ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-536AD - غلاف أخضر داكن - جهد عكسي 30 فولت - تبديد طاقة 150 ملي واط - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

الترانزستور الضوئي LTR-536AD هو ترانزستور ضوئي من نوع NPN عالي الأداء مُصمم خصيصًا لتطبيقات الكشف عن الأشعة تحت الحمراء (IR). وظيفته الأساسية هي تحويل الإشعاع تحت الأحمر الساقط إلى تيار كهربائي. السمة المميزة لهذا المكون هي غلافه البلاستيكي الإيبوكسي الأخضر الداكن الخاص. تم تصميم هذه المادة لتوهين أو "قطع" أطوال موجات الضوء المرئي، مما يعزز بشكل كبير حساسيته ونسبة الإشارة إلى الضوضاء تحديدًا ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء، عادةً حول 940 نانومتر. هذا يجعله خيارًا مثاليًا للتطبيقات التي يكون فيها التمييز ضد الضوء المرئي المحيط أمرًا بالغ الأهمية.

المزايا الأساسية:

• حساسية ضوئية عالية:يوفر إشارة خرج كهربائية قوية لمستوى معين من الإشعاع تحت الأحمر.
• مُحسّن للأشعة تحت الحمراء:يعمل الغلاف الأخضر الداكن كمرشح للضوء المرئي، مما يجعل الجهاز مناسبًا بشكل خاص للاستشعار النقي للأشعة تحت الحمراء.
• سعة تقاطع منخفضة:هذه المعلمة حاسمة للتشغيل عالي التردد، مما يتيح أوقات استجابة أسرع.
• خصائص تبديل سريعة:يتميز بأوقات صعود وهبوط سريعة، مما يجعله مناسبًا لأنظمة الأشعة تحت الحمراء النبضية واتصالات البيانات.
• تردد قطع مرتفع:يدعم التشغيل في دوائر ذات تردد أعلى.

السوق المستهدف:يستهدف هذا الترانزستور الضوئي المصممين والمهندسين العاملين على الأنظمة القائمة على الأشعة تحت الحمراء. تشمل التطبيقات الشائعة: أجهزة استشعار القرب، وكشف الأجسام، والمفاتيح غير الملامسة، وروابط نقل البيانات بالأشعة تحت الحمراء (مثل أجهزة التحكم عن بُعد)، والأتمتة الصناعية، وأي نظام يتطلب الكشف الموثوق به عن إشارات الأشعة تحت الحمراء مع رفض التداخل من مصادر الضوء المرئي.

2. تحليل مُتعمق للمعايير التقنية

يتم تحديد جميع المعلمات عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية ما لم يُذكر خلاف ذلك. فهم هذه المعلمات أمر ضروري لتصميم الدائرة بشكل صحيح وضمان التشغيل الموثوق ضمن حدود الجهاز.

2.1 المواصفات القصوى المطلقة

هذه هي حدود الإجهاد التي إذا تجاوزتها قد يحدث تلف دائم للجهاز. يجب دائمًا الحفاظ على التشغيل ضمن هذه الحدود.

• تبديد الطاقة (P_D):150 ملي واط. هذه هي أقصى طاقة مسموح بها يمكن للجهاز تبديدها كحرارة.
• الجهد العكسي (V_R):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه في انحياز عكسي عبر تقاطع المجمع-الباعث.
• نطاق درجة حرارة التشغيل (T_oper):من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية. نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الطبيعي للجهاز.
• نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg):من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم الغلاف. هذا يحدد قيادات ملف تعريف اللحام بإعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

تحدد هذه المعلمات أداء الجهاز تحت ظروف الاختبار المحددة.

