ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-S320-DB-L - حزمة EIA - ذروة الحساسية عند 940 نانومتر - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

الترانزستور الضوئي LTR-S320-DB-L هو ترانزستور ضوئي من نوع NPN عالي الأداء مصنوع من السيليكون ومصمم لتطبيقات الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء. تم تحسين هذا المكون لاكتشاف الضوء في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، مع ذروة حساسية محددة عند 940 نانومتر، مما يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من أنظمة التحكم عن بُعد، وكشف الأشياء، ومهام الأتمتة الصناعية. وظيفته الأساسية هي تحويل ضوء الأشعة تحت الحمراء الساقط إلى تيار كهربائي مقابل.

يتم تغليف الجهاز في حزمة قياسية متوافقة مع معيار EIA مع عدسة راتنجية سوداء مانعة لضوء النهار. تقوم هذه العدسة بتصفية ضوء المحيط المرئي بشكل فعال، مما يقلل بشكل كبير من الضوضاء والتفعيل الخاطئ، وبالتالي يعزز نسبة الإشارة إلى الضوضاء في وجود إضاءة الخلفية. تم تصميم الحزمة لتكون متوافقة مع عمليات التجميع الآلي عالية الحجم، بما في ذلك التغذية بالشريط والبكرة ولحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء، بما يتماشى مع متطلبات التصنيع الحديثة.

بصفته "منتجًا أخضر" متوافقًا مع RoSP وخاليًا من الرصاص (Pb-free)، فإنه يلبي المعايير البيئية المعاصرة. يجمع بين استجابته الطيفية، وتصميم الحزمة، وتوافق التصنيع، مما يجعله حلاً موثوقًا ومتعدد الاستخدامات لدوائر الكشف بالأشعة تحت الحمراء الحساسة للتكلفة والقائمة على الأداء.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

يتم تحديد جميع الخصائص الكهربائية والبصرية عند درجة حرارة المحيط (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية، مما يوفر خط أساس معياري لتقييم الأداء.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت أو عند هذه الحدود ويجب تجنبه في تصميم الدائرة.

• تبديد الطاقة (P_D):150 ميلي واط. هذه هي أقصى قدرة مسموح بها يمكن للجهاز تبديدها كحرارة. يتجاوز هذا الحد خطر الانحراف الحراري والفشل.
• جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه بين طرفي المجمع والباعث عندما تكون القاعدة مفتوحة (الترانزستور الضوئي في حالة الظلام).
• نطاق درجة حرارة التشغيل:-40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية. نطاق درجة حرارة المحيط الذي صُمم الجهاز للعمل فيه بشكل صحيح.
• نطاق درجة حرارة التخزين:-55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي دون تدهور.
• ظروف اللحام بالأشعة تحت الحمراء:درجة حرارة ذروة 260 درجة مئوية كحد أقصى لمدة 10 ثوانٍ. هذا يحدد حد ملف التعريف الحراري لعمليات لحام إعادة التدفق الخالية من الرصاص.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

تحدد هذه المعلمات أداء الجهاز تحت ظروف اختبار محددة.

