设计定制的高速光電(diàn)门 PCB

2021-06-25

设计定制的高速光電(diàn)门 PCB

插槽大小(xiǎo)的光電(diàn)门在许多(duō)设备和机械中都很(hěn)常见，适用(yòng)于读取数量惊人的编码器轮或检测破坏光束的物(wù)體(tǐ)。虽然它们可(kě)用(yòng)于许多(duō)应用(yòng)，但市售型号的槽宽通常小(xiǎo)于 2 毫米。这不允许您使用(yòng)更大的间隙来检测大型物(wù)體(tǐ)。

我正在使用(yòng)台式注塑机，想要检测从模腔中掉落的零件。我想让机器自动运行，无需持续监督，因此确保每次注射后清洁型腔至关重要。如果零件挂在一串塑料上的半模之间，或挂在顶针上，那么当半模关闭时，可(kě)能(néng)会损坏机器。

我可(kě)以使用(yòng)多(duō)种选项来检测从型腔中掉出来的零件，但我喜欢光闸方法的简单性和可(kě)靠性。在電(diàn)流传导模式下使用(yòng)时，光電(diàn)二极管表现出令人难以置信的快速响应速度，可(kě)以检测到掉过传感器的最小(xiǎo)部件。我的问题是，我找不到不是為(wèi)大型工业机器设计的现成的好的解决方案。工业机器零件通常经过安全关键应用(yòng)认证，因此并不便宜。我的 DIY 机器需要一个质量足够好的解决方案，但又(yòu)不能(néng)太贵。

我打算在模具體(tǐ)下方有(yǒu)一个零件斜槽，可(kě)以让弹出的零件进入垃圾箱或盒子。通过让红外光束从该腔體(tǐ)的一侧照射到另一侧的光電(diàn)检测器，我可(kě)以使用(yòng)微控制器检测经过的部件。如果我将光電(diàn)门连接到施密特触发器缓冲器，如果我愿意，我还可(kě)以向可(kě)编程逻辑控制器或其他(tā)第三方控制器提供干净的逻辑電(diàn)平信号。

我对这个项目的要求相当简单：快速可(kě)靠地检测缺光。考虑到机器周围环境光比较多(duō)，我想用(yòng)红外光束，為(wèi)了可(kě)靠性，我打算使用(yòng)驱动電(diàn)流為(wèi)100mA的发射器。发射极的高驱动電(diàn)流比您想使用(yòng)串联電(diàn)阻器进行调节要多(duō)，但可(kě)能(néng)比您希望一个成熟的 LED 驱动器来处理(lǐ)要少。不过，我喜欢做事过度，所以我要在電(diàn)路板上添加一个恒流 LED 驱动器，它也可(kě)以為(wèi)发射器供電(diàn)。

光電(diàn)二极管

测量光的方法有(yǒu)很(hěn)多(duō)种，光電(diàn)二极管恰好在我使用(yòng)过的任何东西中都具有(yǒu)最快的响应速度。在光伏模式下使用(yòng)光電(diàn)二极管与在電(diàn)流传导模式下使用(yòng)光電(diàn)二极管之间存在巨大差异。在光伏模式下工作时，二极管有(yǒu)点像一个非常差的太阳能(néng)電(diàn)池，它会从它所暴露的光線(xiàn)中产生一个很(hěn)小(xiǎo)的電(diàn)压。光伏模式可(kě)能(néng)适用(yòng)于基本的存在检测应用(yòng)，但不适用(yòng)于检测高速事件，例如掉落的小(xiǎo)部件。二极管中的结有(yǒu)電(diàn)容，这是二极管速度的限制因素。当二极管接收到光时，它会在发出预期信号之前先对结充電(diàn)，当光源消失或减弱时，结必须在不活动之前放電(diàn)。

