ورقة بيانات مستشعر الضوئي القاطع ITR20403 - عبوة 4.0x3.0x2.0 مم - جهد أمامي 1.6 فولت - تبديد طاقة 75 ميلي واط - الأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد ITR20403 وحدة ضوئية قاطعة مدمجة مصممة لتطبيقات الاستشعار عديمة التلامس. فهو يدمج ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء (IRED) وترانزستور ضوئي من السيليكون داخل غلاف بلاستيكي حراري أسود واحد صغير الحجم. الوظيفة الأساسية للجهاز هي اكتشاف قطع شعاع ضوء الأشعة تحت الحمراء بين مكوناته الباعثة والمستقبلة.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

يقدم الجهاز عدة مزايا رئيسية تجعله مناسبًا للتطبيقات الدقيقة. وقت استجابته السريع وحساسيته العالية يمكّنان من الكشف الموثوق عن حركات الأجسام السريعة. يسهل التصميم الرقيق والصغير دمجه في التصاميم محدودة المساحة الشائعة في الإلكترونيات الاستهلاكية ومعدات أتمتة المكاتب. إحدى الميزات التقنية الهامة هي تصميم الغلاف، الذي يسمح للترانزستور الضوئي بتلقي الإشعاع بشكل أساسي من صمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء المدمج، مما يقلل من التداخل والضوضاء من مصادر الضوء المحيطة. تشمل الأسواق المستهدفة الرئيسية أجهزة التصوير، وأنظمة معالجة المستندات، ومختلف عناصر التحكم الآلي التي تتطلب كشفًا دقيقًا للموضع أو الوجود.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يقدم هذا القسم تفسيرًا تفصيليًا وموضوعيًا للمواصفات الكهربائية والبصرية والحرارية للجهاز كما هي محددة في ورقة البيانات.

2.1 المواصفات القصوى المطلقة

تحدد المواصفات القصوى المطلقة حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. هذه ليست ظروف تشغيل موصى بها.

• تبديد طاقة الدخل (IRED) (Pd):75 ميلي واط كحد أقصى عند درجة حرارة هواء حر 25 درجة مئوية أو أقل. تجاوز هذا الحد يعرض شريحة الصمام الثنائي الباعث للضوء لخطر التلف الحراري.
• جهد الدخل العكسي (VR):5 فولت كحد أقصى. تطبيق جهد عكسي أعلى يمكن أن يسبب انهيار الوصلة.
• التيار الأمامي المستمر (IF):50 مللي أمبير كحد أقصى. هذا هو أعلى تيار مستمر يمكن لصمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء تحمله.
• تبديد طاقة الخرج (الترانزستور الضوئي) (Pd):75 ميلي واط كحد أقصى عند درجة حرارة هواء حر 25 درجة مئوية أو أقل.
• تيار المجمع (IC):20 مللي أمبير كحد أقصى لخرج الترانزستور الضوئي.
• جهد المجمع-الباعث (BV_CEO):30 فولت كحد أقصى. هذا هو جهد الانهيار مع القاعدة مفتوحة.
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):من -25 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية. يتم ضمان عمل الجهاز ضمن نطاق درجة الحرارة المحيطة هذا.
• درجة حرارة التخزين (T_stg):من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية.
• درجة حرارة لحام الأطراف (T_sol):260 درجة مئوية كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 3 مم من جسم العبوة. هذا أمر بالغ الأهمية للتحكم في عملية التجميع.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات تحت ظروف الاختبار القياسية (Ta=25 درجة مئوية) وتمثل الأداء النموذجي للجهاز.

• الجهد الأمامي (V_F):عادة 1.23 فولت، بحد أقصى 1.6 فولت عند I_F=20 مللي أمبير. هذه المعلمة أساسية لتصميم دائرة القيادة المحددة للتيار لصمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء.
• الطول الموجي الذروي (\u03bb_P):940 نانومتر. هذا هو الطول الموجي الاسمي للضوء تحت الأحمر المنبعث، والذي يتطابق مع ذروة حساسية الترانزستور الضوئي المستقبل.
• تيار المجمع في الظلام (I_CEO):100 نانو أمبير كحد أقصى عند V_CE=20 فولت مع إضاءة صفرية. يحدد تيار التسرب هذا الحد الأدنى للضوضاء في المستشعر في حالة "الإيقاف".
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(sat)):0.4 فولت كحد أقصى عند I_C=2 مللي أمبير وإشعاع (E_e) بقدرة 1 ميلي واط/سم\u00b2. يُفضل جهد تشبع منخفض لتطبيقات التبديل الرقمية.
• تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(on)):يتراوح من حد أدنى 0.2 مللي أمبير إلى حد أقصى 5.0 مللي أمبير تحت ظروف الاختبار V_CE=5 فولت و I_F=20 مللي أمبير. يشير هذا النطاق الواسع إلى التباين في نسبة النقل الحالي (CTR) بين الأجهزة، والذي يجب أخذه في الاعتبار في تصميم الدائرة.
• زمن الصعود/الهبوط (t_r, t_f):عادة 15 ميكروثانية لكل منهما تحت ظروف التبديل المحددة. هذا يحدد أقصى تردد تبديل يمكن تحقيقه للجهاز.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات منحنيات الخصائص النموذجية التي توفر نظرة ثاقبة على سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

