一种高可靠性的光电开关电路设计

 光电开关属于无接触测量传感器，其检测距离范围比较宽，在计数、测距和行程控制等许多测控系统中得到广泛应用。但是，光电传感器的输出信号与发光管的强度有关，与发光管和接收管的距离有关，与外来干扰光也有关。因此使用每一个光电开关时，必须首先调整接收电路的灵敏度，才能保证光电开关工作于最佳状态。
本文介绍了一种高可靠性的光电开关电路，带有稳频调制光以抗各种干扰，具有大功率驱动电路和光电三极管的自动增益控制特性，检测电路的输出级带有放大和施密特迟滞特性，确保整机的高抗干扰能力。

本电路由发光电路和光电接收电路两部分组成。它具有抗外光干扰、灵敏度可以不用人工调整，工作稳定可靠等优点，在反射式或对射式光电开关中均可应用。

1 发光电路

图1 给出了一个具有大功率输出的发光二极管驱动电路，它具有发射15kHz 调制光的能力。

图1 发光二极管的大功率驱动器

第一级4001 为单脉冲发生器，可以人工按键输出检测脉冲，用于故障维修。

为了稳定被调制光信号的频率，电路中使用了分频器CD4060 。它带有一个外接晶体振荡器，内部有多级分频器。对于1M 晶振来说，经过4 060 的六次分频，可以得到频率稳定的151625kHz 的方波，再通过功率场效应管的电流放大，就可以同时驱动上百个发光二极管同时发光。

2 带自动增益控制的光电开关接收电路

图2 给出了光电三极管的检测电路。红外光电三极管T2 带有基极引出脚。因此可以对其进行灵敏度控制。它射极输出的光电流被放大管T3 反相之后，反馈到光电三极管的基极。由于反馈回路中有由R13和C11组成的低通滤波器，因此这个反馈是对于直流工作点的负反馈，也使得交流电压增益得到控制，这就是自动增益控制（AGC） 电路。

图2 光电接收电路

输入光信号较强时， T3 集电极信号有变强趋势，导致光电三极管T2 基极的直流工作点电压下降，从而使T2 和T3 的交流输出均减小。因此，这个负反馈系统将使T3 的交流输出信号在很大范围内与T2 得到的光强大小几乎无关。可知，该接收电路在输入光发生变化时，T3 输出信号变化不大。就是说，光源和光电三极管之间的距离变化，在很大范围内对T3 输出信号影响不大。只有光源被充分隔挡之后，T3 的输出信号才有明显变化。

图2 中的U11 组成二阶带通滤波器， 可以滤去151625kHz 以外的信号。该级增益为1 , Q 值为5 ,截止频率、中心频率以及滤波特性容易调整。二极管D1 和电容C14组成检波电路，可以从151625kHz 信号上解调出包络信号。上述两部分电路可以滤除阳光、日光灯、白炽灯等干扰源的作用。

图2 中的输出电路由放大级U12和施密特电路U13组成。U13的迟滞作用可以消除光电开关的临界抖动现象，避免光电开关的误翻现象。最后，光电开关的输出状态由发光二极管D2显示。

3 实验数据

表1 为实验测得的数据。发光管和接收管之间正面相对， 两者之间无聚焦光学元件。用有无遮光对整机主要参数进行测试。由表可知，两管表面之间的相对距离在015～170mm范围内，无需调整灵敏度都能正常工作。
表1 光电开关整机实验数据

在距离接收管100mm 处用1 个40W白炽灯照射时，接收管仍可正常工作，表现为接收管不会饱和，抗干扰性极强。倘要加大工作距离，应加入光学透镜；在2m以上光射距离时，可用半导体激光二极管作调制光源。

4 结束语

本文所介绍的高级光电开关电路具有如下特点：

由于负反馈使接收光电三极管不容易饱和。只要该管不饱和，外来光干扰就能抑制。

由于使用了调制和解调电路，所以在各种磁、电、光干扰之下，都能可靠工作。

施密特电路可以对开关进行消抖。

由于电路尽量采用集成电路，特别是大功率FET 的应用，使本文所介绍的电路更适于阵列式光电开关应用的场合。

由于采用了AGC 电路，导致了接收灵敏度几乎无需调整。

本文所介绍的电路，在100 条微小产品的自动生产线上进行联合精确计数，取得良好效果。