ورقة بيانات مفتاح ضوئي ذو فتحة LTH-301-07P5 - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTH-301-07P5 مفتاحًا ضوئيًا، وهو نوع من المكونات الإلكترونية الضوئية المصمم لتطبيقات التحويل دون تلامس. يجمع بين ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED) وترانزستور ضوئي داخل غلاف مضغوط ذو فتحة واحدة. يعتمد مبدأ التشغيل الأساسي على قطع الحزمة الضوئية للأشعة تحت الحمراء بين الباعث والمستقبل بواسطة جسم خارجي، مما يتسبب في تغيير مقابل في إشارة الخرج للترانزستور الضوئي. يوفر هذا التصميم طريقة موثوقة ودقيقة للكشف عن وجود أو غياب أو موضع الأجسام دون تلامس مادي.

تكمن الميزة الأساسية لهذا الجهاز في طبيعته غير التلامسية، مما يلغي التآكل الميكانيكي، ويؤدي إلى موثوقية عالية وعمر تشغيلي طويل. يتميز بسرعات تحويل سريعة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب كشفًا سريعًا. تم تصميم المكون للتركيب المباشر على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أو للاستخدام مع مقبس ثنائي الخط، مما يوفر مرونة في تصميم النظام وتجميعه.

تشمل الأسواق والتطبيقات المستهدفة النموذجية، على سبيل المثال لا الحصر، معدات أتمتة المكاتب مثل أجهزة الفاكس وآلات النسخ والطابعات والماسحات الضوئية. كما يُستخدم على نطاق واسع في مختلف أنظمة الأتمتة الصناعية والإلكترونيات الاستهلاكية وأجهزة القياس حيث يكون الكشف الدقيق عن الأجسام مطلوبًا.

2. التفسير الموضوعي العميق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد القيم القصوى المطلقة حدود الإجهاد التي قد تتسبب في تلف دائم للجهاز إذا تم تجاوزها. يتم تحديد هذه القيم عند درجة حرارة محيطة (TA) تبلغ 25 درجة مئوية ولا ينبغي تجاوزها أبدًا، حتى بشكل لحظي، في ظل ظروف التشغيل العادية.

ثنائي الباعث للضوء (LED) المدخل:يقتصر التيار الأمامي المستمر على 50 مللي أمبير، مع السماح بتيار أمامي ذروي يبلغ 1 أمبير في ظل ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية). الحد الأقصى لتبديد الطاقة لثنائي الباعث للضوء هو 80 ملي واط. قدرة تحمل الجهد العكسي هي 5 فولت، وهي معلمة حاسمة لحماية ثنائي الباعث للضوء من الانحياز العكسي العرضي.

الترانزستور الضوئي المخرج:تصنيف جهد المجمع-الباعث (V_CE) هو 30 فولت، بينما جهد الباعث-المجمع (V_EC) هو 5 فولت. الحد الأقصى لتيار المجمع هو 20 مللي أمبير، وحد تبديد الطاقة هو 100 ملي واط. الالتزام بهذه الحدود ضروري لضمان طول العمر والتشغيل المستقر للترانزستور الضوئي.

الحدود البيئية:تم تصنيف الجهاز لنطاق درجة حرارة تشغيل من -25 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية. نطاق درجة حرارة التخزين أوسع، من -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. يتم تحديد درجة حرارة لحام الأطراف بـ 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من العلبة، وهي معلومات حاسمة لعمليات التجميع.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

تحدد هذه الخصائص الأداء المتوقع للجهاز في ظل ظروف التشغيل العادية عند 25 درجة مئوية. توفر المعلمات الرئيسية لتصميم الدائرة.

خصائص ثنائي الباعث للضوء (LED) المدخل:الجهد الأمامي النموذجي (V_F) هو 1.2 فولت عند تيار أمامي (I_F) قدره 20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.6 فولت. هذه المعلمة حيوية لتصميم المقاوم المحدد للتيار لدائرة تشغيل ثنائي الباعث للضوء. التيار العكسي (I_R) بحد أقصى 100 ميكرو أمبير عند جهد عكسي (V_R) قدره 5 فولت، مما يشير إلى تسرب ثنائي الباعث للضوء في حالة الإيقاف.

خصائص الترانزستور الضوئي المخرج:تيار الظلام للمجمع-الباعث (I_CEO) بحد أقصى 100 نانو أمبير عند V_CE=10V، يمثل تيار التسرب في الخرج عندما يكون ثنائي الباعث للضوء مطفأ (بدون ضوء). جهد الانهيار (BV_CEOو BV_ECO) يؤكد القيم القصوى المطلقة.