3.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح هذا المنحنى ضرورة تخفيض تصنيف التيار الأمامي لصمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. لمنع تجاوز درجة حرارة الوصلة القصوى وضمان الموثوقية على المدى الطويل، يجب تقليل تيار التشغيل عند استخدام الجهاز في بيئات عالية الحرارة. يجب على المصممين الرجوع إلى هذا الرسم البياني لتحديد تيار التشغيل الآمن لأقصى درجة حرارة محيطة لتطبيقهم المحدد.

3.2 الحساسية الطيفية

يتم توفير منحنيات حساسية طيفية منفصلة لكل من باعث الأشعة تحت الحمراء والترانزستور الضوئي. يُظهر منحنى باعث الأشعة تحت الحمراء الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الطول الموجي، حيث تبلغ ذروتها عند 940 نانومتر. يُظهر منحنى الترانزستور الضوئي استجابته النسبية مقابل الطول الموجي للضوء الساقط، مع ذروة مصممة لتتوافق مع خرج الباعث. تقلل الاستجابة الضيقة والمطابقة الحساسية للضوء المحيط المرئي، وهي ميزة رئيسية للتشغيل المستقر في ظروف إضاءة متغيرة.

3.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي

يُظهر منحنى التيار-الجهد هذا لصمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء العلاقة غير الخطية بين الجهد الأمامي والتيار. إنه أمر بالغ الأهمية لاختيار نظام مناسب لتحديد التيار (مثل المقاوم، مصدر تيار ثابت) لضمان خرج مستقر للأشعة تحت الحمراء على نطاق درجة حرارة التشغيل وعبر تباينات الإنتاج.

4. المعلومات الميكانيكية ومواصفات التغليف

4.1 أبعاد العبوة

يتم وضع الجهاز في عبوة مدمجة. تشمل الأبعاد الرئيسية عرض الجسم حوالي 4.0 مم، وعمق 3.0 مم، وارتفاع 2.0 مم. تباعد الأطراف هو 2.54 مم (0.1 بوصة)، وهو تباعد قياسي للتركيب على لوحة الدوائر المطبوعة ذات الثقوب. جميع التسامحات الأبعاد هي \u00b10.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم قياس الأطراف عند خروجها من جسم العبوة.

4.2 تحديد القطبية والتركيب

يحتوي المكون على أربعة أطراف. الاتفاقية القياسية لمثل هذه المقاطع الضوئية هي أن الطرفين على جانب واحد ينتميان إلى باعث الأشعة تحت الحمراء (الأنود والكاثود)، والطرفان على الجانب المقابل ينتميان إلى الترانزستور الضوئي (الباعث والمجمع). يجب التحقق من توزيع الأطراف الدقيق من مخطط العبوة. عند التركيب، يجب محاذاة ثقوب لوحة الدوائر المطبوعة بدقة مع مواقع الأطراف لتجنب فرض إجهاد ميكانيكي على جسم الإيبوكسي أثناء الإدخال، مما قد يؤدي إلى تدهور الأداء أو التسبب في فشل.

5. إرشادات اللحام والتجميع

المناولة الصحيحة أمر بالغ الأهمية للحفاظ على سلامة الجهاز وأدائه.

5.1 تشكيل الأطراف

إذا كان ثني الأطراف مطلوبًا، فيجب إجراؤهقبلاللحام. يجب إجراء الانحناء على مسافة أكبر من 3 مم من أسفل جسم عبوة الإيبوكسي. يجب تثبيت إطار الأطراف بشكل آمن أثناء الثني لمنع نقل الإجهاد إلى لمبة الإيبوكسي الهشة، مما قد يتسبب في تشقق أو تلف داخلي. يجب إجراء قطع الأطراف في درجة حرارة الغرفة.

