ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-5576D - غلاف 3.0x2.8x1.9 مم - جهد المجمع-الباعث 30 فولت - قدرة 100 مللي واط - مرشح أخضر داكن - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

الترانزستور الضوئي LTR-5576D هو ترانزستور من نوع NPN مصنوع من السيليكون ومصمم لتطبيقات كشف الأشعة تحت الحمراء. وظيفته الأساسية هي تحويل ضوء الأشعة تحت الحمراء الساقط إلى تيار كهربائي عند طرف المجمع. الميزة الرئيسية المميزة لهذا المكون هي غلافه البلاستيكي الأخضر الداكن الخاص. تم اختيار مادة التغليف هذه خصيصًا لتوهين أو حجب أطوال موجات الضوء المرئي، مما يعزز حساسية الجهاز وقدرته على انتقاء الإشعاع تحت الأحمر. وهذا يجعله مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات التي يكون فيها التمييز بين الضوء المرئي المحيط والإشارة تحت الحمراء المقصودة أمرًا بالغ الأهمية.

تشمل المزايا الأساسية للترانزستور الضوئي LTR-5576D نطاق تشغيل واسع لتيار المجمع، مما يوفر مرونة في التصميم. كما يوفر حساسية عالية للضوء تحت الأحمر، مما يضمن الكشف الموثوق به حتى عند مستويات إشعاع منخفضة. علاوة على ذلك، يتميز بأوقات تبديل سريعة، تتميز بأوقات صعود وهبوط في نطاق الميكروثانية، مما يتيح استخدامه في التطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة، مثل وصلات اتصالات البيانات، وكشف الأجسام، واستشعار السرعة.

2. تحليل مفصل للمعاملات التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم الحدود التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للجهاز. يتم تحديدها عند درجة حرارة محيطة (T_A) تساوي 25 درجة مئوية.

• تبديد الطاقة (P_D):100 مللي واط. هذه هي أقصى قدرة يمكن للجهاز تبديدها كحرارة. يتجاوز هذا الحد يخاطر بالهروب الحراري والفشل.
• جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه بين المجمع والباعث مع ترك القاعدة مفتوحة (عائمة).
• جهد الباعث-المجمع (V_ECO):5 فولت. أقصى جهد عكسي يمكن تطبيقه بين الباعث والمجمع.
• نطاق درجة حرارة التشغيل:من -40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي يضمن فيه عمل الجهاز وفقًا لمواصفاته الكهربائية.
• نطاق درجة حرارة التخزين:من -55°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي دون تدهور.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم الغلاف. هذا يحدد قيود ملف تعريف اللحام بإعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

تحدد هذه المعاملات أداء الجهاز تحت ظروف اختبار محددة عند T_A=25°C.

• جهد انهيار المجمع-الباعث، V_(BR)CEO:30 فولت (الحد الأدنى). مقاس عند I_C= 1 مللي أمبير مع إشعاع صفري (E_e= 0 مللي واط/سم²).
• جهد انهيار الباعث-المجمع، V_(BR)ECO:5 فولت (الحد الأدنى). مقاس عند I_E= 100 ميكرو أمبير مع إشعاع صفري.
• جهد تشبع المجمع-الباعث، V_CE(SAT):0.4 فولت (الحد الأقصى). انخفاض الجهد عبر الجهاز عندما يكون في حالة "تشغيل" كاملة (موصل)، تم اختباره عند I_C= 50 ميكرو أمبير و E_e= 0.5 مللي واط/سم². من المرغوب فيه أن يكون V_CE(SAT)منخفضًا للتبديل الفعال.
• أوقات التبديل:
  • وقت الصعود (T_r):15 ميكروثانية (نموذجي). الوقت الذي يستغرقه تيار الخرج للارتفاع من 10% إلى 90% من قيمته النهائية.
  • وقت الهبوط (T_f):18 ميكروثانية (نموذجي). الوقت الذي يستغرقه تيار الخرج للهبوط من 90% إلى 10% من قيمته الأولية. تم الاختبار عند V_CC=5 فولت، I_C=1 مللي أمبير، R_L=1 كيلو أوم.
• تيار المجمع في الظلام (I_CEO):100 نانو أمبير (الحد الأقصى). تيار التسرب المتدفق عبر المجمع عندما لا يوجد ضوء ساقط (E_e= 0 مللي واط/سم²) و V_CE= 10 فولت. يعد تيار الظلام المنخفض أمرًا بالغ الأهمية للحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة في الكشف عند الإضاءة المنخفضة.
• نسبة تيار المجمع في حالة التشغيل (R):يُعرّف على أنه I_L1/I_L2، بقيمة نموذجية 1.0 وحدود دنيا/قصوى 0.8/1.25. تتعلق هذه المعلمة باتساق خرج التيار تحت ظروف اختبار محددة.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يستخدم LTR-5576D نظام تصنيف يعتمد على متوسط تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)). يتم قياس هذا التيار تحت ظروف قياسية: V_CE= 5 فولت وإشعاع (E_e) بقيمة 1 مللي واط/سم². يتم فرز الأجهزة إلى مجموعات مختلفة (من A إلى F) وفقًا لنطاق I_C(ON)المقاس. ترتبط كل مجموعة بعلامة لونية محددة لتسهيل التعرف عليها.

