Transoptor odbiciowy: Zależności prądów diody i kolektora oraz powierzchni

Autor: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: Transoptory

Dla projektanta urządzenia wykorzystującego transoptor odbiciowy bardzo istotne są zależności panujące pomiędzy emiterem, detektorem i obserwowaną powierzchnią.

W dokumentacji transoptora wiedza ta zawarta jest na wykresach, które w zależności od producenta są podawane w rozszerzonej lub nieco ograniczonej formie.

Jak w całym cyklu także i teraz zajmiemy się transoptorami:

• CNY70,
• KTIR0711S.

Prześledzimy zależności na przykładzie w/w transoptorów, a zaczniemy od tego, że nie zawsze dane w datasheet przedstawiane są prawidłowo:


Przykład błędu w dokumentacji

W datasheet CNY70 znajdujemy schematyczny rysunek uzupełniający do wytłumaczenia wykresów:

Transoptor odbiciowy CNY70
Błędny przekrój transoptora w dokumentacji.

Na czym polega błąd? Porównaj rysunek ze zdjęciem czujnika:

Widzisz problem?

Chodzi to, że rysunek sugeruje, iż istnieje przegroda pomiędzy emiterem i detektorem dochodząca aż do czołowej krawędzi czujnika, podczas gdy faktycznie jej nie ma. Rysunek wprowadza nas w błąd, ponieważ jeżeli zbliżymy czujnik do powierzchni, światło emitera nie docierałoby do detektora:

ponieważ przegroda całkowicie uniemożliwia dotarcie światła z emitera do detektora.

Ale jak widać na zdjęciu w rzeczywistości tak nie jest w związku z czym, rysunek w datasheet powinien wyglądać następująco (przegroda nie blokuje światła):

Transoptor odbiciowy CNY70.
Prawidłowy przekrój transoptora.

Zły rysunek prowadzi do złych wniosków, które byłyby niezgodne z prezentowanymi wykresami, a pierwszym z nich jest:


Zależność prądu kolektora od odległości powierzchni

W datasheet znajdujemy wykres, pokazujący zależność prądu kolektora fototranzystora, od odległości czujnika od powierzchni, przy VCE=5V oraz prądzie diody IF = 20mA:

Transoptor odbiciowy CNY70
Wykres zależności prądu kolektora od
odległości czujnika od obserwowanej powierzchni.

 Czerwonym tłem  wyróżniłem rysunek przedstawiający położenie czujnika względem obserwowanej powierzchni, a przede wszystkim odległość od niej oznaczoną jako d (ang. distance).

Wykres pokazuje, jakiego prądu kolektora (IC) możemy się spodziewać, w zależności od odległości od powierzchni. Im odległość jest mniejsza, tym większy prąd osiągniemy. Zauważ jednak, że skala osi rzędnych pokazując prąd kolektora (IC) jest logarytmiczna.

Oznacza to, że odległość ma kolosalny wpływ na uzyskaną wartość prądu. Innymi słowy im większa odległość, tym zdecydowanie gorsza odpowiedź fototranzystora. Na przykład dla odległości 2mm, prąd kolektora jest już na poziomie zaledwie 0,5mA, co zaznaczyłem czerwonymi liniami na wykresie.

Wykres ten pokazuje także błąd w rysunku, który opisałem powyżej. Gdyby rysunek był taki jak w datasheet, to na początku wykresu (okolice d=0) wartość prądu kolektora powinna spaść do zera. Zauważ jednak, że na powyższym wykresie w takiej sytuacji prąd kolektora jest maksymalny (!).

Inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku transoptora KTIR0711S:

Transoptor odbiciowy KTIR0711S.

Kształt jego obudowy powoduje, że przyłożenie go do powierzchni (d=0) uniemożliwia dotarcie światła z emitera do detektora. Powinniśmy się więc spodziewać, że w takiej sytuacji powoduje to spadek prądu kolektora do zera, co potwierdza się na wykresie:

Transoptor odbiciowy KTIR0711S
Wykres zależności prądu kolektora od
odległości czujnika od obserwowanej powierzchni.

