设计篇II：受光元件侧的设计

为了更好地使用微型光电传感器，在此就设计方法进行详细说明。
受光元件侧的设计分为光电晶体管和光电IC共2大类。

光电晶体管时

受光元件的特性

图7. 测定回路

測定回路

作为受光元件其重要特性是：有光线进入时和无光线进入时的变化。图7表示向LED接通一定正向电流 IF时，测定光电晶体管中电流情况的回路范例。此处的理想环境条件为周围黑暗(0lx)。

首先，在无正向电流 IF流动(＝未入光)的状态下，电流表的显示为数nA(nA＝10-9A)。这是光电晶体管自身的漏电流，被称为暗电流 ID。这种状态下，即使使用不透明物体对来自LED的光进行遮光也是同样结果。

接着，从流动正向电流 IF的状态来看，电流表的显示为数mA(mA＝10-3A)，此电流被称为 IL。如右侧所示，这2种电流的对比结果存在106倍的差值。因此，如果利用这个电流(电平)差，即可执行各种物体的检测。

  • 遮住射向光电晶体管的光时 … 暗电流 ID: 10-9A
  • 向光电晶体管照射光线时 … 光电流 IL: 10-3A

而在实际使用时，由于黑暗环境较少且存在环境光线，所以暗电流 ID附加的电流会在遮光时流动。

图8. 暗电流的温度依赖性(代表范例)
EE-SX1081型

Measuring Circuit

此外，暗电流 ID或光电流 IL的温度依赖性也需要注意。

首先是暗电流 ID的温度依赖性，尤其是在高温时，其依赖性会更大，需要引起注意。

图8表示EE-SX1081型的暗电流 ID的温度依赖性。

其次是光电流 IL，若将温度依赖性看作受光元件，光电流 IL将随着温度的上升不断增加，但若看作微型光电传感器的输出元件，随着温度的变化，LED发光输出与光电晶体管光电流将呈现图9所示的依赖性，因此微型光电传感器光电流 IIL会相互抵消，呈现相对较小的输出变化(依赖性)。

图10表示EE-SX1081型的光电流 IL的温度依赖性。

依赖性的趋势(右上升曲线，左上升曲线，山形曲线…)尚不确定，产品目录中的记载仅为代表范例。依赖性趋势的不确定也说明进行温度补偿及温度校正的困难。

图9. 发光/受光元件输出的温度依赖性
(代表范例)

LED and Phototransistor Temperature Characteristics (Typical)

图10. 光电流的温度依赖性(代表范例)
EE-SX1081型

Relative Light Current vs. Ambient (Typical) Temperature Characteristics

关于各种特性的变化

在此，将就设计方面的要点进行说明。
而这里将以称为(Worst-case design)的最坏情况设计方法为例进行说明。

最坏情况设计是指，微型光电传感器各项特性在功能上均处于不佳(最坏)状态时，仍能保证正常动作的设计方法。微型光电传感器中，可假定光电流 IL最小，暗电流 ID等泄漏电流最大后进行设计。即，假定检测物体时的电流和非检测时的电流之比为最小时的状态。

光电流 IL和暗电流 ID的最坏情况可通过参阅产品目录，(电气特性)等规格把握(均用最小值或最大值作为规格采用)。表1表示数种欧姆龙微型光电传感器的光电流数 IL和暗电流 ID的极限规格值。

表1. 暗电流 ID和光电流 IL的标准值

型号 ID(nA)
标准上限值		 IL(mA)
标准下限值		 条件
EE-SG3 200 2 IF＝15mA
EE-SX1081,
EE-SX1035
EE-SX1096(-W11)等		 200 0.5 IF＝20mA
EE-SY110
EE-SF5(-B)等		 200 0.2 IF＝20mA∗1
条件 VCE＝10V, 0lx
Ta＝25°C		 VCE＝10V
Ta＝25°C		 -

在实际设计上，基于表1的极限标准值进行展开，但只通过这个操作并不能完成最坏情况设计。

暗电流 ID时

  • 温度上升
  • 电源电压
  • 环境干扰光
  • 反射型中内部反射引起的泄露电流

等要素而应考虑到“加分”

光电流 IL时

  • 温度变化
  • 时间变化

等要素而应在设计时加入“减分”。

表2所示为暗电流 ID的“加分”、光电流IL的“减分”。

表2. 各种要素的受光元件依赖性

要素 光电晶体管
暗電流 ID 环境(扰乱)光 通过实验确认
温度(上升) 每+25°C约10倍
电源电压 参照图11
光电流 IL 温度(变化) +10～−20%程度
时间变化
(2～5万小时)		 结合温度变化，
视为初始的1/2