يتم تقديم مجموعتين من الحدود: نطاقاتإعداد الإنتاجالأكثر ضيقًا المستخدمة أثناء الفرز التصنيعي، ونطاقاتحدود مراقبة الجودة (Q.C.)الأوسع المستخدمة لاختبار القبول النهائي.

يسمح هذا التصنيف للمصممين باختيار أجهزة ذات حساسية متسقة لمتطلبات دوائرهم المحددة، مما يضمن أداءً يمكن التنبؤ به في الإنتاج بالجملة.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة.

4.1 تيار المجمع في الظلام مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 1)

يظهر هذا المنحنى أن تيار المجمع في الظلام (I_CEO) يزداد بشكل أسي مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. عند 25°C، يكون في نطاق النانو أمبير، ولكنه يمكن أن يزداد بشكل ملحوظ عند الطرف العلوي لنطاق درجة حرارة التشغيل (+85°C). هذه الخاصية حاسمة لتصميم الدوائر التي يجب أن تحافظ على الاستقرار على نطاق واسع من درجات الحرارة، حيث يعمل تيار الظلام المتزايد كمصدر إزاحة أو ضوضاء.

4.2 تخفيض قدرة المجمع مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 2)

يصور هذا الرسم البياني تخفيض أقصى قدرة تبديد مسموح بها مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند 25°C، يمكن للجهاز تبديد كامل 100 مللي واط. مع ارتفاع درجة الحرارة، يجب تقليل هذه القدرة القصوى خطيًا لمنع تجاوز حد درجة حرارة التقاطع. هذا المنحنى ضروري للإدارة الحرارية وضمان التشغيل الموثوق في بيئات درجة الحرارة المرتفعة.

4.3 وقت الصعود والهبوط مقابل مقاومة الحمل (الشكل 3)

يوضح هذا الرسم العلاقة بين سرعة التبديل (T_r, T_f) ومقاومة الحمل (R_L) المتصلة بالمجمع. تقل أوقات التبديل مع انخفاض مقاومة الحمل. هذا لأن R_Lأصغر تسمح بشحن وتفريغ أسرع لسعة تقاطع الترانزستور الضوئي وأي سعات طفيلية في الدائرة. يمكن للمصممين استخدام هذا المنحنى لتحسين R_Lلتحقيق التوازن المطلوب بين سرعة التبديل وسعة إشارة الخرج.

4.4 تيار المجمع النسبي مقابل الإشعاع (الشكل 4)

يظهر هذا المنحنى دالة النقل للترانزستور الضوئي: العلاقة بين الإشعاع تحت الأحمر الساقط (E_e، بوحدة مللي واط/سم²) ونتيجة تيار المجمع (I_C). يكون المنحنى خطيًا عادةً على مدى معين. هذه الخطية مهمة لتطبيقات الاستشعار التناظرية حيث يجب أن يكون تيار الخرج متناسبًا طرديًا مع شدة الضوء. تم أخذ الرسم عند V_CE= 5 فولت.

