ورقة بيانات مستشعر بصري عاكس ITR8307/L24/TR8 - خالي من الرصاص، متوافق مع RoHS وREACH - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد ITR8307/L24/TR8 مفتاحًا بصريًا عاكسًا مضغوطًا للتركيب السطحي، مُصمم لتطبيقات الاستشعار قصيرة المدى. يجمع بين مُرسل صمام ثنائي باعث للضوء (LED) يعمل بالأشعة تحت الحمراء (IR) من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ومستقبل ترانزستور ضوئي من السيليكون من نوع NPN عالي الحساسية داخل عبوة بلاستيكية واحدة جنبًا إلى جنب. يتيح هذا التكوين له اكتشاف وجود أو غياب سطح عاكس من خلال قياس شدة ضوء الأشعة تحت الحمراء المنعكس مرة أخرى إلى المستقبل.

يتميز الجهاز بوقت استجابة سريع، وحساسية عالية لضوء الأشعة تحت الحمراء، واستجابة طيفية تقطع الأطوال الموجية المرئية، مما يجعله محصنًا ضد تداخل الضوء المحيط المرئي. يتم تصنيعه ليكون خاليًا من الرصاص، ومتوافقًا مع توجيهات الاتحاد الأوروبي RoHS وREACH، ويُلبي متطلبات الخلو من الهالوجين (Br <900 جزء في المليون، Cl <900 جزء في المليون، Br+Cl < 1500 جزء في المليون).

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الأساسية لهذا المستشعر مظهره الرفيع، وبصمة صغيرة، واستجابة بصرية سريعة، وهي أمور حاسمة للتطبيقات المحدودة المساحة وعالية السرعة. يجعل تصميمه مناسبًا لمختلف الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والمعدات التي يتم التحكم فيها بواسطة الحواسيب الدقيقة حيث يكون هناك حاجة إلى كشف موثوق للأجسام دون تلامس.

تشمل التطبيقات المستهدفة النموذجية استشعار الموضع في أجهزة مثل الكاميرات الرقمية (للكشف عن العدسة أو الغطاء)، وأجهزة تسجيل الفيديو (VCRs)، ومشغلات الأقراص المرنة، وأجهزة تسجيل الأشرطة، وأنظمة التحكم الآلي الأخرى.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

يجب عدم تشغيل الجهاز خارج هذه الحدود لمنع تلف دائم. تشمل التقييمات الرئيسية تبدد طاقة المدخل (LED) بقدر 75 ميلي واط عند درجة حرارة هواء حر 25°مئوية، وأقصى تيار أمامي (IF) بقيمة 50 مللي أمبير، وأقصى تيار أمامي ذروة (IFP) بقيمة 1 أمبير للنبضات ≤100 ميكروثانية عند دورة عمل 1%. بالنسبة للمخرج (الترانزستور الضوئي)، فإن أقصى تبدد طاقة للمجمع هو 75 ميلي واط، وتيار المجمع (IC) هو 50 مللي أمبير، وجهد المجمع-الباعث (BV_CEO) هو 30 فولت. نطاق درجة حرارة التشغيل هو من -40°مئوية إلى +85°مئوية.

2.2 الخصائص الكهروبصرية

يتم تحديد هذه المعايير عند درجة حرارة محيطة (T_a) قدرها 25°مئوية وتحدد أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل العادية.

2.2.1 خصائص المدخل (الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء)

• الجهد الأمامي (V_F):عادةً 1.2 فولت عند تيار أمامي (I_F) بقيمة 20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.6 فولت. هذا أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة تشغيل LED.
• الطول الموجي الذروة (λ_P):940 نانومتر، مما يضع انبعاثه بقوة في الطيف القريب من الأشعة تحت الحمراء.

2.2.2 خصائص المخرج (الترانزستور الضوئي)

• تيار الظلام (I_CEO):تيار التسرب عندما لا يسقط ضوء، بحد أقصى 100 نانو أمبير عند V_CE=10 فولت. تشير القيمة الأقل إلى أداء أفضل في حالة الإيقاف.
• تيار الضوء (I_C(ON)):تيار المجمع عندما يكون LED نشطًا وينعكس الضوء على المستقبل. له نطاق واسع من 0.5 مللي أمبير إلى 15.0 مللي أمبير تحت ظروف الاختبار V_CE=2 فولت و I_F=4 مللي أمبير. يعتمد هذا المعيار بشدة على انعكاسية ومسافة الجسم المستهدف.
• وقت الصعود/الانخفاض (t_r, t_f):عادةً 20 ميكروثانية لكل منهما، مما يحدد سرعة تبديل المستشعر.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح العلاقة بين المعايير الرئيسية تحت ظروف متغيرة. هذه الرسوم ضرورية لفهم السلوك في العالم الحقيقي بما يتجاوز نقطة 25°مئوية النموذجية.

