Transoptor odbiciowy: Emiter i detektor - podstawowe parametry

Autor: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: Transoptory

Transoptor odbiciowy składa się z emitera i detektora rozdzielonych galwanicznie (brak połączenia). Obie części transoptora mają szereg swoich parametrów, które są lub też nie, opisane w jego datasheet.

W niniejszym artykule przyglądniemy się podstawowym parametrom obu części transoptora odbiciowego.

W tym cyklu omawiamy niniejsze transoptory:

• CNY70,
• KTIR0711S.

Emiter (dioda LED)

Jako emiter wykorzystywane są diody LED. Każda dioda posiada kilka istotnych parametrów, które pozwalają ustawić prawidłowy punkt jej pracy w zależności od potrzeb.


Prąd przewodzenia (ang. Forward Current)

Każdą diodę LED, także i diodę transoptora trzeba zasilić prądem, od wartości którego zależy ilość emitowanego światła. Dlatego najważniejszym parametrem tej części transoptora jest prąd diody oznaczany jako IF, którego wartość maksymalną możemy znaleźć w tabeli Absolute Maximu Ratings:

Transoptor odbiciowy CNY70
Parametry graniczne emitera (diody LED).

Dla CNY70 parametr IF wynosi 50mA i oznacza to, że  możesz sterować diodę ciągłym prądem nie większym niż 50mA. Przekroczenie tego prądu, może skutkować uszkodzeniem diody.

W powyższej tabeli możesz także znaleźć parametr IFSM, którego wartość jest podana jako maksymalna wynosząca aż 3A (!). Co ten parametr oznacza?

IFSM, to maksymalny możliwy udarowy (impulsowy) prąd diody, którego czas trwania impulsu (tp) według kolumny Test Condition nie może trwać dłużej niż 10µs.

Jest to oczywiście związane z faktem wydzielania ciepła i możliwym uszkodzeniem diody, dlatego też od razu w tej części tabeli znajdują się parametry maksymalnej mocy rozpraszanej przez diodę PV (ang. Power Dissipation) oraz maksymalnej temperatury emitera światła (ang. Junction temperature).

W przypadku Power Dissipation, w kolumnie Test Condition znajduje się dodatkowa informacja, że parametr ten dotyczy sytuacji, gdy temperatura otoczenia (ang. ambient temperature) jest mniejsza lub równa 25°C.

Przekroczenie dopuszczalnej mocy wydzielanej na diodzie, skutkować może jej uszkodzeniem.

Więcej na ten temat piszę na końcu tego artykułu.


Napięcie przewodzenia (ang. Forward Voltage)

Następnym istotnym parametrem niezbędnym do prawidłowego ustawienia pracy diody LED transoptora, tak jak w każdej diodzie jest napięcie przewodzenia (VF). W tabeli parametrów podstawowych znajdziesz więc:

Transoptor odbiciowy CNY70
Napięcie przewodzenia emitera (diody LED).

Dowiadujemy się, że dla prądu diody wynoszącego 50mA, napięcie przewodzenia diody wynosić będzie typowo 1,25V, a maksymalnie 1,6V. Dokładniejszą zależność można znaleźć na wykresie:

Transoptor odbiciowy CNY70 - Emiter (dioda LED)
Zależność prądu przewodzenia od napięcia przewodzenia.

Schemat pracy diody emitera

Nic szczególnego w zakresie podstawowego układu pracy diody transoptora nie ma:

Aby obliczyć wartość rezystora znając wartość Vcc i napięcia przewodzenia diody (VF) oraz wartość prądu przewodzenia (IF), którym chcemy diodę sterować, możemy wykorzystać prawo Ohma:

Prawo Ohma dla diody LED.

lub dostępne kalkulatory.

---

Detektor (fototranzystor)

Drugą częścią transoptora odbiciowego jest detektor światła odbitego w postaci fototranzystora.


