微型光电传感器基础知识：设计篇Ⅰ
为了更好地使用微型光电传感器，在此就发光元件侧的设计进行详细说明。
发光元件的特性
欧姆龙微型光电传感器的发光元件上使用了红外LED和可见(红色）LED。图3所示表示使用了红外LED的EE-SX1081型的LED真相电流-正向电压特性。
此处最大的特点在于这些正向特性各有差异(正向特性是指正向电流 IF由正极流向负极时，LED两端的电压(压降)变化)。根据图3可以发现，与红外LED相比，红色LED的正向电压VF更大。
在常用(实际使用)电流水平下，红外LED的正向电压VF为1.2V左右，红色LED为1.8～2.0V，请作为基本概念留心。
图3. LED正向电流正向电压特性(代表范例) EE-SX1081型
驱动电流水平
发光元件侧尤为重要的是接通多大的正向电流 IF。正如微型光电传感器中额定值的说明一样，因为有使用条件上的限制，因此不可多也不可少。
首先，就上限进行说明。上限根据绝对最大额定值所示数值而规定，请查看产品目录等。以EE-SX1081型为例，绝对最大额定值(Ta＝25°C)项目下面第一条即为直流正向电流 IF＝50mA，由此推算正向电流IF的最大值为50mA。
但是，此规定的环境温度为Ta＝25°C，而实际使用(温度范围)时，通常需要相应减少，这也可以参阅产品目录中记载的温度额定值图(图4为EE-SX1081型的范例)。范例)。
图4中的横轴表示环境温度Ta，纵轴表示直流正向电流 IF。根据该图，假设使用温度的上限为60°C，横轴60°C所对应的纵轴值即为该使用温度范围内可通过的上限电流值。
图4表示Ta＝60°C时的正向电流 IF约为27mA，故请在使用时注意切勿超出27mA。
图4. 温度额定值图 EE-SX1081型
■ 绝对最大额定值(Ta＝25℃) EE-SX1081型
| 项目 | 记号 | 额定值 | 单位 | |
|---|---|---|---|---|
| 发光侧 | 正向电流 | IF | 50＊1 | mA |
| 正向脉冲电流 | IFP | 1＊2 | A | |
| 反向电压 | VR | 4 | V | |
| 受光侧 | 集电极 发射极之间的 电压 |
VCEO | 30 | V |
| 发射极 集电极之间的 电压 |
VECO | --- | V | |
| 集电极电流 | IC | 20 | mA | |
| 集电极损耗 | PC | 100＊1 | mW | |
| 动作温度 | Topr | －25～＋85 | ℃ | |
| 保存温度 | Tstg | －30～＋100 | ℃ | |
| 焊接温度 | Tsol | 260＊3 | ℃ | |
*1. 环境温度超过25°C时，请参阅温度额定值图。
*2. 脉冲宽度≤10μs，重复100Hz。
*3. 焊接时间请控制在10秒以内。
其次，就下限进行说明。正向电流 IF＝0时不会发光，所以必须流入一些电流。在此不作详细说明，但使用了红外LED时请确保在5mA以上，使用了红色LED时确保在2mA以上(如果过低将无法获得稳定的发光输出)。
就欧姆龙的微型光电传感器而言，若把合适的值做如下考虑，将十分方便。首先，请看产品目录电气特性中光电流 IL这个项目。后面将对光电流 IL进行详细讲解，它表示LED通过多少正向电流 IF便能得到多少输出电流的性能，是微型光电传感器重要的特性之一。将该光电流 IL中记载的正向电流 IF条件下(如EE-SX1081型则 IF＝20mA)的值作为正常水平(虽然没有理论依据)，可得到方便使用的输出，输出处理(回路设计)也将变得更加简单。
■ 电气及光学特性(Ta＝25°C) EE-SX1081型
| 项目 | 记号 | 特性值 | 单位 | 条件 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MIN. | TYP. | MAX. | |||||
| 发光侧 | 正向电压 | VF | - | 1.2 | 1.5 | V | IF＝30 mA |
| 反向电流 | VR | - | 0.01 | 10 | μA | VR＝4 V | |
| 最大 发光波长 |
λP | - | 940 | - | nm | IF＝20 mA | |
| 受光侧 | 光电流 | IL | 0.5 | - | 14 | mA | IF＝20 mA, VCE＝10 V |
| 暗电流 | ID | - | 2 | 200 | nA | VCE＝10 V, 0 ℓx |
|
| 泄漏电流 | ILEAK | - | - | - | μA | - | |
| 集电极发射 极之间的 饱和电压 |
VCE (sat) |
- | 0.1 | 0.4 | V | IF＝20 mA, IL＝0.1 mA |
|
| 最大光谱灵 敏度波长 |
λP | - | 850 | - | nm | VCE＝10 V | |
| 上升时间 | tr | - | 4 | - | μs | VCC＝5 V, RL＝100 Ω IL＝5 mA |
|
| 下降时间 | tf | - | 4 | - | μs | VCC＝5 V, RL＝100 Ω IL＝5 mA |
|
*d 表示传感器上面至反射物的距离
设计法
图5. 基本电路
接下来，就如何设计常数的具体方法进行说明。
图5为驱动发光元件的基本电路。
这里应该注意的是，必须插入限制电阻R。若在无电阻状态下向LED施加正向偏压，由于正向的电阻(阻抗)较低，理论上将产生无限大的电流，导致LED烧坏。
我们经常收到有关向LED施加多少电压才好的问题，其实只要插入电流限制电阻，无论多少V都可以。
但是，下限问题必须引起注意，从图5的正向特性范例中可以看出，如果不施加1.2V～2V左右的电压则不会流动正向电流，所以需要该数值范围以上的电压。
电子电路的电源电压需施加LED的正向电压最大值以上的电压，所以请将红外LED为2V以上、红色LED为3V以上作为标准最大值参考值。
具体设计方法如以下所示2点。
- 确定正向电流 IF
- 确定电阻R(图5)
首先是确定正向电流 IF，规定为上述较合适水平的电流。因为EE-SX1081型上的 IF＝20mA，所以确定电阻R以确保 IF＝20mA左右。
此外，电源电压VCC，正向电压以及电阻值可能不稳定，IF将产生波动，因此，请确认是否在绝对最大额定值的允许范围之内。
图6的电阻R与LED的位置可以互换。
图6. 反向电压保护电路
若对LED施加有反向电压(包括噪声，浪涌)时，请如图6所示，与LED反向并联插入整流二极管。此外，LED的驱动方式前面已有说明，除了直流通电(驱动)之外还有脉冲驱动，但微型光电传感器中并不常用，在此不再赘述。
综上所述，设计要点可以归纳如下。
- 红外LED的VF约为1.2V，红色LED的VF约为2V。
- IF有合适水平。
- 选择 IF后设计限制电阻值。
- 施加逆向电压时，与LED反向并联上插入整流二极管。
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