Точний фотодатчик.
Важко вказати ті області техніки, де б не застосовувалися різні типи безконтактних фотодатчиків. Це автостопом, датчики-індикатори, сигналізатори, вимірювачі технологічних параметрів, лічильники імпульсів і ін.
Як показує практика, використання фотодатчиків як датчики положення рухомих об'єктів накладає підвищені вимоги до точності датчика. Наприклад, точність датчика вихідного положення - «нуля» координат - механізму подачі верстата з програмним управлінням істотно впливає на якість обробки деталі.
Дослідження різних схемотехнічних рішень фотодатчиків показали, що найбільший вплив на точність фотодатчиків надає локальний прогрів світлочутливого елемента - фотодіода і підсилюючих елементів схеми - транзисторів, мікросхем. Не менш важливу роль відіграє і конструктивне виконання датчика. Як правило, високоточні фотодатчики припускають термостатирование електронної частини датчика і примусове охолодження фотодіода.
Пропонований увазі читачів фотодатчик призначений для точного визначення вихідного або будь-якого іншого фіксованого положення рухомого об'єкту. Задана точка позиціонування реєструється фотодатчиком з максимальною погрішністю 0,01 мм. Цього вдалося досягти за рахунок значного зменшення споживаного струму фотодатчика (а отже, і його прогріву) в порівнянні з відомими схемами (1, 2). Простота схемної реалізації і висока надійність датчика дозволяють рекомендувати його до використання у всіх вищеназваних пристроях.
Основними елементами датчика є фотодіод VD2 і логічний елемент DD1.1 (рис. 1).
Якщо шторка, механічно пов'язана з рухомим об'єктом, не перекриває випромінювання світлодіода VD1, то фотодіод VD2 знаходиться в Фотогенераторний режимі. При цьому він виробляє на своїх висновках негативну ЕРС близько - (0,2. 0,4) В. І оскільки резистор R2 має великий опір (1 МОм), то напруга на виході 3 інвертора DD 1.1 відповідає високому логічному рівню. При затемненні фотодіода VD2 шторкою вихід елемента DD1.1 переходить в стан логічного 0. Це відбувається за рахунок того, що темнової опір фотодіода VD2 дуже велике (прим. 10 МОм).
Використання в якості підсилювального органу мікросхеми КМОП структури дозволило довести споживаний струм фотодатчика (природно, без струмів навантаження і світлодіода) до наноамперного рівня. Внаслідок цього флуктуаційні явища в кристалах фотодіода і мікросхеми, що викликаються внутрішніми прогревом, мінімальні. Цим і пояснюється висока точність спрацьовування фотодатчика.
Елементи DD1.3 і DD1.4 утворюють RS-тригер, що дозволяє зафіксувати точку позиціонування датчиком при «тремтінні» шторки, що перекриває світловий потік. Елемент DD1.2 виконує функцію інвертування сигналів, що подаються на входи тригера. Вихідним елементом датчика є транзистор VT1, до колектора якого підключаються навантаження (наприклад, показання пунктиром реле з захисним діодом).
Для підвищення завадостійкості і чіткості спрацьовування датчика на дуже низьких швидкостях переміщення шторки (до 5 мм / хв), а також в умовах підвищених її вібрацій, можна використовувати датчик за схемою, зображеної на рис. 2.
Мал. 2. Схема перешкодостійкого фотодатчика
У цю схему введений тригер Шмітта (DD 1.1, DD1.2), Гістерезисні петлю якого можна налаштувати за допомогою резисторів R4, R5.
Розглянемо роботу датчика за схемою рис. 2, в циклі підходу і відходу шторки, підданої вібрацій, до заданої точки позиціонування. При цьому форма сигналу в точці А може змінюватися по кривій, наведеної на рис. 3, ст.
Мал. 3. Графіки роботи перешкодостійкого фотодатчика: 1 - гистерезисная петля тригера; 2 - сигнал на виході датчика; 3 - вхідний сигнал.
У момент часу l1 (точка 1) тригер Шмітта переключиться в стан високого логічного рівня. Незважаючи на те, що сигнал в точці А в наступні моменти часу може стати трохи нижче первісного рівня спрацьовування (наприклад, точка 3), тригер Шмітта, завдяки наявності гистерезисной петлі (рис. 3, а), не повернеться в початкове положення. Повернення в «нульове» стан станеться лише тоді, коли сигнал в точці А досягне певного рівня, так званої точки відключення (точка 2).
Вихідний сигнал датчика ілюструється графіком, наведеним на рис. 3, б.
Необхідну ширину петлі гистерезиса можна розрахувати за наступним виразом:
При вимозі зміни полярності вихідного сигналу датчика, в залежності від алгоритму його роботи, необхідно перемкнути резистор R3 від точки В в точку С RS-тригера.
Якщо виникла необхідність підстроювання точки спрацьовування датчика в межах декількох мікрометрів, то вхідний вузол датчика можна виконати за однією із схем рис. 4.
Мал. 4. Схеми регулювання точки спрацьовування фотодатчика: а - на елементі І-НЕ; б - на елементах АБО-НЕ
Регулювальним елементом тут є змінний резистор R.
Якщо фотодіод VD2 розміщений на відстані більше 0,5 м о-т електронної схеми датчика, то зв'язку схеми і фотодіода необхідно виконувати екранованим проводом. Підвищенню завадостійкості датчика в цьому випадку буде також сприяти і застосування RC-фільтра в сигнальної ланцюга, який підбирається експериментально.
Підвищити точність спрацьовування датчика можна за рахунок зменшення площі світлочутливої області фотодіода VD2. Для цього його накривають металевим ковпачком з отвором 0,5. 1,0 мм 2
Замість мікросхем серії К176 можна використовувати мікросхеми серії К564 або К561.
Описаний датчик зберігає працездатність при змінах напруги живлення від 4 до 9 В. В окремих випадках необхідний лише підбір резистора R1, що визначає струм світлодіода VD1.
література
1. Марголін Ш.М. Точна зупинка електропріводов.- М. Вища школа, 1984, 104 с, іл.
2. Юрик В. Ривкін А. Електронний лічильник витрати магнітної ленти.- ВРЛ, № 67.
3. Горошков Б. І. Радіоелектронні пристрої: довідник.- М. Радио и связь, 1984, 400 с, іл.
[email protected]