ورقة بيانات مستشعر LTR-X130P البصري - مستشعر القرب والضوء المحيط المتكامل - واجهة I2C - 1.7V إلى 3.6V - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد مستشعر LTR-X130P مستشعرًا بصريًا عالي التكامل ومنخفض الجهد، يجمع بين وظائف استشعار القرب (PS) واستشعار الضوء المحيط (ALS) داخل حزمة ChipLED مصغرة خالية من الرصاص للتركيب السطحي. يتمحور فلسفة تصميمه الأساسية حول تمكين الكشف المتقدم عن الأجسام وقياس الضوء في التطبيقات التي تعمل بالبطارية والمقيدة بالمساحة.

تكمن الميزة الأساسية للمستشعر في تكامله على مستوى النظام. فهو يتميز بمصدر للأشعة تحت الحمراء (LED) مدمج، وثنائيات ضوئية للضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، ومحولات تناظرية إلى رقمية (ADCs)، وجهاز تحكم قابل للبرمجة بالمقاطعات، وواجهة رقمية كاملة I2C. يقلل هذا التكامل بشكل كبير من عدد المكونات الخارجية ويبسط تخطيط اللوحة المطبوعة (PCB). من ميزات الأداء الرئيسية قدرته الممتازة على قمع الضوء المحيط، حيث يمكنه العمل بدقة تحت ظروف ضوء الشمس المباشر حتى 100,000 لوكس، مما يجعله مناسبًا للبيئات الخارجية أو الداخلية المضاءة بشكل ساطع. تتيح وظيفة المقاطعة القابلة للبرمجة لوحدة التحكم الدقيقة المضيفة الدخول في أوضاع السكون منخفضة الطاقة، والاستيقاظ فقط عند تجاوز عتبات القرب المحددة، مما يحسن كفاءة الطاقة الإجمالية للنظام - وهو عامل حاسم للأجهزة المحمولة والقابلة للحمل.

يشمل السوق المستهدف مجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية وأجهزة الحوسبة. تشمل تطبيقاته الرئيسية التعتيم التلقائي لإضاءة الخلفية للشاشة والتحكم في السطوع في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والشاشات، حيث يعزز تجربة المستخدم ويوفر الطاقة. علاوة على ذلك، تُستخدم قدرته على اكتشاف الأجسام حتى 10 سم لميزات مثل التحكم بالإيماءات دون لمس، وكشف التواجد (مثل إيقاف تشغيل الشاشة عندما يبتعد المستخدم)، وتجنب العوائق البسيطة في الأجهزة المختلفة.

2. تحليل مفصل للمعايير التقنية

2.1 المواصفات الكهربائية والبصرية

يتم قياس جميع المواصفات عادةً عند جهد VDD = 2.8V ودرجة حرارة تشغيل (T_ope) تبلغ 25°C، ما لم يُذكر خلاف ذلك.

خصائص الطاقة:
يعمل المستشعر ضمن نطاق جهد إمداد واسع من 1.7V إلى 3.6V، متوافق مع مخرجات البطاريات الشائعة وخطوط الطاقة المنظمة. يبلغ تيار الإمداد النموذجي أثناء القياس النشط 95 ميكرو أمبير عند أقصى دورة عمل. ميزة مهمة لتوفير الطاقة هي وضع الاستعداد (الإيقاف)، الذي يستهلك تيارًا لا يتجاوز 1 ميكرو أمبير. وقت الاستيقاظ من وضع الاستعداد هذا إلى جاهزية القياس النشط هو عادة 10 مللي ثانية، مما يسمح باستجابة سريعة مع الحفاظ على استهلاك طاقة متوسط منخفض جدًا.

