高可靠性光電開關(guān)的電路實(shí)現(xiàn)

光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)的中心議題：

• 光電開關(guān)的發(fā)光電路
• 帶自動(dòng)增益控制的光電開關(guān)接收電路

光電開關(guān)屬于無(wú)接觸測(cè)量傳感器，其檢測(cè)距離范圍比較寬，在計(jì)數(shù)、測(cè)距和行程控制等許多測(cè)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但是，光電傳感器的輸出信號(hào)與發(fā)光管的強(qiáng)度有關(guān)，與發(fā)光管和接收管的距離有關(guān)，與外來(lái)干擾光也有關(guān)。因此使用每一個(gè)光電開關(guān)時(shí)，必須首先調(diào)整接收電路的靈敏度，才能保證光電開關(guān)工作于最佳狀態(tài)。

本文介紹了一種高可靠性的光電開關(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涫焦怆婇_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4 060 的六次分頻，可以得到頻率穩(wěn)定的151625kHz 的方波，再通過功率場(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)。可知，該接收電路在輸入光發(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關(guān)的臨界抖動(dòng)現(xiàn)象，避免光電開關(guān)的誤翻現(xiàn)象。最后，光電開關(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。

本文所介紹的電路，在100 條微小產(chǎn)品的自動(dòng)生產(chǎn)線上進(jìn)行聯(lián)合精確計(jì)數(shù)，取得良好效果。