5. معلومات الميكانيكا والغلاف

5.1 أبعاد الغلاف

يأتي LTR-5576D في غلاف جانبي قياسي بثلاثة أطراف. الأبعاد الرئيسية (بالمليمترات) هي كما يلي، مع تسامح عام ±0.15 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك:

• جسم الغلاف: طوله حوالي 3.0 مم، وارتفاعه 2.8 مم، وعمقه 1.9 مم (باستثناء الأطراف).
• تباعد الأطراف: المسافة بين مراكز الأطراف هي قيمة قياسية، تُقاس حيث تخرج من جسم الغلاف.
• الراتنج البارز: قد يبرز ما يصل إلى 1.5 مم من الراتنج تحت الحافة.

المادة البلاستيكية الخضراء الداكنة للغلاف جزء لا يتجزأ من وظيفتها، حيث تقوم بتصفية الضوء المرئي.

5.2 تحديد القطبية

يحتوي الجهاز على ثلاثة أطراف: الباعث، والمجمع، والقاعدة (غالبًا ما تُترك غير متصلة أو تُستخدم لمقاومة انحياز في بعض التكوينات). تخطيط الأطراف قياسي لهذا النوع من الأغلفة، ولكن يجب على المصممين دائمًا الرجوع إلى رسم الغلاف التفصيلي في ورقة البيانات للتوجيه الصحيح. يمكن أن يؤدي الاتصال غير الصحيح إلى إتلاف الجهاز.

6. إرشادات اللحام والتجميع

يتطلب التعامل مع الترانزستورات الضوئية وتجميعها العناية لتجنب التلف الناتج عن التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) والحرارة المفرطة.

• احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):الجهاز حساس للتفريغ الكهروستاتيكي. يجب اتباع إجراءات التعامل الآمنة من التفريغ الكهروستاتيكي، بما في ذلك استخدام أساور المعصم المؤرضة والأسطح العمل الموصلة.
• اللحام بإعادة التدفق:الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة لحام الأطراف هو 260°C لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم الغلاف. يتوافق هذا مع ملف تعريف قياسي لإعادة التدفق خالي من الرصاص. يجب التحكم في الملف الشخصي بعناية لتجنب الصدمة الحرارية أو تجاوز هذا الحد.
• اللحام بالموجة:إذا تم استخدامه، يجب إجراء اللحام بالموجة مع التسخين المسبق المناسب لتقليل الإجهاد الحراري على الغلاف البلاستيكي.
• التنظيف:استخدم مواد التنظيف المتوافقة مع المادة البلاستيكية الخضراء الداكنة لتجنب تغير اللون أو التدهور.
• التخزين:قم بالتخزين في بيئة جافة ومحمية من التفريغ الكهروستاتيكي ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -55°C إلى +100°C.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كشف الأجسام واستشعار القرب:يُستخدم في أجهزة مثل الحنفيات الآلية، ومجففات الأيدي، وموزعات المناشف الورقية، وأنظمة الأمان للكشف عن وجود أو غياب جسم ما عن طريق عكس حزمة الأشعة تحت الحمراء.
• الأتمتة الصناعية:لعد الأجسام على الحزام الناقل، أو الكشف عن موضع أجزاء الآلات، أو في المشفرات البصرية لردود الفعل الخاصة بالسرعة والموضع.
• الإلكترونيات الاستهلاكية:في مستقبلات التحكم عن بُعد (على الرغم من اقترانها غالبًا بدائرة متكاملة مخصصة)، ومستشعرات الضوء المحيط للتحكم في سطوع الشاشة، ومستشعرات الفتحة في الطابعات أو محركات الأقراص.
• وصلات البيانات الأساسية:لنقل البيانات تحت الحمراء البسيط قصير المدى (على سبيل المثال، أنظمة متوافقة مع IrDA بسرعات أقل).

