【经验】光电元件的自动校准电路：消除制造变化，温度变化和LED退化导致不可靠性和低寿命预期的影响

将产品差异从光电元件设计中去除，有可能显著提高设备的可靠性、性能和寿命。今天的光电制造工艺无法以精确的规格生产器件，设计师必须考虑所有可能的产品差异，包括电气特性以及随时间和温度性能的变化。本文以TT推出的 OP293/OP298系列砷化铝镓（GaAIAs）红外发射二极管为例进行讨论。

TT推出的 OP293/OP298系列，是砷化铝镓（GaAIAs）红外发射二极管，采用红外透射封装，LED峰值波长集中在850nm，十分接近硅光电晶体管的响应光谱。其拥有可选择的功率范围，且在等效驱动电流下，功率输出比GaAs高。广泛应用于非接触反射式物体传感器、装配线自动化以及机械自动化等领域。

当OP293/OP298系列LED在光电晶体管上发光并且电流开始流动时，会发生光学切换。 该负载电流（I_L）可以改变为一个电压，并通过在集电极或发射极上增加一个电阻来轻松测量（见图1）。 LED（I_D）的正向电流用于控制辐射的光量。 该电流使用限制电阻（R_D）控制，通常范围为5mA至20mA。 计算电阻值的公式如图1所示。

图 1

如上所述，器件本身的制造差异可能会产生输出电流变化。 制造开槽或反射开关时，采用OP293/OP298系列LED和光电传感器（光电二极管，光电晶体管或Photologic®）制造，并经过测试和分类。 然后使用这些后续分组来提供所需的输入和输出电特性。 电输出I_C（ON）的典型变化具有从3到7的比率（最大I_L /最小I_L）（即，I_L最大= 5mA / I_L最小= 1mA提供5/1 = 5的比率）。 设计工程师必须在设备设计周期中考虑这些变化。

另一个设计考虑因素是OP293/OP298系列LED的固有劣化。 随着OP293/OP298系列LED器件的老化，会在光功率方面表现越来越差。 典型的降温参考温度为25°C，具有已知的LED电流（I_D，通常为20mA）。 如图2所示，输出通常在100,000小时或11.4年内降低5％至20％。 这可能需要很长时间，但许多设备预计运行时间超过10年，因此设计工程师需要考虑这一点。

图2 OP293/OP298系列LED的劣化（辐射密度的变化与时间）

除了制造变化和OP293/OP298系列LED的劣化之外，还必须考虑应用的最终用途。 温度变化对产品有显着影响 - 温度的变化会改变LED发出的光量以及光电传感器的灵敏度。 当温度升高时，LED发出的光减少，而光电晶体管的灵敏度增加。 这种偏移有助于解决问题，但不能完全解决。 图3显示了OP293/OP298系列LED和光电晶体管输出电流相对于温度的关系。 输出电流与温度的实际变化量可以增加或减少，这取决于LED和光电晶体管的特性。温度变化是设计因素之一时，必须考虑这一点。

图 3 OP293/OP298系列LED和光电晶体管输出电流相对于温度的关系

也可能发生电源的变化。 由于电源因温度，负载和老化因素而变化，OP293/OP298系列LED的驱动电流可能会发生变化，光电晶体管的输出电流也会发生变化。 因为这通常是一个很小的变化（除非电源处于故障的边缘），设计人员可以预期0％到2％范围内的变化。

光学开关由OP293/OP298系列LED和光电传感器组成，其室温下的输出电流的最大/最小比率可以在3到7的范围内。 增加5％的LED劣化会将此比率变为3.15至7.35。 在-40°C至+ 85°C之间添加温度变化可以将此比率更改为5.53至12.90或比这更高。 幸运的是，通过简单的设计（如图1中的设计），最小输出电流量成为最重要的设计因素。 首先，必须考虑指定的电特性变化，温度波动，LED劣化以及最终电源的变化。 考虑到这些特性的设计将提供以下更鲁棒和稳定的解决方案。

如果不花费数小时的计算和计算机模拟，如何才能考虑到所有这些影响？ TT推出了具有自动校准电路的产品，使工程师能够在几分钟内为大多数光学设备设计一个强大的解决方案。因为能“记住”校准设置，通过在设备组装前后提供校准的灵活性，自动校准将通过补偿其输出随时间降低来延长LED寿命。

通过简单的触发机制，例如暂时将校准引脚接地，可以对器件进行编程，以便在设备使用寿命期间的任何时间开始自动校准周期，通过补偿退化来延长LED寿命。 技术人员将能够远程重新校准客户的传感器，以纠正由上述任何差异引起的性能问题。

这种类型的应用中的自动校准电路被设计用于补偿由于制造差异而导致的光学器件的变化。 该系统可用于校准反射或中断设备，提供一致的输出，无需确认LED驱动电阻或光电晶体管负载电阻，以保持一致的输出稳态条件。 设计工程师可以缩小预期的启动输出状态，同时提供可以在相同的启动状态下运行多年的设备，从而提高系统的可靠性和一致性。 每次校准系统时，LED或光电晶体管的劣化都会得到补偿，使得系统能够提供已知的、一致的输出电平，从而使可靠性常年保持一致。即使功率损失，电路也可以保持校准设置，从而允许更快的启动，而无需每次启动设备时进行校准。

安装在小型PC板上的自动校准单元由一组短路引脚组成，允许用户更换光电晶体管负载电阻。 通过将短路棒布置到适当的位置，负载电阻可以从大约2.5KΩ变为27K。增加负载电阻可以提高器件的灵敏度。

当校准管脚瞬间接地时，系统将开始其校准过程，并将通过LED的电流从0mA提高到14mA，直到光电晶体管达到预设的输出电平，导致绿色校准光闪烁3次。此时，LED驱动电流被锁定并保持，直到复位/透明引脚接地。如果LED驱动电流达到最大允许值，则可以对红色警告灯进行编程开启。在这个校准过程中，对模拟输出引脚的远程监控使得设计者确保了系统被完全校准（当校准过程完成时，此预设校准输出电平的标称设置为½VCC）。 可能需要调整光电晶体管负载电阻以确保系统正确校准。

模拟输出允许设计工程师设置任何参考点，以识别被监控设备的光学变化。 模拟输出可与反射设备一起使用，以监控目标与设备的距离的微小变化，目标离设备越远，反射信号越低。

一旦达到预设的光学条件，逻辑输出将改变状态。 当光信号增加到VCC的约2/3以上时，“逻辑输出A”切换，而当光信号减小到VCC的约1/3以下时，“逻辑输出B”切换。

与所有光学装置一样，切换条件与光电晶体管接收预设的光水平一致。 此切换位置和亮度可能会因以下几个因素而异：

 • 环境光变化（通过定期重新校准减少或消除）； 

 • LED和光电晶体管对退化（通过定期重新校准消除）； 

 • LED或光电晶体管前面的污染（通过定期清洁减少或消除）； 

 • 系统功率变化（通过定期重新校准减少或消除）；

 • 温度变化（通过定期重新校准减少或消除）；

自动校准PC板可以直接连接到任何带有LED和光电晶体管的光学设备。 

 • 中断设备/开槽开关/中断编码器； 

 • 反射装置/反射开关/反射编码器； 

 • 专用设备/流体传感器；

因此，简单的自动校准电路可以消除或减少大多数制造，温度变化和LED劣化的影响。 这使设计工程师能够收紧光电光电晶体管输出器件的预期输出要求，从而提供更可靠的产品。