ورقة بيانات الترانزستور الضوئي بالأشعة تحت الحمراء LTR-C950-TB-T - حزمة الرؤية الجانبية - جهد المجمع-الباعث 30 فولت - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTR-C950-TB-T مكون ترانزستور ضوئي منفصل للأشعة تحت الحمراء (IR) مُصمم لتطبيقات الاستشعار. ينتمي إلى عائلة واسعة من الأجهزة الكهروضوئية المخصصة للاستخدام في الأنظمة التي تتطلب كشفًا موثوقًا للضوء تحت الأحمر. الوظيفة الأساسية لهذا المكون هي تحويل الإشعاع تحت الأحمر الساقط إلى تيار كهربائي مُقابل عند طرف المجمع. تم تحسين حزمة العدسة القبة ذات الرؤية الجانبية والهيكل الأسود للتركيب على اللوحة المطبوعة (PCB) وتساعد في التحكم في تداخل الضوء المحيط.

تم تصميم الجهاز ليكون متوافقًا مع عمليات التجميع الآلي الحديثة، بما في ذلك معدات التركيب واللحام بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء. يتميز باستجابته للضوء تحت الأحمر بطول موجي 940 نانومتر، والذي يُستخدم عادةً في أنظمة التحكم عن بُعد والاستشعار المتنوعة لتجنب ضوضاء الضوء المرئي.

1.1 الميزات والمزايا الأساسية

• متوافق مع RoHS ومنتج صديق للبيئة:مُصنع بدون مواد خطرة، ويلتزم بالمعايير البيئية.
• التصميم البصري:يتميز بعدسة قبة سوداء ذات رؤية جانبية توفر مجال رؤية محددًا وتساعد في حماية المستشعر من الضوء المحيط غير المرغوب فيه.
• التوافق مع التصنيع:يتم توريده على شريط بعرض 8 مم ملفوف على بكرات قطر 7 بوصات، مما يجعله متوافقًا تمامًا مع آلات التركيب الآلي عالية السرعة (Pick-and-Place).
• التوافق مع العمليات:مُصنف لتحمل ملفات تعريف اللحام القياسية بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء المستخدمة في خطوط تجميع تقنية التركيب السطحي (SMT).
• الحزمة القياسية:يتوافق مع الخطوط العريضة للحزم القياسية لـ EIA، مما يضمن قابلية التنبؤ في تصميم البصمة على اللوحة المطبوعة (PCB).

1.2 التطبيقات المستهدفة

هذا الترانزستور الضوئي مناسب لمجموعة من التطبيقات الإلكترونية التي تتطلب الكشف أو الاستشعار بدون تلامس. تشمل حالات الاستخدام النموذجية:

• مستقبلات الأشعة تحت الحمراء:يتم توفير نمط أرضي (بصمة) لتصميم اللوحة المطبوعة (PCB). الأبعاد الموصى بها لوسائد التثبيت هي 1.0 مم × 1.8 مم، مع فجوة 1.8 مم بينهما. يضمن اتباع هذا النمط وصلة لحام موثوقة أثناء إعادة التدفق ومحاذاة ميكانيكية صحيحة.
• مستشعرات القرب/الأجسام المثبتة على اللوحة المطبوعة:الكشف عن وجود أو غياب أو موضع جسم ما في الأجهزة المنزلية، ومعدات الأتمتة، وأجهزة الأمان.
• التبديل الضوئي الأساسي:يُستخدم في مقاطعات فتحة الشق أو المستشعرات العاكسة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

توفر الأقسام التالية تفصيلاً مفصلاً لحدود تشغيل الجهاز وخصائص أدائه تحت ظروف الاختبار المحددة.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت أو عند هذه الحدود.

