ورقة بيانات فوتوإنترابتور LTH-1650-01 - مسافة بؤرية 3 مم - نوع قطع الأشعة تحت الحمراء - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

LTH-1650-01 هو وحدة فوتوإنترابتور نافذة مدمجة. وظيفته الأساسية هي اكتشاف انقطاع حزمة ضوء الأشعة تحت الحمراء بين الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) المدمج والمقحل الضوئي من السيليكون. الميزة التصميمية الأساسية هي المسافة البؤرية المدمجة البالغة 3 مم، والتي تحسن الحساسية لاكتشاف الأجسام عند تلك الفجوة المحددة. باعتباره جهازًا من نوع قطع الأشعة تحت الحمراء، فهو مصمم لتقليل التداخل من الضوء المرئي المحيط، مما يعزز الموثوقية في تطبيقات الاستشعار المختلفة. يشمل السوق المستهدف بشكل أساسي معدات أتمتة المكاتب، وأنظمة التحكم الصناعي، والإلكترونيات الاستهلاكية التي تتطلب اكتشافًا للموضع أو الجسم بدون تلامس.

2. تحليل مفصل للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه المعلمات حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• تبديد طاقة LED المدخل (P_D):75 ميغاواط كحد أقصى. هذا يحد من الحمل الحراري المشترك من التيار الأمامي وانخفاض الجهد.
• تيار LED الأمامي الذروي (I_CP):1 أمبير في ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية). هذا يسمح بنبضات قصيرة عالية الكثافة لتعزيز اكتشاف الإشارة.
• تيار LED الأمامي المستمر (I_F):60 مللي أمبير تيار مستمر كحد أقصى. هذا هو الحد الآمن للتشغيل المستمر.
• الجهد العكسي لـ LED (V_R):5 فولت. تجاوز هذا يمكن أن يتلف وصلة LED.
• تبديد طاقة المقحل الضوئي (P_C):100 ميغاواط كحد أقصى، محدد بواسطة تيار المجمع وجهد المجمع-الباعث.
• جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت كحد أقصى للمقحل الضوئي.
• تيار المجمع (I_C):20 مللي أمبير كحد أقصى للمقحل الناتج.
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):-25°C إلى +85°C. الجهاز مناسب لمجموعة واسعة من البيئات الصناعية والتجارية.
• درجة حرارة لحام الأطراف (T_S):260°C لمدة 5 ثوانٍ كحد أقصى، محدد للأطراف على بعد 1.6 مم من العلبة. هذا أمر بالغ الأهمية لعمليات اللحام بالموجة أو إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد هذه المعلمات عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C وتحدد أداء الجهاز في ظل ظروف التشغيل العادية.

• الجهد الأمامي لـ LED (V_F):عادةً من 1.2 فولت إلى 1.6 فولت عند I_F= 20 مللي أمبير. يستخدم هذا لحساب قيمة المقاوم المحدد للتيار المطلوبة.
• التيار العكسي لـ LED (I_R):100 ميكرو أمبير كحد أقصى عند V_R=5 فولت، مما يشير إلى تيار التسرب عندما يكون LED في حالة انحياز عكسي.
• تيار الظلام للمجمع-الباعث (I_CEO):100 نانو أمبير كحد أقصى عند V_CE=10 فولت بدون إدخال ضوء. هذا هو تيار التسرب للمقحل الضوئي، والذي يؤثر على مستوى إشارة "الحالة المغلقة".
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):عادةً 0.4 فولت عند I_C=0.05 مللي أمبير و I_F=20 مللي أمبير. هذا هو الجهد عبر المقحل عندما يكون في حالة "تشغيل" كاملة، وهو مهم لواجهة مستويات المنطق.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتميز الجهاز بنظام تصنيف للأداء يعتمد على تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON))، والذي يتم قياسه في ظل ظروف موحدة (V_CE=5 فولت، I_F=20 مللي أمبير، فجوة d=3.0 مم). يرتبط هذا التيار مباشرة بحساسية المقترن الضوئي.