Schemat pracy fototranzystora detektora

Podstawowy schemat aplikacyjny tej części transoptora wygląda następująco:

Inną wersją możliwą do wykorzystania jest:

RL (RLOAD) reprezentuje obciążenie fototranzystora, na które składać się może zarówno rezystor jak i inne elementy podłączone do kolektora fototranzystora, o czym pisałem w artykule: LOAD - co to takiego?


Podstawowe parametry fototranzystora

W jego przypadku mamy znacznie więcej informacji w dokumentacji. Jak zwykle zaczynamy od Absolute Maximum Ratings:

Transoptor odbiciowy CNY70
Parametry graniczne detektora (fototranzystora).

Najistotniejsze parametry, to:

• VCEO - napięcie kolektor-emiter (ang. collector emitter voltage)
• IC -  prąd kolektora (ang. collector current). 

O ile w przypadku transoptorów odbiciowych VCEO z reguły nie przekracza 5V (max 24V), o tyle IC możemy ustawiać dowolnie poprzez dobór zewnętrznych elementów (patrz schemat pracy poniżej).

Dlatego w szczególności należy zwracać uwagę, by nie przekroczyć maksymalnej wartości parametru IC.

Z powyższymi dwoma parametrami, związane są następne dwa:

• PV - moc rozpraszana (ang. power dissipation)
• Tj - temperatura złącza (ang. junction temperature)

podobnie jak w przypadku diody opisanej powyżej są bardzo istotne, by nie uszkodzić fototranzystora.

---

Łączna moc rozpraszana transoptora

Powyżej dowiedziałeś się, że zarówno po stronie emitera jak i detektora, należy zwrócić uwagę, by nie przekroczyć granicznych dla nich parametrów maksymalnej mocy rozpraszanej (osobno dla emitera i detektora).

Jednakże z reguły jak większość scalonych elementów elektronicznych w tym zakresie jest jeszcze jedno łączne ograniczenie (ang. coupled):

Transoptor odbiciowy CNY70
Łączne parametry graniczne mocy rozpraszanej.

Jak widzisz w tabelce Absolute Maximmum Ratings w części parametrów łącznych dla całego transoptora, znajdziesz parametr łącznej mocy rozpraszanej Ptot (ang. Total power dissipation). W przypadku CNY70 wynosi on 200mW.

Wprawdzie w przypadku CNY70 suma tych parametrów dla emitera i detektora daje dokładnie  wartość graniczną łącznej mocy rozpraszanej:

ale nie oznacza to, że w przypadku innego transoptora także tak będzie. Może się więc okazać, że parametr ten będzie mniejszy od sumarycznych parametrów emitera i detektora, podobnie ja kto jest w przypadku pinów zasilających mikrokotroler: Mikrokontroler: Ograniczenia prądowe pinów zasilających

Nie zapomnij tego sprawdzić, jeżeli pracujesz w pobliżu granicznych wartości prądów!

Temperatura otoczenia ogranicza projektanta

Na koniec mała niespodzianka:

Moc rozpraszana zależy od temperatury otoczenia! Niby oczywiste, ale często się o tym zapomina :-)

Dokładniejsze dane znajdziemy na wykresie zależności mocy rozpraszanej od temperatury otoczenia:

Wykres uświadamia nam, że jak bardzo wraz ze wzrostem temperatury otoczenia obniża się wydajność rozpraszania mocy wydzielonej przez transoptor w postaci ciepła.

Oznacza to, że jeżeli transoptor pracuje np. w temperaturze otoczenia 50°C, to całkowita moc która może zostać rozproszona przez transoptor spada znacznie z 200mW, do zaledwie 130mW.

W konsekwencji może się więc okazać, że w takiej temperaturze otoczenia, nie będziesz mógł sterować diody emiter i/lub fototranzystora detektora prądami tak wysokimi, jak byś sobie tego życzył.

Jeżeli nie weźmiesz tego pod uwagę, to może się okazać, że w warunkach laboratoryjnych urządzenie działa poprawnie, a w terenie po nagrzaniu urządzenia do np. 50°C, z powodu zbyt dużej mocy wydzielonej na transoptorze w tej temperaturze, nasz transoptor przeniesie się do krzemowej krainy wiecznego szczęścia :-)