VISHAY SEMICONDUCTORS www.vishay.com 光学传感器 应用指南 Extended Detection Rangewith VCNL Family of Proximity Sensor 采用 VCNL 系列接近传感器扩展探测范围 作者：Reinhard Schaar 1、简介及基本操作 2. IRED （红外线发光二极管）连接和电路 VCNL4010、VCNL4020 和 VCNL3020 是带有 I2C 接口的接近 一些应用可能要求发射管发出更高的光强，因为需要探测的 目标物体反射过来的信号非常弱，或者目标物体可能位于传 感器较远的位置。 传感器。每个器件都带有 16 位 ADC，在一个单独的封装中 集成了一个红外线发射管、一个 PIN 光电二极管和一个信号 处理器 IC。由于不再需要屏蔽罩将发射管与接收管进行光学 隔离，因此凭借其最高 20cm （7.9 英寸）的探测距离，独立 型，集成型的特点，大大简化了接近传感器在消费类和工业 类应用中的设计。通过标准的 I2C 总线串行数字接口，VCNL 器件无需复杂的计算或编程，即可以轻松对 “ 接近信号 ” 进行 接入，当出现接近事件时，可编程的中断信号为微处理器提 供唤醒功能，因此可以省去持续查询的需求，从而缩减了平 均的处理时间和功耗。 集成型红外发射管的发射波长为 890nm，可以探测 20cm 范 围内的目标物体。为了探测这一范围，可以对发射电流从 10mA 到最高 200mA 进行编程。（参见下图 1）。 所有VCNL传感器都可以与高光强的外部发射管互连，甚至可 以用带有透镜的红外线发射二极器 （IRED）。 这种情况下，需要外部电源为 IRED 供电，而 VCNL 的正极不 与电源相连。 通常可以将一个外部 IRED 连接到VCNL 的负极并利用其内部 驱动器，而所有的控制和编程都与使用内部 IRED 的情况相 同。图 2 展示了 VCNL 运行的原则。 外部 IRED取代内部发射管与VCNL 内部驱动器和可编程电流 源相连，该 IRED 正极与电源相连。 GND 12 +2.5 V -5.0 V 100 000 Proximity Value (cts) Media: Kodak Gray Card 10 000 100 mA IR Anode IRED IRED 1 max. 200 mA IR Cathode 2 1000 200 mA IR Cathode 3 100 LED Driver 10 20 mA 1 0.1 1 10 Distance to reflecng card [mm] Revision: 25-Oct-13 图 2 - VCNL4010 原理运行图 图3和图4显示出针对VCNL4010和VCNL4020/VCNL3020封 装的不同引脚定位。 1 For technical questions, contact: [email protected] Document Number: 84239 本文如有变更，恕不另行通知。本文及本文所述产品附带具体免责声明，详情请参见 www.vishay.com/doc?99905。 APPLICATION NOTE 图 1 - 接近值与距离 100 Application Note www.vishay.com Vishay Semiconductors Extended Detection Range with VCNL Family of Proximity Sensor 采用 VCNL 系列接近传感器扩展探测范围 1.7 V to 5.0 V nc IR_Anode (1) R1 R2 V DD (7) IR_Cathode (2,3) Host Micro Controller VCNL4010 GND (12,13) INT (6) GPIO SCL(5) SDA(4) I2C Bus Clock SCL I2C Bus Data SDA 图 3 - 带有外部 IRED 的 VCNL4010 电路 对于 VCNL4010，引脚 1 （IR_Anode）并没有连接，而外部 IRED 的负极在引脚 2 和引脚 3 上进行连接。 S(λ)rel - Relative Spectral Sensitivity 1.1 IRED 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 λ - Wavelength (nm) 22307 图 5 - 按近式 PIN 光电二极管的光谱敏感性 可以用到的一个合适的 IRED 是 VSMF2890GX01，因为传感器 面板上的特性适用于 VCNL4010、 VCNL4020 和 VCNL3020。 