光电传感器的直流电压调节设计Word文档格式.docx
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电压调节器的作用(信号放大,脉冲光源驱动,输出和控制器)。
直流电压调节电路的设计,10-30伏直流电压调节电路,输出5伏;
选择合适的电气元件,进行适当的功率计算,并熟悉其技术参数。
直流电压调节中的一些限压保护,过流保护,极性和滤波的设计。
关键字:
电子电路设计;
元器件的温度特性;
仿真程序优化;
功耗
Abstract
Intheeraoftherapiddevelopmentofinformationtechnology,theinterpersonalcommunicationhasenteredintotherapidlychanginginformationage,inourdailylivesandtheproductionprocess,mainlythroughthetestingtechnologyforinformationtogain,screeningandtransportation.Torealizethebrakecontrol,automaticadjustment,atpresentourcountryhastestingtechnologyonprioritydevelopmentofoneofthesubject.Microelectronicstechnology,photoelectricsemiconductortechnologyopticalfibertechnologyandgratingtechnicaldevelopmentmakestheapplicationofthephotoelectricsensorinourlifeandproductionapplicationinJapanese.Thesensorhassimplestructure,highreliability,thecontact,precision,andcanbemeasuredparameterscanbemeasured,quickresponseandstructurerelativelysimple,flexibleformetc,andintheautomaticdetectiontechnologyinawiderangeofapplications,itisakindoftophotoelectriceffectasthetheoreticalbasis,bythephotoofthematerialcompositiondevice.Photoelectricsensorisusuallyusedinphotoelectriccomponentsasthesensortestcomponents,itfirsttestedtoconvertlightchangesthechangeofsignal,andthenusingphotoelectricelementwillbefurtherphotoelectricsignalintoelectricalsignal,photoelectricsensors,opticalpathbypowersupplygeneralandphotoelectricelementofthreeparts.Photoelectricsensorisallsortsofphotoelectricdetectionsystemisrealizedinthekeyelementofphotoelectricconversion,itthelightsignal(infraredandvisibleandultravioletradiation)intoasignalsofthedevice.
Thisthesismainlyintroducesindustrialapplicationbackgroundandbasicprincipleofthephotoelectricsensor,anddesignsa10-30vdcvoltageregulationcircuit,withtheoutput5v.Guidelineonselectionofthecorrectelectricalcomponentsisgiven,whichisbasedonthetechniqueparameters.Moreover,simulationstudyusingTinatorealizestep-downfunctionisperformed,andpowerconsumptionoftheproposedcircuitisevaluated.
Keywords:
electroniccircuitdesign;
temperaturecharacteristicsofcomponents;
optimizationofsimulationprogram;
powerconsumption
目录
第一章绪论1
1.1引言1
1.2光电传感器的原理及应用1
1.3研究目的及意义3
第二章熟悉光电传感器的产品4
2.1熟悉工作原理4
2.2了解产品的内部结构和原理图4
第三章光电传感器直流电压器设计7
3.1直流电压调节介绍7
3.2直流电压调节电路设计8
第四章光电传感器电压调节电路仿真10
4.1Tina仿真软件10
4.2电路仿真实验12
4.3元器件功率的计算和元器件的选择13
4.4影响信号强度的其他因素19
第五章总结与展望22
5.1本文总结22
5.2光电传感器问题分析及展望22
参考文献24
致谢25
第一章绪论
1.1引言
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;
也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
近年来,新的光电器件不断涌现,特别是CCD图像传感器的诞生,为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
1.2光电传感器的原理及应用
由光通量对光电元件的作用原理[1-3]不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;
所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;
所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。
图1.1是常见的光电传感器。
图1.1光电传感器
光电传感器主要特点:
①检测距离长
如果在对射型中保留10m以上的检测距离等,便能实现其他检测手段(磁性、超声波等)无法离检测。
②对检测物体的限制少
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理,所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属,它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。
③响应时间短
光本身为高速,并且传感器的电路都由电子零件构成,所以不包含机械性工作时间,响应时间非常短。
④分辨率高
能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点,或通过构成特殊的受光光学系统,来实现高分辨率。
也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
⑤可实现非接触的检测
可以无须机械性地接触检测物体实现检测,因此不会对检测物体和传感器造成损伤。
因此,传感器能长期使用。
⑥可实现颜色判别
通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。
利用这种性质,可对检测物体的颜色进行检测。
⑦便于调整
在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。
1.3研究目的及意义
图1.2光电传感器的框架
在选择传感器的过程中我们通常不选择IC的,因为它价格相对要贵,而且它们都是封装好的不能进行调试。
我们设计的电压调节器是开放式的,而且便宜。
减少了设计的成本而且能够随时进行电压的调节。
论文内容主要包括:
熟悉光电传感器的产品,光电传感器直流电压分析设计,光电传感器直流电压分析设计,光电传感器程序的优化,总结与展望.
