光電開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)方法

本文介紹了一種高可靠性的光電開(kāi)關(guān)電路，帶有穩(wěn)頻調(diào)制光以抗各種干擾，具有大功率驅(qū)動(dòng)電路和光電三極管的自動(dòng)增益控制特性，檢測(cè)電路的輸出級(jí)帶有放大和施密特遲滯特性，確保整機(jī)的高抗干擾能力。

　　本電路由發(fā)光電路和光電接收電路兩部分組成。它具有抗外光干擾、靈敏度可以不用人工調(diào)整，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在反射式或?qū)ι涫?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/光電開(kāi)關(guān)">光電開(kāi)關(guān)中均可應(yīng)用。

　　1 　發(fā)光電路

　　圖1 給出了一個(gè)具有大功率輸出的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路，它具有發(fā)射15kHz 調(diào)制光的能力。

　　圖1 　發(fā)光二極管的大功率驅(qū)動(dòng)器

　　第一級(jí)4001 為單脈沖發(fā)生器，可以人工按鍵輸出檢測(cè)脈沖，用于故障維修。

　　為了穩(wěn)定被調(diào)制光信號(hào)的頻率，電路中使用了分頻器CD4060 。它帶有一個(gè)外接晶體振蕩器，內(nèi)部有多級(jí)分頻器。對(duì)于1M 晶振來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)4 060 的六次分頻，可以得到頻率穩(wěn)定的151625kHz 的方波，再通過(guò)功率場(chǎng)效應(yīng)管的電流放大，就可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)上百個(gè)發(fā)光二極管同時(shí)發(fā)光。

　　2 　帶自動(dòng)增益控制的光電開(kāi)關(guān)接收電路

　　圖2 給出了光電三極管的檢測(cè)電路。紅外光電三極管T2 帶有基極引出腳。因此可以對(duì)其進(jìn)行靈敏度控制。它射極輸出的光電流被放大管T3 反相之后，反饋到光電三極管的基極。由于反饋回路中有由R13和C11組成的低通濾波器，因此這個(gè)反饋是對(duì)于直流工作點(diǎn)的負(fù)反饋，也使得交流電壓增益得到控制，這就是自動(dòng)增益控制(AGC) 電路。

　　圖2 　光電接收電路

　　輸入光信號(hào)較強(qiáng)時(shí)， T3 集電極信號(hào)有變強(qiáng)趨勢(shì)，導(dǎo)致光電三極管T2 基極的直流工作點(diǎn)電壓下降，從而使T2 和T3 的交流輸出均減小。因此，這個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)將使T3 的交流輸出信號(hào)在很大范圍內(nèi)與T2 得到的光強(qiáng)大小幾乎無(wú)關(guān)?？芍摻邮针娐吩谳斎牍獍l(fā)生變化時(shí)，T3 輸出信號(hào)變化不大。就是說(shuō)，光源和光電三極管之間的距離變化，在很大范圍內(nèi)對(duì)T3 輸出信號(hào)影響不大。只有光源被充分隔擋之后，T3 的輸出信號(hào)才有明顯變化。

　　圖2 中的U11 組成二階帶通濾波器， 可以濾去151625kHz 以外的信號(hào)。該級(jí)增益為1 , Q 值為5 ,截止頻率、中心頻率以及濾波特性容易調(diào)整。二極管D1 和電容C14組成檢波電路，可以從151625kHz 信號(hào)上解調(diào)出包絡(luò)信號(hào)。上述兩部分電路可以濾除陽(yáng)光、日光燈、白熾燈等干擾源的作用。

　　圖2 中的輸出電路由放大級(jí)U12和施密特電路U13組成。U13的遲滯作用可以消除光電開(kāi)關(guān)的臨界抖動(dòng)現(xiàn)象，避免光電開(kāi)關(guān)的誤翻現(xiàn)象。最后，光電開(kāi)關(guān)的輸出狀態(tài)由發(fā)光二極管D2顯示。

　　3 　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　表1 為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)。發(fā)光管和接收管之間正面相對(duì)， 兩者之間無(wú)聚焦光學(xué)元件。用有無(wú)遮光對(duì)整機(jī)主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。由表可知，兩管表面之間的相對(duì)距離在015～170mm范圍內(nèi)，無(wú)需調(diào)整靈敏度都能正常工作。

　　表1 　光電開(kāi)關(guān)整機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　在距離接收管100mm 處用1 個(gè)40W白熾燈照射時(shí)，接收管仍可正常工作，表現(xiàn)為接收管不會(huì)飽和，抗干擾性極強(qiáng)。倘要加大工作距離，應(yīng)加入光學(xué)透鏡;在2m以上光射距離時(shí)，可用半導(dǎo)體激光二極管作調(diào)制光源。

　　4 　結(jié)束語(yǔ)

　　本文所介紹的高級(jí)光電開(kāi)關(guān)電路具有如下特點(diǎn)：

　　由于負(fù)反饋使接收光電三極管不容易飽和。只要該管不飽和，外來(lái)光干擾就能抑制。

　　由于使用了調(diào)制和解調(diào)電路，所以在各種磁、電、光干擾之下，都能可靠工作。

　　施密特電路可以對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行消抖。

　　由于電路盡量采用集成電路，特別是大功率FET 的應(yīng)用，使本文所介紹的電路更適于陣列式光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用的場(chǎng)合。

　　由于采用了AGC 電路，導(dǎo)致了接收靈敏度幾乎無(wú)需調(diào)整。