خصائص مستشعر القرب (PS):
تتميز وظيفة PS بقابلية عالية للتكوين. يمكن اختيار الدقة الفعالة بين 8، 9، 10، و11 بت، مما يسمح للمصممين بالموازنة بين دقة القياس وسرعة التحويل. يعمل مصدر الأشعة تحت الحمراء المدمج عند طول موجي ذروة يبلغ 940 نانومتر. تيار تشغيل LED قابل للبرمجة بخطوات: 2.5، 5، 10، 25، 50، 75، 100، و125 مللي أمبير، مما يتيح ضبط نطاق الكشف واستهلاك الطاقة. ينبض LED بتردد يتراوح بين 60 كيلو هرتز و100 كيلو هرتز مع دورة عمل 50%. عدد النبضات في كل دورة قياس قابل للتكوين من 1 إلى 255، مما يؤثر مباشرة على وقت التكامل والحساسية. في الظروف النموذجية (32 نبضة، 60 كيلو هرتز، تيار تشغيل 100 مللي أمبير، هدف بطاقة رمادية بنسبة 18%)، يمكن للمستشعر اكتشاف الأجسام على مسافة تصل إلى 10 سم. يتم تحديد قدرته على رفض الضوء المحيط حتى 100 ألف لوكس من ضوء الشمس المباشر.

2.2 الحدود القصوى المطلقة وظروف التشغيل

الحدود القصوى المطلقة:هذه هي حدود الإجهاد التي لا يجب تجاوزها، حتى للحظة، لمنع التلف الدائم. يجب ألا يتجاوز جهد الإمداد (VDD) 4.0V. يتراوح جهد دبابيس الإدخال/الإخراج الرقمية (SCL, SDA, INT) ودبوس LDR بين -0.5V و +4.0V. يمكن تخزين الجهاز في درجات حرارة تتراوح بين -40°C و +100°C.

ظروف التشغيل الموصى بها:تحدد هذه الظروف البيئة التشغيلية العادية للأداء الموثوق. يجب الحفاظ على VDD بين 1.7V و 3.6V. يتطلب إمداد مصعد LED (VLED) مصدرًا منفصلاً بجهد 3.0V إلى 4.5V. تتعرف واجهة I2C على المستوى المنطقي العالي (V_I2Chigh) عند ≥1.5V والمستوى المنطقي المنخفض (V_I2Clow) عند ≤0.4V. نطاق درجة حرارة التشغيل الكامل هو من -40°C إلى +85°C، مما يضمن الوظيفة في البيئات القاسية.

2.3 الخصائص الكهربائية للتيار المتردد (واجهة I2C)

يدعم المستشعر كلاً من وضع I2C القياسي (100 كيلو هرتز) والوضع السريع (400 كيلو هرتز). تشمل معايير التوقيت الرئيسية: تردد ساعة SCL (f_SCL) من 0 إلى 400 كيلو هرتز، وقت حرية الناقل (t_BUF) بحد أدنى 1.3 ميكرو ثانية، فترة SCL المنخفضة (t_LOW) بحد أدنى 1.3 ميكرو ثانية، فترة SCL العالية (t_HIGH) بحد أدنى 0.6 ميكرو ثانية، ووقت إعداد البيانات (t_SU:DAT) بحد أدنى 100 نانو ثانية. يجب أن تكون أوقات الصعود والهبوط لإشارات SDA و SCL أقل من 300 نانو ثانية. يقوم مرشح إدخال بقمع النبضات الضوضائية الأقصر من 50 نانو ثانية.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات رسوم بيانية نموذجية للأداء ضرورية للتصميم.

عدد PS مقابل المسافة:يوضح هذا المنحنى العلاقة بين المخرجات الرقمية الأولية (عدد PS) من المستشعر والمسافة إلى بطاقة رمادية قياسية ذات انعكاسية 18%. يكون المنحنى عادة غير خطي، حيث يُظهر زيادة سريعة في العدد مع انخفاض المسافة بالقرب جدًا من المستشعر، يليها انخفاض تدريجي أكثر مع زيادة المسافة. هذا الرسم البياني حاسم لمعايرة المستشعر وضبط عتبات المقاطعة المناسبة لنطاقات الكشف المحددة في التطبيق.

