Расчет первичного преобразователя проектируемого устройства

В расчет первичного преобразователя входит: расчет оптический системы, энергетический расчет.

Расчет оптической системы.

В нашем случае используется оптическая схема с четырьмя компонентами, так как такая схема может быть использована в приборах, имеющих оптический модулятор (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 — Оптическая схема с четырьмя компонентами Расчет такой оптической схемы довольно прост, так как все элементы схемы находятся в фокальных плоскостях оптических компонентов. Зная геометрические размеры источника излучения D_ИС, диафрагмы (отверстий модулятора) D_д и размеры светочувствительной поверхности фотоприемника D_фп из формулы подобия рассчитываются фокусные расстояния линз.

(6.1).

Размер d выбирается конструктивно исходя из условий закрепления линз.

D_ИС=2 мм, D_ФП=2,5 мм, D_Д=2,5 мм, d=5 мм. Диаметр линз 15 мм, толщина 2 мм.

Из этих данных получим:

f₁=20 мм, f₂=20*2,5/2=25 мм, f₃=20 мм, f₄=20*2,5/2,5=20 мм.

Общая длина оптической системы будет равна.

l_ОБЩ=f₁+f₂+f₃+f₄+2d=20+25+20+20+10=95 мм (6.2).

Энергетический расчет.

Цель энергетического расчета: определение величины потока достигающего фотопреобразователя, исходя из мощности источника излучения, потерь в оптической системе и влияния функции преобразования.

В общем случае величина потока достигшего светочувствительной поверхности фотоприемника определяется следующим соотношением Ф_ФП=Ф_И12 345, (6.3).

где Ф_И =6 мВтпоток, излучаемый светодиодом (справочная величина),.

• 1 — коэффициент полезного действия, определяется диаграммой направленности и пространственным согласованием источника излучения,
• 2 — коэффициент, связанный с потерями из-за несогласования спектральных характеристик источника излучения и приемника излучения,
• 3 — потери на оптических элементах, появляющихся в связи с Френелевскими потерями, ₃=0,95 на каждый переход из одной оптической среды в другую,
• 4 — потери в среде, где распространяется излучение, в воздухе ₄ = 1,
• 5 — потери, связанные с использованием светочувствительной поверхности фотопреобразователя.

Источником излучения является, светодиод инфракрасного излучения АЛ 107 А. ₁ — коэффициент использования потока излучения по диаграмме направленности, определяется геометрическим способом (рисунок 6.2).

Так как апертура оптической системы равна 26,56^о, получаем что ₁ =0,93.

₂ — коэффициент, связанный с потерями из-за несогласования спектральных характеристик источника излучения и приемника излучения, т. е. светодиода АЛ 107 А и фотодиода ФД 256. Для определения ₂ воспользуемся методом геометрического интегрирования (рисунок 6.3).

Рисунок 6.2 — Диаграмма направленности источника излучения.

Рисунок 6.3 — Спектральные характеристики АЛ 107 А и ФД 256.

В результате получили ₂=0,075.

Так как ₃=0,95 на каждый переход из одной оптической среды в другую, получим суммарный коэффициент ₃=0,95⁸=0,66.

₄ — потери в среде, где распространяется излучение. Так как излучение распространяется в воздухе, то общий коэффициент потерь будет равен ₄=1.

В нашем случае.

₅=r_ИЗ / r_ПР=2/2,5=0,8, (6.4).

где r_ИЗ — радиус светоизлучающей части диода, r_ПР — радиус чувствительной части фотоприемника.

Теперь найдем величину светового потока достигшего светочувствительной поверхности фотоприемника Ф_ФП=Ф_И12 345=6*0,93*0,075*0,66*1*0,8=0,2 мВт.

Ток фотоприемника находится исходя из найденного значения Ф_ФП и чувствительности выбранного фотопреобразователя.

I=Ф_ФП S_ФП, (6.4).

где S_ФП = r²=12,56 мм² (r — радиус части фотодиода, принимающей свет).

I=0,2*12,56=2,512 мA.

Далее производится расчет согласующего усилителя (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 — Схема входного усилителя с диодом.

UВЫХ=IФП*RO.C. (6.5).

Выберем сопротивление R_O.C.=1900 Ом. В результате получим значение выходного напряжения U_ВЫХ=4,8 В.