• جهد الانهيار العكسي (V_(BR)R):الحد الأدنى 33 فولت، النموذجي 170 فولت عند I_R=100 ميكرو أمبير. تشير هذه القيمة العالية إلى وصلة قوية قادرة على تحمل انحياز عكسي كبير، وهو مفيد للدوائر ذات الأحمال الحثية أو طفرات الجهد.
• التيار المظلم العكسي (I_D):الحد الأقصى 10 نانو أمبير عند V_R=10 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما لا يسقط ضوء. يعد التيار المظلم المنخفض أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق حساسية عالية وتشغيل منخفض الضوضاء، خاصة في سيناريوهات الكشف في الإضاءة المنخفضة.
• جهد الدائرة المفتوحة (V_OC):النموذجي 390 ميلي فولت عند الإضاءة بضوء 940 نانومتر عند إشعاع (E_e) بقدرة 0.5 ميلي واط/سم². هذه المعلمة ذات صلة عندما يتم استخدام الجهاز في الوضع الكهروضوئي (بدون انحياز خارجي).
• تيار الدائرة القصيرة (I_SC):النموذجي 1.8 ميكرو أمبير تحت نفس ظروف الاختبار مثل V_OC(V_R=5 فولت، λ=940 نانومتر، E_e=0.5 ميلي واط/سم²). يمثل هذا التيار الضوئي الناتج عندما يكون الناتج في حالة قصر.
• زمن الصعود (T_r) وزمن الهبوط (T_f):الحد الأقصى 30 نانو ثانية لكل منهما (V_R=10 فولت، R_L=1 كيلو أوم). تعد مواصفات سرعة التبديل هذه حاسمة للتطبيقات التي تتطلب كشف نبضات سريعة أو تعديل عالي التردد، كما هو الحال في روابط اتصالات البيانات.
• السعة الكلية (C_T):الحد الأقصى 1 بيكو فاراد عند V_R=5 فولت، f=1 ميجا هرتز. تعد السعة المنخفضة للوصلة ضرورية للحفاظ على أوقات استجابة سريعة، لأنها تحد من ثابت الوقت RC للدائرة.
• عرض النطاق الطيفي (λ_0.5):750 نانومتر إلى 1100 نانومتر. هذا يحدد نطاق الأطوال الموجية حيث تكون استجابة الجهاز على الأقل نصف قيمتها القصوى. يغطي منطقة الأشعة تحت الحمراء الشائعة المستخدمة من قبل العديد من البواعث بالأشعة تحت الحمراء (مثل صمامات LED عند 850 نانومتر و 940 نانومتر).
• طول موجة ذروة الحساسية (λ_P):940 نانومتر. تمت مطابقة الجهاز طيفيًا مع صمامات LED بالأشعة تحت الحمراء التي تشع عند 940 نانومتر، مما يضمن أقصى كفاءة وقوة إشارة في مثل هذه الاقترانات.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص النموذجية التي توفر رؤية بصرية لسلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة. بينما لا يتم إعادة إنتاج الرسوم البيانية المحددة في النص، يتم تحليل آثارها النموذجية أدناه.

3.1 خصائص التيار-الجهد (IV)

عائلة من المنحنيات ترسم تيار المجمع (I_C) مقابل جهد المجمع-الباعث (V_CE) لمستويات مختلفة من الإشعاع الساقط (E_e). ستظهر هذه المنحنيات عادةً أنه بالنسبة لإشعاع ثابت، يزداد I_Cمع V_CEحتى يصل إلى منطقة التشبع. تؤدي مستويات الإشعاع الأعلى إلى تحويل المنحنيات لأعلى، مما يشير إلى تيار ضوئي أكبر. يرتبط الميل في المنطقة النشطة بتوصيلية خرج الجهاز.

3.2 الحساسية النسبية مقابل الطول الموجي

يمثل هذا المنحنى الاستجابة الطيفية بيانيًا، حيث يبلغ ذروته عند 940 نانومتر ويتناقص نحو 750 نانومتر و 1100 نانومتر (نقاط λ_0.5). إنه ضروري لاختيار باعث مناسب للأشعة تحت الحمراء ليقترن بالكاشف ولتقييم تأثير مصادر الضوء المحيط ذات الأطياف المختلفة.

3.3 الاعتماد على درجة الحرارة

من المحتمل أن تظهر المنحنيات تباين المعلمات الرئيسية مثل التيار المظلم (I_D) والتيار الضوئي مع درجة حرارة المحيط. عادةً ما يزداد التيار المظلم بشكل أسي مع درجة الحرارة (يتضاعف تقريبًا كل 10 درجات مئوية)، مما يمكن أن يكون مصدرًا كبيرًا للضوضاء في التطبيقات عالية الحرارة. قد يكون للتيار الضوئي أيضًا معامل درجة حرارة سلبي طفيف.

4. معلومات الميكانيكية والتغليف

4.1 أبعاد الحزمة

يتوافق الجهاز مع مخطط حزمة EIA القياسي. يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات مع تسامح قياسي يبلغ ±0.10 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. تتميز الحزمة بعدسة راتنجية سوداء مانعة لضوء النهار مصبوبة فوق شريحة السيليكون.

4.2 تحديد القطبية وتوصيل الأطراف

الترانزستور الضوئي هو جهاز ذو طرفين. توصيل الأطراف قياسي لمثل هذه الحزم: عادةً ما يكون المجمع متصلًا بالغلاف أو الطرف الأطول (إن وجد)، بينما الباعث هو الطرف الآخر. يوفر مخطط ورقة البيانات التعريف النهائي. القطبية الصحيحة ضرورية لتشغيل الدائرة بشكل صحيح.