• تبديد الطاقة (P_D):100 ملي واط. أقصى قدرة مستمرة يمكن للجهاز تبديدها كحرارة.
• جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه بين طرفي المجمع والباعث.
• جهد الباعث-المجمع (V_ECO):5 فولت. أقصى جهد عكسي بين الباعث والمجمع.
• نطاق درجة حرارة التشغيل (T_A):من -40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الوظيفي الطبيعي.
• نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg):من -55°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة الآمن للجهاز عندما لا يكون موصولاً بالطاقة.
• ظروف اللحام بالأشعة تحت الحمراء:يتحمل درجة حرارة ذروية تبلغ 260°C لمدة أقصاها 10 ثوانٍ أثناء إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعلمات عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C وتحدد الأداء النموذجي للجهاز.

• جهد انهيار المجمع-الباعث (V_(BR)CEO):30 فولت (الحد الأدنى). الجهد الذي يتدفق عنده تيار عكسي صغير محدد (I_R= 100 ميكرو أمبير) بدون إضاءة (E_e= 0 ملي واط/سم²).
• جهد انهيار الباعث-المجمع (V_(BR)ECO):5 فولت (الحد الأدنى). مشابه لـ V_(BR)CEOولكن لحالة الانحياز العكسي.
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):0.4 فولت (الحد الأقصى). الجهد عبر المجمع والباعث عندما يكون الترانزستور في حالة "تشغيل" كاملة (موصل) تحت إشعاع قدره 0.5 ملي واط/سم² وتيار مجمع (I_C) بقيمة 100 ميكرو أمبير. تشير القيمة الأقل إلى أداء أفضل.
• زمن الصعود (T_r) وزمن الهبوط (T_f):15 ميكرو ثانية (نموذجي). الوقت المطلوب لتيار الخرج للصعود من 10% إلى 90% (زمن الصعود) أو الهبوط من 90% إلى 10% (زمن الهبوط) من قيمته القصوى استجابةً لإدخال ضوء نابض. تم القياس مع V_CE=5 فولت، I_C=1 ملي أمبير، و R_L=1 كيلو أوم.
• تيار الظلام للمجمع (I_CEO):100 نانو أمبير (الحد الأقصى). تيار التسرب الصغير الذي يتدفق من المجمع إلى الباعث عندما لا يسقط ضوء على الجهاز (V_CE= 20 فولت). كلما كانت القيمة أقل كان ذلك أفضل للحساسية.
• تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)):من 1.5 إلى 9.2 ملي أمبير. تيار المجمع الناتج عند إضاءة الجهاز بمصدر قياسي للأشعة تحت الحمراء (E_e=0.5 ملي واط/سم²، λ=940 نانومتر، V_CE=5 فولت). هذه هي معلمة الحساسية الرئيسية.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم فرز الأجهزة إلى فئات أداء بناءً على تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)). وهذا يسمح للمصممين باختيار مكونات ذات حساسية متسقة لمتطلبات دوائرهم المحددة.

• الفئة A: I_C(ON)يتراوح من 1.5 ملي أمبير (الحد الأدنى) إلى 2.9 ملي أمبير (الحد الأقصى).
• الفئة B: I_C(ON)يتراوح من 2.9 ملي أمبير (الحد الأدنى) إلى 5.5 ملي أمبير (الحد الأقصى).
• الفئة C: I_C(ON)يتراوح من 5.5 ملي أمبير (الحد الأدنى) إلى 9.2 ملي أمبير (الحد الأقصى).

يتم تطبيق تسامح ±15% على حدود كل فئة. يجب على المصممين مراعاة هذا التباين عند حساب كسب الدائرة ومستويات العتبة.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضيحية تُظهر سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

4.1 الحساسية الطيفية

يُظهر الرسم البياني (الشكل 1) الحساسية الطيفية النسبية مقابل الطول الموجي. يُظهر LTR-C950-TB-T ذروة حساسية حول 940 نانومتر، مما يتطابق مع باعثات الأشعة تحت الحمراء الشائعة (IREDs). تنخفض الحساسية بشكل حاد للأطوال الموجية الأقصر من 800 نانومتر والأطول من 1100 نانومتر، مما يوفر ترشيحًا طبيعيًا ضد جزء كبير من طيف الضوء المرئي.

