設計定制的高速光電門(mén) PCB

2021-06-25

設計定制的高速光電門(mén) PCB

插槽大小的光電門(mén)在許多設備和機械中都很常見(jiàn)，適用于讀取數量驚人的編碼器輪或檢測破壞光束的物體。雖然它們可用于許多應用，但市售型號的槽寬通常小于 2 毫米。這不允許您使用更大的間隙來(lái)檢測大型物體。

我正在使用臺式注塑機，想要檢測從模腔中掉落的零件。我想讓機器自動(dòng)運行，無(wú)需持續監督，因此確保每次注射后清潔型腔至關(guān)重要。如果零件掛在一串塑料上的半模之間，或掛在頂針上，那么當半模關(guān)閉時(shí)，可能會(huì )損壞機器。

我可以使用多種選項來(lái)檢測從型腔中掉出來(lái)的零件，但我喜歡光閘方法的簡(jiǎn)單性和可靠性。在電流傳導模式下使用時(shí)，光電二極管表現出令人難以置信的快速響應速度，可以檢測到掉過(guò)傳感器的最小部件。我的問(wèn)題是，我找不到不是為大型工業(yè)機器設計的現成的好的解決方案。工業(yè)機器零件通常經(jīng)過(guò)安全關(guān)鍵應用認證，因此并不便宜。我的 DIY 機器需要一個(gè)質(zhì)量足夠好的解決方案，但又不能太貴。

我打算在模具體下方有一個(gè)零件斜槽，可以讓彈出的零件進(jìn)入垃圾箱或盒子。通過(guò)讓紅外光束從該腔體的一側照射到另一側的光電檢測器，我可以使用微控制器檢測經(jīng)過(guò)的部件。如果我將光電門(mén)連接到施密特觸發(fā)器緩沖器，如果我愿意，我還可以向可編程邏輯控制器或其他第三方控制器提供干凈的邏輯電平信號。

我對這個(gè)項目的要求相當簡(jiǎn)單：快速可靠地檢測缺光?？紤]到機器周?chē)h(huán)境光比較多，我想用紅外光束，為了可靠性，我打算使用驅動(dòng)電流為100mA的發(fā)射器。發(fā)射極的高驅動(dòng)電流比您想使用串聯(lián)電阻器進(jìn)行調節要多，但可能比您希望一個(gè)成熟的 LED 驅動(dòng)器來(lái)處理要少。不過(guò)，我喜歡做事過(guò)度，所以我要在電路板上添加一個(gè)恒流 LED 驅動(dòng)器，它也可以為發(fā)射器供電。

光電二極管

測量光的方法有很多種，光電二極管恰好在我使用過(guò)的任何東西中都具有最快的響應速度。在光伏模式下使用光電二極管與在電流傳導模式下使用光電二極管之間存在巨大差異。在光伏模式下工作時(shí)，二極管有點(diǎn)像一個(gè)非常差的太陽(yáng)能電池，它會(huì )從它所暴露的光線(xiàn)中產(chǎn)生一個(gè)很小的電壓。光伏模式可能適用于基本的存在檢測應用，但不適用于檢測高速事件，例如掉落的小部件。二極管中的結有電容，這是二極管速度的限制因素。當二極管接收到光時(shí)，它會(huì )在發(fā)出預期信號之前先對結充電，當光源消失或減弱時(shí)，結必須在不活動(dòng)之前放電。

例如，如果我用函數發(fā)生器（黃色）驅動(dòng)紅外發(fā)射器，我們可以在示波器上看到光電二極管在光伏模式（藍色）下的響應。

60Hz 光伏模式下的光電二極管響應

在 60Hz 時(shí)，波形是完全可以接受的，但仍需要放大才能與任何邏輯設備（如微控制器）一起使用。

如果紅外發(fā)射器的波形增加到僅 1kHz，我們可以很容易地看到二極管結電容對其上升沿和下降沿的影響。

1kHz 時(shí)的光伏模式響應

1kHz 聽(tīng)起來(lái)很快，但是，如果模具部件非常小，或者具有微小的特征，它遮擋窄紅外光束的持續時(shí)間將會(huì )很短?？紤]到結電容的放電時(shí)間，它可能只顯示為輕微的光點(diǎn)而不會(huì )被檢測到。

由于這種延遲，我們需要一種更好的方法來(lái)使用光電二極管。我之前提到過(guò)它具有非常高的響應速度，在電流傳導模式下也是如此。在二極管反向偏置（陰極連接到正電壓）的情況下，結將在光擊中它時(shí)幾乎立即開(kāi)始傳導電流，并在光消失時(shí)幾乎立即停止。這允許檢測甚至輕微的光源中斷。