3.1 خصائص الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء

تُظهر المنحنيات كيف يختلف التيار الأمامي مع درجة الحرارة المحيطة والجهد الأمامي. للجهد الأمامي معامل درجة حرارة سالب، مما يعني أنه يتناقص مع زيادة درجة الحرارة. يؤكد منحنى التوزيع الطيفي على الانبعاث الذروة عند 940 نانومتر، مع تحول الطول الموجي الذروة نفسه قليلاً مع درجة الحرارة.

3.2 خصائص الترانزستور الضوئي

تشمل المنحنيات المهمة تيار الظلام للمجمع مقابل درجة الحرارة المحيطة (يزداد بشكل أسي مع درجة الحرارة)، وتيار المجمع مقابل الإشعاع (يوضح استجابة الترانزستور الضوئي لشدة الضوء)، وتيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث. يُظهر منحنى الحساسية الطيفية أن المستقبل أكثر حساسية لضوء الأشعة تحت الحمراء حول 800-900 نانومتر، وهو متطابق جيدًا مع ناتج LED البالغ 940 نانومتر.

3.3 خصائص المستشعر الكامل (ITR)

تُمثل هذه الرسوم البيانية سلوك المستشعر في إعداد عاكس عملي. يُعد منحنىتيار المجمع النسبي مقابل المسافةحرجًا لتصميم النظام، حيث يُظهر كيف يضمحل إشارة الخرج مع زيادة الفجوة بين المستشعر وسطح عاكس (مثل الزجاج المطلي بالألمنيوم). يُظهر منحنى آخر تغير الخرج مع تحرك بطاقة عبر مجال رؤية المستشعر، وهو مفيد للكشف عن الحافة أو الفتحة. يساعد رسم وقت الاستجابة مقابل مقاومة الحمل في اختيار مقاومة سحب مناسبة لتحسين السرعة.

4. معلومات الميكانيكا والعبوة

4.1 أبعاد العبوة

يأتي الجهاز في عبوة مضغوطة للتركيب السطحي. توفر ورقة البيانات رسومات أبعاد مفصلة مع قياسات حرجة مثل الطول الإجمالي، والعرض، والارتفاع، وتباعد الأطراف، وأبعاد الوسادة. جميع التسامحات هي عادةً ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يجب على المهندسين الرجوع إلى هذه الرسومات الدقيقة لتصميم بصمة PCB لضمان اللحام المناسب والمحاذاة الميكانيكية.

4.2 تحديد القطبية

تتضمن العبوة علامات أو شكلًا محددًا للإشارة إلى الطرف 1. التوجيه الصحيح أثناء التجميع أمر حيوي، حيث يمكن أن يؤدي الاتصال العكسي إلى إتلاف الجهاز. يُحدد مخطط التوصيلات الأنود والكاثود لـ LED بالأشعة تحت الحمراء والمجمع والباعث للترانزستور الضوئي.

5. إرشادات اللحام والتركيب والتخزين

5.1 حساسية الرطوبة والتخزين

تم تصنيف الجهاز بمستوى حساسية الرطوبة (MSL) 4. تشمل تعليمات التعامل الرئيسية:

• العمر الافتراضي في كيس الحاجز الرطوبي الأصلي المغلق: 12 شهرًا عند <40°مئوية و <90% رطوبة نسبية.
• بعد فتح الكيس، يجب تركيب الأجهزة خلال 72 ساعة إذا تم تخزينها في ظروف المصنع (<30°مئوية/60% رطوبة نسبية)، أو تخزينها في بيئة جافة (<20% رطوبة نسبية).
• إذا تجاوزت بطاقة مؤشر الرطوبة (HIC) 20% رطوبة نسبية، يلزم الخبز قبل لحام إعادة التدفق (مثل 24 ساعة عند 125°مئوية).

5.2 ظروف لحام إعادة التدفق

يتم توفير ملف درجة حرارة موصى به لإعادة تدفق اللحام الخالي من الرصاص. تشمل الاحتياطات الرئيسية:

• تقييد لحام إعادة التدفق إلى حد أقصى دورتين.
• تجنب الإجهاد الميكانيكي على العبوة أثناء التسخين.
• منع انحناء PCB بعد اللحام.