4.3 تخطيط لوحة اللحام المقترح

يتم توفير نمط أرضي موصى به (البصمة) لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة لضمان تكوين وصلة لحام موثوقة أثناء إعادة التدفق. الالتزام بهذه الأبعاد يساعد في منع ظاهرة "شاهد القبر"، أو سوء المحاذاة، أو عدم كفاية حشوات اللحام.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 ملف تعريف لحام إعادة التدفق

يتم توفير اقتراح مفصل لملف تعريف إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء المناسب لعمليات اللحام الخالية من الرصاص (Pb-free). تشمل المعلمات الرئيسية:

• التسخين المسبق:150 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية.
• زمن التسخين المسبق:الحد الأقصى 120 ثانية.
• درجة حرارة الذروة:الحد الأقصى 260 درجة مئوية.
• الوقت فوق نقطة الانصهار (عند الذروة):الحد الأقصى 10 ثوانٍ.
• الحد الأقصى لعدد دورات إعادة التدفق: Two.

يستند ملف التعريف إلى معايير JEDEC لضمان سلامة الحزمة. يجب على المهندسين توصيف ملف التعريف لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة المحددة، والمكونات، ومعجون اللحام.

5.2 اللحام اليدوي

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فلا يجب أن تتجاوز درجة حرارة طرف المكواة 300 درجة مئوية، ويجب أن يقتصر وقت اللحام لكل طرف على 3 ثوانٍ كحد أقصى. يوصى بدورة لحام يدوية واحدة فقط لتجنب الإجهاد الحراري.

5.3 التنظيف

يجب استخدام مواد التنظيف المحددة فقط. يوصى باستخدام كحول الأيزوبروبيل (IPA) أو الكحول الإيثيلي. يجب غمر الجهاز في درجة حرارة عادية لأقل من دقيقة واحدة. قد تتسبب السوائل الكيميائية غير المحددة في إتلاف راتنج الحزمة.

5.4 ظروف التخزين

الحزمة المغلقة (كيس حاجز الرطوبة):قم بالتخزين عند ≤30 درجة مئوية و ≤90% رطوبة نسبية. تم تصنيف المكونات للاستخدام خلال عام واحد من تاريخ ختم الكيس.

الحزمة المفتوحة:قم بالتخزين عند ≤30 درجة مئوية و ≤60% رطوبة نسبية. يجب إعادة تدفق المكونات خلال أسبوع واحد (168 ساعة). للتخزين لفترات أطول خارج الكيس الأصلي، يجب تخزينها في حاوية مغلقة مع مجفف أو في مجفف نيتروجين. يجب تحميص المكونات المخزنة لأكثر من أسبوع عند حوالي 60 درجة مئوية لمدة 20 ساعة على الأقل قبل اللحام لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة "الفشار" أثناء إعادة التدفق.

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد الجهاز في شريط حامل بعرض 8 مم على بكرات قطرها 7 بوصات (178 مم)، متوافق مع معدات التنسيب الآلي القياسية.

• القطع لكل بكرة: 3000.
• شريط الغطاء:يتم إغلاق الجيوب الفارغة للمكونات بشريط غطاء علوي.
• المكونات المفقودة:يُسمح بحد أقصى مكونين مفقودين متتاليين ("مصابيح مفقودة") لكل مواصفات بكرة.
• المعيار:يتبع التغليف مواصفات ANSI/EIA 481-1-A-1994.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• مستقبلات التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء:للتلفزيونات، وأنظمة الصوت، وأجهزة الاستقبال (مقترنة بصمام LED بالأشعة تحت الحمراء بطول 940 نانومتر).
• كشف الأشياء/القرب:في الطابعات، وآلات النسخ، وآلات البيع، والأتمتة الصناعية لاستشعار الورق، أو الأشياء، أو الموضع.
• كاشفات الدخان:في التصميمات القائمة على الغرف البصرية.
• المشفرات:لاستشعار السرعة أو الموضع في التحكم بالمحركات.
• العزل البصري الأساسي:في دوائر العزل منخفضة السرعة والحساسة للتكلفة.

7.2 اعتبارات تصميم الدائرة

طريقة القيادة:الترانزستور الضوئي هو جهاز خرج تيار. لأداء متسق، خاصة عند استخدام أجهزة متعددة على التوازي، يوصى بشدة باستخدام مقاومة محددة للتيار على التوالي مع كل ترانزستور ضوئي (نموذج الدائرة A في ورقة البيانات).