5.2 عملية اللحام

يجب الحفاظ على مسافة لا تقل عن 3 مم بين نقطة اللحام ولمبة الإيبوكسي. الظروف الموصى بها هي:

• اللحام اليدوي:درجة حرارة طرف المكواة بحد أقصى 300 درجة مئوية (لمكواة 30 واط)، وقت اللحام بحد أقصى 3 ثوانٍ لكل طرف.
• اللحام بالموجة/الغمس:درجة حرارة التسخين المسبق بحد أقصى 100 درجة مئوية لمدة تصل إلى 60 ثانية. درجة حرارة حمام اللحام بحد أقصى 260 درجة مئوية مع وقت بقاء بحد أقصى 5 ثوانٍ.

تجنب تطبيق أي إجهاد ميكانيكي على الأطراف أثناء ارتفاع درجة حرارة الجهاز. لا ينبغي إجراء اللحام بالغمس أو اليدوي أكثر من مرة. بعد اللحام، يجب حماية الجهاز من الصدمات أو الاهتزازات الميكانيكية حتى يعود إلى درجة حرارة الغرفة. لا يُنصح بعمليات التبريد السريع.

5.3 التنظيف والتخزين

التنظيف بالموجات فوق الصوتية ممنوع، لأن الاهتزازات عالية التردد يمكن أن تتلف المكونات الداخلية أو ختم الإيبوكسي. للتخزين، يجب حفظ الأجهزة عند 10-30 درجة مئوية ورطوبة نسبية 70% أو أقل لمدة تصل إلى 3 أشهر بعد الشحن. للتخزين لفترات أطول (تصل إلى عام واحد)، يُوصى باستخدام حاوية محكمة الغلق بجو نيتروجين عند 10-25 درجة مئوية ورطوبة نسبية 20-60%. بعد فتح التغليف الحساس للرطوبة، يجب استخدام الأجهزة في غضون 24 ساعة أو في أسرع وقت ممكن، مع إعادة إغلاق أي مكونات متبقية على الفور.

6. معلومات التغليف والطلب

مواصفات التعبئة القياسية هي 120 قطعة لكل أنبوب، 96 أنبوبًا لكل صندوق، وصندوقين لكل كرتون. يتضمن الملصق على العبوة حقولًا لرقم جزء العميل (CPN)، ورقم جزء الشركة المصنعة (P/N)، وكمية التعبئة (QTY)، والمرجع (REF)، ورقم الدفعة (LOT No.).

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كشف الورق في الطابعات/النساخات/الماسحات الضوئية:الكشف عن وجود الورق، أو انحشار الورق، أو الحافة الأمامية/الخلفية للمستند.
• كشف موضع غطاء العدسة أو الفلتر في الكاميرات:الاستشعار بما إذا كان غطاء العدسة مثبتًا أو إذا كانت عجلة الفلتر في الموضع الصحيح.
• الاستشعار بنقطة النهاية عديمة التلامس:يُستخدم في الماسحات الضوئية، أو الرسامات، أو المنصات الآلية للكشف عن موضع البداية أو الحد الأقصى دون تلامس مادي.
• عد أو فرز الأشياء:الكشف عن الأشياء على حزام ناقل أثناء قطعها لشعاع الأشعة تحت الحمراء.
• استشعار قرص المشفر الدوراني:قراءة الفتحات في قرص دوار لقياس السرعة أو الموضع (على الرغم من أن وحدات المشفر المخصصة غالبًا ما تكون أكثر ملاءمة للمهام عالية الدقة).

7.2 اعتبارات التصميم وواجهة الدائرة

عند التصميم باستخدام ITR20403، يجب مراعاة عدة عوامل:

