光电开关实用电路（光电开关实用电路（2） 漫反射式漫反射式 NPN 型型 NO 输出输出 本文介绍的 NPN 型常开输出光电开关电路，是利用 CMOS 集成电路为核心制作的最基本的漫反射电路。以这种电路生产的光电开关在工业自动化生产线及各种行业中得以广泛使用，且性能稳定、工作可靠。电路以是 CD4013B 双 D 触发器为核心，外加一些元器件组成的。CD4013B 是集成触发器芯片，内部有两个独立的 D 触发器。每个触发器都有一个置位端（SET),复位端（RESET),时钟端（CLOCK),数据输入端（DATA),两个输出端 Q 和 Q/端。图 1 为 CD4013B 的封装形式，图 2 为引脚排列。 图 1 CD4013B 二种封装形式 图 2 CD4013B 引脚排列 CD4013B 使用电压范围：3-18V。 CD4013B 双 D 触发器引脚功能：1、1Q；2、1Q 反；3、1CP；4、1R；5、1D；6、1S；7、Vss；8、2S；9、2D；10、2R；11、2CP；12、2Q 反；13、2Q；14、VDD。 Q-原码输出端，Q 反-反码输出端，CP-时钟输入端，R-直接复位端，D-数据输入端，S-直接置位端，VDD-电源正，VSS-接地端。 CD4013B 双 D 触发器的引脚功能如表 1 所示，CD4013B 双 D 触发器的真值表如表 2 所示。 表 1 CD4013B 引脚功能表 表 2 CD4013B 真值表 CD4013B 的逻辑图见图 3。 图 3 CD4013B 逻辑图 从真值表可见，当 R 为 1、S 为 0 时，无论 D 和 CL（时钟）为什么状态，输出 Q 一定为 0，因此 R 可称为复位端。当 S 为 1、R 为 0 时，输出 Q 一定为 1，s 称为置位端。当 R、S 均为 0 时，Q 在 CP 端有脉冲上升沿到来时动作，具体是 Q=D，即若 D 为 1 则 Q 也为 1，若 D 为 0 则 Q 也为 0。 CD4013B 可用作单稳态电路，双稳态电路及无稳态电路。所以利用这个集成电路的功能和特性，可用来设计实用的光电开关电路。 本文讨论的电路就是采用 CD4013B 双 D 触发器功能设计的漫反射式 NPN 型光电开关，其中一个触发器(a)与有关的元器件构成脉冲振荡发生器，从图中可见这是一个多谐振荡器，振荡产生的脉冲信号的波形及占空比、频率等参数取决于阻容元件值，可通过改变其数值来实现改变脉冲信号的频率，本电路的发射的红外脉冲频率一般可调整在 1000HZ 左右，这个电路与平常所见的 CD4013 做成的振荡器不同，输出的波形不是方波而是矩形脉冲波，其频率、占空比可按图中相关参数计算，脉冲波的波形可见图 5。其振荡电路可见图 4。 图 4 CD4013B（a）触发器组成的脉冲振荡电路 对应于图 4 所标注的ur、uQ、uQ/其振荡波形见图 5 图 5 振荡器输出的脉冲波形 脉冲信号经晶体管 Q4、Q5所组成的开关电路推动发射二极管发射近红外光，其电路和输出波形见下图 6。为了提高发射效率增大发射电流所以 Q5发射极和集电极分别接在 VCC和 VSS上。 图 6 红外发射波形 光电开关的接收管接收到反射回来的红外脉冲信号， 是由晶体三极管所组成的交流放大电路进行放大的。 光电开关放大电路对外界的影响比较敏感，如温度、环境光和其它干扰等，因此外界对电路的影响是要考虑的必要因素，而分压式偏置放大电路本身具有电流直流负反馈稳定静态工作点、抑制零点漂移的特点，这种电路适合精度要求比较高的地方。所以在光电开关电路设计中采用这种电路对接收到的信号进行放大是比较合适的。本电路中下偏置电阻采用 10K 可调电阻，当改变其阻值时实质上就改变了基极电压，相应的就改变了静态工作点，从而使电路的放大倍数发生改变。表观的就是光电开关的检测距离的大小发生变化，所以此电阻也称为灵敏度调节电阻。关于晶体管发射极串联电阻，并在 8.2K电阻并联电容的作用在晶体管分压偏置放大电路中都有详细的讨论，这里不再细述了。此放大电路的晶体管放大倍数一般选 150-200，可用 C1740 或 C2785 等小功率三极管。放大后的脉冲信号直接输入至 CD4013B 的另一个触发器（b）的数据输入端（D），其电路见图 7，CP（3）和 D（5）输入波形见图 8。 图 7 输出电路 图 8 触发器（b）D 和 CP 输入波形 电路中 CD4013B（b）构成一双稳态电路，常态时（无接收信号）Q 端输出为高电平，晶体管 Q6 截止，Q7 也关断则 Q7集电极输为高电平，无电流流过负载（即所谓的常开 NO） 。当光电开关接收到反射回来的红外信号时，在触发信号作用下触发器状态发生翻转， 输出端 Q 从高电平转换为低电平， 输出的是矩形波。 这时晶体管 Q6 从原先的截止状态变为导通，则 Q7 也导通，Q7 的集电极从原来的高电平转变为低电平，带动负载工作，流过负载的最大电流 100 毫安左右。 触发器（b）的数据输出端 Q 的输出脉冲波形和频率与光电开关检测物的感应的频繁程度有关，比如检测物体的个数，当一个物经过开关的检测面时，Q 端就输出一个脉冲，感应 n 次就输出 n 个脉冲，所以可以用光电开关来实现计数功能。 为了使开关的前置电路稳定可靠地工作所以本电路采用串联型稳压。即使电源电压在 10-30V 之间变化也不影响其正常工作，由电路可见此稳压方式输出的电压稳定在 8V 左右，从而保证集成电路及前级放大电路可靠工作。也可适当地调整稳压电路的输出电压，但电路相应稍有变化。稳压电源部分的电路见下图 9： 图 10 为光电开关完整电路图 图 10 NPN NO 光电开关电路 光电开关元件的选择： 在制作光电开关时可选用贴片式器件， 电路板可做到 14*30mm 尺寸， 若用 SMT 生产线批量生产，则产品有较低缺陷率而且可靠性也高。滤波电容可采用体积小、性能稳定的钽电容，振荡电容要求用高频电容，其他电容可用独石电容。三极管有关参数可参考电路图标出的晶体管型号。光电接收二极管和发射二极采用金属外壳封装，接收管若采用光电三极管抗干扰能力会增强，但相应的前置电路要略加修改。光电开关的检测距离除电路本身设计时确定参数等因素外还与采用的透镜有关， 对最普通的 M18 圆柱型光电开关其检测距离可调节在 8-30cm 之间， 其它外形的光电开关检测距离可以做的更大一些。 本电路正常工作的适用电压在 10-30VDC,为了防止误接电源采用二极管 1N4001 进行极性保护。 本电路适合生产工业级的光电开关，如 M18 型、M30 型等圆柱形、方型或其它形状的光电传感器，由于光电开关用途广泛所以在自动控制、物体检测、产品计数、安全防护等领域有十分广泛的应用。 潘多拉 2013.05.10