¿Cómo puedo sesgar un fototransistor (TCRT5000) para escalar el rango efectivo?

Voy a tomar algunos de tus números y adivinar a partir de ahí. Está ejecutando el LED del emisor de infrarrojos a aproximadamente \ $ 35 \; \ textrm {mA} \ $ y obtiene corrientes de colector devueltas de alrededor de \ $ 47 \; \ mu \ textrm {A} \ $ a \ $ 82 \; \ mu \ textrm {A} \ $, dados los valores de ADC mostrados. (Suponiendo un \ $ 5 \; \ textrm {V} \ $ rail y su \ $ 10 \; \ textrm {k} \ Omega \ $ resistencia de colector.) Entonces, eso es aproximadamente el rango que desea ver y probablemente le gustaría repartidos a lo largo de su \ $ 5 \; \ textrm {V} \ $ ADC rango de entrada, también.

Prefiero la idea de permitirle configurar la corriente directa en el LED del emisor de infrarrojos. Es posible que desee hacer esto desde su controlador. Pero hasta ahora, no has pedido eso. Por lo tanto, para que sea sencillo, haré de esto un poco de hardware ajustable. Permitirle cambiar la corriente LED del emisor de infrarrojos le permitirá realizar un tipo de ajuste para el reflector que esté utilizando y su distancia, junto con la densidad del humo que interfiere. Sin embargo, el máximo absoluto indica \ $ 60 \; \ textrm {mA} \ $, así que no permitamos más que algo menos que eso ... diga \ $ 50 \; \ textrm {mA} \ $ máximo. (Tampoco se recomienda. Pero puede haber ocasiones en las que no te importe).

Además de eso, es una buena idea mantener fijo el \ $ V_ {CE} \ $ de su opto-transistor. Hay un poco de cosas en marcha en las curvas que se muestran en la Figura 7, lo que me hace querer corregir el valor de \ $ V_ {CE} \ approx 4 \; \ textrm {V} \ $, o así. Si lo hace, estará justo en medio de algunas áreas planas y bonitas de las curvas.

Finalmente, debe poder establecer umbrales para que la entrada de voltaje a su ADC no se mueva desde \ $ 0 \; \ textrm {V} \ $ hasta que se alcance un mínimo de corriente. Luego sube, hasta que se alcanza de nuevo un límite, donde se enrolla en la parte superior. Esto le dará una resolución máxima en el área de interés.

Así que aquí hay una idea para probar:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

En el diseño anterior, \ $ R_3 \ $ ajusta su LED de emisor de IR actual, hasta aproximadamente \ $ 50 \; \ textrm {mA} \ $. Utiliza un potenciómetro \ $ 1 \; \ textrm {k} \ Omega \ $, que es bastante fácil de obtener. El valor de \ $ R_1 \ $ establece este rango. Calculé un máximo de aproximadamente \ $ 2.5 \; \ textrm {V} \ $ en el emisor de \ $ Q_1 \ $, por lo que el valor es entonces \ $ R_1 = \ frac {2.5 \; \ textrm {V}} {50 \; \ textrm {mA}} = 50 \; \ Omega \ $ y usé el siguiente tamaño estándar a partir de eso.

El valor de \ $ R_5 \ $ establece la ganancia. En este caso, decidí darle un rango de \ $ 40 \; \ mu \ textrm {A} \ $ a \ $ 90 \; \ mu \ textrm {A} \ $, lo que significa un \ $ \ Delta \; I = 50 \; \ mu \ textrm {A} \ $. Con una salida que oscila entre \ $ 0 \; \ textrm {V} \ $ a \ $ 5 \; \ textrm {V} \ $, entonces \ $ R_5 = \ frac {5 \; \ textrm {V} -0 \; \ textrm {V}} {90 \; \ mu \ textrm {A} -40 \; \ mu \ textrm {A}} = 100 \; \ textrm {k} \ Omega \ $. De ahí es de donde vino ese valor.