• جهد الانهيار العكسي (V_(BR)R):30 فولت (الحد الأدنى). الجهد الذي يزداد عنده التيار العكسي (I_R) بشكل حاد (تم اختباره عند 100 ميكرو أمبير). هذا يرتبط بالمواصفة القصوى المطلقة.
• التيار المظلم العكسي (I_D(R)):30 نانو أمبير (الحد الأقصى). تيار التسرب الذي يتدفق عندما يكون الجهاز في انحياز عكسي (V_R=10 فولت) وفي ظلام تام (E_e=0). تشير القيمة الأقل إلى أداء أفضل في ظروف الإضاءة المنخفضة.
• جهد الدائرة المفتوحة (V_OC):350 ملي فولت (النموذجي). الجهد المتولد عبر الجهاز تحت الإضاءة (λ=940 نانومتر، E_e=0.5 ملي واط/سم²) بدون حمل خارجي (دائرة مفتوحة).
• تيار الدائرة القصيرة (I_S):1.7 ميكرو أمبير (الحد الأدنى)، 2 ميكرو أمبير (النموذجي). التيار الذي يتدفق عندما يُضاء الجهاز (λ=940 نانومتر، E_e=0.1 ملي واط/سم²) ويتم قصر الخرج (V_R=5 فولت). هذا مقياس رئيسي للحساسية.
• زمن الصعود (T_r) وزمن الهبوط (T_f):50 نانو ثانية (النموذجي). الوقت المطلوب لتيار الخرج للصعود من 10% إلى 90% (صعود) أو الهبوط من 90% إلى 10% (هبوط) من قيمته النهائية استجابةً لتغير مفاجئ في الإضاءة. أمر بالغ الأهمية للتطبيقات عالية السرعة.
• السعة الكلية (C_T):25 بيكو فاراد (النموذجي). سعة التقاطع المقاسة عند V_R=3 فولت وتردد 1 ميجاهرتز في الظلام. السعة الأقل تتيح سرعات تبديل أسرع.
• طول موجة الحساسية القصوى (λ_SMAX):900 نانومتر (النموذجي). طول موجة الذروة للضوء تحت الأحمر الذي يكون الترانزستور الضوئي أكثر استجابة له. تم تحسينه لباعثات حول 940 نانومتر.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة. هذه لا تقدر بثمن لأعمال التصميم التفصيلية التي تتجاوز الأرقام النموذجية/الحد الأدنى/الحد الأقصى.

3.1 التيار المظلم مقابل الجهد العكسي (الشكل 1)

يُظهر هذا المنحنى كيف يزداد التيار المظلم العكسي (I_D) مع زيادة الجهد العكسي المطبق (V_R). يُظهر عادةً تيارًا منخفضًا جدًا وثابتًا نسبيًا عند الجهود المنخفضة، مع زيادة تدريجية مع ارتفاع الجهد، لينتهي بالارتفاع الحاد عند جهد الانهيار. يجب على المصممين التأكد من أن جهد التشغيل V_R أقل بكثير من منحنى الركبة هذا لتقليل الضوضاء الناتجة عن تيار التسرب.

3.2 السعة مقابل الجهد العكسي (الشكل 2)

يصور هذا الرسم البياني العلاقة بين سعة التقاطع (C_T) وجهد الانحياز العكسي. تتناقص السعة مع زيادة الجهد العكسي. لتصميم الدوائر عالية السرعة، يمكن أن يؤدي التشغيل بجهد عكسي أعلى (ضمن الحدود) إلى تقليل C_T وتحسين عرض النطاق الترددي، ولكن يجب موازنة ذلك مع زيادة التيار المظلم (من الشكل 1).

3.3 التيار الضوئي والتيار المظلم مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 3 والشكل 4)

يوضح الشكل 3 كيف يتغير التيار الضوئي (I_P) مع درجة الحرارة المحيطة. تنخفض حساسية الترانزستور الضوئي عمومًا مع زيادة درجة الحرارة. يُظهر الشكل 4 الزيادة الأسية للتيار المظلم (I_D) مع ارتفاع درجة الحرارة. هذان المنحنيان حاسمان لتصميم الأنظمة التي يجب أن تعمل بشكل موثوق على نطاق واسع من درجات الحرارة (مثلًا، من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية). في درجات الحرارة المرتفعة، يمكن للتيار المظلم المتزايد أن يطغى على إشارة ضوئية ضعيفة، مما يقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

3.4 الحساسية الطيفية النسبية (الشكل 5)

ربما يكون هذا هو المنحنى الأهم لمطابقة التطبيق. يرسم الاستجابة الطبيعية للترانزستور الضوئي عبر نطاق من الأطوال الموجية (عادةً ~800 نانومتر إلى 1100 نانومتر). يُظهر LTR-536AD ذروة حساسية حول 900 نانومتر وتوهينًا كبيرًا في طيف الضوء المرئي (<800 نانومتر)، وهو نتيجة مباشرة لغلافه الأخضر الداكن. يجب مقارنة هذا المنحنى مع طيف الانبعاث لصمام LED تحت الأحمر المقصود أو مصدر الضوء لضمان اقتران أمثل.

3.5 التيار الضوئي مقابل الإشعاع (الشكل 6)

يُظهر هذا الرسم البياني العلاقة الخطية بين قوة الضوء تحت الأحمر الساقط (الإشعاع E_e) والتيار الضوئي الناتج (I_P). يمثل ميل هذا الخط استجابة الجهاز. يؤكد أن الجهاز يعمل في منطقة خطية لنطاق الإشعاع المختبر، وهو أمر مرغوب فيه لتطبيقات الاستشعار التناظرية.