4.2 تيار الظلام للمجمع مقابل درجة الحرارة

يرسم المنحنى (الشكل 3) تيار الظلام للمجمع (I_CEO) مقابل درجة الحرارة المحيطة (T_A). يزداد I_CEOأُسياً مع درجة الحرارة. هذا اعتبار بالغ الأهمية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، حيث أن زيادة تيار الظلام ترفع مستوى الضوضاء الأساسي ويمكن أن تؤثر على نسبة الإشارة إلى الضوضاء للمستشعر.

4.3 الاستجابة الديناميكية مقابل الحمل

تُظهر الرسوم البيانية (الشكل 4) كيف يختلف زمن الصعود (T_r) وزمن الهبوط (T_f) مع مقاومة الحمل (R_L). يزداد كلا الزمنين مع زيادة مقاومة الحمل. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تبديلًا سريعًا، يكون استخدام مقاوم حمل أصغر مفيدًا، على الرغم من أنه سيقلل من تأرجح جهد الخرج.

4.4 تيار المجمع النسبي مقابل الإشعاع

يوضح هذا الرسم البياني (الشكل 5) العلاقة بين تيار الخرج وقوة الضوء الساقط (الإشعاع). تكون الاستجابة خطية بشكل عام على مدى كبير، وهو أمر مرغوب فيه لتطبيقات الاستشعار التناظرية. يؤكد وظيفة الجهاز كمحول تناسبي من الضوء إلى تيار.

4.5 نمط الإشعاع

يوضح الرسم القطبي (الشكل 6) الحساسية الزاوية لحزمة الرؤية الجانبية. يتم رسم الشدة الإشعاعية النسبية (أو الحساسية) مقابل زاوية الضوء الساقط. هذا الرسم ضروري للتصميم الميكانيكي، حيث يُظهر مجال الرؤية الفعال (FOV) الذي سيكشف فيه المستشعر مصدر الأشعة تحت الحمراء بشكل موثوق.

5. المعلومات الميكانيكية ومعلومات الحزمة

5.1 أبعاد الهيكل الخارجي

يحتوي الجهاز على حزمة ترانزستور ضوئي قياسية ذات رؤية جانبية. تشمل الأبعاد الرئيسية حجم الجسم، وتباعد الأطراف، وموضع العدسة. يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات مع تسامح نموذجي ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يُحدد مخطط الأطراف أطراف المجمع والباعث.

5.2 تصميم وسادة اللحام الموصى به

A land pattern (footprint) for PCB design is provided. The recommended pad dimensions are 1.0mm x 1.8mm for the mounting pads, with a 1.8mm gap between them. Following this pattern ensures a reliable solder joint during reflow and proper mechanical alignment.

6. إرشادات اللحام والتركيب

6.1 ملف تعريف اللحام بإعادة التدفق (Reflow)

يتم تضمين ملف تعريف إعادة تدفق مقترح للعمليات الخالية من الرصاص. المعلمات الرئيسية هي:

• التسخين المسبق:من 150-200°C لمدة تصل إلى 120 ثانية كحد أقصى.
• درجة الحرارة القصوى:260°C كحد أقصى.
• الوقت فوق نقطة السيولة:يجب ألا يتعرض الجهاز لدرجات حرارة أعلى من 260°C لأكثر من 10 ثوانٍ.

يستند ملف التعريف إلى معايير JEDEC. يجب على المهندسين توصيف ملف التعريف لتصميم اللوحة المطبوعة المحدد، ومعجون اللحام، والفرن الخاص بهم.

6.2 اللحام اليدوي

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فاستخدم مكواة لحام بدرجة حرارة لا تتجاوز 300°C، وقلل وقت التلامس إلى 3 ثوانٍ لكل وصلة. تجنب تطبيق إجهاد على أطراف المكون.

