光電開關(guān)電路設(shè)計方法

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)動電路和光電三極管的自動增益控制特性，檢測電路的輸出級帶有放大和施密特遲滯特性，確保整機的高抗干擾能力。

　　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，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 給出了一個具有大功率輸出的發(fā)光二極管驅(qū)動電路，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)動器

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

　　為了穩(wěn)定被調(diào)制光信號的頻率，電路中使用了分頻器CD4060 。它帶有一個外接晶體振蕩器，內(nèi)部有多級分頻器。對于1M 晶振來說，經(jīng)過4 060 的六次分頻，可以得到頻率穩(wěn)定的151625kHz 的方波，再通過功率場效應(yīng)管的電流放大，就可以同時驅(qū)動上百個發(fā)光二極管同時發(fā)光。

　　2 　帶自動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電路。紅外光電三極管T2 帶有基極引出腳。因此可以對其進行靈敏度控制。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，因此這個反饋是對于直流工作點的負(fù)反饋，也使得交流電壓增益得到控制，這就是自動增益控制(AGC) 電路。

　　圖2 　光電接收電路

　　輸入光信號較強時， T3 集電極信號有變強趨勢，導(dǎo)致光電三極管T2 基極的直流工作點電壓下降，從而使T2 和T3 的交流輸出均減小。因此，這個負(fù)反饋系統(tǒng)將使T3 的交流輸出信號在很大范圍內(nèi)與T2 得到的光強大小幾乎無關(guān)。可知，該接收電路在輸入光發(fā)生變化時，T3 輸出信號變化不大。就是說，光源和光電三極管之間的距離變化，在很大范圍內(nèi)對T3 輸出信號影響不大。只有光源被充分隔擋之后，T3 的輸出信號才有明顯變化。

　　圖2 中的U11 組成二階帶通濾波器， 可以濾去151625kHz 以外的信號。該級增益為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 信號上解調(diào)出包絡(luò)信號。上述兩部分電路可以濾除陽光、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 　實驗數(shù)據(jù)

　　表1 為實驗測得的數(shù)據(jù)。發(fā)光管和接收管之間正面相對， 兩者之間無聚焦光學(xué)元件。用有無遮光對整機主要參數(shù)進行測試。由表可知，兩管表面之間的相對距離在015～170mm范圍內(nèi)，無需調(diào)整靈敏度都能正常工作。

　　表1 　光電開關(guān)整機實驗數(shù)據(jù)

　　在距離接收管100mm 處用1 個40W白熾燈照射時，接收管仍可正常工作，表現(xiàn)為接收管不會飽和，抗干擾性極強。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，可用半導(dǎo)體激光二極管作調(diào)制光源。

　　4 　結(jié)束語

　　本文所介紹的高級光電開關(guān)電路具有如下特點：

　　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。

　　施密特電路可以對開關(guān)進行消抖。

　　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)用的場合。

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