7.2 اعتبارات التصميم

• دائرة الانحياز:يمكن استخدام الترانزستور الضوئي في تكوينين شائعين: مفتاح بسيط (مع مقاومة سحب لأعلى) أو في وضع خطي للاستشعار التناظري. قيمة مقاومة الحمل (R_L) حرجة وتؤثر على الكسب، وعرض النطاق الترددي (سرعة التبديل)، وتأرجح جهد الخرج.
• رفض الضوء المحيط:يوفر الغلاف الأخضر الداكن رفضًا كبيرًا للضوء المرئي، ولكنه ليس مثاليًا. بالنسبة لبيئات الضوء المحيط العالي، قد تكون هناك حاجة إلى ترشيح بصري إضافي، أو إشارات تحت حمراء معدلة، أو تقنيات كشف متزامنة لتحسين سلامة الإشارة.
• تعويض درجة الحرارة:كما هو موضح في المنحنيات، يزداد تيار الظلام مع درجة الحرارة. للاستشعار التناظري الدقيق، قد تحتاج الدوائر إلى تعويض درجة الحرارة أو استخدام الجهاز في تكوين تفاضلي لإلغاء الإزاحة المعتمدة على درجة الحرارة.
• تصميم العدسة والهيكل:يتم تحديد مجال رؤية المستشعر من خلال غلافه. يمكن استخدام عدسات أو فتحات خارجية لتركيز أو تقييد منطقة الاستشعار حسب الحاجة للتطبيق.

8. المقارنة التقنية والتمييز

المميز الأساسي لـ LTR-5576D هوغلافه البلاستيكي الأخضر الداكن. مقارنة بالأغلفة الشفافة أو عديمة اللون القياسية، فإن هذا يوفر ترشيحًا متأصلًا للضوء المرئي، مما يبسط التصميم البصري في البيئات ذات الضوء المرئي المحيط المتقلب. تجعلأوقات التبديل السريعة(في نطاق 15-18 ميكروثانية) مناسبة للتطبيقات التي تتطلب استجابة أسرع من الترانزستورات الضوئية النموذجية، والتي يمكن أن تكون أوقات تبديلها في عشرات إلى مئات الميكروثانية. يوفرنظام التصنيف الشامل(المجموعات من A إلى F) للمصممين نطاق حساسية مضمون، مما يتيح أداءً أكثر اتساقًا في الإنتاج بالجملة مقارنة بالأجزاء غير المصنفة ذات انتشارات المعلمات الأوسع.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعاملات التقنية)

س: ما هو الغرض من الغلاف الأخضر الداكن؟
ج: يعمل البلاستيك الأخضر الداكن كمرشح بصري مدمج. يقوم بتوهين معظم طيف الضوء المرئي مع السماح لأطوال موجات الأشعة تحت الحمراء بالمرور إلى شريحة السيليكون. هذا يقلل بشكل كبير من استجابة المستشعر للضوء المحيط في الغرفة، أو ضوء الشمس، أو مصادر الضوء المرئي الأخرى، مما يجعله يستجيب بشكل أساسي للإشارة تحت الحمراء المقصودة.

س: كيف أختار مقاومة الحمل المناسبة (R_L)?
ج: يتضمن الاختيار مقايضة. توفر R_Lأكبر تأرجح جهد خرج أعلى لتيار ضوئي معين (كسب أعلى) ولكن يؤدي إلى سرعات تبديل أبطأ (انظر الشكل 3). توفر R_Lأصغر استجابة أسرع ولكن كسب أقل. اختر R_Lبناءً على ما إذا كان أولويتك هي الحساسية (الاستشعار التناظري) أو السرعة (التبديل الرقمي).

س: ماذا يعني التصنيف (من A إلى F) لتصميمي؟
ج: يضمن التصنيف اتساق الحساسية. إذا تم تصميم دائرة لعتبة تيار محددة، فإن استخدام أجهزة من نفس المجموعة يضمن أنها ستشغل جميعها عند نفس مستوى الضوء تقريبًا. قد يؤدي خلط المجموعات إلى جعل بعض الوحدات أكثر أو أقل حساسية من غيرها. اختر مجموعة يكون نطاق I_C(ON)الخاص بها مناسبًا لنقطة تشغيل دائرةك.

س: هل يمكنني استخدام هذا المستشعر تحت أشعة الشمس المباشرة؟
ج: بينما يساعد الغلاف الأخضر الداكن، فإن ضوء الشمس المباشر يحتوي على كمية هائلة من الإشعاع تحت الأحمر يمكن أن تشبع المستشعر. بالنسبة للتطبيقات الخارجية أو ذات الأشعة تحت الحمراء المحيطة العالية، هناك حاجة إلى تدابير إضافية، مثل مرشحات تمرير النطاق البصري المضبوطة على الطول الموجي المحدد لمصدرك تحت الأحمر، أو الحماية المادية، أو استخدام مصدر تحت أحمر معدل مع كشف متزامن.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو: تصميم مستشعر لموزع المناشف الورقية.
الهدف هو اكتشاف يد موضوعة تحت الموزع وتشغيل المحرك. يتم وضع باعث LED للأشعة تحت الحمراء مقابل كاشف LTR-5576D. عادةً، تضرب حزمة الأشعة تحت الحمراء الكاشف، مما يولد تيارًا. عندما تقطع اليد الحزمة، ينخفض التيار.