خصائص المقترن (النظام):تصف هذه المعلمات الأداء المشترك لثنائي الباعث للضوء والترانزستور الضوئي. يتم ضمان أن تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)) يكون على الأقل 0.6 مللي أمبير عند تشغيل ثنائي الباعث للضوء بـ I_F=20mA و V_CE=5V. هذا هو مستوى إشارة الخرج الرئيسي عندما تكون الفتحة غير معوقة. جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)) بحد أقصى 0.4 فولت في نفس الظروف مع I_C=0.2mA، مما يشير إلى خاصية جيدة لحالة "التشغيل". أوقات الاستجابة، مع وقت صعود نموذجي (T_r) قدره 3 ميكروثانية ووقت هبوط (T_f) قدره 4 ميكروثانية (تحت ظروف اختبار محددة)، تحدد قدرة سرعة تحويل الجهاز.

3. معلومات الميكانيكا والتغليف

3.1 الأبعاد الخارجية

يتميز LTH-301-07P5 بتغليف قياسي عبر الثقب. يتم توفير الرسم الميكانيكي التفصيلي في ورقة البيانات. جميع الأبعاد محددة بالمليمترات. التسامح القياسي للأبعاد غير المحددة هو ±0.25 مم. تشمل الأبعاد الرئيسية الطول والعرض والارتفاع الكلي للعلبة، وعرض الفتحة وعمقها (الذي يحدد الفجوة التي يمر فيها الجسم المعترض)، وتباعد الأطراف وقطرها. تم تصميم المكون لعمليات اللحام بالموجة أو اللحام اليدوي.

تحديد القطبية:يحتوي الجهاز على توزيع أطراف محدد. عادةً، يشير الطرف الأطول أو علامة محددة على العلبة إلى الأنود الخاص بثنائي الباعث للضوء. من الأهمية بمكان الرجوع إلى الرسم الأبعاد لتحديد الطرف الدقيق (على سبيل المثال، الطرف 1 هو غالبًا أنود ثنائي الباعث للضوء، الطرف 2 هو كاثود ثنائي الباعث للضوء، الطرف 3 هو باعث الترانزستور الضوئي، والطرف 4 هو المجمع) لضمان الاتجاه الصحيح أثناء تجميع لوحة الدوائر المطبوعة. القطبية غير الصحيحة ستمنع الجهاز من العمل.

4. إرشادات اللحام والتركيب

التعامل السليم أثناء اللحام ضروري لمنع تلف العلبة البلاستيكية والرقاقة شبه الموصلة الداخلية.

احتياطات عامة:يجب عدم غمر العلبة في اللحام. لا ينبغي تطبيق أي إجهاد خارجي على إطار الأطراف بينما المنتج في درجة حرارة عالية أثناء اللحام، لأن هذا يمكن أن يسبب تشققات داخلية أو اختلال في المحاذاة.

اللحام اليدوي/لحام الأطراف:للحام اليدوي، الحد الأقصى الموصى به لدرجة حرارة المكواة هو 350 درجة مئوية. يجب ألا يتجاوز وقت اللحام لكل طرف 3 ثوانٍ، ويجب تنفيذ ذلك مرة واحدة فقط لكل طرف. يجب ألا تكون نقطة اللحام أقرب من 2 مم من قاعدة علبة المكون لمنع التلف الحراري.

اللحام بالموجة:للحام الموجة الآلي، يوصى بملف حراري محدد. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة التسخين المسبق 100 درجة مئوية، مع وقت تسخين مسبق يصل إلى 60 ثانية. يجب أن تكون درجة حرارة موجة اللحام بحد أقصى 260 درجة مئوية، مع وقت تلامس لا يتجاوز 5 ثوانٍ. يجب ألا يكون موقع الغمر أقل من 2 مم من قاعدة العلبة. الالتزام بهذا الملف الحراري يمنع الصدمة الحرارية ويضمن وصلات لحام موثوقة دون المساس بسلامة الغلاف البلاستيكي.

5. ظروف التخزين والتحذيرات

للحفاظ على قابلية اللحام ومنع تدهور الأداء، يجب مراعاة ظروف تخزين محددة.

