ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-516AD - غلاف أخضر داكن - جهد عكسي 30 فولت - تبديد طاقة 150 ميلي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

الترانزستور الضوئي LTR-516AD هو ترانزستور ضوئي من نوع NPN عالي الأداء مصمم للكشف عن الإشعاع تحت الأحمر. وظيفته الأساسية هي تحويل الضوء تحت الأحمر الساقط إلى تيار كهربائي. الميزة الرئيسية لهذا المكون هي غلافه البلاستيكي الأخضر الداكن الخاص، المصمم لتصفية معظم طيف الضوء المرئي. وهذا يجعله مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات التي يجب أن يستجيب فيها المستشعر بشكل أساسي للإشارات تحت الحمراء، مما يقلل من التداخل من الضوء المرئي المحيط. يوفر الجهاز مزيجًا من الحساسية الضوئية العالية، وسعة الوصلة المنخفضة، وأوقات التبديل السريعة، مما يجعله خيارًا مثاليًا لمختلف أنظمة الاستشعار والاتصالات تحت الحمراء.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تم تصنيف الجهاز للعمل ضمن حدود بيئية وكهربائية محددة لضمان الموثوقية ومنع التلف. الحد الأقصى لتبديد الطاقة هو 150 ميلي واط عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية. يمكنه تحمل جهد عكسي (V_R) يصل إلى 30 فولت. نطاق درجة حرارة التشغيل هو من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، بينما يمكن تخزينه في درجات حرارة تتراوح من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. بالنسبة للتجميع، يمكن لحام الأطراف عند 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مع وجود نقطة اللحام على بعد 1.6 ملم على الأقل من جسم الغلاف.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد جميع المعايير الكهربائية والبصرية عند T_A= 25 درجة مئوية. جهد الانهيار العكسي (V_(BR)R) هو عادة 30 فولت عند تيار عكسي (I_R) بقيمة 100 ميكرو أمبير. التيار المظلم العكسي (I_D(R))، وهو تيار التسرب عندما لا يسقط ضوء، له قيمة قصوى تبلغ 30 نانو أمبير عند V_R= 10 فولت. تحت إشعاع (E_e) بقيمة 0.5 ميلي واط/سم² من مصدر 940 نانومتر، يولد الترانزستور الضوئي جهد دائرة مفتوحة (V_OC) بقيمة 350 ميلي فولت. يتميز أداؤه الديناميكي بأوقات الصعود والهبوط (T_r, T_f) تبلغ 50 نانو ثانية لكل منهما عند الاختبار بـ V_R=10 فولت، نبضة 940 نانومتر، ومقاوم حمل 1 كيلو أوم. التيار ذو الدائرة القصيرة (I_S)، وهو مقياس رئيسي للحساسية، هو 2 ميكرو أمبير (نموذجي) تحت V_R=5 فولت، λ=940 نانومتر، و E_e=0.1 ميلي واط/سم². السعة الكلية للوصلة (C_T) هي 25 بيكو فاراد كحد أقصى عند V_R=3 فولت و 1 ميغا هرتز. الطول الموجي لذروة الحساسية الطيفية (λ_SMAX) هو 900 نانومتر.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة ضرورية لتصميم الدوائر. يوضح الشكل 1 التيار المظلم (I_D) مقابل الجهد العكسي (V_R)، مما يظهر سلوك تسرب الجهاز في الظلام. يوضح الشكل 2 كيف تنخفض سعة الوصلة (C_T) مع زيادة الجهد العكسي، وهو أمر مهم للتطبيقات عالية التردد. يظهر الشكل 3 تغير التيار الضوئي مع درجة الحرارة المحيطة، مما يشير إلى كيفية انحراف خرج المستشعر مع تغيرات درجة الحرارة. يرسم الشكل 4 بشكل مشابه التيار المظلم مقابل درجة الحرارة. الشكل 5 هو منحنى الحساسية الطيفية النسبية، والذي يؤكد بيانيًا ذروة الاستجابة عند 900 نانومتر وفعالية الغلاف الأخضر الداكن في تخفيف الحساسية في نطاق الضوء المرئي. يظهر الشكل 6 العلاقة الخطية بين التيار الضوئي (I_p) والإشعاع تحت الأحمر (E_e). الشكل 7 هو رسم قطبي يظهر اعتماد الحساسية الزاوي. يوضح الشكل 8 بالتفصيل كيف يتناقص الحد الأقصى المسموح به لتبديد الطاقة الكلية مع زيادة درجة الحرارة المحيطة فوق 25 درجة مئوية.