1. تحديد التيار لصمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء:يجب حساب مقاومة متسلسلة بناءً على جهد الإمداد (V_CC)، والتيار الأمامي المطلوب (I_F، عادة 20 مللي أمبير للخرج المقنن)، وانخفاض الجهد الأمامي (V_F~1.23 فولت). R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. دائرة واجهة الخرج:يمكن استخدام الترانزستور الضوئي في تكوينين شائعين:
   • وضع التبديل:قم بتوصيل مقاومة سحب لأعلى (مثل 1 كيلو أوم إلى 10 كيلو أوم) من المجمع إلى V_CC. يتم توصيل الباعث بالأرض. سيكون الخرج عند المجمع منخفضًا (قريب من V_CE(sat)) عندما يكون الشعاع غير معترض (الترانزستور في حالة التشغيل) وعاليًا (V_CC) عندما يكون الشعاع معترضًا (الترانزستور في حالة الإيقاف).
   • الوضع التماثلي:يمكن استخدام الترانزستور الضوئي في تكوين باعث مشترك مع مقاومة مجمع لإنتاج جهد يتناسب مع شدة الضوء. ومع ذلك، تجعل الاستجابة غير الخطية والاعتماد على درجة الحرارة هذا الوضع أقل مثالية للقياسات التماثلية الدقيقة مقارنة بالثنائيات الضوئية مع دوائر مضخم العمليات.
3. مناعة الضوضاء:على الرغم من مقاومته للضوء المحيط، قد تلتقط الدائرة ضوضاء كهربائية. يُوصى باستخدام مكثفات تجاوز (0.1 ميكروفاراد) بالقرب من أطراف طاقة الجهاز وتخطيط دقيق للوحة الدوائر المطبوعة. لمسارات الكابلات الطويلة أو البيئات الصاخبة، يمكن أن يحسن التغليف أو استخدام الخرج لدفع مدخل مشغل شميت الموثوقية.
4. تصميم الفتحة والفتحة:يجب أن يكون الجسم الذي يعترض الشعاع معتمًا للأشعة تحت الحمراء. تعتمد دقة وموثوقية الكشف على عرض الجسم بالنسبة لعرض الفتحة في غلاف الجهاز. لكشف الحواف، يوفر الريشة أو العلم ذو الحافة الحادة أكثر توقيت دقيق.

8. المقارنة التقنية والتمييز

يتميز ITR20403 بشكل أساسي من خلال شكله المدمج والرفيع، وهو مفيد في الإلكترونيات الاستهلاكية المصغرة. وقت استجابته السريع البالغ 15 ميكروثانية مناسب للكشف عن الأحداث عالية السرعة بشكل معتدل. يوفر الغلاف المدمج الذي يتطابق طيفيًا مع الباعث والمستقبل رفضًا فطريًا للضوء المحيط، وهي ميزة تبسط التصميم مقارنة باستخدام مكونات منفصلة. عند المقارنة بمستشعرات الأجسام العاكسة، تقدم المقاطع الضوئية دقة موضعية أعلى وأقل حساسية للون أو انعكاسية الجسم المستهدف. مقارنة بمفاتيح الضوئية ذات الفتحات ذات الفجوات الأوسع، تسمح الفجوة الضيقة لهذا الجهاز بالكشف عن أجسام أصغر أو كشف حواف أكثر دقة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

9.1 ما هو تيار التشغيل النموذجي لصمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء (IRED)?

يتم اختبار الخصائص الكهروضوئية عند I_F= 20 مللي أمبير، وهي نقطة تشغيل شائعة وموصى بها لتحقيق تيار المجمع في حالة التشغيل المحدد. يجب تصميم الدائرة بحيث لا تتجاوز المواصفة القصوى المطلقة البالغة 50 مللي أمبير.

9.2 لماذا يوجد نطاق واسع (من 0.2 مللي أمبير إلى 5.0 مللي أمبير) لتيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(on))?

يمثل هذا النطاق التباين من جهاز لآخر في نسبة النقل الحالي (CTR)، وهي نسبة تيار خرج الترانزستور الضوئي (I_C) إلى تيار دخل صمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء (I_F). هذا التباين متأصل في عملية تصنيع العوازل الضوئية والمقاطع الضوئية. يجب تصميم الدائرة لتعمل بشكل صحيح مع الحد الأدنى المحدد لـ I_C(on)(0.2 مللي أمبير) لضمان الموثوقية عبر جميع وحدات الإنتاج.

9.3 هل يمكن استخدام هذا المستشعر في الأماكن المفتوحة?

بينما يوفر الغلاف رفضًا جيدًا للضوء المحيط، يحتوي ضوء الشمس المباشر على إشعاع تحت أحمر كبير يمكن أن يشبع المستشعر. للاستخدام في الأماكن المفتوحة، سيكون من الضروري استخدام ترشيح ضوئي إضافي، أو حماية، أو تشغيل نابض مع كشف متزامن لأداء موثوق. كما يحد نطاق درجة حرارة التشغيل (-25 درجة مئوية إلى +80 درجة مئوية) من التطبيقات في البيئات القاسية.

9.4 ما مدى قرب الجسم المطلوب لقطع الشعاع?

يحتوي الجهاز على فجوة ضيقة ومركزة. يحتاج الجسم إلى المرور فعليًا عبر الفتحة بين الباعث والمكتشف. لا توجد قدرة على "الاستشعار عن قرب"؛ يجب حجب الشعاع بالكامل لتغيير حالة الخرج بشكل موثوق.

10. دراسة حالة للتصميم والاستخدام

السيناريو: مستشعر نفاد الورق في طابعة مكتبية.