3.6 تبديد الطاقة الكلي مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 8)

يُظهر منحنى التخفيض هذا أقصى تبديد طاقة مسموح به (P_D) كدالة لدرجة الحرارة المحيطة. تنطبق المواصفة القصوى المطلقة البالغة 150 ملي واط فقط حتى درجة حرارة معينة (ربما 25 درجة مئوية). مع زيادة درجة الحرارة المحيطة، تنخفض قدرة الجهاز على تبديد الحرارة، لذلك يجب تقليل الطاقة القصوى المسموح بها خطيًا لمنع ارتفاع درجة الحرارة. هذا أمر بالغ الأهمية لحسابات الموثوقية.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد الغلاف

يأتي LTR-536AD في غلاف قياسي 3 مم (T-1) مثقوب. تشمل الملاحظات الأبعاد الرئيسية من ورقة البيانات:

• جميع الأبعاد بالمليمترات (يتم توفير البوصات بين قوسين).
• ينطبق تسامح قياسي يبلغ ±0.25 مم (0.010 بوصة) ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• أقصى بروز للراتنج تحت الحافة هو 1.5 مم (0.059 بوصة).
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم الغلاف.

تحديد القطبية:يحتوي الجهاز على جانب مسطح على العدسة، والذي يشير عادةً إلى طرف المجمع. الطرف الأطول هو عادة الباعث. ومع ذلك، يجب على المصممين دائمًا التحقق من القطبية باستخدام مقياس متعدد في وضع اختبار الصمام الثنائي قبل التثبيت.

5. إرشادات اللحام والتجميع

لضمان سلامة الجهاز أثناء التجميع، يجب مراعاة الشروط التالية:

• اللحام بإعادة التدفق:يمكن للأطراف تحمل درجة حرارة 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 5 ثوانٍ. يتم أخذ هذا القياس على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم الغلاف. يجب تعديل ملفات تعريف اللحام بالموجات أو إعادة التدفق القياسية للامتثال لهذا الحد لمنع تلف شريحة أشباه الموصلات الداخلية أو الغلاف الإيبوكسي.
• اللحام اليدوي:إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، استخدم مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة وقلل وقت التلامس إلى أقل من 3 ثوانٍ لكل طرف. استخدم مشبكًا لتبديد الحرارة على الطرف بين الوصلة وجسم الغلاف إذا أمكن.
• التنظيف:استخدم فقط مواد التنظيف المعتمدة المتوافقة مع مادة الإيبوكسي الخضراء الداكنة. تجنب التنظيف بالموجات فوق الصوتية إلا إذا تم التحقق من توافقها وإعدادات الطاقة/الوقت، حيث يمكن أن يتلف الغلاف أو الروابط الداخلية.
• ظروف التخزين:قم بالتخزين في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. يجب استخدام كيس الحاجز الرطوبة الأصلي إذا كان التخزين طويل الأمد متوقعًا.

6. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

يمكن استخدام LTR-536AD في تكوينين أساسيين:

1. وضع التبديل (خرج رقمي):يتم توصيل الترانزستور الضوئي على التوالي مع مقاومة سحب بين جهد التغذية (V_CC) والأرضي. يتم أخذ الخرج من عقدة المجمع. عندما يسقط الضوء تحت الأحمر على المستشعر، فإنه يعمل، مما يسحب جهد الخرج إلى مستوى منخفض. عندما يكون مظلمًا، يتم إيقاف تشغيله، وتسحب مقاومة السحب الخرج إلى مستوى مرتفع. تحدد قيمة مقاومة السحب سرعة التبديل واستهلاك التيار (المقاومة الأصغر تعطي تبديلًا أسرع ولكن طاقة أعلى).
2. الوضع الخطي (خرج تناظري):تكوين مشابه، ولكن يتم تحيز الترانزستور الضوئي في منطقته النشطة باستخدام تيار قاعدة ثابت (غالبًا صفر، معتمدًا فقط على التيار الضوئي) ومقاومة مجمع. يتغير الجهد عند المجمع خطيًا مع شدة الضوء تحت الأحمر الساقط. يستخدم هذا الوضع للاستشعار التناظري، مثل قياس المسافة أو كشف مستوى الضوء.