البيئة المثالية للتخزين هي عند درجة حرارة أقل من 30 درجة مئوية ورطوبة نسبية أقل من 70٪. يجب تجميع المكونات في غضون 3 أشهر من تاريخ التسليم. لتمديد عمر التخزين بينما تبقى الأجزاء في عبوتها الأصلية الحساسة للرطوبة، يجب تخزينها في حاوية محكمة الغلق مع مجفف مناسب أو في مجفف مملوء بالنيتروجين. ومع ذلك، يجب ألا يتجاوز التخزين سنة واحدة في ظل هذه الظروف المتحكم بها.

بمجرد فتح العبوة الأصلية المحكمة، يجب استخدام المكونات في غضون 3 أشهر ويجب الاحتفاظ بها في بيئة خاضعة للرقابة <25 درجة مئوية ورطوبة نسبية <60٪. يجب تجنب التغيرات السريعة في درجة الحرارة المحيطة، خاصة في البيئات عالية الرطوبة، لمنع التكثيف، مما قد يؤدي إلى أكسدة أطراف المكون. إذا لم تكن ظروف التخزين تفي بالمعايير المحددة، فقد تتأثر قابلية اللحام للأطراف. في مثل هذه الحالات، يجب إجراء تقييم قابلية اللحام وإعادة فرز محتملة للمكونات قبل الاستخدام في الإنتاج.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

يتميز LTH-301-07P5 بتنوعه ويجد استخدامًا في العديد من التطبيقات:

• كشف الورق في الطابعات/آلات النسخ/الماسحات الضوئية:الكشف عن وجود الورق، أو انحشار الورق، أو نهاية لفة الورق.
• استشعار الموضع:الكشف عن الموضع الأساسي أو نهاية الحركة في الآليات المتحركة (مثل عربات الطابعات، الأذرع الروبوتية).
• الترميز الدوراني:يستخدم مع عجلة ذات فتحات لقياس السرعة أو موضع عمود دوار.
• عد الأشياء:عد العناصر على حزام ناقل أثناء مرورها عبر الفتحة.
• أنظمة الأمان:كجزء من مستشعر قطع الحزمة للكشف عن التسلل.

6.2 اعتبارات التصميم

عند تصميم دائرة باستخدام هذا المفتاح الضوئي، يجب مراعاة عدة عوامل:

• تيار تشغيل ثنائي الباعث للضوء (LED):تيار التشغيل الموصى به هو 20 مللي أمبير. يجب حساب مقاومة متسلسلة بناءً على جهد التغذية (V_CC) والجهد الأمامي لثنائي الباعث للضوء (V_F) باستخدام قانون أوم: R = (V_CC- V_F) / I_F. باستخدام V_Fالنموذجي البالغ 1.2V ومصدر 5V، ستكون المقاومة تقريبًا (5V - 1.2V) / 0.02A = 190 أوم. مقاومة قياسية 200 أوم ستكون مناسبة.
• تحيز الترانزستور الضوئي:يمكن استخدام خرج الترانزستور الضوئي في تكوين باعث مشترك (الباعث مؤرض، المجمع مرفوع إلى V_CCعبر مقاومة حمل، R_L) أو كمفتاح. قيمة R_Lتؤثر على تأرجح جهد الخرج وسرعة التحويل. مقاومة R_Lأصغر توفر استجابة أسرع ولكن تغيرًا أصغر في جهد الخرج. تستخدم حالة الاختبار في ورقة البيانات R_L=100Ω.
• تجهيز الإشارة:الخرج هو تيار تمثيلي يتغير مع شدة الضوء. لتطبيقات التحويل الرقمية، قد تكون هناك حاجة إلى دائرة مقارن أو مشغل شميت بعد مقاومة الحمل لتوفير إشارة رقمية نظيفة، خاصة إذا كان الجسم المعترض لا يحجب الحزمة الضوئية بالكامل.
• مناعة ضد الضوء المحيط:نظرًا لأن الجهاز يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء، فهو محصن إلى حد ما ضد الضوء المحيط المرئي. ومع ذلك، يمكن للمصادر القوية للضوء تحت الأحمر (مثل ضوء الشمس، المصابيح المتوهجة) أن تؤثر على الأداء. يمكن أن يؤدي استخدام إشارة تشغيل ثنائي الباعث للضوء معدلة والكشف المتزامن إلى تعزيز المناعة ضد الضوء المحيط بشكل كبير.
• المحاذاة الميكانيكية:يجب أن يمر الجسم المعترض بشكل موثوق عبر الفتحة ويقطع الحزمة بالكامل لتشغيل متسق. يجب النظر بعناية في أبعاد الفتحة وحجم الجسم ومساره.