El valor de \ $ R_4 \ $ establece la corriente mínima a partir de la cual comienza este rango, que en este diseño es \ $ I_ {min} = 40 \; \ mu \ textrm {A} \ $. Coloqué un divisor de voltaje en la entrada (+) del opamp para asegurarme de que el colector de espejo actual esté por encima de un voltio o menos. Elegí \ $ V_ {ref} = 2.5 \; \ textrm {V} \ $ como la mitad de su rango de voltaje. Podría ser diferente. Pero ahí es donde lo puse. (Hice eso para proporcionar suficiente \ $ V_ {CE} \ $ para la réplica actual y también para la posibilidad de que podría querer usar BJT discretos para la réplica y, por lo tanto, necesitaría algunas resistencias de emisores adicionales [discutidas al final , a continuación.]) Entonces, cuando la salida de opamp todavía está en \ $ 0 \; \ textrm {V} \ $, la corriente fluirá a través de \ $ R_5 \ $. Eso también hay que tener en cuenta. Por lo tanto, el valor de \ $ R_4 \ $ se establecerá como:

$$ R_4 = \ frac {5 \; \ textrm {V} -V_ {ref}} {\ frac {V_ {ref}} {R_5} + I_ {set}} \ approx 39 \; \ textrm { k} \ Omega $$

Por lo tanto, esto le permite realizar ajustes a la corriente de su LED del emisor de infrarrojos, dentro de un rango razonable, y le permite diseñar \ $ R_4 \ $ y \ $ R_5 \ $ para sus necesidades en el ADC, también.

Especifiqué un buen par de espejos actuales diseñado para este propósito. El BCV61 contiene un par de BJT NPN en el mismo dado y serán razonables aquí. También son baratos de conseguir.

Sin embargo, si decide utilizar BJT discretos, agregue dos resistencias al diseño anterior. Con su rango actual de corrientes, ambos tendrían un máximo de \ $ 10 \; \ textrm {k} \ Omega \ $; una colocada entre el emisor de \ $ Q_2 \ $ y tierra, y una colocada entre el emisor de \ $ Q_3 \ $ y tierra. Pero para proporcionar flexibilidad para corrientes más altas, probablemente recomiendo usar los valores \ $ 1 \; \ textrm {k} \ Omega \ $, en lugar de eso, y luego simplemente olvidarse de ellos. Eso debería estar bien hasta diez veces la corriente, lo cual dudo que alguna vez necesite aquí.

Comencemos mirando la Figura 9 de la hoja de datos. Esa caracterización se realiza con 10V Vce en los fototransitores, con 20 mA fluyendo en el transmisor, variando la distancia del objeto reflectivo a detectar. Como puede ver, alcanza un máximo de 20 mA, pero no tiene 10 V para el Vce. No esperaría que la corriente del colector varíe dramáticamente con Vce, y un vistazo a la figura 5 confirma que: a temperatura ambiente, con 5V de Vce, todavía tiene una relación de transferencia de corriente de 1: 1 aproximadamente.

Ahora veamos cuáles son los límites de la corriente transferida: al volver a la figura 9, puede ver que la corriente relativa llega a 1, mientras que puede bajar a 0 cuando el objeto se acerca mucho. Esto sucede porque bloquea efectivamente toda la luz.

Se requiere una entrada del diseñador (usted): ¿qué rango de distancia necesita? Solo para dar un ejemplo, asumiré que desea que su función de transferencia sea monótona, por lo que comenzará a partir de 2 mm. La distancia máxima es un poco más complicada, ya que cuanto más lejos se encuentre, menor será la sensibilidad, es decir, un gran cambio en la distancia produce un pequeño cambio en la corriente. Parece que, a partir de la Fig. 9, la corriente se vuelve casi plana al 20%, por lo que asumo que su corriente variará entre el 100% y el 20% de la corriente directa del transmisor.

Ahora necesitamos saber cuáles son los voltajes de entrada válidos para el ADC: asumiré un ADC de rango completo de 5V, que acepta cualquier cosa entre 0V y 5V.