6.3 التنظيف

إذا كان التنظيف بعد اللحام مطلوبًا، فاستخدم فقط المذيبات القائمة على الكحول مثل كحول الأيزوبروبيل. تجنب المنظفات الكيميائية القاسية أو غير المعروفة التي قد تتلف الحزمة البلاستيكية أو العدسة.

7. التعبئة والتغليف والتعامل

7.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم تعبئة المكونات في شريط ناقل بارز بعرض 8 مم ملفوف على بكرات قطر 7 بوصات (178 مم). تحتوي كل بكرة على 2000 قطعة. يتوافق التغليف مع معايير ANSI/EIA 481-1-A-1994. تشير الملاحظات إلى أنه قد يكون هناك حد أقصى لجيبين متتاليين فارغين للمكونات (وفقًا لإغلاق الشريط) وأن اتجاه الأجزاء داخل الشريط مُحدد.

7.2 ظروف التخزين

الحزمة المغلقة:قم بالتخزين عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية (RH). العمر الافتراضي في كيس الحاجز الرطوبي المغلق (مع مجفف) هو سنة واحدة.
الحزمة المفتوحة:للمكونات المُزالَة من الكيس المغلق، يجب ألا تتجاوز بيئة التخزين 30°C / 60% رطوبة نسبية. يُوصى بشدة بإكمال لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء في غضون أسبوع واحد من الفتح. للتخزين لفترات أطول خارج الكيس الأصلي، قم بالتخزين في وعاء مغلق مع مجفف أو في مجفف نيتروجين. يجب خبز المكونات المخزنة مفتوحة لأكثر من أسبوع عند حوالي 60°C لمدة 20 ساعة على الأقل قبل اللحام لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة "الفرقعة" أثناء إعادة التدفق.

8. ملاحظات التطبيق واعتبارات التصميم

8.1 تصميم دائرة التشغيل

الترانزستور الضوئي هو جهاز ذو خرج تيار. في دائرة نموذجية، يتم توصيله في تكوين باعث مشترك. يتم وضع مقاوم حمل (R_L) بين المجمع وجهد التغذية (V_CC). يتم توصيل الباعث بالأرض. يتسبب الضوء الساقط في تدفق تيار المجمع (I_C)، مما يخلق انخفاضًا في الجهد عبر R_L. هذا الجهد (V_OUT= V_CC- I_C*R_L) هو إشارة الخرج.

خيارات التصميم الرئيسية:

• مقاوم الحمل (R_L):يمنح R_Lالأكبر تأرجحًا أكبر لجهد الخرج لتغير ضوئي معين ولكنه يزيد وقت الاستجابة (انظر الشكل 4). يوفر R_Lالأصغر استجابة أسرع ولكن إشارة أصغر.
• الانحياز:لا يتطلب الجهاز تيار انحياز خارجي للقاعدة؛ يتم التحكم فيه بالكامل بواسطة الضوء.
• أجهزة متعددة:إذا كانت هناك حاجة لتوصيل عدة ترانزستورات ضوئية على التوازي في تطبيق ما، لا يُنصح بتوصيلها مباشرة معًا. ستؤدي الاختلافات في I_C(ON)(حتى داخل نفس الفئة) إلى توزيع تيار غير متساوٍ. يجب وضع مقاومة محددة للتيار على التوالي مع كل جهاز لضمان سلوك موحد.