استجابة الزاوية للمصدر:يصور هذا الرسم البياني نمط الإشعاع المكاني لـ LED للأشعة تحت الحمراء المدمج. يُظهر شدة الضوء تحت الأحمر المنبعث كدالة للزاوية من المحور المركزي (عادة رسم قطبي). قد يُظهر النمط النموذجي لهذه الحزمة توزيعًا واسعًا يشبه لامبرتيان. فهم هذا النمط حيوي للتصميم الميكانيكي، حيث يؤثر على مجال الرؤية الفعال ومنطقة الكشف لمستشعر القرب. المحاذاة الصحيحة لأي نافذة غطاء أو عدسة مع هذا النمط ضرورية لتحقيق النطاق المحدد البالغ 10 سم.

4. معلومات الميكانيكا والحزمة

يُحفظ مستشعر LTR-X130P في حزمة ChipLED سطحية ذات 8 دبابيس. يتم توفير أبعاد المخطط التفصيلي في ورقة البيانات بجميع القياسات بالمليمترات. التسامح البعدي للميزات غير المحددة هو ±0.2 مم. تم تصميم الحزمة لعمليات اللحام القياسي الآلي (Pick-and-Place) وإعادة التدفق الشائعة في تصنيع الإلكترونيات بالحجم الكبير.

5. إرشادات اللحام والتجميع

على الرغم من عدم تفصيل ملفات إعادة التدفق المحددة في المقتطف المقدم، إلا أن الجهاز مخصص لتجميع تقنية التركيب السطحي القياسية (SMT). يُوصى باتباع إرشادات JEDEC J-STD-020 لملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص. يجب التأكد من مستوى حساسية الرطوبة (MSL) من مواصفات الحزمة الكاملة. عادةً ما يتم توريد الأجهزة في كيس جاف مع مجفف، ويجب خبزها وفقًا للإجراءات القياسية إذا أظهرت بطاقة مؤشر الرطوبة للكيس تعرضًا مفرطًا للرطوبة قبل الاستخدام.

6. معلومات التعبئة والطلب

التعبئة القياسية لمستشعر LTR-X130P هي الشريط والبكرة، متوافقة مع معدات التجميع الآلي. تحتوي كل بكرة على 8000 وحدة. رقم الجزء هو LTR-X130P.

7. توصيات تصميم التطبيق

7.1 دائرة التطبيق النموذجية

تسلط دائرة التطبيق الموصى بها الضوء على اعتبارات التصميم الحرجة. أحد المتطلبات الأساسية هو فصل إمداد الطاقة الرقمي (VDD، 1.7-3.6V) وإمداد مصعد LED (VLED، 3.0-4.5V). هذا الفصل إلزامي لضمان تيار تشغيل LED مستقر ومنع الضوضاء من نبضات LED من الاقتران بخطوط إمداد الطاقة التناظرية والرقمية الحساسة. تتضمن الدائرة مقاومات سحب لأعلى (Rp1, Rp2, Rp3) على خطوط SDA و SCL و INT. يجب اختيار قيمتها (1 كيلو أوم إلى 10 كيلو أوم) بناءً على السعة الكلية للناقل ووقت الصعود المطلوب لتلبية مواصفات I2C. مكثفات إزالة الاقتران أساسية: يجب وضع مكثف سيراميكي 1 ميكروفاراد ±20% من نوع X7R/X5R (C1) أقرب ما يكون إلى دبوس VDD، كما يُوصى أيضًا بمكثف 0.1 ميكروفاراد (C2). يُستخدم مكثف مماثل سعة 1 ميكروفاراد (C3) على خط VLED.

7.2 تكوين الدبوس والوظيفة

• الدبوس 1 (SDA):خط البيانات التسلسلي I2C (ثنائي الاتجاه).
• الدبوس 2 (INT):مخرج المقاطعة النشط عند المستوى المنخفض. يتم تفعيله عند حدوث حدث قرب قابل للبرمجة.
• الدبوس 3 (LDR):يتصل بكاثود LED. عند استخدام السائق الداخلي، يتم توصيل هذا الدبوس بالدبوس 4 (LEDK).
• الدبوس 4 (LEDK):اتصال كاثود LED.
• الدبوس 5 (LEDA):اتصال مصعد LED. يجب تزويده من خط VLED المنفصل (3.0-4.5V).
• الدبوس 6 (GND):أرضي النظام.
• الدبوس 7 (SCL):مدخل ساعة التسلسل I2C.
• الدبوس 8 (VDD):مدخل إمداد الطاقة الرقمي (1.7-3.6V).