4. معلومات الميكانيكية والغلاف

يتم إيواء LTR-516AD في غلاف بلاستيكي أخضر داكن خاص. تشمل الملاحظات الأبعادية الرئيسية: جميع الأبعاد بالمليمترات، مع تسامح عام ±0.25 ملم ما لم يُذكر خلاف ذلك. أقصى بروز للراتنج تحت الحافة هو 1.5 ملم. يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم الغلاف. تم تصميم الغلاف للتركيب عبر الثقب. اللون الأخضر الداكن جزء لا يتجزأ من وظيفته، حيث يعمل كمرشح للضوء المرئي لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء للكشف تحت الأحمر.

5. إرشادات اللحام والتجميع

للحصول على لحام موثوق، من الضروري الالتزام بالشروط المحددة. يجب لحام الأطراف عند درجة حرارة 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 5 ثوانٍ. يجب أن تكون نقطة اللحام على بعد 1.6 ملم (0.063 بوصة) على الأقل من جسم الغلاف البلاستيكي لمنع التلف الحراري للشريحة نصف الناقلة والتغليف البلاستيكي. يمكن استخدام تقنيات اللحام بالموجة أو اللحام اليدوي القياسية، بشرط الالتزام الصارم بحدود درجة الحرارة والوقت. يمكن أن يؤدي التعرض المطول لدرجات حرارة أعلى من الحد المحدد إلى تدهور الأداء أو التسبب في فشل دائم.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

الترانزستور الضوئي LTR-516AD مناسب تمامًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات القائمة على الأشعة تحت الحمراء. تشمل هذه الكشف عن الأجسام والاستشعار عن قرب في أنظمة الأتمتة والأمن، ومستشعرات الفتحات في الطابعات وآلات البيع، والمفاتيح التي تعمل بدون لمس، وروابط اتصال البيانات تحت الحمراء (مثل واجهات IRDA القديمة). وقت التبديل السريع الخاص به يجعله قابلاً للتطبيق في الأنظمة التي تتطلب كشف نبضات سريع.

6.2 اعتبارات التصميم

عند التصميم باستخدام هذا الترانزستور الضوئي، يجب مراعاة عدة عوامل. أولاً، يجب اختيار نقطة التشغيل مع الأخذ في الاعتبار الحساسية والسرعة المطلوبتين؛ يؤدي الجهد العكسي الأعلى عمومًا إلى تقليل السعة وتحسين السرعة ولكنه يزيد التيار المظلم. قيمة مقاومة الحمل (R_L) هي خيار تصميم حاسم: مقاومة حمل أكبر (R_L) توفر جهد خرج أعلى ولكنها تبطئ وقت الاستجابة (تزيد ثابت الوقت RC). يقلل الغلاف الأخضر الداكن من التداخل من الضوء المرئي المحيط، ولكن يجب على المصمم أن يأخذ في الاعتبار الخلفية تحت الحمراء في بيئة التطبيق. للتشغيل المستقر عبر درجات الحرارة، يجب أخذ الاختلافات الموضحة في الشكلين 3 و 4 في الاعتبار، ربما من خلال التعويض الحراري في دائرة تكييف الإشارة.

7. المقارنة التقنية والتمييز

الميزة الأساسية المميزة لـ LTR-516AD هي غلافه الأخضر الداكن المخصص لقمع الضوء المرئي، والذي لا يوجد في جميع الترانزستورات الضوئية القياسية. وهذا يمنحه ميزة كبيرة في البيئات ذات الضوء المرئي المتقلب. مزيجه من المعايير - تيار دائرة قصيرة مرتفع نسبيًا (2 ميكرو أمبير نموذجي)، سعة منخفضة (25 بيكو فاراد كحد أقصى)، وأوقات تبديل سريعة (50 نانو ثانية) - يجعله مكونًا متوازنًا مناسبًا لكل من التطبيقات الحساسة وعالية السرعة بشكل معتدل. مقارنة بالثنائيات الضوئية، توفر الترانزستورات الضوئية مثل LTR-516AD كسبًا داخليًا، مما يؤدي إلى تيار خرج أعلى لنفس مدخل الضوء، مما يبسط مراحل المضخم اللاحقة.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هو الغرض من الغلاف الأخضر الداكن؟

ج: يعمل البلاستيك الأخضر الداكن كمرشح ضوئي مدمج. يخفف بشكل كبير الأطوال الموجية في الطيف المرئي مع السماح للضوء تحت الأحمر (خاصة حول 900-940 نانومتر) بالمرور. هذا يقلل من استجابة المستشعر للضوء المحيط في الغرفة، أو ضوء الشمس، أو مصادر الضوء المرئي الأخرى، مما يجعله أكثر موثوقية للكشف عن الإشارات تحت الحمراء المخصصة.

س: كيف أفسر معيار "تيار الدائرة القصيرة (I_S)"؟

ج: يتم قياس I_Sمع دارة المجمع والباعث القصيرة (V_CE= 0 فولت). يمثل التيار الضوئي المُولد لكل وحدة إشعاع تحت ظروف اختبار محددة (940 نانومتر، 0.1 ميلي واط/سم²). في دارتك، سيكون تيار الخرج الفعلي أقل من I_Sعند تطبيق مقاوم حمل أو جهد انحياز، لكن I_Sهو رقم رئيسي لمقارنة الحساسية الأساسية للأجهزة المختلفة.