نموذج الدائرة A (موصى به):يحتوي كل ترانزستور ضوئي على مقاومته المتسلسلة الخاصة المتصلة بجهد الإمداد. يضمن هذا عمل كل جهاز عند نقطة تيار محددة، مما يعوض عن الاختلافات الطفيفة في خصائص التيار-الجهد (I-V) الخاصة بهم ويمنع استحواذ جهاز واحد على التيار.

نموذج الدائرة B (غير موصى به للاستخدام على التوازي):ترانزستورات ضوئية متعددة متصلة مباشرة على التوازي بمقاومة مشتركة واحدة. بسبب الاختلافات الطبيعية في منحنى I-V للمكونات الفردية، قد يسحب جهاز واحد تيارًا أكثر من الآخرين، مما يؤدي إلى سطوع أو حساسية غير متساوية في تطبيقات الكشف.

الانحياز:يستخدم الجهاز عادةً في تكوين باعث مشترك مع مقاومة سحب عند المجمع. تؤثر قيمة مقاومة الحمل هذه (R_L) على كل من تأرجح جهد الخرج وسرعة الاستجابة (عبر ثابت الوقت RC المتكون مع سعة الجهاز). مقاومة R_Lأصغر تعطي استجابة أسرع ولكن تغيرًا أصغر في جهد الخرج.

مناعة الضوضاء:توفر العدسة السوداء المانعة لضوء النهار رفضًا ممتازًا للضوء المرئي. ومع ذلك، بالنسبة للبيئات عالية الضوضاء (مثل الإضاءة الفلورية أو ضوء الشمس)، قد يكون من الضروري وجود ترشيح كهربائي إضافي (مثل مكثف على التوازي مع مقاومة الحمل أو خوارزمية إزالة الارتداد بالأجهزة/البرامج) لرفض التداخل المعدل.

8. المقارنة والتمييز التقني

مقارنة بالصمام الثنائي الضوئي البسيط، يوفر الترانزستور الضوئي كسب تيار داخلي (بيتا الترانزستور، β)، مما يؤدي إلى تيار خرج أعلى بكثير لنفس مستوى الضوء الساقط. هذا يسهل الواجهة مباشرة مع دوائر المنطق أو المتحكمات الدقيقة دون الحاجة إلى مرحلة تضخيم لاحقة، مما يبسط التصميم ويقلل عدد المكونات.

ومع ذلك، يأتي هذا الكسب على حساب أوقات استجابة أبطأ (عادةً عشرات إلى مئات النانوثانية للترانزستورات الضوئية مقابل نانوثانية للصمامات الثنائية الضوئية) وسعة أعلى محتملة. للتطبيقات عالية السرعة جدًا (مثل التعديل >1 ميجا هرتز)، قد يكون الصمام الثنائي الضوئي مع مضخم تحويل التيار إلى جهد خارجي خيارًا أفضل.

المميزات الرئيسية لـ LTR-S320-DB-L ضمن فئة الترانزستورات الضوئية هي حزمته القياسية EIA لسهولة التصنيع، والمطابقة الطيفية المحددة عند 940 نانومتر، وعدسة التصفية المانعة لضوء النهار المدمجة، وتأهيله لعمليات إعادة التدفق الخالية من الرصاص.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

9.1 ما هو الغرض من العدسة "المانعة لضوء النهار"؟

تمت معالجة العدسة الراتنجية السوداء لتكون معتمة للضوء المرئي ولكن شفافة للأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء حول 940 نانومتر. هذا يقلل بشكل كبير من التيار الضوئي الناتج عن ضوء الغرفة المحيط، أو ضوء الشمس، أو مصادر مرئية أخرى، مما يقلل من التفاعلات الخاطئة ويحسن موثوقية كشف إشارة الأشعة تحت الحمراء.

9.2 هل يمكنني استخدام هذا مع صمام ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء بطول 850 نانومتر؟

نعم، ولكن بكفاءة مخفضة. يظهر منحنى الاستجابة الطيفية للجهاز حساسية كبيرة عند 850 نانومتر (ضمن عرض النطاق 750-1100 نانومتر)، لكنها ليست عند الذروة (940 نانومتر). ستكون إشارة الخرج أضعف مقارنة باستخدام باعث مطابق عند 940 نانومتر. للحصول على أداء مثالي وأقصى مدى، يوصى بالاقتران مع مصدر 940 نانومتر.