5.3 الإصلاح

يُفضل عدم إجراء إصلاح بعد اللحام. إذا كان لا مفر منه، فيجب استخدام مكواة لحام برأسين لتسخين جانبي المكون في وقت واحد، لتقليل الإجهاد الحراري. يجب تقييم التأثير المحتمل على خصائص الجهاز مسبقًا.

6. معلومات التعبئة والطلب

6.1 مواصفات التعبئة

تدفق التعبئة القياسي هو: 1000 قطعة لكل بكرة، 15 بكرة لكل صندوق، وصندوقين لكل كرتونة.

6.2 أبعاد الشريط والبكرة

يتم توفير رسومات مفصلة للشريط الحامل (أبعاد الجيب، المسافة) والبكرة (القطر، حجم المحور) للاستخدام في برمجة آلة الاختيار والوضع الآلية.

6.3 مواصفات الملصق

تتضمن ملصقات التعبئة حقولًا لرقم جزء العميل (CPN)، ورقم المنتج (P/N)، والكمية (QTY)، ورقم الدفعة (LOT No.)، وغيرها، للتتبع.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 دوائر التطبيق النموذجية

تتضمن دائرة تطبيق أساسية توصيل مقاومة محددة للتيار على التوالي مع أنود LED بالأشعة تحت الحمراء. عادةً ما يتم توصيل الترانزستور الضوئي مع المجمع إلى مقاومة سحب (V_CC) والباعث إلى الأرض. يعمل الجهد عند عقدة المجمع كإشارة خرج رقمية أو تماثلية. تؤثر قيمة مقاومة السحب (R_L) على كل من تأرجح جهد الخرج ووقت الاستجابة، كما هو موضح في منحنيات ورقة البيانات.

7.2 اعتبارات التصميم

• انعكاسية الجسم:خرج المستشعر (I_C(ON)) يتناسب طرديًا مع انعكاسية السطح المستهدف. توفر المواد عالية الانعكاسية (مثل البلاستيك الأبيض، المعدن) إشارة قوية، بينما قد لا تفعل ذلك المواد الداكنة أو الماصة.
• المسافة والمحاذاة:مسافة الاستشعار قصيرة (عادةً بضعة ملليمترات). المحاذاة الميكانيكية الدقيقة بين المستشعر ومسار الهدف أمر بالغ الأهمية للتشغيل المتسق.
• مناعة الضوء المحيط:بينما تقطع الحساسية الطيفية للمستقبل الضوء المرئي، يمكن لمصادر الأشعة تحت الحمراء المحيطة القوية (مثل ضوء الشمس، المصابيح المتوهجة) أن تسبب تداخلًا. قد تكون تقنيات الحجب البصري أو التضمين/فك التضمين ضرورية في مثل هذه البيئات.
• الضوضاء الكهربائية:في البيئات الصاخبة، يُوصى باستخدام مكثفات تجاوز بالقرب من الجهاز وتخطيط PCB دقيق.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بالترانزستورات الضوئية أو الثنائيات الضوئية الأبسط، يجمع ITR8307 بين المرسل والمستقبل، مما يبسط التصميم والمحاذاة البصرية. مقابل أجهزة الاستشعار الناقلة (التي تتطلب كائنًا لكسر شعاع بين مكونات منفصلة)، تسمح أجهزة الاستشعار العاكسة بتصميم ميكانيكي أبسط مع الاستشعار على جانب واحد من الجسم. عوامل التمييز الرئيسية هي عبوة SMD المضغوطة، والامتثال للوائح البيئية الحديثة (خالي من الرصاص، خالي من الهالوجين)، والأداء الموثق جيدًا عبر درجات الحرارة.

9. الأسئلة الشائعة (FAQs) بناءً على المعايير التقنية

س: ما هي مسافة الاستشعار النموذجية؟

ج: المسافة ليست مواصفة ثابتة ولكنها تعتمد على انعكاسية الهدف وتيار الخرج المطلوب. يُظهر رسم "تيار المجمع النسبي مقابل المسافة" أن الإشارة تضمحل بشكل كبير بعد 1-2 مم لسطح عاكس قياسي. صمم لأقصر مسافة موثوقة.

