设计定制的高速光电门 PCB

2021-06-25

设计定制的高速光电门 PCB

插槽大小的光电门在许多设备和机械中都很常见，适用于读取数量惊人的编码器轮或检测破坏光束的物体。虽然它们可用于许多应用，但市售型号的槽宽通常小于 2 毫米。这不允许您使用更大的间隙来检测大型物体。

我正在使用台式注塑机，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，可能会损坏机器。

我可以使用多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靠性。在电流传导模式下使用时，光电二极管表现出令人难以置信的快速响应速度，可以检测到掉过传感器的最小部件。我的问题是，我找不到不是为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，但又不能太贵。

我打算在模具体下方有一个零件斜槽，可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体的一侧照射到另一侧的光电检测器，我可以使用微控制器检测经过的部件。如果我将光电门连接到施密特触发器缓冲器，如果我愿意，我还可以向可编程逻辑控制器或其他第三方控制器提供干净的逻辑电平信号。

我对这个项目的要求相当简单：快速可靠地检测缺光。考虑到机器周围环境光比较多，我想用红外光束，为了可靠性，我打算使用驱动电流为100mA的发射器。发射极的高驱动电流比您想使用串联电阻器进行调节要多，但可能比您希望一个成熟的 LED 驱动器来处理要少。不过，我喜欢做事过度，所以我要在电路板上添加一个恒流 LED 驱动器，它也可以为发射器供电。

光电二极管

测量光的方法有很多种，光电二极管恰好在我使用过的任何东西中都具有最快的响应速度。在光伏模式下使用光电二极管与在电流传导模式下使用光电二极管之间存在巨大差异。在光伏模式下工作时，二极管有点像一个非常差的太阳能电池，它会从它所暴露的光线中产生一个很小的电压。光伏模式可能适用于基本的存在检测应用，但不适用于检测高速事件，例如掉落的小部件。二极管中的结有电容，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电，当光源消失或减弱时，结必须在不活动之前放电。

例如，如果我用函数发生器（黄色）驱动红外发射器，我们可以在示波器上看到光电二极管在光伏模式（蓝色）下的响应。

60Hz 光伏模式下的光电二极管响应

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

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

1kHz 时的光伏模式响应

1kHz 听起来很快，但是，如果模具部件非常小，或者具有微小的特征，它遮挡窄红外光束的持续时间将会很短。考虑到结电容的放电时间，它可能只显示为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光电二极管。我之前提到过它具有非常高的响应速度，在电流传导模式下也是如此。在二极管反向偏置（阴极连接到正电压）的情况下，结将在光击中它时几乎立即开始传导电流，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。

这是在电流传导模式下运行的相同光电二极管和发射极对——通过我们将在本项目中构建的跨阻放大器。

25kHz 时的电流传导模式响应

对于 25kHz 信号，上升沿和下降沿有一些圆角，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，波形上的小尖峰是由电路从我的廉价 LED 放大灯中拾取和放大噪声引起的（基于它辐射的噪声，我很难相信它符合CE 标志的 EMI 要求）。

鉴于我们需要放大来自光伏模式二极管的信号，并且我们可以使用光伏模式放大器的相同组件来构建电流传导模式的跨阻放大器，因此仅在电流传导模式下使用二极管是有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项目文章，您就会知道我喜欢一个好的在线计算器。为了为跨阻放大器设计提供一个起点，我使用了ADI 光电二极管设计工具。这是一个很棒的工具，但它实际上只能作为一个起点。鉴于我正在优化可能持续时间非常短的脉冲上的方形边缘，我的最终值与在线计算器生成的值有很大不同。不过，有一个项目的起点总是很棒的。计算器会产生一些可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公司光电二极管设计工具生成的原理图

使用设计工具生成的原理图，我用这些部件填充了一个面包板，只是我使用了多圈电位器而不是固定值电阻器。使用函数发生器驱动 LED，示波器连接到放大器的输出端，可以快速调整电路。

为了给电路供电，我使用台式电源为二极管提供 12V 电压，并使用一个线性可调稳压器为运算放大器的正轨输出 2.75V。我还有一个反相电荷泵来提供运算放大器负轨所需的 -2.75v。当仅使用来自光电二极管的数十微安电流时，以地为参考的运算放大器是不合适的。运算放大器可以在其 VEE 端子之上产生不低于某个阈值的输出电压，这意味着将 VEE 端子接地将防止它们产生非常小的输出值。相反，连接负电压允许运算放大器产生低至 0V 的信号，从而使我们能够处理较小的信号。如今，并非所有运算放大器都能够在负电压下工作，所以在选择运算放大器时需要小心。当然，ADI 公司的设计工具会建议选择合适的运算放大器，以适应小电流和高频要求。在我看来，这就是这种设计工具的主要价值：让我们无需花费数小时阅读数据表来判断潜在的运算放大器是否有效。

将原理图放在面包板上以调整无源元件值

调整电路是一个迭代过程。调整第一个运算放大器的反馈电阻以开始对波形进行平方，然后移动到中间电阻，然后是第二个运算放大器上的反馈电阻。重复此操作，直到波形开始看起来不错。我发现与反馈电阻并联的电容器限制了我的调谐进度。我开始用越来越小的电容值换掉电容，直到我无法进一步优化电路。

此优化过程将高度依赖于您的光电二极管模型和激活它的发射器。发射极与二极管的距离对电路调谐有很大影响。您应该在发射器供电的情况下调整电路，就像在您的最终应用中一样，并在相同的距离处，或者，缩小发射器功率并像我一样使用它。我正在以额定功率的一小部分使用发射器来模拟光电二极管在我打算使用的距离处接收到的光量。