例如，如果我用(yòng)函数发生器（黄色）驱动红外发射器，我们可(kě)以在示波器上看到光電(diàn)二极管在光伏模式（蓝色）下的响应。

60Hz 光伏模式下的光電(diàn)二极管响应

在 60Hz 时，波形是完全可(kě)以接受的，但仍需要放大才能(néng)与任何逻辑设备（如微控制器）一起使用(yòng)。

如果红外发射器的波形增加到仅 1kHz，我们可(kě)以很(hěn)容易地看到二极管结電(diàn)容对其上升沿和下降沿的影响。

1kHz 时的光伏模式响应

1kHz 听起来很(hěn)快，但是，如果模具部件非常小(xiǎo)，或者具有(yǒu)微小(xiǎo)的特征，它遮挡窄红外光束的持续时间将会很(hěn)短。考虑到结電(diàn)容的放電(diàn)时间，它可(kě)能(néng)只显示為(wèi)轻微的光点而不会被检测到。

由于这种延迟，我们需要一种更好的方法来使用(yòng)光電(diàn)二极管。我之前提到过它具有(yǒu)非常高的响应速度，在電(diàn)流传导模式下也是如此。在二极管反向偏置（阴极连接到正電(diàn)压）的情况下，结将在光击中它时几乎立即开始传导電(diàn)流，并在光消失时几乎立即停止。这允许检测甚至轻微的光源中断。

这是在電(diàn)流传导模式下运行的相同光電(diàn)二极管和发射极对——通过我们将在本项目中构建的跨阻放大器。

25kHz 时的電(diàn)流传导模式响应

对于 25kHz 信号，上升沿和下降沿有(yǒu)一些圆角，但与来自光伏模式的 1kHz 信号相比，这是一个非常优越的波形。需要注意的是，波形上的小(xiǎo)尖峰是由電(diàn)路从我的廉价 LED 放大灯中拾取和放大噪声引起的（基于它辐射的噪声，我很(hěn)难相信它符合CE 标志(zhì)的 EMI 要求）。

鉴于我们需要放大来自光伏模式二极管的信号，并且我们可(kě)以使用(yòng)光伏模式放大器的相同组件来构建電(diàn)流传导模式的跨阻放大器，因此仅在電(diàn)流传导模式下使用(yòng)二极管是有(yǒu)意义的并构建跨阻放大器！

跨阻放大器

如果您阅读过我的其他(tā)项目文(wén)章，您就会知道我喜欢一个好的在線(xiàn)计算器。為(wèi)了為(wèi)跨阻放大器设计提供一个起点，我使用(yòng)了ADI 光電(diàn)二极管设计工具。这是一个很(hěn)棒的工具，但它实际上只能(néng)作為(wèi)一个起点。鉴于我正在优化可(kě)能(néng)持续时间非常短的脉冲上的方形边缘，我的最终值与在線(xiàn)计算器生成的值有(yǒu)很(hěn)大不同。不过，有(yǒu)一个项目的起点总是很(hěn)棒的。计算器会产生一些可(kě)以让您朝着正确方向前进的值，因此它仍然是开始设计的绝佳工具。

ADI公司光電(diàn)二极管设计工具生成的原理(lǐ)图

使用(yòng)设计工具生成的原理(lǐ)图，我用(yòng)这些部件填充了一个面包板，只是我使用(yòng)了多(duō)圈電(diàn)位器而不是固定值電(diàn)阻器。使用(yòng)函数发生器驱动 LED，示波器连接到放大器的输出端，可(kě)以快速调整電(diàn)路。