س: هل يمكنني تشغيل LED بمصدر جهد مباشرة؟

ج: لا. LED هو جهاز يعمل بالتيار. يجب عليك استخدام مقاومة محددة للتيار على التوالي لضبط التيار الأمامي (I_F) إلى القيمة المطلوبة (مثل 20 مللي أمبير) بناءً على جهد التغذية الخاص بك (V_CC) والجهد الأمامي لـ LED (V_F≈ 1.2 فولت). R_limit= (V_CC- V_F) / I_F.

س: لماذا يوجد نطاق واسع جدًا لتيار الضوء (من 0.5 إلى 15.0 مللي أمبير)؟

ج: يأخذ هذا النطاق في الاعتبار الاختلافات الطبيعية في التصنيع في كل من طاقة خرج LED وحساسية الترانزستور الضوئي. كما يؤكد على الاعتماد القوي للمعيار على الهدف العاكس المحدد والمسافة في التطبيق. يجب أن تستوعب تصميمات الدوائر هذا النطاق، غالبًا باستخدام مقارن مع عتبة قابلة للتعديل بدلاً من الاعتماد على قيمة تيار مطلقة.

س: كيف أفسر تصنيف MSL 4؟

ج: يعني MSL 4 أن العبوة يمكنها امتصاص مستويات ضارة من الرطوبة من الهواء بعد 72 ساعة من التعرض لظروف أرضية المصنع القياسية. لتجنب "انفجار" أو انفصال الطبقات أثناء عملية إعادة التدفق عالية الحرارة، يجب عليك اتباع إرشادات التخزين والتعامل والخبز الصارمة الموضحة في القسم 5.1.

10. مثال تطبيقي عملي

سيناريو: كشف الورق في طابعة.

يمكن تركيب المستشعر بالقرب من مسار تغذية الورق. يتم وضع شريط عاكس على أسطوانة أو سطح ثابت مقابل موقع المستشعر. عندما لا يكون الورق موجودًا، ينعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء من الشريط مرة أخرى إلى المستقبل، مما يولد خرجًا مرتفعًا (منطق HIGH). عندما تمر ورقة بين المستشعر والشريط، فإنها تحجب أو تقلل بشكل كبير الضوء المنعكس، مما يتسبب في انخفاض الخرج (منطق LOW). يمكن لمتحكم دقيق اكتشاف هذا الانتقال لتأكيد وجود الورق، أو اكتشاف الانسدادات، أو عد الصفحات. يسمح وقت الاستجابة السريع (20 ميكروثانية) بالكشف حتى عند سرعات تغذية ورق عالية.

11. مبدأ التشغيل

يعمل الجهاز على مبدأ انعكاس الضوء المُعدل. يصدر LED بالأشعة تحت الحمراء الداخلي حزمة من ضوء الأشعة تحت الحمراء بطول 940 نانومتر. ينتقل هذا الضوء للخارج من العبوة. إذا كان هناك جسم عاكس ضمن نطاق قصير وفي مجال رؤية كل من LED والترانزستور الضوئي، فسوف ينعكس جزء من الضوء المنبعث مرة أخرى. يعمل الترانزستور الضوئي NPN كمصدر تيار يتم التحكم فيه بالضوء. عندما تضرب فوتونات الأشعة تحت الحمراء المنعكسة منطقة القاعدة، فإنها تولد أزواج إلكترون-فجوة، مما يخلق بشكل فعال تيار قاعدة. يتم تضخيم تيار القاعدة هذا بواسطة كسب الترانزستور، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير (I_C). يتناسب حجم تيار المجمع هذا مع شدة الضوء المنعكس، والذي بدوره يعتمد على المسافة إلى الجسم المستهدف وانعكاسيته. من خلال مراقبة I_C(أو الجهد عبر مقاوم حمل)، يمكن للنظام تحديد وجود الجسم أو قربه.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل أجهزة الاستشعار البصرية العاكسة مثل ITR8307 تقنية ناضجة وموثوقة للكشف عن الأجسام قصيرة المدى ومنخفضة التكلفة. تشمل الاتجاهات الحالية في المجال التصغير الإضافي للعبوات لتناسب الأجهزة الاستهلاكية الأصغر حجمًا، ودمج دوائر تكييف الإشارة (المكبرات، مشغلات شميت، واجهات رقمية) داخل نفس العبوة لتبسيط تصميم النظام وتحسين مناعة الضوضاء، وتطوير أجهزة استشعار باستهلاك طاقة أقل لأجهزة إنترنت الأشياء التي تعمل بالبطاريات. هناك أيضًا دفع مستمر لتحقيق حساسية أعلى ورفض أفضل للضوء المحيط من خلال تحسين التصميم البصري وتقنيات التصفية.