• BIN A: I_C(ON)يتراوح من 100 ميكرو أمبير إلى 300 ميكرو أمبير. هذه هي درجة الحساسية القياسية.
• BIN B: I_C(ON)يتراوح من 260 ميكرو أمبير إلى 650 ميكرو أمبير. يوفر هذا التصنيف حساسية أعلى.
• BIN C: I_C(ON)يتراوح من 400 ميكرو أمبير إلى 1200 ميكرو أمبير. هذه هي أعلى درجة حساسية متاحة.

يسمح هذا التصنيف للمصممين باختيار جهاز بحساسية متسقة لتطبيقهم، مما يضمن عتبات تشغيل موثوقة عبر دفعات الإنتاج.

4. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص النموذجية التي توفر رؤية بيانية لسلوك الجهاز في ظل ظروف مختلفة. بينما لا يتم تفصيل الرسوم البيانية المحددة في النص، فإن المنحنيات القياسية لمثل هذا الجهاز ستشمل عادةً:

• التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (I_F-V_F):يوضح العلاقة غير الخطية لـ LED للأشعة تحت الحمراء، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة القيادة.
• تيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث (I_C-V_CE):عائلة من المنحنيات مع التيار الأمامي لـ LED (I_F) كمعامل، توضح خصائص إخراج المقحل الضوئي.
• تيار المجمع في حالة التشغيل مقابل التيار الأمامي (I_C(ON)-I_F):يوضح خاصية النقل وخطية الاقتران الضوئي.
• تيار المجمع في حالة التشغيل مقابل درجة الحرارة المحيطة (I_C(ON)-T_A):يوضح كيف تتدهور الحساسية مع زيادة درجة الحرارة، وهو عامل حاسم لإدارة الحرارة في التصميمات.
• خصائص وقت الاستجابة:تحدد ورقة البيانات وقت الصعود (T_R) من 3-15 ميكروثانية ووقت الهبوط (T_F) من 4-20 ميكروثانية في ظل ظروف الاختبار (V_CE=5 فولت، I_C=2 مللي أمبير، R_L=100 أوم). تحدد هذه القيم أقصى سرعة تبديل ممكنة للمستشعر.

5. معلومات الميكانيكا والغلاف

الغلاف هو نوع قياسي مثقوب. تشمل الملاحظات الأبعاد الرئيسية من ورقة البيانات:

• يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات، مع البوصات بين قوسين.
• التحمل الافتراضي هو ±0.25 مم (±0.010") ما لم يكن لميزة محددة إشارة مختلفة.
• يتم تحديد المسافة البؤرية (الفجوة المثلى بين نافذتي الباعث والمستقبل لأقصى حساسية) على أنها 3 مم.
• يتضمن الغلاف فتحات أو ميزات مصبوبة تساعد في التركيب الدقيق للوحة الدوائر المطبوعة والمحاذاة.
• يتم تحديد القطبية بوضوح على جسم الغلاف، عادةً بنقطة أو زاوية مشطوفة بالقرب من طرف مصعد LED (أو مجمع المقحل الضوئي). الاتجاه الصحيح ضروري لوظيفة الدائرة.

6. إرشادات اللحام والتجميع

يتطلب التعامل السليم للحفاظ على سلامة الجهاز.

• اللحام:الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة لحام الأطراف هو 260°C لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم (0.063") من العلبة البلاستيكية. يساعد هذا الدليل في منع التلف الحراري لروابط القالب الداخلية والتغليف البلاستيكي أثناء اللحام بالموجة أو اليدوي.
• التنظيف:استخدم مذيبات تنظيف لوحات الدوائر المطبوعة القياسية المتوافقة مع المادة البلاستيكية للجهاز. تجنب التنظيف بالموجات فوق الصوتية بقوة مفرطة أو التعرض المطول.
• التخزين:يجب تخزين الأجهزة في ظروف ضمن نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg) من -40°C إلى +100°C وفي بيئة منخفضة الرطوبة ومضادة للكهرباء الساكنة لمنع امتصاص الرطوبة وتلف التفريغ الكهروستاتيكي (ESD).

7. توصيات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

كما هو موضح في ورقة البيانات، تشمل التطبيقات الأساسية:

• الطابعات وآلات الفاكس:لاكتشاف نفاد الورق، واستشعار انحشار الورق، واكتشاف فتح الغطاء، واستشعار موضع العربة.
• المفاتيح الكهروضوئية:تستخدم في آلات البيع، والأتمتة الصناعية للعد، والتبديل النهائي، واستشعار قرص التشفير الدوار.
• الإلكترونيات الاستهلاكية:مستشعرات الفتحة في محركات الأقراص، أو أجهزة التسجيل، أو أنظمة التعامل مع الوسائط الأخرى.