图11. 暗电流的施加电压依赖性(代表范例)
EE-SX1081型

暗电流的施加电压依赖性(代表范例)

接着，尝试将表1加入并替换表2的依赖性(这里的条件是最高环境温度为Ta＝60℃、Vcc＝10V、使用时间5万小时左右)。

例如，如果是EE-SX1081型，暗电流 ID的最大值在环境温度Ta＝25℃时为200nA，环境温度Ta＝60℃时约为4μA。

光电流 IL的最小值在环境温度Ta＝25℃时为0.5mA MIN，所以在5万小时候，包括温度依赖性在内可能约为0.25mA左右。

表3中显示了各种微型光电传感器的最差情况预计值，请在设计时使用。

此外，除了上述情况一下，还应考虑到特种特性的不稳定，这方面将在各特性相关内容中进行说明。

而反射型微型光电传感器的光电流 IL数值是本公司在标准测定条件下的数值，会根据检测物体或距离而发生大幅度变化，敬请注意。

表3. 各种微型光电传感器的最差情况预计值

型号 ID(μA)
最差情况预计值		 IL(mA)
最差情况预计值		 条件
EE-SG3 4 1 IF＝15mA
EE-SX1081
EE-SX1035
EE-SX1096(-W11)等		 4 0.25 IF＝20mA
EE-SY110
EE-SF5(-B)等		 4 0.1 IF＝20mA∗1
条件 VCE＝10V, 0lx
Ta＝60°C		 VCE＝10V, 5～10万小时
Ta＝Topr		 -
  • *1. 本公司标准测定条件下的数值

基本回路的设计方法

在前项中，就设计时的重要特性进行了说明，希望大家对该些特性是基于哪些要素、又会发生哪些变化、设计时又该如何利用发生变化的特性相关问题已有所理解。

本项中将就具体设计法和设计时的要领进行说明。

首先，在上一章中已经就LED光进入光电晶体管和被遮住时光电晶体管的变化进行了说明，其中，第1要点为如何将流通于光电晶体管中的电流(IL，ID 等)作为输出进行处理。

图12中显示了微型光电传感器的基本回路。

图中连接光电晶体管侧的电阻RL在光电晶体管入光时，将有光电流 IIL通过，遮光时将有暗电流 ID(＋α)通过。

图13. 输出的用法(具体范例)

输出的用法

图12. 基本电路

基本电路

因此，将电阻RL两端的电压(降)视为输出时，入光时的输出电压为 IL×RL，遮光时的输出电压为 ID(+α)×RL。(后续说明中讲述的IL或 ID请使用先前讲述的最差估算值)

那么，想要将输出作为电压使用时，只需连接电阻RL即可。

举例说明，假设光电流 IL的最差值为0.25mA、暗电流 ID附加的漏电流最大值为0.01mA，如果想要光电晶体管开启时的输出电压应在4V以上、关闭时在1V以下，则需如图13所示将负载电阻RL设定为22kΩ左右，由此在开启时即可达到5.5V(0.25mA×22kΩ)、关闭时达到0.22V(0.01mA×22kΩ)。

而在实际使用时，(先前的计算为最差值时的计算结果)，开启时的输出电压为该值以上的电压、关闭时的输出电压为该值以下的电压。

可将如上所述获得的输出电压进行增幅后作为IC的输入，以便灵活使用微型光电传感器。

[ 光电晶体管发射极接地时 ]

将微型光电传感器作为开关使用时，需设定受光侧的负载电阻RL，以便在光电流 IL-集电极/反射极间电压VCE特性的饱和区域使用。

此外，图14所示电路可通过以下公式表示。

IF＝(VCC−VF) / RF … (A)

VCC＝IC×RL+VCE … (B)

图14 光电晶体管接地时

图14

例如：在R1＝220kΩ环境下使用时的具体计算结果如下所示。

1. 计算LED正向电流 IF

通过(A)公式：IF＝ (VCC−VF) / RF＝ (5−1.2) / 220＝17mA

2. 计算光电流下限值

通过产品标准值、IL (MIN) ＝0.5mA (IF＝20mA时)
此时的 IL−VCE特性下限如图15所示。
要想在电路上使光电晶体管(PTr)稳定开启，需在PTr的饱和区域使用。
IF＝17mA时的 IL下限值与 IL− IF特性成正比关系，通过计算得出的结果为 IL(MIN)＝0.5×17/20＝0.425mA (IF＝17mA时)。

  1. RL过小时，IL−VCE曲线与负载线交点处的VCE＝将会变大，从而导致上述电路上的VOUT＝VCE＝变大，PTr：ON时的VOUT得不到充分下降。
  2. 将RL假设为 IL(MIN)的50%执行设定后，在 IL−VCE特性的饱和区域开启即可实现稳定的开关效果。