這是在電流傳導模式下運行的相同光電二極管和發(fā)射極對——通過(guò)我們將在本項目中構建的跨阻放大器。

25kHz 時(shí)的電流傳導模式響應

對于 25kHz 信號，上升沿和下降沿有一些圓角，但與來(lái)自光伏模式的 1kHz 信號相比，這是一個(gè)非常優(yōu)越的波形。需要注意的是，波形上的小尖峰是由電路從我的廉價(jià) LED 放大燈中拾取和放大噪聲引起的（基于它輻射的噪聲，我很難相信它符合CE 標志的 EMI 要求）。

鑒于我們需要放大來(lái)自光伏模式二極管的信號，并且我們可以使用光伏模式放大器的相同組件來(lái)構建電流傳導模式的跨阻放大器，因此僅在電流傳導模式下使用二極管是有意義的并構建跨阻放大器！

跨阻放大器

如果您閱讀過(guò)我的其他項目文章，您就會(huì )知道我喜歡一個(gè)好的在線(xiàn)計算器。為了為跨阻放大器設計提供一個(gè)起點(diǎn)，我使用了ADI 光電二極管設計工具。這是一個(gè)很棒的工具，但它實(shí)際上只能作為一個(gè)起點(diǎn)。鑒于我正在優(yōu)化可能持續時(shí)間非常短的脈沖上的方形邊緣，我的最終值與在線(xiàn)計算器生成的值有很大不同。不過(guò)，有一個(gè)項目的起點(diǎn)總是很棒的。計算器會(huì )產(chǎn)生一些可以讓您朝著(zhù)正確方向前進(jìn)的值，因此它仍然是開(kāi)始設計的絕佳工具。

ADI公司光電二極管設計工具生成的原理圖

使用設計工具生成的原理圖，我用這些部件填充了一個(gè)面包板，只是我使用了多圈電位器而不是固定值電阻器。使用函數發(fā)生器驅動(dòng) LED，示波器連接到放大器的輸出端，可以快速調整電路。

為了給電路供電，我使用臺式電源為二極管提供 12V 電壓，并使用一個(gè)線(xiàn)性可調穩壓器為運算放大器的正軌輸出 2.75V。我還有一個(gè)反相電荷泵來(lái)提供運算放大器負軌所需的 -2.75v。當僅使用來(lái)自光電二極管的數十微安電流時(shí)，以地為參考的運算放大器是不合適的。運算放大器可以在其 VEE 端子之上產(chǎn)生不低于某個(gè)閾值的輸出電壓，這意味著(zhù)將 VEE 端子接地將防止它們產(chǎn)生非常小的輸出值。相反，連接負電壓允許運算放大器產(chǎn)生低至 0V 的信號，從而使我們能夠處理較小的信號。如今，并非所有運算放大器都能夠在負電壓下工作，所以在選擇運算放大器時(shí)需要小心。當然，ADI 公司的設計工具會(huì )建議選擇合適的運算放大器，以適應小電流和高頻要求。在我看來(lái)，這就是這種設計工具的主要價(jià)值：讓我們無(wú)需花費數小時(shí)閱讀數據表來(lái)判斷潛在的運算放大器是否有效。

將原理圖放在面包板上以調整無(wú)源元件值

調整電路是一個(gè)迭代過(guò)程。調整第一個(gè)運算放大器的反饋電阻以開(kāi)始對波形進(jìn)行平方，然后移動(dòng)到中間電阻，然后是第二個(gè)運算放大器上的反饋電阻。重復此操作，直到波形開(kāi)始看起來(lái)不錯。我發(fā)現與反饋電阻并聯(lián)的電容器限制了我的調諧進(jìn)度。我開(kāi)始用越來(lái)越小的電容值換掉電容，直到我無(wú)法進(jìn)一步優(yōu)化電路。

此優(yōu)化過(guò)程將高度依賴(lài)于您的光電二極管模型和激活它的發(fā)射器。發(fā)射極與二極管的距離對電路調諧有很大影響。您應該在發(fā)射器供電的情況下調整電路，就像在您的最終應用中一樣，并在相同的距離處，或者，縮小發(fā)射器功率并像我一樣使用它。我正在以額定功率的一小部分使用發(fā)射器來(lái)模擬光電二極管在我打算使用的距離處接收到的光量。