7.2 اعتبارات التصميم

• المقاوم المحدد للتيار (لـ LED):يجب حسابه بناءً على جهد الإمداد (V_CC)، والجهد الأمامي لـ LED (V_F~1.4 فولت نموذجيًا)، والتيار الأمامي المطلوب (I_F). لا تتجاوز تصنيف I_Fالمستمر البالغ 60 مللي أمبير. نقطة التشغيل النموذجية هي 20 مللي أمبير.
• مقاوم الحمل (للمقحل الضوئي):تحدد قيمة مقاومة السحب (R_L) المتصلة بالمجمع تأرجح جهد الخرج وتؤثر على سرعة التبديل. يعطي R_Lأصغر وقت هبوط أسرع ولكنه يقلل من سعة جهد الخرج. تستخدم حالة الاختبار R_L=100 أوم.
• مناعة الضوضاء الكهربائية:للمسارات الطويلة للأسلاك أو البيئات الصاخبة، فكر في إضافة مكثف تجاوز صغير (مثل 0.1 ميكروفاراد) عبر أطراف إمداد الطاقة بالقرب من الجهاز واستخدام كابلات محمية.
• الاعتبارات البصرية:احتفظ بالمسار البصري (الفجوة 3 مم) خاليًا من الغبار أو الأوساخ أو التكثيف. يساعد مرشح قطع الأشعة تحت الحمراء، ولكن مصادر الأشعة تحت الحمراء المحيطة القوية (مثل ضوء الشمس أو المصابيح المتوهجة) بالقرب من المستشعر يمكن أن تسبب تشغيلًا خاطئًا.

8. المقارنة والتمييز التقني

مقارنة بالمقاحل الضوئية الأساسية أو الثنائيات الضوئية، يقدم هذا الفوتوإنترابتور المدمج مزايا رئيسية:

• بصريات محاذاة:يتم محاذاة الباعث والمستقبل مسبقًا في غلاف ثابت وصلب، مما يلغي الحاجة إلى محاذاة ميكانيكية دقيقة أثناء التجميع، وهي ميزة كبيرة مقارنة بالمكونات المنفصلة.
• فجوة محسنة:يتم ضبط المسافة البؤرية البالغة 3 مم في المصنع لأقصى حساسية عند تلك الفجوة الهوائية المحددة.
• رفض الضوء المحيط:يقلل مرشح قطع الأشعة تحت الحمراء فوق المقحل الضوئي بشكل كبير من الحساسية للضوء المرئي، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في ظروف الإضاءة الداخلية النموذجية.
• عامل شكل مدمج:يوفر حل مفتاح ضوئي كامل في غلاف واحد صغير.

9. الأسئلة الشائعة (FAQs)

س: ما هو الغرض من التصنيفات المختلفة (A، B، C)؟

ج: تصنف التصنيفات الأجهزة حسب حساسيتها (I_C(ON)). اختر تصنيفًا أعلى (B أو C) للتطبيقات التي تتطلب اكتشاف أجسام ذات تباين أقل، أو عمر أطول (حيث يتدهور إخراج LED بمرور الوقت)، أو التشغيل بمستويات غبار أعلى. التصنيف A كافٍ للتطبيقات القياسية.

س: هل يمكنني تشغيل LED مباشرة بمصدر جهد؟

ج: لا. LED هو جهاز يعمل بالتيار. يجب عليك استخدام مقاوم محدد للتيار على التوالي لضبط التيار الأمامي (I_F) إلى قيمة آمنة وثابتة، كما هو موضح في جميع دوائر التطبيق.

س: كيف أقوم بواجهة الخرج مع متحكم دقيق؟

ج: يعمل المقحل الضوئي كمفتاح. قم بتوصيل باعثه بالأرض، ومجمعه بدخل رقمي عبر مقاوم سحب (مثل 10 كيلو أوم). عندما تكون الحزمة غير منقطعة، يكون المقحل في حالة تشغيل، مما يسحب الدبوس إلى مستوى منخفض. عند الانقطاع، يكون المقحل مغلقًا، وتسحب مقاومة السحب الدبوس إلى مستوى عالٍ. تأكد من توافق مستويات منطق إدخال المتحكم الدقيق مع تأرجح جهد الخرج (قريب من 0 فولت لـ "تشغيل"، قريب من V_CCلـ "إيقاف").