8. المقارنة التقنية والتمييز

يتميز مستشعر LTR-X130P من خلال التكامل العالي والأداء القوي في الظروف الصعبة. مقارنة بالحلول المنفصلة (LED للأشعة تحت الحمراء منفصل، ثنائي ضوئي، وIC لتكييف الإشارة)، فإنه يوفر بصمة أصغر بشكل كبير، وعملية تصميم مبسطة، وقائمة مواد (BOM) مخفضة. مقارنة بمستشعرات القرب المتكاملة الأخرى، تشمل مزاياه الرئيسية المناعة العالية جدًا للضوء المحيط تصل إلى 100 ألف لوكس، وهي متفوقة على العديد من المنافسين، وإعدادات تيار LED وعدد النبضات القابلة للبرمجة والمرنة التي تتيح الضبط الدقيق لمتطلبات النطاق والطاقة ووقت الاستجابة المحددة. تضمن المعايرة في المصنع الحد الأدنى من التباين بين الوحدات، مما يحسن إنتاجية التصنيع واتساق المنتجات النهائية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: لماذا يجب أن يكون VDD و VLED خطي طاقة منفصلين؟
ج: يمكن أن تسحب نبضات LED تيارًا كبيرًا (يصل إلى 125 مللي أمبير). مشاركة خط إمداد واحد ستسبب انخفاضات كبيرة في الجهد أو ضوضاء على خط VDD، مما قد يؤدي إلى عدم استقرار الواجهة الأمامية التناظرية الحساسة والمنطق الرقمي للمستشعر، مما يؤدي إلى قراءات غير دقيقة أو أحداث إعادة تعيين. تعزل الخطوط المنفصلة هذه الضوضاء.

س: كيف يمكنني زيادة نطاق الكشف إلى ما بعد 10 سم؟
ج: يتأثر النطاق بتيار LED، وعدد النبضات، وانعكاسية الهدف. لزيادة النطاق، يمكنك برمجة تيار LED أعلى (حتى 125 مللي أمبير) و/أو زيادة عدد النبضات في كل قياس (حتى 255). لاحظ أن هذا سيزيد من استهلاك الطاقة في كل دورة قياس.

س: كيف تساعد وظيفة المقاطعة في توفير الطاقة؟
ج: بدلاً من قيام وحدة التحكم الدقيقة المضيفة باستطلاع المستشعر باستمرار للحصول على القراءات (مما يحافظ على نشاط ناقل I2C ووحدة المعالجة المركزية)، يمكن تكوين المستشعر بعتبات علوية وسفلية للقرب. تضع المضيفة المستشعر ونفسها في وضع الطاقة المنخفضة. فقط عندما يدخل جسم أو يغادر منطقة القرب المحددة، يقوم المستشعر بتفعيل خط INT، مما يوقظ المضيفة لاتخاذ إجراء. هذا يقلل من نشاط النظام إلى الحد الأدنى.

س: ما هو الغرض من ميزة إلغاء التداخل؟
ج: في الحزمة المدمجة، يمكن لبعض الضوء تحت الأحمر من المصدر الداخلي أن يتسرب مباشرة أو ينعكس داخليًا على الثنائي الضوئي دون الاصطدام بجسم خارجي. هذا يخلق إزاحة دائمة أو إشارة "تداخل". يتضمن المستشعر دوائر لقياس وطرح هذا الإزاحة رقميًا، مما يضمن أن عدد القرب يمثل حقًا الضوء المنعكس من جسم خارجي.