為(wèi)了给電(diàn)路供電(diàn)，我使用(yòng)台式電(diàn)源為(wèi)二极管提供 12V 電(diàn)压，并使用(yòng)一个線(xiàn)性可(kě)调稳压器為(wèi)运算放大器的正轨输出 2.75V。我还有(yǒu)一个反相電(diàn)荷泵来提供运算放大器负轨所需的 -2.75v。当仅使用(yòng)来自光電(diàn)二极管的数十微安電(diàn)流时，以地為(wèi)参考的运算放大器是不合适的。运算放大器可(kě)以在其 VEE 端子之上产生不低于某个阈值的输出電(diàn)压，这意味着将 VEE 端子接地将防止它们产生非常小(xiǎo)的输出值。相反，连接负電(diàn)压允许运算放大器产生低至 0V 的信号，从而使我们能(néng)够处理(lǐ)较小(xiǎo)的信号。如今，并非所有(yǒu)运算放大器都能(néng)够在负電(diàn)压下工作，所以在选择运算放大器时需要小(xiǎo)心。当然，ADI 公司的设计工具会建议选择合适的运算放大器，以适应小(xiǎo)電(diàn)流和高频要求。在我看来，这就是这种设计工具的主要价值：让我们无需花(huā)费数小(xiǎo)时阅读数据表来判断潜在的运算放大器是否有(yǒu)效。

将原理(lǐ)图放在面包板上以调整无源元件值

调整電(diàn)路是一个迭代过程。调整第一个运算放大器的反馈電(diàn)阻以开始对波形进行平方，然后移动到中间電(diàn)阻，然后是第二个运算放大器上的反馈電(diàn)阻。重复此操作，直到波形开始看起来不错。我发现与反馈電(diàn)阻并联的電(diàn)容器限制了我的调谐进度。我开始用(yòng)越来越小(xiǎo)的電(diàn)容值换掉電(diàn)容，直到我无法进一步优化電(diàn)路。

此优化过程将高度依赖于您的光電(diàn)二极管模型和激活它的发射器。发射极与二极管的距离对電(diàn)路调谐有(yǒu)很(hěn)大影响。您应该在发射器供電(diàn)的情况下调整電(diàn)路，就像在您的最终应用(yòng)中一样，并在相同的距离处，或者，缩小(xiǎo)发射器功率并像我一样使用(yòng)它。我正在以额定功率的一小(xiǎo)部分(fēn)使用(yòng)发射器来模拟光電(diàn)二极管在我打算使用(yòng)的距离处接收到的光量。

一旦電(diàn)路看起来不错，你可(kě)以把電(diàn)阻拉出来用(yòng)万用(yòng)表测量。这些值可(kě)能(néng)足够大，以至于简单的 2 線(xiàn)测量将足够准确。获得调整后的值后，您可(kě)以替换為(wèi)最接近的可(kě)订購(gòu) (1%) 值并检查性能(néng)是否仍然足够。

最终的跨阻放大器原理(lǐ)图

如果将此原理(lǐ)图与生成的原理(lǐ)图进行比较，您会注意到我的值与我开始时建议的设计工具有(yǒu)很(hěn)大不同。新(xīn)值提供了一个响应更快的電(diàn)路，该電(diàn)路仍然稳定并具有(yǒu)干净的输出。

電(diàn)源

在处理(lǐ)如此小(xiǎo)的信号时，我们需要确保電(diàn)源非常稳定且过滤良好。如果您希望使用(yòng)跨阻放大器的模拟输出来测量光级，而不是像我一样将其用(yòng)作逻辑输出，您可(kě)以考虑使用(yòng)電(diàn)压参考来為(wèi)電(diàn)路供電(diàn)，而不是使用(yòng)線(xiàn)性稳压器。运算放大器吸收足够小(xiǎo)的電(diàn)流，因此電(diàn)压基准不会為(wèi)它们提供稳定和精确的電(diàn)压。

然而，為(wèi)了降低成本，我将使用(yòng)線(xiàn)性稳压器，这对于大多(duō)数应用(yòng)来说已经足够了。

使用(yòng) TPS76301 線(xiàn)性稳压器的 2.75V 電(diàn)源原理(lǐ)图

我的 2.75V 電(diàn)源是一个基本的可(kě)调線(xiàn)性電(diàn)源，输入端带有(yǒu)一个小(xiǎo)的 Pi 滤波器。我没有(yǒu)计算这个 Pi 滤波器的截止频率，我只是使用(yòng)了看起来不错的值——基本上是我在想要使用(yòng)的封装尺寸中可(kě)以获得的電(diàn)感值，而不会导致成本或直流電(diàn)阻变得太高。我也可(kě)以使用(yòng)铁氧體(tǐ)作為(wèi)输入。我不知道什么频率的噪声可(kě)能(néng)会从 12V 输入传导到電(diàn)路中，因此很(hěn)难专门设计一个滤波器来消除電(diàn)源中的噪声。 