Desafortunadamente (?) tienes una restricción y dos variables:

$$ 0 < \ alpha I_F R_l < 5 $$

donde \ $ \ alpha \ $ varía de 20% a 100%. Trabajando los lados por separado y sustituyendo en \ $ I_F \ $ la ecuación del diodo para obtener \ $ R_D \ $ a la parte, se obtiene:

$$ 0 < 0.2R_l \ frac {V_ {cc} -V_D} {R_D} \\ 1R_l \ frac {V_ {cc} -V_D} {R_D} < 5 $$ Entonces otra vez: $$ 0 < \ frac {R_l} {R_D} < \ frac {5} {V_ {cc} -V_D} $$ Al marcar los números restantes finalmente obtienes: $$ 0 < \ frac {R_l} {R_D} < \ frac {5} {V_ {cc} -V_D} < 1,33 $$

Ya que creo que elegirás \ $ R_l > 0 \ $, aunque solo sea por la física, solo olvida el LFH de la inecuación.

Si lanzas tu selección, obtienes una relación de resistencia de 100. No es bueno.

Ahora tiene muchas formas de determinar cómo continuar desde aquí. Probablemente no quiera usar resistencias demasiado grandes, pero ni siquiera quiere que su LED se incendie. Yo diría que 1k \ $ \ Omega \ $ para ambos resistores es un gran punto de partida, obtienes menos de 5mA en tu LED, lo cual está bien. Comience desde allí y si la sensibilidad no le conviene, aumente \ $ R_l \ $ un poco o disminuya \ $ R_D \ $ un poco.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Puede aumentar la ganancia en relación Rc / Si se ingresa. Esto también afecta el tiempo de Trise, que puede ser lento si lo entiendo.

Asumptions

• La pérdida de transmisión afecta los niveles de salida en la banda NIR no es lo mismo que visible.
• Estás utilizando la lógica HC ~ 50 Ohm ESR (no CD40xx que es ~ 300 Ohms)
• La salida se puede escalar con el divisor R a ADC Vin max si no es 0-5V

Aquí hay una idea para un rango de sensibilidad muy amplio. Supongo que la linealidad no es tan importante como el rango dinámico, ya que no especificó la linealidad. En este sistema, tiene una alta sensibilidad para una densidad de partículas muy baja pero una resolución más pobre donde la densidad del humo es alta.
No necesita el Nano's A-to-D con el siguiente circuito:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab} GPIOin / out debe ser un pin de E / S digital en el nano que se puede programar como Entrada, o programada como salida. Es útil si, como pin de entrada, tiene una histéresis de Schmidt, pero he usado este esquema con un pin de E / S ordinario.
GPIO1, GPIO2, GPIO3 están todos programados como pines de salida . Pueden variar la corriente LED infrarroja en un amplio rango, cuando se usan individualmente, o en ayuda de la corriente para una mayor sensibilidad.
Aquí está la secuencia de tomar una lectura:

• (1) Establezca GPIOin / out como salida y programe la lógica en ALTO.
• (2) Establezca uno o más de GPIO1, GPIO2, GPIO3 en alta lógica.
• (3) Espere un momento mientras el C1 carga a Vdd.
• (4) Programe GPIOin / out para "entrada" (en lugar de salida). También inicia el temporizador.
• (5) Monitoree GPIOin / out hasta que alcance un nivel lógico bajo.
• (6) Detenga el temporizador.
• (7) Guarda el contador del temporizador.
  Lo bueno de este proceso de conversión es que obtiene números muy grandes para corrientes de fototransistor pequeñas y, por lo tanto, una sensibilidad muy alta donde la necesita. Si es necesario, puede extender la longitud de un contador mucho más allá del desbordamiento de diez bits de la A a D.
  Esta requiere la corriente de fuga del pin GPIOin / out de su Nano para ser pequeña - la corriente de fuga de la corriente de fuga del fototransistor pluls GPIOin / out establece máxima sensibilidad, asumiendo que C1 es un buen condensador de polipropileno sin fugas.
  Si no tiene humo ni reflejos, el contador se desbordará antes de que el Q1 cargue C1 hasta el nivel lógico bajo. Cuando esto ocurra, simplemente cargue previamente C1 iniciando la secuencia (arriba) nuevamente.