10. دراسات حالة التصميم والاستخدام

دراسة الحالة 1: إدارة شاشة الهاتف الذكي:في الهاتف الذكي، يتم وضع مستشعر LTR-X130P بالقرب من سماعة الأذن. عندما يقرب المستخدم الهاتف من أذنه أثناء المكالمة، يكتشف المستشعر قرب الرأس (ضمن ~2-5 سم). يؤدي ذلك إلى تشغيل مقاطعة لمعالج التطبيق، والذي يقوم بعد ذلك بإيقاف تشغيل شاشة اللمس لمنع اللمسات العرضية بالخد وتعتيم إضاءة الخلفية لتوفير الطاقة. عندما يُبعد الهاتف، يتم استعادة الشاشة.

دراسة الحالة 2: كشف التواجد في كشك تفاعلي:يستخدم كشك المعلومات العام المستشعر للكشف عن اقتراب شخص ضمن 50 سم. عند الكشف، يستيقظ من حالة السكون منخفضة الطاقة، وينشط الشاشة، ويعرض حلقة جذب. إذا لم يتم اكتشاف أي شخص لفترة محددة، فإنه يعود إلى وضع السكون، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة مقارنة بالتشغيل على مدار الساعة.

11. مبادئ التشغيل

يعمل مستشعر LTR-X130P على مبدأ استشعار القرب النشط بالأشعة تحت الحمراء واستشعار الضوء المحيط الضوئي. لقياس القرب، يؤدي المتحكم الدقيق الداخلي إلى تشغيل LED للأشعة تحت الحمراء المدمج لبعث سلسلة من النبضات المعدلة عند 940 نانومتر. أي جسم أمام المستشعر يعكس جزءًا من هذا الضوء مرة أخرى. يحول الثنائي الضوئي الحساس للأشعة تحت الحمراء المخصص شدة الضوء المنعكس إلى تيار ضوئي صغير. يتم تكامل هذا التيار وتحويله إلى قيمة رقمية بواسطة محول تناظري إلى رقمي عالي الدقة. تتناسب قوة هذه القيمة الرقمية (عدد PS) مع انعكاسية وقرب الجسم. يقيس المستشعر الضوء المحيط في نفس الوقت باستخدام ثنائي ضوئي منفصل للضوء المرئي، تتم معالجة مخرجه لطرح مكون الأشعة تحت الحمراء المحيط من إشارة القرب، مما يعزز الدقة.

تتبع اتصالات I2C البروتوكولات القياسية. للجهاز عنوان ثابت للعبد مكون من 7 بت وهو 0x53. يستخدم وحدة التحكم الرئيسية هذا العنوان لكتابة سجلات التكوين (مثل ضبط تيار LED، وعدد النبضات، وعتبات المقاطعة) ولقراءة بيانات القرب والضوء المحيط مرة أخرى. يتم تنفيذ بروتوكولات القراءة والكتابة، بما في ذلك الكتابة الفردية، والكتابة المتسلسلة، وقراءات التنسيق المجمعة (بداية متكررة)، وفقًا لمواصفات I2C.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يتبع تطور أجهزة الاستشعار مثل LTR-X130P عدة اتجاهات صناعية واضحة. هناك دفع مستمر نحو تكامل أعلى، يجمع المزيد من الوظائف (مثل استشعار الألوان، والتعرف على الإيماءات) في حزم واحدة مع تقليل البصمة. تظل كفاءة الطاقة ذات أهمية قصوى، مما يدفع نحو تيارات نشطة واستعداد أقل ومخططات استيقاظ أكثر ذكاءً. يتحسن الأداء في البيئات القاسية، مع مناعة أفضل لضوء الشمس ونطاقات حرارة أوسع. علاوة على ذلك، هناك اتجاه نحو أجهزة استشعار "أكثر ذكاءً" مع خوارزميات مضمنة توفر بيانات مُعالجة مسبقًا على مستوى أعلى (مثل أعلام "جسم موجود/غير موجود" بدلاً من الأعداد الأولية) لتخفيف الحمل عن معالج التطبيق الرئيسي وتبسيط تطوير البرمجيات.