图15. 光电流 IL - 集电极/反射极间电压VCE

光电流 IL - 集电极/反射极间电压VCE

3. 考虑设计余度

微型光电传感器采用即使出现正常的经时老化、温度特性所致变化也可执行动作的电路设计，IL假设为初始值的50%进行设计，所以将IL(MIN)＝0.425mA (IF＝17mA时)的50%、也就是约0.212mA视为电路电流 IC。

4. 计算RL

通过(B)公式：RL＝(VCC−VCE(sat)) / IC≒VCC / IC＝5 / 0.212＝23.6kΩ
因此，为RL＝22kΩ左右。

应用回路设计法

接下来，就图16中所示的应用电路设计法进行说明。

如图16所示，LED的光入光与光电晶体管后，即会产生光电流 IL，此光电流 IL从R1流向R2。然后，R2两端的电压超过晶体管Q1的基极/发射极之间的偏置电压(0.6～0.9V)后，除了R2方向以外，光电流 IL还会分流并流向Q1的基极/发射极方向，此分流变为Q1的基极电流，Q1进入开启状态。
Q1切换为开启状态后，集电极电流穿过R3流动，Q1的集电极电位下降，在逻辑电平中称为“L(低)”水平。

其次是遮光时，虽然会有暗电流 ID＋α的泄漏电流，但此时(ID＋α)×R2的电位尚未达到 Q1基极发射极之间的偏置电压，因此，不会有基极电流通过Q1，Q1为OFF状态，Q1输出为“H(高)”水平。

图16. 应用回路

应用电路

图17. 等效电路

等效电路

微型光电传感器切换为开启后，微型光电传感器看上去似乎在Q1的基极/发射极之间(于二极管等效)上为短路状态(图17)，如果微型光电传感器的光电流 IL较大，微型光电传感器上则会产生过大的集电极损耗PC，此时加入R1即可抑制这种现象的发生。

图16中的要领是

  • IL× R2的电压要大大高于基极发射极的偏置电压；
  • (ID＋α)×R2的电压要大大低于基极发射极的偏置电压，

如何设定作为此些通用项目的R2可谓决定因素。

在此，以使用EE-SX1081型微型光电传感器时、电源电压Vcc＝5V、驱动标准TTL IC(74系列)时为具体范例，就作为要领的R2和R1相关设计法进行说明(图18)。

图18. 应用电路范例

Equivalent Circuit

[ R2的计算 ]

公式1, 2, 3

选择R2的值，以施加开启晶体管Q1所需的基极/发射极之间的偏置电压VBE(ON)，所以使用(公式1)(公式2)

通过(公式2)计算的VBE(ON)为普通小信号晶体管时约为0.8V，IL为表3所示的最差特性值0.25mA，IB一般约为20μA左右。因此，本次范例中为(公式3)。

R2应大于(公式2)右边数值，所以在实际设计时，请使其大于(公式2)求得数值的2～3倍(本次为R2＝10kΩ)

[ R2的验证 ]

公式4, 5

如前项所述，以使Q1开启作为前提算出R2。在此，确认能否通过先前算出的R2关闭Q1来验证R2的合理性。

使Q1关闭需使用(公式4)。
尝试将以下所示数字用于这个(公式4)，确认能够满足(公式4)的条件(公式)。
(公式4)中含有α，在此假设为10μA，暗电流 ID适用表3的4μA后，即变为(公式5)。

基于(公式5)，可见完全可以满足(公式3)表示R2得到验证。此验证中若未发现问题，设计到此基本完成。

[ R1的确定 ]

如先前所述，如果加入较大的微型光电传感器的光电流 IL，Q1的基极/发射极之间看上去为短路状态(图17)且流动过大电流，为了抑制这种现象的发生，插入R1可降低光电晶体管的集电极损耗PC。
确定R1时，需根据“光电晶体管的集电极损耗PC的允许上限值。(基于绝对最大额定值)”，所以应通过产品目录中所示集电极损耗的温度额定值图进行计算，结果为数百Ω(此处为200Ω)，这里省略中途计算(设计法)和相关说明。

设计到此结束。
总而言之，微型光电传感器受光元件的设计要领是使用1管晶体管使微型光电传感器的输出增幅。从提高电路可靠性及动作稳定性方面来看，与只使用微型光电传感器单体的输出相比也会出现较大的性能差。
与图12的基本电路相比，图18的电路基于微型光电传感器的外显阻抗(负载电阻)R1的较小值而确定，应答性方面也发挥较大性能差。

此外，最近还推出了将光电IC这种增幅电路内置于受光元件的产品，设计简单且方便使用，所以也出现了常用光电IC输出的倾向。

微型光电传感器
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