Powyższy wykres pokazany jest dla prądu diody IF=4mA, napięcia pomiędzy kolektorem i emiterem wynoszącym VCE=2V, a test wykonano w temperaturze 25°C.


Na powyższym wykresie możemy więc ustalić, że najlepszą odpowiedź transoptora KTIR0711S uzyskamy przy odległości 0,5mm od powierzchni, a pomiędzy 0,2mm i 1,2mm uzyskamy całkiem dobrą odpowiedź na poziomie 80% maksymalnego prądu kolektora.



Zależność prądu kolektora od prądu diody

To kolejna istotna dla projektanta charakterystyka transoptora. Pokazuje ona zależność prądu kolektora (IC) od prądu diody (IF) przy określonych testowych parametrach:

• odległości transoptora od obserwowanej powierzchni wynoszącej d=0,3mm,
• napięciu kolektor-emiter VCE=5V.

Transoptor odbiciowy CNY70
Wykres zależności prądu kolektora
od prądu przewodzenia diody LED.

Innymi słowy, wykres pokazuje jak dużą otrzymujemy odpowiedź fototranzystora detektora w zależności od tego jak jasno świeci dioda emitera.

Istotne jest oczywiście, jaki kolor ma powierzchnia testowa, co także opisane jest na wykresie w górnym lewym rogu.

Także i ten wykres oparty jest o skale logarytmiczne, tym razem na obu osiach.



Zależność prądu kolektora od prądu diody i napięcia kolektor-emiter

Następnym ważnym wykresem jest wykres zależności prądu kolektora (IC) od prądu diody (IF) przy wybranym napięciu kolektora (VCE). Jest to rozwinięcie poprzedniego wykresu, który był przedstawiony wyłącznie dla wybranego napięcia VCE:

Transoptor odbiciowy CNY70
Wykres zależności prądu kolektora
od prądu diody i napięcia kolektor-emiter.

Tutaj mamy znacznie więcej danych zebranych na jednym wykresie i jest podobny do wykresu charakterystyki wyjściowej tranzystora bipolarnego npn pracującego w układzie WE, które zapewne nie są Ci obce :-)

Podobnie jak w poprzednim przypadku, także i tutaj istotne jest jaki kolor ma powierzchnia testowa, co także opisane jest na wykresie w górnym lewym rogu.

Przykład:

Jeżeli ustawiłeś prąd diody na IF=10mA, a napięcie kolektor-emiter fototranzystora na VCE=5V, to prąd kolektora (IC) przy białej powierzchni w odległości 0,3mm od transoptora, będzie wynosił nieco powyżej 0,1mA, czyli IC≈100µA, co zaznaczyłem na wykresie.



Dlaczego prąd kolektora jest tak istotny?

Parametry opisujące prąd kolektora są istotne dla projektanta, z powodu pojemności podłączonych do wyjścia transoptora. Są to:

• pojemności pasożytnicze (np. pojemności ścieżek, przewodów, wejść podłączonych układów),
• pojemności celowe (np. w celu świadomej filtracji sygnału transoptora).

Dlatego układ faktyczny po stronie detektora wygląda następująco:

Transoptor odbiciowy.
Rzeczywisty schemat pracy wraz
z pojemnościami pasożytniczymi lub celowymi.

W zależności od wielkości pojemności jeżeli chcemy uzyskać bardziej strome zbocza sygnału wyjściowego transoptora, musimy tak dobrać parametry układu pracy, by prąd kolektora był możliwie duży, by mógł szybko rozładować pojemność.

Jest to istotne w przypadkach, w których należy zmniejszać czasy opóźnień odpowiedzi transoptora na zdarzenie związane z obserwowaną powierzchnią (np. szybkie obracanie enkoderem).

Więcej w tym zakresie znajdziesz w następnym artykule.