第二章熟悉光电传感器的产品
2.1熟悉工作原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下,有三部分构成,它们分为:
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射,或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号[4]。
2.2了解产品的内部结构和原理图
图2.1光电传感器产品-SU19
图2.2光电传感器的产品-GLV18
图2.3光电传感器内部结构②
图2.4光电传感器内部连线①
图2.5光电传感器内部连线②
通过上面面一些模型和图对光电传感器有了一些初步的了解,对后续光电传感器的设计有了一定的帮助。
知道了它的工作原理,能够更好的进行设计。
第三章光电传感器直流电压器设计
3.1直流电压调节介绍
⑴概念:
DC/DC变换
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种,一是脉宽调制方式Ts不变,改变ton(通用),二是频率调制方式,ton不变,改变Ts(易产生干扰)。
图3.1是开关电源及电路图。
图3.1开关电源及电路图
⑵直流电压调节的分类:
Buck电路:
——降压斩波器,其输出平均电压U0小于输入电压Ui,极性相同。
Boost电路:
——升压斩波器,其输出平均电压U0大于输入电压Ui,极性相同。
Buck-Boost电路:
——降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui,极性相反,电感传输。
Cuk电路:
——降压或升压斩波器,其输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui,极性相反,电容传输。
还有Sepic电路、Zeta电路、隔离型电路。
上述为非隔离型电路,隔离型电路有正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路。
3.2直流电压调节电路设计
在设计电路的过程中我们需要注意很多的问题,例如电路的高压保护,电路的滤波,电路的限流等等,在这些因素下才能开始我们的设计。
直流电压调节相对交流调节要简单一些,我们只需要在要得到的电压下,进行适当的电路计算就可以了,图3.2是电压调节器电路图。
图3.2电压调节器电路图
D107:
为了防止由于电压反向给电路带来的影响,我们在其中加入了一个单项导通的二极管。
R116和R117:
是两个电阻起到了降低电流和散热的作用,为什么不用一个电阻其实就是为了更好的散热。
通俗的说法就是保险丝。
C107和C110:
这两个电容是为了滤波的,大家都知道电容是通交流阻直流的,这样在以后的电路中几乎不会对检测的信号图产生影响,加入两个其实也就是为了更好的滤掉交流电的影响。
D105:
在所加的电压过大时D105会首先被击穿,优先通过D105,将大电压输入到地下,保护了下部分电路由于电压过大,造成电路的损坏。
图3.3简单介绍了三极管的工作原理。
图3.3三极管的工作原理
T102:
它的主要作用就是为了获得我们所需要的电压
D4:
稳压管在电路提供合适的电压条件下,稳压管可以给三极管的基极提供稳定的电压,从而保证电路的稳定。
R103:
代表了在后续电路中所有的电路的总电阻,以此来演算电路的安全性。
C103:
它其实起到的作用和前面提到的两个电容性质一样,也起到了滤波作用。
同时也为后面的电路提供电压[5]。
第四章光电传感器电压调节电路仿真
4.1Tina仿真软件
这里选择的软件是TINA,它的操作环境如下图:
图4.1TINA的操作环境
Tina的一些操作按钮如图4.2-图4.8所示:
图4.2Tina的主要按钮
和其它的应用软件一样Tina也包括了菜单栏,工具栏,元器件库栏,编辑区和状态栏。
以下是对元器件库栏简单介绍:
图4.3基本原器件库栏
