无需调节的光传感器

文章摘要：由于发光二极管、光敏晶体管、环境温度、光路径等的不同，光传感器的传输增益范围变化很大，最大与最小传输增益之比为16:1。这样大的传输增益变化就会使直流耦合电路中的输出电阻器的选用更加复杂化。你必须筛选输出电阻器的大小，以防止传输增益高了会造成输出级饱和，但在输出电阻器阻值很小时，传输增益低了又会使输出电压的振幅很小。对此，通常必须进行调节。使直流输出电压与传输增益相匹配，而且在极端的温度和尘埃条件下，还必须反复调节才能使输出级可靠工作。但图1所示电路不需要进行调节。该电路使用直流耦合反馈来控制流经输出电阻器的电流。因此，输出电压是可预测的，而且是恒定不变的。运算放大器的输入电流和D3 中的电流

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由于发光二极管、光敏晶体管、环境温度、光路径等的不同，光传感器的传输增益范围变化很大，最大与最小传输增益之比为16:1。这样大的传输增益变化就会使直流耦合电路中的输出电阻器的选用更加复杂化。你必须筛选输出电阻器的大小，以防止传输增益高了会造成输出级饱和，但在输出电阻器阻值很小时，传输增益低了又会使输出电压的振幅很小。对此，通常必须进行调节。使直流输出电压与传输增益相匹配，而且在极端的温度和尘埃条件下，还必须反复调节才能使输出级可靠工作。但图1所示电路不需要进行调节。该电路使用直流耦合反馈来控制流经输出电阻器的电流。因此，输出电压是可预测的，而且是恒定不变的。
　　运算放大器的输入电流和D₃ 中的电流可以忽略不计，所以I₁＝I₂，输出电压在光敏晶体管导通（光路径未被阻断）时为2.7V。当光敏晶体管断开（光路径被阻断）时，输出电压为0V。运算放大器的输出电压摆幅可适应传输增益的变化。这一输出电压的取值应使发光二极管电流乘以传输增益等于光敏晶体管的发射极电流。输入电流的计算公式如下：
　　I₁＝ （ V_CC－V_REF ） ＝ （ 5－3 ）＝100μA
　　　　　　　R₁ 　　　　　　　20KΩ
　　传输增益的范围为80～5：5≤I₃/I₂≤80。运算放大器的输出电压范围是有限的，在要求输出电流很大时尤其是如此，因此，本设计使用了能在3.5V电压下输出20mA的TLC071：
　　R_3MAX≤（ V_OUTMAX－V_D1 ） ＝ （ 3.5－0.7 ）＝350Ω
　　　　　　　　I_3MAX 　　　　　　　　8mA
　　当光被遮挡时，光敏晶体管发射极电流变为零。输入电流I₁因Q₁ 截止而不流入Q₁ ，所以运算放大器输出变为正电源电压。如果运算放大器的输出级处于饱和状态，则恢复时间是不可预测的，所以就要采用齐纳二极管的组合，即D₂ 和D₃，以防止出现饱和状态。当运算放大器的输出电压接近3.4V（VD₂＋VD₃）时，D₂和D₃对输出电压起箝位作用，从而防止出现饱和状态。R₃＝270Ω，所以它可以提供足够大的LED电流，而不会使运算放大器饱和。当这一电路驱动饱和的逻辑电路时，应当用一个滞后门电路或一个具有滞后作用的比较器来缓冲这一输出电压。

　　图1 运算放大器的反馈功能使光敏晶体管的电流保持恒定不变，所以本电路不需要进行传输增益的调节。