使用(yòng) TPS60403 電(diàn)荷泵的负 2.75V 反相泵原理(lǐ)图

对于负電(diàn)压，我使用(yòng)的是低成本反相電(diàn)荷泵。它只能(néng)提供少量電(diàn)流，但是运算放大器的功耗非常低，这使得该稳压器能(néng)够同时為(wèi)两者供電(diàn)。反相電(diàn)荷泵产生的電(diàn)压与其提供的電(diàn)压相反，没有(yǒu)调节。由于它的工作方式，它是一个相当嘈杂的電(diàn)源，这就是我為(wèi)跨阻放大器运算放大器配备 10μF 钽聚合物(wù)旁路電(diàn)容器的原因。

发射器驱动器

我在文(wén)章前面提到过，我需要一个用(yòng)于 IR 发射器的恒流源，对于 100mA 发射器，有(yǒu)一些简单的方法可(kě)以做到这一点。但是，我想為(wèi)此使用(yòng)完整的 LED 驱动器。这是一个更昂贵的选择，但我对我在 65W LED 驱动器项目中给 TPS92512 的滥用(yòng)感到难过。它是一款出色的驱动器 IC，其功能(néng)成本相对较低，因此我想给它一个机会，让它参与一个不会被推到绝对极限的项目。因此，我围绕它构建了一个 120mW 的驱动器，与之前的职责有(yǒu)很(hěn)大不同！

使用(yòng) TPS92512 的发射极驱动器原理(lǐ)图

如果您想了解此驱动器的设计过程，可(kě)以查看我在65W LED 驱动器项目中的文(wén)章。除了我只在输出上驱动 1.2V 和 100mA 之外，设计这个驱动器的过程没有(yǒu)太大的不同。

这个驱动器应该為(wèi)我的光電(diàn)二极管提供稳定的照明，确保没有(yǒu)错误触发。使用(yòng) PWM 输出在发射极上实现恒定平均電(diàn)流的驱动器不适用(yòng)于调谐良好的光電(diàn)二极管。光電(diàn)二极管的响应应该足够快，使您的逻辑在每个 PWM 脉冲上触发，这将使固件开发比实际需要的困难得多(duō)，或者需要硬件黑客来降低您对实际事件的响应速度。

如果您的光電(diàn)门只需要一个小(xiǎo)间隙，您可(kě)以使用(yòng)功率低得多(duō)的 IR 发射器并使用(yòng)串联電(diàn)阻器进行限流，就像使用(yòng)任何低電(diàn)流分(fēn)立 LED 一样。我的应用(yòng)需要一个大间隙，因此需要一个更强大的发射器，以确保有(yǒu)足够的光照射到传感器上，从而从放大器产生良好的信号。

電(diàn)路板布局

我从跨阻放大器的粗略布局开始電(diàn)路板设计。我更喜欢長(cháng)而窄的布局，因為(wèi)它应该让我保持相对嘈杂的开关模式发射器驱动器尽可(kě)能(néng)遠(yuǎn)离光電(diàn)二极管的小(xiǎo)信号。光電(diàn)二极管拾取的噪声越少越好。

布局使这个非常敏感的链中的所有(yǒu)信号尽可(kě)能(néng)短。在文(wén)章的前面部分(fēn)，我从我的示波器中获得了一张屏幕截图，其中包含从我的 LED 放大灯中拾取的噪声。截取屏幕截图时，那盏灯离電(diàn)路板几乎半米遠(yuǎn)——噪声可(kě)能(néng)是示波器探头拾取的，也可(kě)能(néng)是電(diàn)線(xiàn)甚至面包板本身拾取的。无论哪种方式，它都显示了处理(lǐ)如此小(xiǎo)信号的放大器上的電(diàn)路是多(duō)么敏感。通过使走線(xiàn)尽可(kě)能(néng)短，我们可(kě)以减少能(néng)够耦合到放大器中的 EMI 量。

