JP5470545B2 - 赤外線センサーの光電変換回路 - Google Patents
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Description
本発明は、投光器と受光器とで構成される赤外線センサーに関するものであり、特に屋外に設置して使用する際に問題となる、太陽光等の外乱光の影響を除去することのできる光電変換回路に関するものである。
従来の侵入者を検出する目的で使用されるこの種の赤外線センサーとしては、投光手段を有する投光器と、受光手段を有する受光器とを警戒区間を隔てて対向して設置する形態のものや、投光手段と受光手段とを有するユニットと反射鏡とを警戒区間を隔てて対向して設置する形態のもの等がある。警戒区間を通過する人間（侵入者）は、投光手段から発せられている赤外線を遮断することになり、受光手段側でこの状態を検出して侵入者検知信号を出力するものである。
投光手段から特定の周波数の赤外線変調光を発し、受光手段でこの赤外線変調光を識別する。受光手段を構成する一般的な光電変換回路は、図１のようにフォトダイオードに逆バイアス電圧をかけ、入射光に応じた電流信号を負荷となる抵抗Ｒにて電圧信号に変換し、後段の増幅器にて増幅する形態である。この回路では、識別しようとする赤外線変調光の周波数成分以外の周波数でも同じ負荷で電圧変換されるので、例えば太陽光のような強い直流光を受けると、その光に応じた電流と抵抗ＲによりＰ点の直流電圧が上がっていき、識別しようとする赤外線変調光の周波数成分の電圧振幅が得られなくなる。また、抵抗Ｒが大きいと、フォトトランジスタＰＤの接合容量Ｃｊとの時定数により周波数応答も悪くなる。抵抗Ｒを小さくすることで上記は回避できるが、電圧振幅が小さくなるので、後段の増幅器の増幅率を上げる必要性が生じる。
投光手段から特定の周波数の赤外線変調光を発し、受光手段でこの赤外線変調光を識別する。受光手段を構成する一般的な光電変換回路は、図１のようにフォトダイオードに逆バイアス電圧をかけ、入射光に応じた電流信号を負荷となる抵抗Ｒにて電圧信号に変換し、後段の増幅器にて増幅する形態である。この回路では、識別しようとする赤外線変調光の周波数成分以外の周波数でも同じ負荷で電圧変換されるので、例えば太陽光のような強い直流光を受けると、その光に応じた電流と抵抗ＲによりＰ点の直流電圧が上がっていき、識別しようとする赤外線変調光の周波数成分の電圧振幅が得られなくなる。また、抵抗Ｒが大きいと、フォトトランジスタＰＤの接合容量Ｃｊとの時定数により周波数応答も悪くなる。抵抗Ｒを小さくすることで上記は回避できるが、電圧振幅が小さくなるので、後段の増幅器の増幅率を上げる必要性が生じる。
そこで図２に示すように、抵抗負荷を、コイルＬとコンデンサＣとで構成するＬＣ並列共振負荷に置き換えて、電流−電圧変換する光電変換回路も考え出されている。識別しようとする赤外線変調光の周波数とＬＣの並列共振周波数を合わせておくと、識別しようとする赤外線変調光の周波数では負荷が大きくなり、電圧信号が大きく得られ、太陽等の直流光や、識別しようとする赤外線変調光の周波数以外の周波数では負荷が小さくなり、電圧信号が小さくなるため、受光手段のＳ／Ｎが向上する。
このほか、太陽光等の強い外乱光のもとで使用する装置では、受光手段のＳ／Ｎを向上させる方法として、電源電圧を抵抗で分圧した回路と、一次コイルと二次コイルを有する結合トランスと、結合トランスの二次コイルに並列接続される同調用コンデンサとを備えた光電変換回路も考え出されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許第２８８３３３９号公報
このほか、太陽光等の強い外乱光のもとで使用する装置では、受光手段のＳ／Ｎを向上させる方法として、電源電圧を抵抗で分圧した回路と、一次コイルと二次コイルを有する結合トランスと、結合トランスの二次コイルに並列接続される同調用コンデンサとを備えた光電変換回路も考え出されている（例えば、特許文献１参照。）。
