|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50
Точный фотодатчик.
О. Онищенио
Трудно указать те области техники, где бы не применялись различные типы бесконтактных фотодатчиков. Это автостопы, датчики-индикаторы, сигнализаторы, измерители технологических параметров, счетчики импульсов и др.
Как показывает практика, использование фотодатчиков в качестве датчиков положения движущихся объектов накладывает повышенные требования к точности датчика. Например, точность датчика исходного положения — «нуля» координат — механизма подачи станка с программным управлением существенно влияет на качество обработки детали.
Исследования различных схемотехнических решений фотодатчиков показали, что наибольшее влияние на точность фотодатчиков оказывает локальный прогрев светочувствительного элемента — фотодиода и усилительных элементов схемы — транзисторов, микросхем. Не менее важную роль играет и конструктивное исполнение датчика. Как правило, высокоточные фотодатчики предполагают термостатирование электронной части датчика и принудительное охлаждение фотодиода.
Предлагаемый вниманию читателей фотодатчик предназначен для точного определения исходного или любого другого фиксированного положения движущегося объекта. Заданная точка позиционирования регистрируется фотодатчиком с максимальной погрешностью 0,01 мм. Этого удалось достигнуть за счет значительного уменьшения потребляемого тока фотодатчика (а следовательно, и его прогрева) по сравнению с известными схемами (1, 2). Простота схемной реализации и высокая надежность датчика позволяют рекомендовать его к использованию во всех вышеназванных устройствах.
Основными элементами датчика являются фотодиод VD2 и логический элемент DD1.1 (рис. 1).
Если шторка, механически связанная с подвижным объектом, не перекрывает излучение светодиода VD1, то фотодиод VD2 находится в фотогенераторном режиме. При этом он вырабатывает на своих выводах отрицательную ЭДС около — (0,2...0,4) В. И поскольку резистор R2 имеет большое сопротивление (1 МОм), то напряжение на выходе 3 инвертора DD 1.1 соответствует высокому логическому уровню. При затемнении фотодиода VD2 шторкой выход элемента DD1.1 переходит в состояние логического 0. Это происходит за счет того, что темновое сопротивление фотодиода VD2 очень велико (прим. 10 МОм).
Использование в качестве усилительного органа микросхемы КМОП структуры позволило довести потребляемый ток фотодатчика (естественно, без токов нагрузки и светодиода) до наноамперного уровня. Вследствие этого флуктуационные явления в кристаллах фотодиода и микросхемы, вызываемые внутренним прогревом, минимальны. Этим и объясняется высокая точность срабатывания фотодатчика.
Элементы DD1.3 и DD1.4 образуют RS-триггер, позволяющий зафиксировать точку позиционирования датчиком при «дрожании» шторки, перекрывающей световой поток. Элемент DD1.2 выполняет функцию инвертирования сигналов, подаваемых на входы триггера. Выходным элементом датчика является транзистор VT1, к коллектору которого подключаются нагрузки (например, показанные пунктиром реле с защитным диодом).
Для повышения помехоустойчивости и четкости срабатывания датчика на очень низких скоростях перемещения шторки (до 5 мм/мин), а также в условиях повышенных ее вибраций, можно использовать датчик по схеме, изображенной на рис. 2.
Рис. 2. Схема помехоустойчивого фотодатчика
В эту схему введен триггер Шмитта (DD 1.1, DD1.2), гистерезисную петлю которого можно настроить с помощью резисторов R4, R5.
Рассмотрим работу датчика по схеме рис. 2, в цикле подхода и ухода шторки, подвергнутой вибрациям, к заданной точке позиционирования. При этом форма сигнала в точке А может меняться по кривой, приведенной на рис. 3, в.
Рис. 3. Графики работы помехоустойчивого фотодатчика: 1 — гистерезисная петля триггера; 2 — сигнал на выходе датчика; 3 — входной сигнал.
В момент времени l1 (точка 1) триггер Шмитта переключится в состояние высокого логического уровня. Несмотря на то, что сигнал в точке А в последующие моменты времени может стать несколько ниже первоначального уровня срабатывания (например, точка 3), триггер Шмитта, благодаря наличию гистерезисной петли (рис. 3, а), не вернется в исходное положение. Возврат в «нулевое» состояние произойдет лишь тогда, когда сигнал в точке А достигнет определенного уровня, так называемой точки отключения (точка 2).
Выходной сигнал датчика иллюстрируется графиком, приведенным на рис. 3, б.
Требуемую ширину петли гистерезиса можно рассчитать по следующему выражению:
При требовании изменения полярности выходного сигнала датчика, в зависимости от алгоритма его работы, необходимо переключить резистор R3 от точки В в точку С RS-триггера.
Если возникла необходимость подстройки точки срабатывания датчика в пределах нескольких микрометров, то входной узел датчика можно выполнить по одной из схем рис. 4.
Рис. 4. Схемы регулирования точки срабатывания фотодатчика: а — на элементе И—НЕ; б — на элементах ИЛИ—НЕ
Регулировочным элементом здесь является переменный резистор R.
Если фотодиод VD2 размещен на расстоянии более 0,5 м о-т электронной схемы датчика, то связи схемы и фотодиода необходимо выполнять экранированным проводом. Повышению помехоустойчивости датчика в этом случае будет также способствовать и применение RC-фильтра в сигнальной цепи, который подбирается экспериментально.
Повысить точность срабатывания датчика можно за счет уменьшения площади светочувствительной области фотодиода VD2. Для этого его накрывают металлическим колпачком с отверстием 0,5...1,0 мм2
Вместо микросхем серии К176 можно использовать микросхемы серии К564 или К561.
Описанный датчик сохраняет работоспособность при изменениях напряжения питания от 4 до 9 В. В отдельных случаях необходим лишь подбор резистора R1, определяющего ток светодиода VD1.
Литература
1. Марголин Ш.М. Точная остановка электроприводов.— М.: Энергоатомиздат, 1984, 104 с, ил.
2. Юрик В., Ривкин А. Электронный счетчик расхода магнитной ленты.— ВРЛ, № 67.
3. Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства: Справочник.— М.: Радио и связь, 1984, 400 с, ил.
|
