光学センサーの動作原理光学センサーの基本回路を図2-2.1（a）に示します。 LEDのアノードは抵抗REを介して電力線VCCに接続され、カソードは接地されています。 順方向電流IFはLEDを流れており、目には見えない赤外光を放射しています。 フォトトランジスタのコレクタは抵抗RLを介して電力線VCCに接続され、エミッタは接地されています。 また、コレクタはコンパレータの入力端子または次段のICに接続します。 図2-2.1（b）に示すように、発光および検出デバイスが配置されています。 ライトカットオフプレート、つまり検出対象がエミッタと検出器の間に来ると、フォトトランジスタがオフになり、コレクタの電位が上昇します。 一方、それが取り外されると、トランジスタがオンになり、コレクタ電位が低下します。 言い換えれば、物質の存在が検出され、それに接触することなく電気信号に変換されます。 通常、この信号は次段の信号処理回路に入力され、各種周辺機能を制御します。
図2-2.1–光学センサーの動作原理
光センサー回路の設計手順まず、REとRLの値を取得します。 図2-2.1（a）において、LEDの順方向電圧降下がVFの場合、LEDに流れる電流IFは次の式で与えられます。（1）IF =（VCC-VF）/ REであり、（2 ）IF=IF（MAX）（Ta=TOPR（MAX））（1）と（2）から、REは次の式で与えられます。（3）IF =（VCC-VF）/ IF（MAX）図2-2.2に示すように、IFが大きいほど、より多くの光出力IEが生成されるため、REを決定する際にIFとIEの許容損失の変動を考慮してIF（MIN）を計算する必要があります。 RLの適正値：RLの上限値を求める図2-2.1（b）では、遮光板が内側にある場合、LEDからの発光により発生する光電流ILはフォトトランジスタには流れず、漏れ光電流IL 'と暗電流Idは、流れるだけです。 このときのコレクタVOHの電位は次のとおりです。VOH= VCC – RL x（Id + IL '）ただし、次のステージへの/からの入出力電流は無視できると想定されています。
図2-2.2
図2-1.5に示すように、Idは周囲温度の上昇とともに急激に増加するため、次のステージの高レベル入力電圧をVIHとすると、次の条件を満たす必要があります。VIH& lt; Ta=Topr（MAX）でのVOH RL =（VCC – VIH）/（Id + IL次に、RLの下限値を取得します。遮光板が内側にない場合、フォトトランジスタが光を受け取ります。光電流ILと上記のId + IL 'がフォトトランジスタに流れます。通常、IL=Id + IL'でない限り、光遮断板の存在を視点から見分けることが困難になります。 S / N比の場合、このときのコレクタ電位VOLは（4）VOL=VCC – RL（IL + Id + IL '）次のステージへの低レベル入力電圧がVIL 'を満たす必要があります（5）VIL> VOL式（4）および（5）は、ILの下限値でも満たす必要があります。下限値IL（MIN）は次のとおりです。IL（MIN ）= CTR（MIN）x Dt x DTa x Dn
図2-1.5
Dt：運転中のCTR劣化係数（図2-1.7）DTa：CTR温度変化（図2-1.6）Dn：ほこりや汚れによるCTR変化式（4）および（5）から、RL =（VCC – VIL ）/（IL（MIN）+ Id + IL '）RLが小さいほど、スイッチング時間は短くなります。 発光デバイスと受信デバイスの結合特性を取得する方法以下では、発光デバイスと検出デバイスの結合特性を初期設計として計算し、それらが適用可能かどうかを確認します。 次に、2番目のステップとして、実際の動作などを確認する方法を示します。 初期設計代表的な製品のカップリング特性を図2-4.1〜2-4.3に示します。 このような特性図は、発光デバイスと検出デバイスの組み合わせによって多少異なります。 一般的に、d> 以下の計算方法で1cm以上の場合、個別に調べなくても大まかにこれらの特性が得られます。