图4.4开关元件库
图4.5仪表元件库
图4.6发生器元件库
图4.7半导体元件库
图4.8模型元器件库
Tina的使用中,深刻感觉到了软件的强大功能,操作起来简单而且易懂。
Tina软件是一款优秀的电路仿真分析软件.使用它可以进行各种电路的分析和设计。
同时使用Tina软件来求解各种实际电路问题也很方便[6]。
具有快捷方便并且不易出错的优点。
本文介绍使用该软件求解电路问题的方法和特色,所用版本为Tina5.5汉化演示版。
一、基本方法启动Tina软件后进入Tina电路图编辑器界面。
Tina仿真电路所使用的各种仿真元件、测试符号和虚拟仪器、仪表可以从Tina电路图编辑器界面上部的元件。
Tina软件的仿真图可以一键进行分割,操作简单。
仿真的元器库很全,减少了许多的工作量。
在使用Tina软件时,可以在一张图上进行两张图的对比,使我们跟好的对实验进行分析,免去了繁琐的对比工作。
4.2电路仿真实验
本文主要设计的是在10V、20V和30V的条件下,电路输出的波型。
并初步的仿真出输出的波形,并测量其大小,仿真结果如图4.9—4.10。
图4.910V时输出电压的波形图
图4.1020V时输出电压的波形图
图4.1130V时输出电压的波形图
根据图4.9—4.10。
所示,可以看出无论电压的变化,电压输出的电流始终稳定在5V范围内。
证明的设计基本合理。
表4.1输入与输出电压变化
输入电压
10V
20V
30V
输出电压
4.74V
4.85V
4.96V
4.3元器件功率的计算和元器件的选择
电路图的大致结构确定以后,进行初步的计算,来确定元器件的型号和在实际过程中出现的问题。
①由于电路的主要部分都是围绕着PNP型三极管进行展开的,所以先确定三极管的电压电流和功率,这样能更好的进行其他元器件的选择[7]。
本文研究的是10-30伏的电压的调节,为了安全选择大于最大电压1.5倍的元器件;
45V,500mANPN的general-purposetransistors三极管。
本文选的是BC817-25的三极管,温度在25℃左右。
它的数据主要是以下的列表:
三极管的主要极限参数:
表4.2三极管的主要极限参数
下面给出的数据有助于在后续的分析中,考虑到温度都电路的影响。
在一些电路中出现的:
表4.3三极管的主要温度参数
表4.4三极管的主要功率参数
在上面的仿真电路给出的电压和电流我们很容易的来确定三极管的主要极限参数:
P=(18.65-6.8)*0.32=3.792Mw。
上面的是在理想条件下的运算结果,在实际中讨论下在最极端的条件下电路,选择合适的量程才能保证电路的安全性:
极限功率P=(30-6.8)*10=232mW
虽然232mW小于250mW但是我们任然要考虑实际电路的二倍余量,选择500mW元器件BC337。
其中BC377的机构如下:
图4.12BC377的封装图
主要的封装数据如表4.5三极管的封装数据:
表4.5三极管的封装数据
②其次来研究D107的功率.电流和电压:
由于输入的电压大致是10-30伏的电压,选择电压限制范围在这个区间就可以了大约最大在1.5倍余量就可以了,也就是45-50这个区间的调节电压。
为了安全选择了50伏的电压。
以下是选择的一些数据如表4.6-D107的功率.电流和电压:
表4.6D107的功率.电流和电压
由于这个二极管实现的功能的原因,我们只需要它的电压满足条件就可以了,它在电路中很少的工作功率基本可以忽略。
以下是它在正常工作时的主要数值如表4.7二极管的主要工作参数:
表4.7二极管的主要工作参数
③接下来我们讨论一下二极管的选择:
在滤波电路以后我加入了一个二极管来防止电路由于电压过大造成电路的损坏。
由此我们在设计电路的时候的时候会考虑到,在过大电压条件下,保护电路的二极管。
在电压过大必然导致电流的过大,由此造成二极管发热过多,发热过多我们在选择器件的时候要求原件的散热要好。
并且元件的最大导通电流要很大。
选择的二极管的型号是:
BZV55-BS