س: ما الذي يؤثر على وقت الاستجابة؟

ج: السرعة الجوهرية للمقحل الضوئي، وقيمة مقاوم الحمل (R_L)، وسعة مسارات الدائرة. للتبديل الأسرع، استخدم R_Lأصغر كما يسمح به تيار وجهد الخرج المطلوبين.

10. مثال عملي للاستخدام

السيناريو: مستشعر نفاد الورق في طابعة مكتبية.

يتم تركيب الفوتوإنترابتور على إطار الطابعة بحيث تقوم كومة الورق في الدرج بالجلوس داخل الفجوة البصرية البالغة 3 مم، مما يحجب حزمة الأشعة تحت الحمراء. قد يتم استخدام رافعة أو علم متصل بمتابع درج الورق. عندما يكون الورق موجودًا، يتم حجب الحزمة، ويكون المقحل الضوئي مغلقًا، ويكون خرجها عاليًا. عند تغذية الورقة الأخيرة، يتحرك المتابع، مما يزيل حجب الحزمة. يقوم المقحل الضوئي بالتشغيل، مما يسحب الخرج إلى مستوى منخفض. يتم اكتشاف هذا الانتقال المنطقي بواسطة وحدة التحكم الرئيسية للطابعة، والتي تقوم بعد ذلك بتنشيط تحذير "نفاد الورق" على واجهة المستخدم. يمنع مرشح قطع الأشعة تحت الحمراء التشغيل الخاطئ من الإضاءة الداخلية للطابعة أو أضواء الغرفة.

11. مبدأ التشغيل

يعمل الجهاز على مبدأ الاقتران الضوئي المعدل. يصدر LED للأشعة تحت الحمراء داخلي ضوءًا عندما يكون في انحياز أمامي بتيار مناسب. مباشرة في المقابل، داخل نفس الغلاف، يوجد مقحل ضوئي من السيليكون NPN. منطقة قاعدة المقحل الضوئي معرضة للضوء. عندما تضرب فوتونات الأشعة تحت الحمراء من LED وصلة قاعدة-مجمع، فإنها تولد أزواج إلكترون-فجوة. يعمل هذا التيار الضوئي المتولد كتيار قاعدة، مما يتسبب في توصيل المقحل لتيار مجمع أكبر بكثير (I_C)، يتناسب مع شدة الضوء. يقوم جسم يمر عبر الفتحة البالغة 3 مم بينهما بقطع حزمة الضوء هذه، مما يتسبب في إيقاف تشغيل المقحل الضوئي. يوفر هذا إشارة تبديل نظيفة ومعزولة كهربائيًا بناءً على حدث فيزيائي.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تبقى الفوتوإنترابتورات مكونات أساسية في استشعار الموضع. تشمل الاتجاهات الحالية في المجال:

• التصغير:تطوير أغلفة أجهزة مثبتة على السطح (SMD) أصغر لتوفير مساحة لوحة الدوائر المطبوعة في الإلكترونيات الاستهلاكية المدمجة.
• التكامل:دمج دوائر إضافية على الشريحة، مثل مشغلات شميت للتأخر، ومكبرات للإشارات الأضعف، أو حتى واجهات رقمية (I2C) لتوفير إخراج رقمي معالج ونظيف، مما يبسط واجهة المتحكم الدقيق.
• تحسين الأداء:تحسينات في كفاءة LED وحساسية كاشف الضوء تسمح بالتشغيل عند تيارات أقل، مما يقلل من استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة.
• متغيرات متخصصة:أجهزة ذات عجلات ذات فتحات للتشفير الدوار، أو أنواع عاكسة حيث يواجه الباعث والمستقبل نفس الاتجاه لاكتشاف العلامات العاكسة.

يبقى المبدأ الأساسي للقطع الضوئي قويًا بسبب طبيعته غير التلامسية، وموثوقيته، وبساطته، مما يضمن استمرار أهميته في تصميم الأنظمة الميكاترونية.