س: لماذا تعتبر أوقات الصعود والهبوط مهمة؟

ج: تحدد هذه المعايير (T_rو T_f) مدى سرعة استجابة الترانزستور الضوئي للتغيرات في شدة الضوء. قيمة 50 نانو ثانية تعني أن الجهاز يمكنه نظريًا التعامل مع ترددات الإشارة حتى عدة ميغا هرتز، مما يجعله مناسبًا لأنظمة الأشعة تحت الحمراء النبضية، أو نقل البيانات، أو تطبيقات العد عالية السرعة.

س: كيف تؤثر درجة الحرارة على الأداء؟

ج: كما هو موضح في المنحنيات، يزداد كل من التيار المظلم (الضوضاء) والتيار الضوئي (الإشارة) مع درجة الحرارة. يمكن أن يكون زيادة التيار المظلم كبيرة، مما قد يرفع مستوى الضوضاء الأساسي. يجب على المصممين التأكد من أن دائرة تكييف الإشارة يمكنها التعامل مع هذا التباين، خاصة إذا كان الجهاز يعمل على النطاق الكامل من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية.

9. حالة تصميم عملية

فكر في تصميم دائرة بسيطة للكشف عن الأجسام تحت الحمراء. يتم إقران LTR-516AD مع باعث LED تحت الأحمر. يتم توصيل الترانزستور الضوئي في تكوين باعث مشترك: يتم توصيل المجمع بجهد إمداد (مثل 5 فولت) عبر مقاوم حمل R_L، ويتم تأريض الباعث. عندما لا يكون هناك جسم، يصل الضوء تحت الأحمر من LED إلى الترانزستور الضوئي، مما يجعله يوصل ويخفض جهد المجمع (V_OUT). عندما يعترض جسم الشعاع، ينطفئ الترانزستور الضوئي، ويرتفع V_OUT. يجب اختيار قيمة R_Lبناءً على تأرجح جهد الخرج المطلوب والسرعة. لإمداد 5 فولت وتيار دائرة قصيرة نموذجي I_Sبقيمة 2 ميكرو أمبير، فإن مقاومة حمل R_Lبقيمة 10 كيلو أوم ستعطي انخفاض جهد يبلغ حوالي 20 ميلي فولت عند الإضاءة، وهو صغير جدًا. لذلك، عادةً ما تتم إضافة مرحلة مقارن مضخم عملياتي بعد الترانزستور الضوئي لتوفير خرج رقمي نظيف. يساعد الغلاف الأخضر الداكن في رفض الضوء المحيط، مما يجعل النظام قويًا للاستخدام في ظروف إضاءة مختلفة.

10. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو في الأساس ترانزستور تقاطع ثنائي القطب (BJT) حيث يتم توليد تيار القاعدة بواسطة الضوء بدلاً من توفيره كهربائيًا. في LTR-516AD (من نوع NPN)، تخلق الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق للسيليكون أزواج إلكترون-فجوة في منطقة وصلة القاعدة-المجمع. يتم جرف حاملات الشحنة الضوئية المُولدة بواسطة المجال الكهربائي، مما يخلق بشكل فعال تيار قاعدة. يتم بعد ذلك تضخيم تيار القاعدة هذا بواسطة كسب التيار للترانزستور (بيتا، β)، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير. يتم تشغيل الجهاز عادةً مع ترك طرف القاعدة مفتوحًا أو غير متصل، ويتم تطبيق انحياز عكسي عبر وصلة المجمع-القاعدة لتوسيع منطقة الاستنزاف، مما يحسن الحساسية والسرعة.

11. اتجاهات الصناعة

يستمر مجال الاستشعار الضوئي في التطور. هناك اتجاه نحو التكامل، حيث يتم دمج كاشف الضوء، والمضخم، والمنطق الرقمي في شريحة واحدة (مثل مستشعرات الضوء المحيط المتكاملة، ومستشعرات القرب). أصبحت أغلفة الأجهزة ذات التركيب السطحي (SMD) أكثر شيوعًا من أنواع التركيب عبر الثقب للتجميع الآلي. هناك أيضًا تطور مستمر في المواد والتصميمات لتحسين الحساسية، وتقليل الضوضاء (التيار المظلم)، وتوسيع النطاق الطيفي. ومع ذلك، تظل المكونات المنفصلة مثل LTR-516AD حيوية للتطبيقات التي تتطلب خصائص أداء محددة، أو مسارات ضوئية مخصصة، أو معالجة جهد عالي قد لا تكون متوفرة في الحلول المتكاملة. يظل مبدأ استخدام أغلفة مرشحة لاستجابات طيفية محددة ممارسة تصميم شائعة وفعالة.