7. المقارنة والتمييز التقني

تتنافس المقاطع الضوئية مثل LTH-301-07P5 مع تقنيات الاستشعار الأخرى مثل المفاتيح الدقيقة الميكانيكية، ومستشعرات تأثير هول، ومستشعرات الضوء العاكسة.

مقارنة بالمفاتيح الميكانيكية:الميزة الأساسية هي الغياب التام للتلامس المادي، مما يؤدي إلى عمر ميكانيكي شبه لا نهائي، وعدم وجود ارتداد للاتصال، وتشغيل صامت، وموثوقية أعلى في البيئات المتسخة أو المتربة. العيب يمكن أن يكون تكلفة أعلى قليلاً والحاجة إلى دائرة تشغيل إلكترونية.

مقارنة بمستشعرات الضوء العاكسة:تقدم المقاطع الضوئية ذات الفتحة دقة واتساقًا أعلى في الموضع لأن الباعث والمستقبل يتم محاذاتهما بدقة في هندسة ثابتة. وهي أقل عرضة للتغيرات في انعكاسية الجسم المستهدف. المستشعرات العاكسة أكثر ملاءمة للكشف عن الأجسام عن بعد أو حيث لا تكون الفتحة المادية ممكنة.

مقارنة بمستشعرات تأثير هول:تكتشف مستشعرات هول المجالات المغناطيسية، وليس قطع الضوء. تستخدم لاستشعار موضع المغناطيسات. يعتمد الاختيار كليًا على التطبيق: الكشف عن أي جسم معتم (مفتاح ضوئي) مقابل الكشف عن مجال مغناطيسي (مستشعر هول).

يتمثل التمييز المحدد لـ LTH-301-07P5 في مجموعة متوازنة من الخصائص الكهربائية (الجهد الأمامي، تيار الخرج، السرعة)، وتغليفه الميكانيكي القوي المناسب للحام الموجة، ومتطلبات التخزين والتعامل المحددة بوضوح، مما يجعله خيارًا موثوقًا للتصنيع بالجملة.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هو الغرض من تصنيف "تيار الذروة الأمامي" لثنائي الباعث للضوء؟

ج: يسمح هذا التصنيف (1A عند 300 نبضة في الثانية، 10 ميكروثانية) لثنائي الباعث للضوء بأن يُنبض بتيار أعلى بكثير من تصنيفه المستمر (50 مللي أمبير) لفترات قصيرة. يمكن استخدام هذا لتحقيق نبضة ضوئية أكثر سطوعًا، مما يمكن أن يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء أو يسمح بدورة عمل أقل، مما يقلل من متوسط استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة.

س: تم تحديد I_C(ON)كحد أدنى 0.6 مللي أمبير. ماذا يعني هذا لتصميم دوارتي؟

ج: هذا حد أدنى مضمون. في ظل ظروف الاختبار القياسية (I_F=20mA, V_CE=5V)، سيسحب الترانزستور الضوئيعلى الأقل0.6 مللي أمبير عندما تكون الفتحة مفتوحة. قد يكون التيار الفعلي في تطبيقك أعلى. يجب عليك تصميم مقاومة الحمل الخاصة بك (R_L) وأي بوابات منطقية تالية لتتعرف على مستوى جهد يتوافق مع هذا التيار الأدنى. على سبيل المثال، مع R_L=1kΩ، سينخفض جهد الخرج إلى V_CE= 5V - (0.6mA * 1kΩ) = 4.4V على الأكثر عندما تكون الحزمة غير معوقة.

س: لماذا ظروف التخزين صارمة جدًا، خاصة بعد فتح الكيس؟

ج: أطراف المكون عرضة للأكسدة عند تعرضها للهواء الرطب. الأطراف المؤكسدة لها قابلية لحام ضعيفة، مما يؤدي إلى وصلات لحام ضعيفة أو غير موجودة ("عدم التبلل"). التغليف الحساس للرطوبة وقواعد التخزين الصارمة هي ممارسات قياسية في الصناعة (متوافقة مع معايير IPC/JEDEC) لضمان عائد تجميع عالي وموثوقية طويلة الأمد.

س: هل يمكنني استخدام هذا المستشعر في الهواء الطلق؟

ج: نطاق درجة حرارة التشغيل هو -25 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، وهو يغطي العديد من الظروف الخارجية. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التعرض المباشر لأشعة الشمس (مصدر قوي للإشعاع تحت الأحمر) إلى تشبع الترانزستور الضوئي، مما يسبب تشغيلًا خاطئًا. الجهاز أيضًا غير محكم ضد دخول الماء أو الغبار. للاستخدام في الهواء الطلق، سيتطلب حماية ضوئية دقيقة من الضوء المحيط وحماية بيئية، أو قد تكون تقنية مستشعر مختلفة أكثر ملاءمة.