図２に示す回路を交流的にみた等価回路は、図３のようになる。フォトダイオードＰＤが並列共振回路のパラメータとして含まれる。従って、共振周波数を決定するのは、フォトダイオードＰＤの接合容量ＣｊとコンデンサＣの容量との合計容量と、コイルＬのインダクタンスになる。基本的にフォトダイオードは、入射光に応じた電流源であるため、並列共振負荷への出力インピーダンスは高い。しかし、出力インピーダンスの要素である接合容量Ｃｊは、強い光を受けると増加することがわかっており、太陽光等の強い外乱光がフォトダイオードＰＤに入射すると、出力インピーダンスが低くなると共に、共振周波数が変化してしまうことになる。特に、識別しようとする赤外線変調光の周波数が高く、共振回路の共振Ｑを大きく取る必要がある場合には、コンデンサＣの容量に対して接合容量Ｃｊが無視できない。そのため、識別しようとする赤外線変調光の周波数近辺での負荷が小さくなってしまい、受光信号が減衰して期待のＳ／Ｎが得られないという問題がある。
本発明では、このような課題を解決するため、フォトダイオードにかかる電圧を光の入射強度に関係なく一定となるようにし、フォトダイオードに入射する赤外線変調光の強度に応じた電流源となる回路を構成し、この回路の負荷として、ＬＣ並列共振負荷を接続した光電変換回路を採用したものである。
本発明の構成によれば、フォトダイオードにかかる電圧を光の入射強度に関係なく一定となるようにし、フォトダイオードに入射する赤外線変調光の強度に応じた電流源となる回路を構成したので、並列共振負荷への出力インピーダンスは高い状態を維持することができるようになる。フォトダイオードの接合容量Ｃｊは、強い光を受けると増加するが、フォトダイオードＰＤが並列共振回路のパラメータに影響しなくなるので、太陽光等の強い外乱光がフォトダイオードＰＤに入射しても、共振周波数が変化しなくなる。そのため、識別しようとする赤外線変調光の周波数近辺での負荷が小さくならず、識別しようとする赤外線変調光の周波数の信号は減衰しないので期待のＳ／Ｎが得られるようになる。
図４は、本発明の赤外線センサーの光電変換回路の実施例を示す回路図である。ＰＮＰ型のトランジスタＱ１とトランジスタＱ２で負帰還回路を構成している。トランジスタＱ２のエミッタ抵抗Ｒ１と並列にフォトダイオードＰＤを接続する。フォトダイオードのアノードはトランジスタＱ１のベースとトランジスタＱ２のエミッタに接続する。トランジスタＱ１のコレクタは、トランジスタＱ２のベースに接続し、さらに抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３を介して電源のプラス側、グランド側に接続する。トランジスタＱ１エミッタは、電源のプラス側に接続する。トランジスタＱ２のコレクタを、コイルＬとコンデンサＣとで構成されるＬＣ並列共振負荷に接続する。
図５は、本発明の赤外線センサーの光電変換回路の他の実施例を示す回路図である。ＮＰＮ型のトランジスタＱ１とトランジスタＱ２で負帰還回路を構成している。トランジスタＱ２のエミッタ抵抗Ｒ１と並列にフォトダイオードＰＤを接続する。フォトダイオードのカソードはトランジスタＱ１のベースとトランジスタＱ２のエミッタに接続する。トランジスタＱ１のコレクタは、トランジスタＱ２のベースに接続し、さらに抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ２を介して電源のプラス側、グランド側に接続する。トランジスタＱ１エミッタは、電源のマイナス側に接続する。トランジスタＱ２のコレクタを、コイルＬとコンデンサＣとで構成されるＬＣ並列共振負荷に接続する。
尚、上記２つの実施例において、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２はなくても動作し、本発明の効果は得られる。
尚、上記２つの実施例において、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２はなくても動作し、本発明の効果は得られる。