8.2 تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR)

• التضمين:لتطبيقات التحكم عن بُعد، يتم نبض مصدر الأشعة تحت الحمراء (IRED) بتردد حامل محدد (مثل 38 كيلو هرتز). تتضمن دائرة الاستقبال مرشح تمرير نطاق مضبوط على هذا التردد، والذي يرفض الضوء المحيط الثابت والضوضاء.
• الترشيح البصري:توفر الحزمة السوداء والحساسية الطيفية الطبيعية (الذروة عند 940 نانومتر) بعض الترشيح ضد الضوء المرئي. للبيئات ذات الضوضاء الشديدة للغاية، يمكن استخدام مرشح خارجي إضافي يمرر الأشعة تحت الحمراء ويمنع الضوء المرئي فوق المستشعر.
• الترشيح الكهربائي:يمكن أن يؤدي إضافة مرحلة تضخيم بعد الترانزستور الضوئي تتضمن ترشيح تمرير عالي أو تمرير نطاق إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء بشكل أكبر للإشارات المترابطة بالتيار المتردد.

8.3 اعتبارات تخطيط اللوحة

• ضع المستشعر بعيدًا عن المكونات المولدة للحرارة لتقليل الانحراف الناتج عن درجة الحرارة في تيار الظلام.
• تأكد من استخدام هندسة وسادة اللحام الموصى بها لمنع ظاهرة "الشاهد القبري" أو سوء المحاذاة أثناء إعادة التدفق.
• ضع في اعتبارك نمط الإشعاع (الشكل 6) عند تصميم الهيكل الميكانيكي لضمان وقوع مصدر الأشعة تحت الحمراء ضمن زاوية الرؤية الحساسة للمستشعر.

9. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو في الأساس ترانزستور تقاطع ثنائي القطب (BJT) حيث يتم توليد تيار القاعدة بواسطة الضوء بدلاً من توصيل كهربائي. يعمل تقاطع القاعدة-المجمع كخلية ضوئية. عندما تضرب الفوتونات ذات الطاقة الكافية (الأشعة تحت الحمراء، في هذه الحالة) هذا التقاطع، فإنها تخلق أزواجًا من الإلكترونات والثقوب. يتم بعد ذلك تضخيم هذا التيار الضوئي بواسطة كسب التيار للترانزستور (β أو h_FE)، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير يتناسب مع شدة الضوء الساقط. تضع حزمة الرؤية الجانبية شريحة أشباه الموصلات الحساسة بحيث يمكنها اكتشاف الضوء القادم الموازي لسطح اللوحة المطبوعة.

10. مثال تصميمي عملي

السيناريو: كشف الأجسام في آلة بيع.هناك حاجة إلى مستشعر كسر الشعاع للكشف عن مرور منتج عبر ممر.

1. اختيار المكون:تم اختيار LTR-C950-TB-T (الفئة B) لحزمته ذات الرؤية الجانبية، المناسبة للتركيب على حافة اللوحة المطبوعة (PCB) مواجهًا عبر الممر. تم اختيار باعث أشعة تحت الحمراء (IRED) مطابق بطول موجي 940 نانومتر كمصدر للضوء.
2. تصميم الدائرة:تم تكوين الترانزستور الضوئي في دائرة باعث مشترك مع V_CC= 5 فولت. تم اختيار مقاوم حمل R_L= 2.2 كيلو أوم كحل وسط بين تأرجح جهد جيد وسرعة مقبولة لهذا التطبيق. يتم تغذية الخرج إلى مقارن مع عتبة مضبوطة للتمييز بين "الشعاع موجود" (خرج عالي) و "الشعاع محجوب" (خرج منخفض).
3. التكامل الميكانيكي:يتم تركيب باعث الأشعة تحت الحمراء والترانزستور الضوئي على جانبي ممر المنتج المتقابلين، مع محاذاتهما وفقًا لأنماط إشعاعهما/حساسيتهما. يمكن إضافة حواجز ضوئية للحد من الضوء الشارد.
4. اعتبارات:يتم مراقبة درجة الحرارة المحيطة داخل الآلة للتأكد من بقائها ضمن نطاق التشغيل. يتم قياس جهد الخرج الأولي وضبط عتبة المقارن بهامش لمراعاة تسامح المكون (±15% للفئة) وتراكم الغبار المحتمل على العدسات بمرور الوقت.