6.2 اعتبارات تصميم حرجة

• مطابقة المصدر:اقترن دائمًا LTR-536AD مع باعث للأشعة تحت الحمراء (LED) له طول موجة ذروة قريب من 940 نانومتر ويتوافق مع ذروة الحساسية الطيفية للترانزستور الضوئي (900 نانومتر) لتحقيق أقصى كفاءة.
• رفض الضوء المحيط:بينما يساعد الغلاف الأخضر الداكن، للتشغيل في بيئات مضيئة، قد يكون من الضروري استخدام ترشيح ضوئي إضافي (مرشح مخصص لتمرير الأشعة تحت الحمراء) أو تقنيات التضمين/فك التضمين (نبع مصدر الأشعة تحت الحمراء والكشف المتزامن عن الإشارة) لرفض ضوضاء الضوء المحيط.
• التحيز للسرعة:لتحقيق أسرع وقت استجابة ممكن (50 نانو ثانية نموذجيًا)، قم بتشغيل الجهاز بجهد عكسي (V_CE) حوالي 10 فولت واستخدم مقاومة حمل صغيرة (مثل 1 كيلو أوم كما في حالة الاختبار). هذا يقلل من ثابت الوقت RC المكون من سعة التقاطع (C_T) ومقاومة الحمل (R_L).
• تعويض درجة الحرارة:للتطبيقات الدقيقة على نطاق واسع من درجات الحرارة، فكر في تقنيات الدائرة لتعويض التباين في التيار المظلم والحساسية. يمكن أن يتضمن ذلك استخدام ترانزستور ضوئي مطابق في قناة مرجعية مظلمة أو تنفيذ تعديل كسب يعتمد على درجة الحرارة في دائرة تكييف الإشارة.

7. المقارنة والتمييز التقني

يميز LTR-536AD نفسه في سوق الترانزستورات الضوئية من خلال غلافه المتخصص. مقارنةً بالترانزستورات الضوئية ذات الغلاف الإيبوكسي الشفاف أو الشفاف تمامًا، فإن ميزته الرئيسية هي قطع الضوء المرئي المدمج. هذا يلغي الحاجة إلى مرشح خارجي للأشعة تحت الحمراء في العديد من التطبيقات، مما يقلل من عدد المكونات والتكلفة وتعقيد التجميع. يجمع بين سرعة تبديل سريعة نسبيًا (50 نانو ثانية)، وسعة منخفضة (25 بيكو فاراد)، وحساسية جيدة (2 ميكرو أمبير نموذجيًا عند 0.1 ملي واط/سم²) مما يجعله خيارًا متوازنًا لكل من الاستشعار التناظري وروابط الاتصالات الرقمية بالأشعة تحت الحمراء متوسطة السرعة.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

8.1 هل يمكنني استخدام هذا مع صمام ثنائي باعث للضوء (LED) أحمر (650 نانومتر)؟

الإجابة:لا، لا يُنصح بذلك. يُظهر منحنى الحساسية الطيفية النسبية (الشكل 5) استجابة منخفضة جدًا عند 650 نانومتر (أحمر مرئي). يقوم الغلاف الأخضر الداكن بحجب هذا الطول الموجي بنشاط. للكشف عن الضوء الأحمر، يجب اختيار ترانزستور ضوئي بغلاف شفاف وذروة حساسية في النطاق المرئي.

8.2 لماذا تكون إشارة الخرج لدي مشوشة في بيئة دافئة؟

الإجابة:ارجع إلى الشكل 4 (التيار المظلم مقابل درجة الحرارة). يزداد التيار المظلم بشكل أسي مع درجة الحرارة. إذا تم تصميم دائرة للكشف عن إشارة ضعيفة للأشعة تحت الحمراء، يمكن أن يصبح التيار المظلم الناتج عن الحرارة كبيرًا في درجات الحرارة المرتفعة، ويظهر كضوضاء أو إزاحة تيار مستمر. تشمل الحلول تبريد المستشعر، أو استخدام مصدر ضوء مُضمن مع كشف متزامن، أو اختيار طوبولوجيا دائرة تطرح التيار المظلم.

8.3 كيف أختار قيمة المقاومة الحملية (R_L)?