一旦电路看起来不错，你可以把电阻拉出来用万用表测量。这些值可能足够大，以至于简单的 2 线测量将足够准确。获得调整后的值后，您可以替换为最接近的可订购 (1%) 值并检查性能是否仍然足够。

最终的跨阻放大器原理图

如果将此原理图与生成的原理图进行比较，您会注意到我的值与我开始时建议的设计工具有很大不同。新值提供了一个响应更快的电路，该电路仍然稳定并具有干净的输出。

电源

在处理如此小的信号时，我们需要确保电源非常稳定且过滤良好。如果您希望使用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作逻辑输出，您可以考虑使用电压参考来为电路供电，而不是使用线性稳压器。运算放大器吸收足够小的电流，因此电压基准不会为它们提供稳定和精确的电压。

然而，为了降低成本，我将使用线性稳压器，这对于大多数应用来说已经足够了。

使用 TPS76301 线性稳压器的 2.75V 电源原理图

我的 2.75V 电源是一个基本的可调线性电源，输入端带有一个小的 Pi 滤波器。我没有计算这个 Pi 滤波器的截止频率，我只是使用了看起来不错的值——基本上是我在想要使用的封装尺寸中可以获得的电感值，而不会导致成本或直流电阻变得太高。我也可以使用铁氧体作为输入。我不知道什么频率的噪声可能会从 12V 输入传导到电路中，因此很难专门设计一个滤波器来消除电源中的噪声。 

使用 TPS60403 电荷泵的负 2.75V 反相泵原理图

对于负电压，我使用的是低成本反相电荷泵。它只能提供少量电流，但是运算放大器的功耗非常低，这使得该稳压器能够同时为两者供电。反相电荷泵产生的电压与其提供的电压相反，没有调节。由于它的工作方式，它是一个相当嘈杂的电源，这就是我为跨阻放大器运算放大器配备 10μF 钽聚合物旁路电容器的原因。

发射器驱动器

我在文章前面提到过，我需要一个用于 IR 发射器的恒流源，对于 100mA 发射器，有一些简单的方法可以做到这一点。但是，我想为此使用完整的 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 的滥用感到难过。它是一款出色的驱动器 IC，其功能成本相对较低，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，与之前的职责有很大不同！

使用 TPS92512 的发射极驱动器原理图

如果您想了解此驱动器的设计过程，可以查看我在65W LED 驱动器项目中的文章。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太大的不同。

这个驱动器应该为我的光电二极管提供稳定的照明，确保没有错误触发。使用 PWM 输出在发射极上实现恒定平均电流的驱动器不适用于调谐良好的光电二极管。光电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，或者需要硬件黑客来降低您对实际事件的响应速度。

如果您的光电门只需要一个小间隙，您可以使用功率低得多的 IR 发射器并使用串联电阻器进行限流，就像使用任何低电流分立 LED 一样。我的应用需要一个大间隙，因此需要一个更强大的发射器，以确保有足够的光照射到传感器上，从而从放大器产生良好的信号。

电路板布局

我从跨阻放大器的粗略布局开始电路板设计。我更喜欢长而窄的布局，因为它应该让我保持相对嘈杂的开关模式发射器驱动器尽可能远离光电二极管的小信号。光电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信号尽可能短。在文章的前面部分，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，那盏灯离电路板几乎半米远——噪声可能是示波器探头拾取的，也可能是电线甚至面包板本身拾取的。无论哪种方式，它都显示了处理如此小信号的放大器上的电路是多么敏感。通过使走线尽可能短，我们可以减少能够耦合到放大器中的 EMI 量。

光电二极管和跨阻放大器原理图的 PCB 布局

我已将放大器的电源添加到一侧。事后看来，我可能应该将反相电荷泵 IC 放置在线性稳压器所在的位置，以便使其开关噪声远离光电二极管。如果这是一个我打算制作一两个以上的电路板，我可能会花时间做这个，但是对于我想到的应用程序，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。

添加反相电荷泵部分后的PCB布局

接下来，我尝试将发射极驱动器放置在尽可能远离光电二极管的地方，而不会使电路板太大。最后的连接器提供了最小的板宽，我允许它变大一点。这只是第一遍的粗略布局；更多的是我想看到的东西。元件放置会随着我们实际布线电路板而改变。

添加了所有组件的 PCB 布局，现在需要布线

我最近的许多项目都是从大量多边形浇筑的布线开始的。用实际走线在这块板上做布线真是太好了！该板上的电流足够小，如果我愿意，我只需要使用多边形，而不是被高电流强迫使用。

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更小的组件，因此更加紧凑。我从电路板的这一部分开始，因为我觉得它最有可能让布局乱七八糟，并且可能需要在板上多一点空间，这会影响电路板的尺寸或整体布局要求。另一方面，跨阻放大器相对简单，信号以合理的方式流过电路板。

布线似乎适合在两层板上

一旦驱动程序被布线并且它的布局稍微调整了一下以便为走线腾出空间，我就能够非常轻松地布线电路板的其余部分。我为发射极驱动器添加了几个多边形，电流密度不需要它，但是开关网络的多边形应该有助于降低噪声。

布线后的 PCB

最后，对于电路板布局，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，安装点将用于将护罩连接到电路板上。

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，因为与表面安装选项相比，它们为镜头提供了更多的空间，而且窄光束宽度非常适合我的应用。发射器将简单地焊接到以插入光电门板的连接器终止的电线上。

最终 PCB 的俯视图

光电二极管灯罩

为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电二极管，我想设计一个简单的护罩来安装在电路板上。我之前添加的安装孔也可以很好地固定护罩。