つぎに、回路の動作を説明する。フォトダイオードＰＤの両端にかかる電圧は、フォトダイオードＰＤに入射する光の強さによらず、トランジスタＱ１による電流帰還により、トランジスタＱ１のベース、エミッタ間電圧ＶＢＥとなり、一定となる。つまり、ＶＢＥという定電圧源がフォトダイオードＰＤに接続されることになるので、フォトダイオードＰＤから見た負荷は、非常に小さくなる。従って、強い外乱光により接合容量Ｃｊが増加しても、負荷が小さいため周波数応答が劣化しない。また、フォトダイオードＰＤに入射した光に応じた電流は、Ｑ２を介してＬＣ負荷へ流れるため、この回路は、フォトダイオードＰＤへの入射光に応じた電流源となり、その出力インピーダンスは非常に高くなる。よって、フォトダイオードＰＤの接合容量Ｃｊが影響しなくなる。また、出力インピーダンスが非常に高いので、共振Ｑが下がらず、周波数もずれないので、目的の信号のみを受光することができる。
図６は、カレントミラー回路を採用した本発明の赤外線センサーの光電変換回路の実施例を示した回路図である。フォトダイオードＰＤに入射する光に応じた電流源を構成しており、ＬＣ並列共振負荷からみれば、電流源の出力インピーダンスが非常に高いため、図４、図５に示した回路と同様に、直流光の有無を問わず赤外線変調光の周波数成分のみを受光することができる。
尚、この実施例において、抵抗Ｒ１はなくても動作し、本発明の効果は得られる。
尚、この実施例において、抵抗Ｒ１はなくても動作し、本発明の効果は得られる。
本発明により、少ない部品で構成する光電変換回路でありながら、屋外に設置して使用する赤外線センサーにて問題となっていた太陽光等の外乱光の影響を除去することができた。
ＰＤ・・・フォトダイオード
Ｌ ・・・コイル
Ｃ ・・・コンデンサ
Ｒ１・・・抵抗
Ｒ２・・・抵抗
Ｒ３・・・抵抗
Ｑ１・・・トランジスタ
Ｑ２・・・トランジスタ
Ｑ３・・・トランジスタ
Ｑ４・・・トランジスタ
Ｌ ・・・コイル
Ｃ ・・・コンデンサ
Ｒ１・・・抵抗
Ｒ２・・・抵抗
Ｒ３・・・抵抗
Ｑ１・・・トランジスタ
Ｑ２・・・トランジスタ
Ｑ３・・・トランジスタ
Ｑ４・・・トランジスタ
Claims (2)
- 赤外線変調光を発する投光手段と、前記赤外線変調光を受ける受光手段を有する赤外線センサーの受光手段を構成する光電変換回路であって、前記光電変換回路は、フォトダイオードにかかる電圧を光の入射強度に関係なく一定となるようにし、フォトダイオードに入射する赤外線変調光の強度に応じた電流源となる回路と、投光手段から発せられる赤外線変調光の周波数と同じ周波数の共振周波数を有するＬＣ並列共振負荷とで構成し、前記フォトダイオードにかかる電圧を光の入射強度に関係なく一定となるようにし、フォトダイオードに入射する赤外線変調光の強度に応じた電流源となる回路は、トランジスタＱ１とトランジスタＱ２で負帰還回路を構成し、トランジスタＱ２のエミッタ抵抗Ｒ１と並列に、もしくはトランジスタＱ２のエミッタ抵抗Ｒ１の代わりにフォトダイオードＰＤを接続したものであることを特徴とする赤外線センサーの光電変換回路。
- 赤外線変調光を発する投光手段と、前記赤外線変調光を受ける受光手段を有する赤外線センサーの受光手段を構成する光電変換回路であって、前記光電変換回路は、フォトダイオードにかかる電圧を光の入射強度に関係なく一定となるようにし、フォトダイオードに入射する赤外線変調光の強度に応じた電流源となる回路と、投光手段から発せられる赤外線変調光の周波数と同じ周波数の共振周波数を有するＬＣ並列共振負荷とで構成し、前記フォトダイオードにかかる電圧を光の入射強度に関係なく一定となるようにし、フォトダイオードに入射する赤外線変調光の強度に応じた電流源となる回路は、カレントミラー回路で構成したものであることを特徴とする赤外線センサーの光電変換回路。
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| JP2008324870A JP5470545B2 (ja) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | 赤外線センサーの光電変換回路 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2008324870A JP5470545B2 (ja) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | 赤外線センサーの光電変換回路 |
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