточный ток светодиода для гарантированной установки вывода катода светодиода в НИЗКИЙ логический уровень.