IRED 1.7 V to 5.0 V nc IR_Anode (1) R1 R2 V DD (5) IR_Cathode (10) VCNL4020 GND (8,9) Host Micro Controller INT (3) GPIO SCL(4) SDA(2) I2C Bus Clock SCL I2C Bus Data SDA 图 4 - 带有外部 IRED 的 VCNL4020 / VCNL3020 电路 对于 VCNL4020 和 VCNL3020 封装，引脚 1(IR_Anode) 未连 接，而外部 IRED 的负极可以与引脚 10 连接。 APPLICATION NOTE ASIC(VDD) 的电源具有一个 2.5V 至 3.6 的确定的电压范围。红 外线发射器 （内部及外部）可以在 2.5V 至 5V 的电压范围进 行连接。如果 VDD 与调制电源或电池相连接，或者 IR_Anode 直接与电池或或电源相连则为最优选择。这就避免了 VDD 电 源线上高红外线发射器电流脉冲所带来的任何影响。 图 6 - VCNL4020 传感器板 关于传感器板的更多信息，请参考： www.vishay.com/docs/83395/vcnl4000_demo_kit.pdf 3. 结构设计注意事项 VCNL 系列具有一个 16 位的 ADC。如果采用演示套件和软件 时，外部发射管和 VCNL 传感器之间会有干扰，这些干扰产 生的 “ 底噪 ” 数值可能比较大，最多可能达到 5000，而 16 位 ADC 提供绰绰有余的上部空间，在传感器饱合前，仍有超过 60000 的数值空间。 如果在 IRED 和传感器之间放置一个挡光板，那么就可以避免 这种干扰。由于实际电路中都会用到电容器，将其放置于 IRED 和传感器之间，就可以起到挡光板的效果。 集成型红外线发射管具有 890nm 的峰值波长和 PIN 光电二极 管，接收目标物体的反射光并将其转换成电流，接收管与 890nm 的峰值敏感度完全匹配。 如果选择外部 IRED，应该具有中心波长 890nm，最低 850nm 波长。在850nm波长状态下，光电二极管的敏感度约为70%。 图 7 - IRED 和传感器之间的挡光板 图 7 中的发射管封装称为翼形封装。也可以像图 8 那样采用一 个反向的翼形发射管来取代这种封装。由于在封装中，发射 管的芯片在 PCB 下面，因此就消除了干扰。 Revision: 25-Oct-13 2 For technical questions, contact: [email protected] Document Number: 84239 本文如有变更，恕不另行通知。本文及本文所述产品附带具体免责声明，详情请参见 www.vishay.com/doc?99905。 Application Note www.vishay.com Vishay Semiconductors Extended Detection Range with VCNL Family of Proximity Sensor 采用 VCNL 系列接近传感器扩展探测范围 图 （11）中是目标物体接近时 VCNL 的读数值与接近的距离 之间关系，其绝对峰值的数值取决于外部IRED和传感器之间 的放置距离 ，下图展示的是放置距离约为 9mm 的情形。 图 8 - 用作外部 IRED 的反向翼形 将 VSMF2890 用作外部 IRED，提供了比传感器的内部发射管 更高的光强，可实现探测 50cm 的目标物体。当然，这要取决 于目标物体的材料和颜色。该文本结尾处的图表 1 中，可以 查找到相关资料。 图9和图10采用更高发光强度的器件，如TSHF6210可进一步 加大探测距离，如图9和图10中，IRED框图中所显示的数据。 Proximity Value (cts) 100 000 VSMF2890RGX01 at 200 mA 10 000 Internal IRED at 200 mA 1000 100 10 1 Media: Kodak Gray Card Med. frequency = 390 kHz 0.1 1 10 100 Distance to reflecng card [mm] 图 11 - 内部与外部 IRED 的接近值与距离 (VSMF2890GX01) 对于 0mm 至 3mm 的距离，当采用外部发射器时，接近读取数 值比采用内部 IRED 更少。