الإجابة:يتضمن ذلك مقايضة بين السرعة والحساسية والطاقة.
للسرعة (التبديل الرقمي):اختر R_L صغيرة (مثل 1 كيلو أوم إلى 4.7 كيلو أوم). هذا يعطي ثابت وقت RC صغير (C_T* R_L) للحواف السريعة ولكنه يسحب تيارًا أكبر.
لتأرجح جهد مرتفع (استشعار تناظري):اختر R_L أكبر (مثل 10 كيلو أوم إلى 100 كيلو أوم). يوفر هذا تغيرًا أكبر في جهد الخرج لتغير معين في الضوء ولكنه يبطئ وقت الاستجابة.
تأكد دائمًا من أن انخفاض الجهد عبر R_L عندما يكون الترانزستور الضوئي يعمل بالكامل لا يتسبب في انخفاض جهد المجمع-الباعث إلى ما دون مستوى التشبع، وأن تبديد الطاقة في الترانزستور الضوئي يظل أقل من الحد المخفض لدرجة حرارة التشغيل لديك.

9. مثال عملي لحالة استخدام

التطبيق:كشف الأجسام بدون تلامس في عداد صناعي.
التنفيذ:يتم تركيب صمام LED تحت الأحمر (940 نانومتر) و LTR-536AD على جانبي ناقل متحرك متقابلين (تكوين شعاع عابر). يتم نبع LED بتردد 10 كيلو هرتز باستخدام دائرة قيادة. يتم توصيل الترانزستور الضوئي في وضع التبديل مع مقاومة سحب 4.7 كيلو أوم إلى 5 فولت. يتم تغذية خرجها إلى دبوس التقاط إدخال لوحدة تحكم دقيقة. في الظروف العادية (لا يوجد جسم)، يصل الضوء تحت الأحمر النبضي إلى المستشعر، مما يتسبب في نبض الخرج بتردد 10 كيلو هرتز. يكتشف برنامج الثبات لوحدة التحكم الدقيقة هذا التردد. عندما يمر جسم عبر الشعاع، فإنه يحجب الضوء، ويصبح خرج الترانزستور الضوئي ويظل مرتفعًا (أو منخفضًا، اعتمادًا على المنطق). تكتشف وحدة التحكم الدقيقة غياب إشارة 10 كيلو هرتز وتزيد العداد. يمنع الغلاف الأخضر الداكن لـ LTR-536AD الضوء المحيط الفلوري أو المتوهج في المصنع من تشغيل العداد بشكل خاطئ.

10. مقدمة عن 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-536AD (نوع NPN)، يتم امتصاص الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق للسيليكون (المقابلة لأطوال موجية أقصر من ~1100 نانومتر) في منطقة تقاطع القاعدة-المجمع. يخلق هذا الامتصاص أزواجًا من الإلكترونات والثقوب. يقوم المجال الكهربائي في تقاطع المجمع-القاعدة المنحاز عكسيًا بجرف هذه الحاملات، مما يولد تيارًا ضوئيًا. يعمل هذا التيار الضوئي تمامًا مثل تيار قاعدة يُحقن في الترانزستور. بسبب كسب التيار للترانزستور (بيتا، β)، يكون تيار المجمع أكبر بكثير من التيار الضوئي الأولي (I_C= β * I_photo). هذا التضخيم الداخلي هو ما يعطي الترانزستورات الضوئية حساسيتها العالية مقارنة بالصمامات الثنائية الضوئية. يمتص الإيبوكسي الأخضر الداكن معظم فوتونات الضوء المرئي، مما يسمح لفوتونات الأشعة تحت الحمراء في المقام الأول بالوصول إلى شريحة السيليكون، وبالتالي يجعل الجهاز حساسًا بشكل انتقائي للأشعة تحت الحمراء.

11. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر مجال الإلكترونيات الضوئية في التطور. بينما تظل الترانزستورات الضوئية المنفصلة المثقوبة مثل LTR-536AD حيوية للعديد من التطبيقات، تشمل الاتجاهات:
التكامل:زيادة تكامل كاشف الضوء مع دوائر الواجهة الأمامية التناظرية (المضخمات، المرشحات) والمنطق الرقمي (المقارنات، مخارج المنطق) في حلول أو وحدات ذات شريحة واحدة.
تقنية التركيب السطحي (SMT):تحول قوي نحو أغلفة SMT أصغر للتجميع الآلي وتقليل مساحة اللوحة، على الرغم من أن ذلك غالبًا ما يكون على حساب الحساسية بسبب المناطق النشطة الأصغر.
التخصص:تطوير أجهزة ذات استجابات طيفية أكثر تحديدًا، وسرعات أسرع لاتصالات البيانات الضوئية، وقدرة محسنة على تحمل البيئات القاسية (درجة حرارة أعلى، رطوبة).
يظل المبدأ الأساسي للترانزستور الضوئي دون تغيير، ولكن تنفيذاته أصبحت أكثر تخصصًا للتطبيق ومتكاملة.