خطوات التصميم:
1. تكوين الدائرة:استخدم الترانزستور الضوئي في تكوين مفتاح باعث مشترك. قم بتوصيل المجمع بجهد مصدر (مثل 5 فولت) عبر مقاومة حمل R_L. يتم توصيل الباعث بالأرض. يتم أخذ جهد الخرج عند عقدة المجمع.
2. اختيار R_L:نظرًا لأن السرعة ليست حرجة (حركة اليد بطيئة)، أعط الأولوية لتأرجح إشارة جيد. من الشكل 4، عند إشعاع معقول، قد يكون I_Cحوالي ~500 ميكرو أمبير (المجموعة C). اختيار R_L= 10 كيلو أوم يعطي تأرجح جهد بقيمة ΔV = I_C* R_L≈ 5 فولت، وهو ممتاز لدفع مدخل منطقي.
3. اختيار المجموعة:اختر مجموعة (مثل المجموعة C أو D) توفر تيارًا كافيًا مع خرج LED تحت الأحمر المختار عند مسافة الاستشعار المطلوبة. هذا يضمن تشغيلًا موثوقًا به.
4. مناعة ضد الضوء المحيط:يُرفض الغلاف الأخضر الداكن لـ LTR-5576D تلقائيًا معظم التغيرات في إضاءة الغرفة، مما يجعل النظام قويًا دون ترشيح معقد.
5. تجهيز الخرج:يمكن إدخال جهد المجمع (مرتفع عند وجود الحزمة، منخفض عند انقطاعها) مباشرة في مقارن أو دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة للمعالجة.

11. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو في الأساس ترانزستور تقاطع ثنائي القطب (BJT) حيث يتم توليد تيار القاعدة بواسطة الضوء بدلاً من اتصال كهربائي. في LTR-5576D (من نوع NPN)، تولد فوتونات الأشعة تحت الحمراء الساقطة على تقاطع القاعدة-المجمع أزواج إلكترون-فجوة. يتم جرف هذه الحاملات الضوئية بواسطة المجال الكهربائي عبر تقاطع القاعدة-المجمع المتحيز عكسيًا، مما يخلق تيارًا ضوئيًا. يعمل هذا التيار الضوئي كتيار القاعدة (I_B) للترانزستور. بسبب كسب التيار للترانزستور (β أو h_FE)، يكون تيار المجمع (I_C) أكبر بكثير من التيار الضوئي الأصلي (I_C≈ β * I_B). هذا التضخيم الداخلي هو ما يعطي الترانزستور الضوئي حساسيته العالية مقارنة بالثنائي الضوئي البسيط.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر مجال الاستشعار البصري في التطور. تشمل الاتجاهات ذات الصلة بمكونات مثل LTR-5576D:
التكامل:زيادة تكامل كاشف الضوء مع دوائر الواجهة الأمامية التناظرية (مكبرات تحويل التيار إلى جهد، محولات التناظرية إلى الرقمية) والمنطق الرقمي في حلول أو وحدات ذات شريحة واحدة.
خصوصية الطول الموجي:تطوير كواشف ذات منحنيات استجابة طيفية أكثر حدة أو قابلية للضبط لتطبيقات محددة مثل استشعار الغازات أو التحليل البيولوجي.
التصغير:الاستمرار في تقليل حجم الغلاف ليتناسب مع الأجهزة الاستهلاكية والطبية الأصغر حجمًا.
تحسين الأداء:جهود لتقليل تيار الظلام بشكل أكبر، وتعزيز السرعة، وزيادة الحساسية لتطبيقات الطاقة المنخفضة. يظل المبدأ الأساسي للترانزستور الضوئي ساريًا، ولكن تنفيذه وهندسة النظام الداعم تستمر في التقدم.