التنفيذ:يتم تركيب ITR20403 على مسار تغذية الورق في الطابعة. يستقر رافعة أو علم، متصل بنابض، في فتحة المستشعر عندما لا يكون هناك ورق. عند تغذية ورقة، تدفع العلم خارج الفتحة، مما يسمح لشعاع الأشعة تحت الحمراء بالمرور وتشغيل الترانزستور الضوئي.

تصميم الدائرة:يتم تشغيل صمام الأشعة تحت الحمراء الباعث للضوء بتيار 20 مللي أمبير عبر مقاومة محددة للتيار من مصدر طاقة المنطق 5 فولت للطابعة. يتم توصيل مجمع الترانزستور الضوئي إلى دخل متحكم دقيق 3.3 فولت عبر مقاومة سحب لأعلى بقيمة 4.7 كيلو أوم. يتم تأريض الباعث.

منطق البرنامج:يتم تكوين طرف المتحكم الدقيق كمدخل رقمي. تشير القراءة المنخفضة إلى أن الشعاع غير معترض (العلم خارج، الورق موجود). تشير القراءة العالية إلى أن الشعاع معترض (العلم داخل، لا يوجد ورق)، مما يؤدي إلى تشغيل تنبيه "نفاد الورق" للمستخدم. تتم إضافة منطق إزالة الارتداد (مثلًا في البرنامج) لتجاهل الاهتزازات الميكانيكية للعلم.

اعتبارات رئيسية لهذه الحالة:يجب تصميم آلية العلم لدخول فتحة المستشعر بشكل موثوق وكامل. يجب أن يوفر النابض قوة كافية للعودة الإيجابية ولكن ليس بقدر كبير يضر بالورق أو يسبب تآكلًا في المستشعر. يجب تثبيت موضع المستشعر بشكل آمن للحفاظ على المحاذاة.

11. مبدأ التشغيل

يعمل ITR20403 على مبدأ نقل الضوء المُعدّل والكشف. يتم تحيز ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء (IRED) أماميًا بتيار ثابت، مما يجعله يبعث فوتونات عند طول موجي ذروة 940 نانومتر. مباشرة في المقابل، داخل نفس الغلاف، يوجد ترانزستور ضوئي من السيليكون من نوع NPN. عندما يسافر شعاع الأشعة تحت الحمراء دون عوائق عبر الفجوة، فإنه يصيب منطقة قاعدة الترانزستور الضوئي. تولد الفوتونات الممتصة أزواج إلكترون-فجوة، والتي تعمل كتيار قاعدة، مما يشغل الترانزستور ويسمح لتيار مجمع (I_C) بالتدفق يتناسب مع شدة الضوء. عندما يدخل جسم معتم الفجوة، فإنه يحجب الشعاع، ويتوقف تيار القاعدة الضوئي، ويتم إيقاف تشغيل الترانزستور. تحول دائرة الخرج هذا التغيير في حالة التشغيل/الإيقاف إلى إشارة كهربائية قابلة للاستخدام. يعمل الغلاف البلاستيكي الحراري الأسود على احتواء مسار الضوء، ومنع التداخل الضوئي، وحجب معظم الضوء المرئي المحيط، حيث لا تمتلك فوتوناته عمومًا طاقة كافية ليتم امتصاصها من خلال فجوة النطاق للترانزستور الضوئي السيليكوني، مما يوفر ترشيحًا ضوئيًا فطريًا.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل المقاطع الضوئية مثل ITR20403 تقنية ناضجة وموثوقة. تركز الاتجاهات الحالية في المجال على عدة مجالات: التصغير الإضافي لتمكين التكامل في أجهزة محمولة وقابلة للارتداء أصغر حجمًا؛ تطوير إصدارات مكونات سطحية التركيب (SMD) مع تحسين توافق اللحام بإعادة التدفق للتجميع الآلي؛ زيادة سرعات التبديل لدعم معدلات بيانات أعلى في تطبيقات المشفرات أو الآلات الأسرع؛ وتعزيز المتانة ضد العوامل البيئية مثل ارتفاع درجة الحرارة والرطوبة والتلوث. هناك أيضًا اتجاه نحو دمج وظائف إضافية، مثل مشغلات شميت المدمجة على الخرج للتأخر أو حتى واجهات رقمية (I2C، SPI) لوحدات استشعار ذكية وقابلة للعنونة. ومع ذلك، يظل تصميم المكون المنفصل ذو الثقوب المارّة، كما هو الحال في ITR20403، فعالاً من حيث التكلفة ومستخدمًا على نطاق واسع في التطبيقات التي يكون فيها أداؤه وشكله كافيين.