9.3 كيف أحسب قيمة المقاوم المتسلسل المناسبة؟

تعتمد قيمة المقاوم على تيار التشغيل المطلوب وجهد الإمداد (V_CC). تحت إشعاع محدد، سيتصرف الترانزستور الضوئي مثل مصدر تيار. باستخدام قانون أوم: R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C. V_CE(sat)هو جهد التشبع (عادة بضع مئات من الميلي فولت عند تيارات معتدلة). I_Cهو تيار المجمع المطلوب، والذي يمكن تقديره من معلمة I_SCومستوى الضوء المتوقع. ابدأ بـ I_SCالنموذجي (1.8 ميكرو أمبير عند 0.5 ميلي واط/سم²) وقم بتوسيعه بناءً على إشعاع تطبيقك. اختر R لتعيين نقطة التشغيل في المنطقة المطلوبة من منحنى IV.

9.4 لماذا يلزم التحميص إذا تم تخزين القطع خارج الكيس؟

يمكن للحزم البلاستيكية امتصاص الرطوبة من الغلاف الجوي. أثناء عملية لحام إعادة التدفق عالية الحرارة، يمكن أن تتبخر هذه الرطوبة المحبوسة بسرعة، مما يخلق ضغطًا داخليًا مرتفعًا. يمكن أن يتسبب هذا في انفصال الحزمة عن القطعة ("ظاهرة الفشار") أو تشققات داخلية، مما يؤدي إلى فشل فوري أو كامن. يطرد التحميص هذه الرطوبة الممتصة، مما يجعل المكونات آمنة لإعادة التدفق.

10. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو في الأساس ترانزستور وصلة ثنائي القطب (BJT) حيث يتم توليد تيار القاعدة بواسطة الضوء بدلاً من اتصال كهربائي. تخلق الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق في السيليكون أزواج إلكترون-فجوة في منطقة وصلة القاعدة-المجمع. يتم جرف هذه الحاملات بواسطة المجال الكهربائي الداخلي، مما يولد تيارًا ضوئيًا يعمل كتيار القاعدة (I_B). ثم يتم تضخيم تيار القاعدة الضوئي هذا بواسطة كسب تيار الترانزستور (h_FEأو β)، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير (I_C= β * I_B). يؤخذ الناتج من طرف المجمع، مع تأريض الباعث. عدم وجود طرف قاعدة مادي هو ميزة شائعة، على الرغم من أن بعض الترانزستورات الضوئية تتضمن اتصال قاعدة للتحكم في الانحياز أو تحسين السرعة.

11. اتجاهات التطوير

يستمر مجال الكشف الضوئي في التطور. تشمل الاتجاهات ذات الصلة بأجهزة مثل LTR-S320-DB-L:

• التصغير:تطوير ترانزستورات ضوئية في بصمات حزم أصغر (مثل حزم على مستوى الشريحة) لتمكين إلكترونيات أكثر كثافة.
• التكامل المحسن:دمج الكاشف الضوئي مع التضخيم، والترشيح، والمنطق الرقمي على شريحة واحدة لإنشاء "مستشعرات ذكية" بإخراج رقمي (I2C، SPI)، مما يقلل عدد المكونات الخارجية ويبسط تصميم النظام.
• تحسين السرعة:البحث في الهياكل والمواد لتقليل وقت عبور الحاملات والسعة، مما يدفع عرض النطاق الترددي للترانزستورات الضوئية إلى أعلى لتطبيقات اتصالات البيانات.
• خصوصية الطول الموجي:تطوير كاشفات ذات استجابات طيفية أضيق ومضبوطة بدقة أكبر لتحسين الانتقائية في البيئات ذات مصادر متعددة للأشعة تحت الحمراء أو لتمكين طرق استشعار جديدة.
• التركيز على الموثوقية والاختبار:مع اختراق الإلكترونيات الضوئية للتطبيقات السياراتية، والطبية، وسلامة الصناعة، هناك تركيز متزايد على معايير التأهيل الصارمة، والتشغيل في نطاق درجة حرارة موسع، وتحليل نمط الفشل.

بينما تظل الترانزستورات الضوئية المنفصلة حيوية للعديد من التطبيقات بسبب بساطتها وفعاليتها من حيث التكلفة، تشير هذه الاتجاهات نحو حلول أكثر تطورًا ومحددة للتطبيق في المستقبل.