（左）図2-4.1 – TLN108とTPS601Aの結合特性（右）図2-4.2 –TLN105BとTPS703の結合特性
図2-4.3–TLN107AとTPS608Aの結合特性
まず、データシートに示されている条件に従って、発光デバイスの放射強度IE（MIN）と光検出デバイスの光電流IL（MIN）を読み取ります。 放射強度IE（mW / sr）は、距離1cmで1cm2の領域に放射される放射入射EO（mW / cm2）に相当するため、距離d cmで得られる放射入射E（実際）は次の式で求められます。 E（実際）〜IE / d2（mW / cm2）光検出感度条件での光検出装置の放射入射をEと仮定すると、結合状態での光電流IL（実際）は次のように得られます。IL（実際）=IL x（E（actual）/ E）受信光電流が非常に小さく、後段回路の設計が難しい場合は、発光デバイスのDC順方向電流IFを大きくするか、放射強度IE（mW / sr）を大きくしてください。 ）パルス順方向電流による。 例として、次の条件下で検査を行います。エミッター：IE（MIN）= 1 mW / sr、IF=20 mA検出器：IL（MIN）=20μA、E=0.1 mW / cm2、VCE=3Vエミッター間の距離および検出器：d=1.5 cm E（実際）（MIN）= IE / d2=1 x（1 / 1.52）= 0.44 mW / cm2（MIN）IL（実際）（MIN）〜（E（実際）/ E） x IL（MIN）=（0.44 / 0.1）x20μA=88μAIL（実際）（MIN）は88μAであるため、TTLを直接駆動することはできませんが、C-MOSICを接続することはできます。 また、受光装置の負荷は供給電圧により決定されますが、スイッチング速度は負荷値に大きく依存するため、事前に確認する必要があります。 光センサーの応用回路赤外線LEDの応用回路赤外線デバイスの電力出力PoはLED順方向電流IFに依存するため、出力のオンオフ状態は順方向電流の制御によって対処できます。 ここでは、直流照明などの代表的な照明方法と設計上の注意事項について説明します。 図3-1.1に、DC電源使用時の照明の基本回路を示します。 この場合のIFは、次の式で表されます。IF=（VCC – VF）/ R VCC：供給電圧VF：LEDの順方向電圧IF：LEDPHO照明回路DCに流れる順方向電流
（左から右）図3-1.1 –DCドライブユニット図3-1.2–定電流駆動回路図3-1.3 –マルチLED駆動回路
図3-1.2に、トランジスタ付きLEDのVFの変化をカバーする回路を示します。 この回路のIFは次の式で表されます。IF=（VB – VBE）/ R3 VB：ベース電圧VBE：ベースからエミッタへの電圧R3：エミッタ抵抗さらに、適切に設定することにより、出力の温度依存性を低減できます。この回路のVBEとVB。 出力電力が不足している場合や、受信装置が離れすぎている場合は、図3-1.3に示すように、直列接続または並列接続で回路を完成させることができます。 この場合、IF =（VCC – nVF）/ R（直列接続）IF =（VCC – VF）/ R（並列接続）AC駆動図3-1.4に示すのは、ほぼ半波長のAC照明の基本回路です。 。 一般的に、2つの運転方法があります。 どちらも保護ダイオードを使用してLEDを逆電圧から保護します。 （a）では、この保護ダイオードは供給電圧VCCに対応する逆電圧タイプであり、（b）では、保護ダイオードの逆電圧は赤外線LEDの順電圧の約2倍である必要があります。
上記の回路では、供給電圧VCCに応じて定格電圧に適した定数Rを使用しています。 また、Ｒは、供給電圧ＶＣＣが最大となる点での赤外線ＬＥＤの順方向電流ＩＦの定格値に制限されるように選択されている。
図3-1.4–AC駆動回路