一旦電路看起來(lái)不錯，你可以把電阻拉出來(lái)用萬(wàn)用表測量。這些值可能足夠大，以至于簡(jiǎn)單的 2 線(xiàn)測量將足夠準確。獲得調整后的值后，您可以替換為最接近的可訂購 (1%) 值并檢查性能是否仍然足夠。

最終的跨阻放大器原理圖

如果將此原理圖與生成的原理圖進(jìn)行比較，您會(huì )注意到我的值與我開(kāi)始時(shí)建議的設計工具有很大不同。新值提供了一個(gè)響應更快的電路，該電路仍然穩定并具有干凈的輸出。

電源

在處理如此小的信號時(shí)，我們需要確保電源非常穩定且過(guò)濾良好。如果您希望使用跨阻放大器的模擬輸出來(lái)測量光級，而不是像我一樣將其用作邏輯輸出，您可以考慮使用電壓參考來(lái)為電路供電，而不是使用線(xiàn)性穩壓器。運算放大器吸收足夠小的電流，因此電壓基準不會(huì )為它們提供穩定和精確的電壓。

然而，為了降低成本，我將使用線(xiàn)性穩壓器，這對于大多數應用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

使用 TPS76301 線(xiàn)性穩壓器的 2.75V 電源原理圖

我的 2.75V 電源是一個(gè)基本的可調線(xiàn)性電源，輸入端帶有一個(gè)小的 Pi 濾波器。我沒(méi)有計算這個(gè) Pi 濾波器的截止頻率，我只是使用了看起來(lái)不錯的值——基本上是我在想要使用的封裝尺寸中可以獲得的電感值，而不會(huì )導致成本或直流電阻變得太高。我也可以使用鐵氧體作為輸入。我不知道什么頻率的噪聲可能會(huì )從 12V 輸入傳導到電路中，因此很難專(zhuān)門(mén)設計一個(gè)濾波器來(lái)消除電源中的噪聲。 

使用 TPS60403 電荷泵的負 2.75V 反相泵原理圖

對于負電壓，我使用的是低成本反相電荷泵。它只能提供少量電流，但是運算放大器的功耗非常低，這使得該穩壓器能夠同時(shí)為兩者供電。反相電荷泵產(chǎn)生的電壓與其提供的電壓相反，沒(méi)有調節。由于它的工作方式，它是一個(gè)相當嘈雜的電源，這就是我為跨阻放大器運算放大器配備 10μF 鉭聚合物旁路電容器的原因。

發(fā)射器驅動(dòng)器

我在文章前面提到過(guò)，我需要一個(gè)用于 IR 發(fā)射器的恒流源，對于 100mA 發(fā)射器，有一些簡(jiǎn)單的方法可以做到這一點(diǎn)。但是，我想為此使用完整的 LED 驅動(dòng)器。這是一個(gè)更昂貴的選擇，但我對我在 65W LED 驅動(dòng)器項目中給 TPS92512 的濫用感到難過(guò)。它是一款出色的驅動(dòng)器 IC，其功能成本相對較低，因此我想給它一個(gè)機會(huì )，讓它參與一個(gè)不會(huì )被推到絕對極限的項目。因此，我圍繞它構建了一個(gè) 120mW 的驅動(dòng)器，與之前的職責有很大不同！

使用 TPS92512 的發(fā)射極驅動(dòng)器原理圖

如果您想了解此驅動(dòng)器的設計過(guò)程，可以查看我在65W LED 驅動(dòng)器項目中的文章。除了我只在輸出上驅動(dòng) 1.2V 和 100mA 之外，設計這個(gè)驅動(dòng)器的過(guò)程沒(méi)有太大的不同。

這個(gè)驅動(dòng)器應該為我的光電二極管提供穩定的照明，確保沒(méi)有錯誤觸發(fā)。使用 PWM 輸出在發(fā)射極上實(shí)現恒定平均電流的驅動(dòng)器不適用于調諧良好的光電二極管。光電二極管的響應應該足夠快，使您的邏輯在每個(gè) PWM 脈沖上觸發(fā)，這將使固件開(kāi)發(fā)比實(shí)際需要的困難得多，或者需要硬件黑客來(lái)降低您對實(shí)際事件的響應速度。

如果您的光電門(mén)只需要一個(gè)小間隙，您可以使用功率低得多的 IR 發(fā)射器并使用串聯(lián)電阻器進(jìn)行限流，就像使用任何低電流分立 LED 一樣。我的應用需要一個(gè)大間隙，因此需要一個(gè)更強大的發(fā)射器，以確保有足夠的光照射到傳感器上，從而從放大器產(chǎn)生良好的信號。