光電(diàn)二极管和跨阻放大器原理(lǐ)图的 PCB 布局

我已将放大器的電(diàn)源添加到一侧。事后看来，我可(kě)能(néng)应该将反相電(diàn)荷泵 IC 放置在線(xiàn)性稳压器所在的位置，以便使其开关噪声遠(yuǎn)离光電(diàn)二极管。如果这是一个我打算制作一两个以上的電(diàn)路板，我可(kě)能(néng)会花(huā)时间做这个，但是对于我想到的应用(yòng)程序，我不觉得这会是一个问题——肯定不是一个大到足以保证制作第二组原型的问题。

添加反相電(diàn)荷泵部分(fēn)后的PCB布局

接下来，我尝试将发射极驱动器放置在尽可(kě)能(néng)遠(yuǎn)离光電(diàn)二极管的地方，而不会使電(diàn)路板太大。最后的连接器提供了最小(xiǎo)的板宽，我允许它变大一点。这只是第一遍的粗略布局；更多(duō)的是我想看到的东西。元件放置会随着我们实际布線(xiàn)電(diàn)路板而改变。

添加了所有(yǒu)组件的 PCB 布局，现在需要布線(xiàn)

我最近的许多(duō)项目都是从大量多(duō)边形浇筑的布線(xiàn)开始的。用(yòng)实际走線(xiàn)在这块板上做布線(xiàn)真是太好了！该板上的電(diàn)流足够小(xiǎo)，如果我愿意，我只需要使用(yòng)多(duō)边形，而不是被高電(diàn)流强迫使用(yòng)。

我决定从路由发射器驱动器开始。它的布局与我之前设计的高功率布局非常相似，但由于低功率允许使用(yòng)更小(xiǎo)的组件，因此更加紧凑。我从電(diàn)路板的这一部分(fēn)开始，因為(wèi)我觉得它最有(yǒu)可(kě)能(néng)让布局乱七八糟，并且可(kě)能(néng)需要在板上多(duō)一点空间，这会影响電(diàn)路板的尺寸或整體(tǐ)布局要求。另一方面，跨阻放大器相对简单，信号以合理(lǐ)的方式流过電(diàn)路板。

布線(xiàn)似乎适合在两层板上

一旦驱动程序被布線(xiàn)并且它的布局稍微调整了一下以便為(wèi)走線(xiàn)腾出空间，我就能(néng)够非常轻松地布線(xiàn)電(diàn)路板的其余部分(fēn)。我為(wèi)发射极驱动器添加了几个多(duō)边形，電(diàn)流密度不需要它，但是开关网络的多(duō)边形应该有(yǒu)助于降低噪声。

布線(xiàn)后的 PCB

最后，对于電(diàn)路板布局，我在设计中添加了基准点和 M3 安装点。机器组装需要基准点，安装点将用(yòng)于将护罩连接到電(diàn)路板上。

发射器不需要自己的板。通孔 IR 发射器的光束宽度往往更窄，因為(wèi)与表面安装选项相比，它们為(wèi)镜头提供了更多(duō)的空间，而且窄光束宽度非常适合我的应用(yòng)。发射器将简单地焊接到以插入光電(diàn)门板的连接器终止的電(diàn)線(xiàn)上。

最终 PCB 的俯视图

光電(diàn)二极管灯罩

為(wèi)了防止杂散或反射的红外光绕过我要检测的部件并击中光電(diàn)二极管，我想设计一个简单的护罩来安装在電(diàn)路板上。我之前添加的安装孔也可(kě)以很(hěn)好地固定护罩。