对于目标物体的距离大于 10mm 的情况，接近数值将明显升高。例如，当柯达灰色卡距离传 感器 200mm 时，利用 VCNL 内部 IRED，读取数值为 6，但 是利用外部 VSMF2890GX01，读取数值 为 60。即使在 500mm 的距离，用外部发射管读取数量仍可达到 8。 80 4. 恶劣条件下的应用 图 9 - VSMF2890X01 和辐射强度图 对于极端的环境，如灰尘和水汽覆盖到表面的情况，最明智 的办法就是采用一个延伸至覆盖窗口的挡光板。为了避免可 能产生的水滴，推荐为发射管和接收管采用各自的窗口。 Separate IR windows 360 Separate chambers APPLICATION NOTE 图 12 - 完全隔离的发射器和检测器 图 10 - TSHF6210 和辐射强度图 Revision: 25-Oct-13 3 For technical questions, contact: [email protected] Document Number: 84239 本文如有变更，恕不另行通知。本文及本文所述产品附带具体免责声明，详情请参见 www.vishay.com/doc?99905。 Application Note www.vishay.com Vishay Semiconductors Extended Detection Range with VCNL Family of Proximity Sensor 采用 VCNL 系列接近传感器扩展探测范围 5. 更长的距离 6. 适用于超过 100cm 探测距离的解决方案 对于探测更长的距离或反射率低的目标物体，也可以采用这 一系列的 IRED。利用两个 TSHF6210 发射器，根据目标物 体的反射性能，可以实现大于 1 米的探测距离。 如果应用需要更长的探测距离，VCNL内部电流源的强度则不 够。 +5.0 V GND 12 IRED1 IR Anode max. 200 mA IRED IRED2 通过发送电子邮件到[email protected]，即可 以获取适当的电路以及元件建议，测量结果。 1 max. 200 mA 对于工作电流最高 5A 的功率 IRED， VCNL 可以为连接功率 IRED 的外部驱动器提供脉冲信号。 IR Cathode 2 IR Cathode 3 LED Driver 图 13 - 两个 IRED 与 VCNL4010 进行串连 表 1 – 不同材料 / 颜色的反射目录 塑料，类别 柯达测试卡 白卡 （基准介质） 100 % 白色 PVC 90 % 灰卡 20 % 灰色 PVC 11 % 纸 打印纸 94 % 白色聚乙烯 90 % 绘图卡、白 （Schoeller Durex） 100 % 白色聚苯乙烯 120 % 卡，浅灰色 67 % 灰色胶纸板 封皮 （米黄色） 100 % 纤维板材 包装卡 （浅棕色） 84 % 没有铜涂层 报纸用纸 革纸 绘制油墨 （Higgins、 Pelikan、 Rotring） 9% 12 % to 19 % 97 % 背面没有铜涂层 30 % to 42 % 1 类， 1mm 厚 9% 树脂玻璃， 1mm 厚 10 % 白色打印纸上的黑色部分 4 % to 6 % 30 % 材料 金属箔油墨 （Rotring） 50 % 铝，光亮型 光纤头笔 （Edding 400） 10 % 铝，黑色阳极化处理 60 % 光纤头笔，黑色 （Stabilo） 76 % 铸造铝，亚光 45 % 复印件 7% 绘图笔 APPLICATION NOTE 40 % to 80 % 蓝色、绿色、黄色和红色 PVC 110 % 铜，亚光 （未氧化） 110 % 黄铜，光亮型 160 % 150 % HP 光纤头笔 （0.3 mm） 84 % 镀金，亚光 黑色 24 针打印机 （EPSON LQ-500） 28 % 纺织品 油墨 （Pelikan） 100 % 白色棉制品 110 % 铅笔， HB 26 % 黑色丝绒 1.5 % 注 • 针对不同材料，反射传感器的相关集电极电流 （或耦合因数）。基准为柯达中性卡的白边。传感器与表面垂直设置。波长为 950 nm。 Revision: 25-Oct-13 4 For technical questions, contact: [email protected] Document Number: 84239 本文如有变更，恕不另行通知。本文及本文所述产品附带具体免责声明，详情请参见 www.vishay.com/doc?99905。