它的外形是:
图4.13BZV55-BS的封装图
因为选择的最大电压要求是30伏,所以选择36伏的极限电压够用了,同样它的功率也可以不用过多的去考虑。
选择的型号是BZV55C36,如表4.8BZV55C3:
表4.8BZV55C36型号
④接下来就剩稳压管了,稳压管的选择比较复杂,因为所要达到的目的是调节电压的范围,设计的直流电压的调节范围在5伏和3.3伏。
仍然考虑了1.5倍的余量,选择了7.5伏的量程。
我选的型号是BZV55C7.5BS:
图4.14BZV55C7.5BS的封装图
表4.9几种供选择的二极管参数
BZV55C7.5BS的特性,如图4.10BZV55C7.5BS的特性所示和稳压管的主要数据如图4.11稳压管的主要数据:
表4.10BZV55C7.5BS的特性
表4.11稳压管的主要数据
因为稳压管的特殊的原因,我们需要对它的功率进行计算:
我任然从电路的极限考虑;
Pmax=20*10=200mW
选择的这个管子功率在500mW正好是它的二倍还多,已经完全能够满足电路的需要了。
4.4影响信号强度的其他因素
通过本文知道在电路导通以后,随着温度的升高,元器件的电阻会随着发生变化,从而影响电路的安全性和最终数据的准确性[8]。
通常在研究的时候会考虑室温在25℃时候,但是电路在实际工作中不可能达到这样的理想值,在上一章节中我们提到了稳压管的。
它的温度特性如下图所示:
图4.15三极管受温度影响的曲线
由此可见温度对电路影响时需要考虑的问题,电路中一个元器件的变化可能影响整个电路的电压和电流的巨大变化,影响了整个电路的安全性[9]。
许多元器件都会不同的受到温度影响,在这里讨论下二极管中的BZV55C36,它们有一个关系式:
结合了上面我给出的数据,这里就不详细的指出了.
25℃----→6.8
50℃----→6.8(1+0.093%*△T)
10℃----→6.8(1+0.093*△T)
注释:
△T是指50℃-25℃或10℃-25℃
当然0.058是在温度升高的过程中温度的变化百分比。
最终得出了BZV55C36在升高到50℃时它的电压变化为6.96V,在10℃时变化为6.71V,这样看来温度的变化不是太明显。
这也是我们选择它的原因,当然其他的百分比系数跟小的会达到更好的效果,但同时它的照价会更高。
虽然变化不是太大,但是任然会对后面电路的造成影响,怎么消除这其中的干扰任然需要我们去努力解决。
同理我们也可以计数稳压管对于温度的影响:
25℃----→7.5
50℃----→7.5(1+0.058%*△T)
10℃----→7.5(1+0.058*△T)
最终我们得出了BZV55C7.5BS在升高到50℃时它的电压变化为7.61V,在10℃时变化为7.43V,这样看来温度的变化不是太明显。
这也是选择它的原因,当然其他的百分比系数跟小的会达到更好的效果,但同时它的照价会更高。
虽然变化不是太大,但是任然会对后面电路的造成影响,怎么消除这其中的干扰任然需要去努力解决。
第五章总结与展望
5.1本文总结
在本文中,首先简要介绍了光电传感器产生发展、应用及在工业生产过程中的应用。
其次对光电传感器的内部结构等相关内容进行研究分析,并与现有其他标准进行比较。
本着对光电传感器的深入研究,把重点放在了直流电压调节的稳定性研究上。
在光电传感器在实际生活中的应用,进行相关的考虑,保证在实际生活中的安全性。
在研究的过程中主要从安全性的考虑和为了得到更好的实验结果,加入了一些滤波装置。
选择元器件时进行了相关的功率计算,保证元器件的安全性。
但是在时间的推移,元器件温度的升高必然影响二极管和三极管的电压导通比,增加了实验的不准确性,需要在以后的学习去解决[10]。
5.2
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- 光电 传感器 直流 电压 调节 设计
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