パルス駆動光信号をパルス変調光に変えると、多くの利点が得られます。 パルス変調信号のデューティ比が小さい場合、発光デバイスの瞬時光出力が増加し、光信号が周囲光と区別され、S / N比の向上が保証されます。 バッテリーを電源として使用すると、デバイスの消費電力を削減できるため、バッテリーの寿命が延びます。 受光部の次段とのRC結合が可能になり、温度上昇による暗電流増加の影響を回避できます。 このパルス駆動システムは、TTLまたはC-MOSおよびTrなどと組み合わせて設計されています。図3-1.5に示す回路では、TTLまたはC-MOSデバイスのIOLの電気的特性に注意する必要があります。 IF<を満たすために過度に大きな電流を印加することはできないため。 IOL。 より高い電流を流すには、図3-1.6に示すように出力電流容量の大きいバッファICを使用するか、トランジスタを外部に設置する必要があります。 参考までに、TTL、C-MOS、バッファICのIOLとVOLの特性を示します。
図3-1.5
フォトトランジスタの応用回路基本回路フォトトランジスタの基本回路を図3-2.1に示します。負荷抵抗RLは、フォトトランジスタの暗電流温度特性を考慮して選定しています。 RLが大きすぎると、高温での暗電流によってのみフォトトランジスタがオンになる場合があります。 例えば、フォトトランジスタTPS601AをTa=100℃で動作させると、暗電流が約100μAになる場合があります。 RLをVCC=5Vで50kWに設定すると、暗電流の増加によりTPS601Aが完全にON状態になります。
図3-2.1–フォトトランジスタの基本回路
ベース端子を備えたフォトトランジスタのバイアス回路図3-2.2（a）および（b）に、ベースからエミッタへの抵抗RBEが暗電流および光電流に及ぼす影響を示します。 通常、フォトトランジスタの暗電流は常温で数nAと小さく、ベースとエミッタの間に抵抗RBEを挿入してコレクタからベース接合点への漏れ電流をバイパスすることで暗電流をさらに低減することができます。 RBEを小さくしすぎると、フォトトランジスタの見かけのhFEが低下し、必要な光電流ILが得られないため、1MWを超えるRBEが適切です。
図3-2.2（a）– RBEによる暗電流の減少/図3-2.2（b）–RBEによる光電流の変化
さらに、ベース端子を使用することにより、フォトトランジスタの動作点を適切なレベルに設定することが可能である。 この場合の照明-光電流特性の線形性は、ベースバイアス電流がゼロの場合と比較して大幅に改善されています。 また、図3-2.4に示すブリーダー型バイアス方式があり、実験的にDC動作点での熱安定性を向上させており、RBの値としては2〜10MWが適切と考えられます。 これは、ベースのインピーダンスを上げることにより、コレクタとベースの接合点にあるフォトダイオードのほとんどすべての光電流ILをフォトトランジスタのベースに適用するためです。
図3-2.4（b）–ブリーダータイプのバイアス方式
温度補償回路フォトトランジスタの光電流ILと暗電流Idは正の温度係数を持っています。 特に、個々の技術データシートに示されているように、暗電流は指数関数的に増加します。 そのため、周囲温度50〜60℃で安定した動作を実現するためには、フォトトランジスタの暗電流や光電流の温度補償が必要になります。 図3-2.5に示す回路は、ダイオードの順方向電圧VFによって保持される負の温度係数を使用しています。 ベース端子のないフォトトランジスタを使用する場合、出力電圧を補償する方法は、図3-2.6に示すように、サーミスタを使用してフォトトランジスタの負荷抵抗を低減することです。
図3-2.5–抵抗ダイオードを使用した温度補償回路
図3-2.6–サーミスタを使用した温度補償回路
図3-2.7（a）に示す基本的な増幅器回路はNPNトランジスタを使用したダーリントン接続であり、図3-2.7（b）はPNPトランジスタを使用したダーリントン接続です。 どちらの回路でも、光電流はhFE倍に増加し、出力電流ICはhFEになります。 IL
図3-2.7–フォトトランジスタの増幅器回路
図3-2.8にオペアンプによる増幅を用いた基本回路例を示します。
図3-2.8–動作サーミスタを備えた増幅器回路