9. مقدمة عن مبدأ التشغيل

يعمل المفتاح الضوئي على مبدأ إلكتروني ضوئي مباشر. يحتوي على مكونين رئيسيين موضوعين مقابل بعضهما البعض عبر فجوة مادية (الفتحة):

1. Infrared Emitter (LED):باعث الأشعة تحت الحمراء (LED):
2. هذا هو ثنائي شبه موصل يبعث ضوء الأشعة تحت الحمراء (غير مرئي للعين البشرية) عند انحيازه أماميًا بتيار مناسب (مثل 20 مللي أمبير).الترانزستور الضوئي:

هذا ترانزستور حساس للضوء. عندما تضرب الفوتونات من باعث الأشعة تحت الحمراء منطقة القاعدة الخاصة به، تولد أزواج إلكترون-فجوة، والتي تعمل كتيار قاعدة. يتم تضخيم تيار القاعدة الناتج عن الضوء بواسطة كسب الترانزستور، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير يتدفق من المجمع إلى الباعث.

- حالات التشغيل:غير معوق (الحزمة موجودة):_{يسقط ضوء الأشعة تحت الحمراء من الباعث مباشرة على الترانزستور الضوئي. يعمل الترانزستور الضوئي، مما يسمح بتدفق تيار مجمع كبير (I}C(ON)_{). في دائرة باعث مشترك مع مقاومة رفع، يتم سحب جهد الخرج عند المجمع إلى مستوى منخفض (قريب من V}CE(SAT)

- ).معوق (الحزمة مقطوعة):_CEOجسم معتم موضوع في الفتحة يحجب ضوء الأشعة تحت الحمراء. لا يصل ضوء إلى قاعدة الترانزستور الضوئي، لذلك يتوقف عن العمل. يتدفق فقط تيار تسرب صغير جدًا (I_CC، تيار الظلام). يرتفع جهد الخرج عند المجمع إلى ما يقرب من جهد التغذية (V

).

يوفر هذا الانتقال بين جهد خرج مرتفع (الحزمة مقطوعة) وجهد خرج منخفض (الحزمة مفتوحة) إشارة رقمية نظيفة لمنطق الكشف.

10. اتجاهات التطوير

• يستمر مجال مستشعرات الإلكترونيات الضوئية، بما في ذلك المقاطع الضوئية، في التطور. تشمل الاتجاهات الموضوعية الملاحظة في الصناعة:التصغير:
• هناك دفع مستمر نحو أحجام تغليف أصغر (مثل أجهزة التركيب السطحي ذات بصمات أصغر وارتفاعات أقل) لتمكين منتجات نهائية أكثر إحكاما وتجميع لوحات دوائر مطبوعة بكثافة أعلى.تحسين الأداء:
• تهدف التحسينات في المواد شبه الموصلة والتغليف إلى توفير حساسية أعلى (تسمح بتيارات تشغيل أقل لثنائي الباعث للضوء لتقليل استهلاك الطاقة)، وأوقات استجابة أسرع للتطبيقات عالية السرعة، واستقرار أفضل لدرجة الحرارة للمعايير.التكامل والميزات الذكية:
• تدمج بعض المقاطع الضوئية الحديثة دائرة التشغيل لثنائي الباعث للضوء وتجهيز الإشارة (مضخم، مقارن، مشغل شميت) لخرج الترانزستور الضوئي في نفس الغلاف. هذا يبسط تصميم الدائرة الخارجية ويمكن أن يوفر خرجًا مباشرًا بمستوى منطقي رقمي. تكامل عناصر استشعار متعددة هو أيضًا اتجاه.التركيز على الموثوقية والتصنيع:
• تصميمات تعطي أولوية متزايدة للقوة لعمليات التجميع الآلي مثل الالتقاط والوضع واللحام بإعادة التدفق. يتم اختيار المواد لمقاومة أفضل للإجهاد الحراري والعوامل البيئية.متغيرات مخصصة للتطبيق:

يستمر التطوير لمستشعرات مصممة خصيصًا لاحتياجات السوق المحددة، مثل المستشعرات فائقة الرقة لمعالجة الورق في الأجهزة المحمولة، أو المستشعرات ذات الفتحات الضيقة جدًا للكشف الدقيق عن الحواف.