電路板布局

我從跨阻放大器的粗略布局開(kāi)始電路板設計。我更喜歡長(cháng)而窄的布局，因為它應該讓我保持相對嘈雜的開(kāi)關(guān)模式發(fā)射器驅動(dòng)器盡可能遠離光電二極管的小信號。光電二極管拾取的噪聲越少越好。

布局使這個(gè)非常敏感的鏈中的所有信號盡可能短。在文章的前面部分，我從我的示波器中獲得了一張屏幕截圖，其中包含從我的 LED 放大燈中拾取的噪聲。截取屏幕截圖時(shí)，那盞燈離電路板幾乎半米遠——噪聲可能是示波器探頭拾取的，也可能是電線(xiàn)甚至面包板本身拾取的。無(wú)論哪種方式，它都顯示了處理如此小信號的放大器上的電路是多么敏感。通過(guò)使走線(xiàn)盡可能短，我們可以減少能夠耦合到放大器中的 EMI 量。

光電二極管和跨阻放大器原理圖的 PCB 布局

我已將放大器的電源添加到一側。事后看來(lái)，我可能應該將反相電荷泵 IC 放置在線(xiàn)性穩壓器所在的位置，以便使其開(kāi)關(guān)噪聲遠離光電二極管。如果這是一個(gè)我打算制作一兩個(gè)以上的電路板，我可能會(huì )花時(shí)間做這個(gè)，但是對于我想到的應用程序，我不覺(jué)得這會(huì )是一個(gè)問(wèn)題——肯定不是一個(gè)大到足以保證制作第二組原型的問(wèn)題。

添加反相電荷泵部分后的PCB布局

接下來(lái)，我嘗試將發(fā)射極驅動(dòng)器放置在盡可能遠離光電二極管的地方，而不會(huì )使電路板太大。最后的連接器提供了最小的板寬，我允許它變大一點(diǎn)。這只是第一遍的粗略布局；更多的是我想看到的東西。元件放置會(huì )隨著(zhù)我們實(shí)際布線(xiàn)電路板而改變。

添加了所有組件的 PCB 布局，現在需要布線(xiàn)

我最近的許多項目都是從大量多邊形澆筑的布線(xiàn)開(kāi)始的。用實(shí)際走線(xiàn)在這塊板上做布線(xiàn)真是太好了！該板上的電流足夠小，如果我愿意，我只需要使用多邊形，而不是被高電流強迫使用。

我決定從路由發(fā)射器驅動(dòng)器開(kāi)始。它的布局與我之前設計的高功率布局非常相似，但由于低功率允許使用更小的組件，因此更加緊湊。我從電路板的這一部分開(kāi)始，因為我覺(jué)得它最有可能讓布局亂七八糟，并且可能需要在板上多一點(diǎn)空間，這會(huì )影響電路板的尺寸或整體布局要求。另一方面，跨阻放大器相對簡(jiǎn)單，信號以合理的方式流過(guò)電路板。

布線(xiàn)似乎適合在兩層板上

一旦驅動(dòng)程序被布線(xiàn)并且它的布局稍微調整了一下以便為走線(xiàn)騰出空間，我就能夠非常輕松地布線(xiàn)電路板的其余部分。我為發(fā)射極驅動(dòng)器添加了幾個(gè)多邊形，電流密度不需要它，但是開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )的多邊形應該有助于降低噪聲。

布線(xiàn)后的 PCB

最后，對于電路板布局，我在設計中添加了基準點(diǎn)和 M3 安裝點(diǎn)。機器組裝需要基準點(diǎn)，安裝點(diǎn)將用于將護罩連接到電路板上。

發(fā)射器不需要自己的板。通孔 IR 發(fā)射器的光束寬度往往更窄，因為與表面安裝選項相比，它們?yōu)殓R頭提供了更多的空間，而且窄光束寬度非常適合我的應用。發(fā)射器將簡(jiǎn)單地焊接到以插入光電門(mén)板的連接器終止的電線(xiàn)上。

最終 PCB 的俯視圖

光電二極管燈罩

為了防止雜散或反射的紅外光繞過(guò)我要檢測的部件并擊中光電二極管，我想設計一個(gè)簡(jiǎn)單的護罩來(lái)安裝在電路板上。我之前添加的安裝孔也可以很好地固定護罩。