スイッチング速度の向上フォトトランジスタの光電流が小さいため、負荷インピーダンスを上げて電圧増幅を上げると、逆効果としてスイッチング速度特性が犠牲になる場合があります。 対策として、PNPトランジスタベースの回路（図3-2.9（a））またはNPNトランジスタのカスケード接続（図3-）を介してインピーダンスを変換することにより、負荷のサイズに比較的依存しないスイッチング速度特性を取得する方法があります。 2.9（b））。 試験方法は、光電スイッチ/高速テープリーダー用の高速パルス変調光検出回路に適用できます。
図3-2.9–周波数特性の改善例
アナログの使用法フォトトランジスタは、内部に増幅機能を備えているため、フォトダイオードよりも高い感度を提供します。 ただし、増幅率の違いにより感度が大きく変動します。 したがって、感度を補正するために可変抵抗器を使用するか、特定の感度定格用に事前に選択された製品を購入する必要があります。
図3-2.14
図3-2.14（a）にトランジスタアンプの電流を制御する回路を示します。 フォトトランジスタのコレクタ電流は、エミッタが接地されている次段トランジスタのベースを制御します。 フォトトランジスタの感度の変動は、エミッタ回路のフィードバック抵抗REによって制御されます。 図3-2.14（b）にトランジスタアンプの電圧を制御する回路を示します。 フォトトランジスタのコレクタ電流は、可変抵抗器によって後段トランジスタを制御するための電圧を生成します。 トランジスタはフォロワであり、個々のフォトトランジスタ間の変動は可変抵抗RAによって補正されます。 したがって、フォトトランジスタのスイッチング時間はRAによって変化します。 フォトダイオードの応用回路赤外線LEDと組み合わせて、フォトダイオードは2つの方法で使用されます。 光の存在を検出するためにデジタルで、光の量を検出するためにアナログ。 デジタル使用応答速度が速いため、フォトダイオードは高速スイッチングに適しています。 ただし、光電流が小さいため、図3-3.1（a）のように入力インピーダンスの高いFETや図3-3.1（a）のように増幅率の高い回路を使用する必要があります。 b）。 増幅率を上げるために、オペアンプが使用されます。 高速応答が必要な場合は、適切な高速アプリケーション用のアンプを選択する必要があります。
図3-3.1–フォロダイオードの増幅器回路（デジタル使用）
アナログ使用フォトダイオードの照度と光電流特性は、フォトトランジスタよりも線形に近く、フォトダイオードはアナログ用途で使いやすい製品と言えます。 このタイプの使用法には、線形増幅と対数増幅があります。
図3-3.2–フォトダイオードの増幅器回路（アナログ使用法）
反射型フォトセンサーの応用回路反射型フォトセンサーには2種類あります。 フォーカスタイプとノンフォーカスタイプ。 アプリケーションに基づいて適切なタイプを選択する必要があります。 図１および図２に示すそれぞれの基本的な検出位置特性から分かるように。 3-5.1、3-5.2では、フォーカスタイプの白黒境界面位置検出特性は、非フォーカスタイプよりもシャープです。 したがって、バーコード検出アプリケーションでは、フォーカスタイプが非フォーカスタイプよりも優れています。 ただし、スモールノンフォーカスタイプは対象物の検出には有効です。
図3-5.1–非焦点タイプの検出位置特性の例
図3-5–反射型フォトセンサーの基本的な検出回路
反射型フォトセンサーは、検出した物体の存在をデジタル出力する必要があるため、図3.5-4に示すように、反射型フォトセンサーの次の出力段にコンパレータ回路を接続します。
図3-5.4コンパレータ付き反射型フォトセンサーの接続回路
反射型フォトセンサーのアプリケーション設計は、透過型フォトセンサーよりも困難です。理由は次のとおりです。
反射物質の反射率が異なります
反射物質の距離は簡単に制御できます
発光面と検出面の両方が同一平面上にあり、外光の影響を受けやすく、漏れ電流が増加します。
したがって、できれば透過型の光センサーを設計したほうがよいと言えます。
