ورقة بيانات القاطع الضوئي LTH-306-01 - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTH-306-01 مفتاحًا بصريًا مضغوطًا يعمل بدون تلامس، مُصممًا للكشف الموثوق عن الأجسام واستشعار الموضع. تعتمد وظيفته الأساسية على صمام ثنائي باعث للضوء (LED) يعمل بالأشعة تحت الحمراء (IR) مقترن بترانزستور ضوئي، وكلاهما موجود داخل غلاف واحد. عندما يمر جسم عبر الفجوة بين الباعث والمستقبل، فإنه يعترض حزمة الأشعة تحت الحمراء، مما يتسبب في تغيير حالة خرج الترانزستور الضوئي. يتيح هذا المبدأ التبديل الدقيق والخالي من التآكل دون اتصال مادي.

تم تصميم الجهاز للتركيب المباشر على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) أو في مقابس ثنائية الخط قياسية، مما يوفر مرونة تصميم كبيرة. تشمل مزاياه الرئيسية سرعة التبديل السريعة، وهي أمر بالغ الأهمية لتطبيقات العد والتوقيت عالية السرعة، وطبيعته غير التلامسية، مما يلغي التآكل الميكانيكي ويضمن موثوقية طويلة الأمد. تشمل الأسواق المستهدفة النموذجية الأتمتة الصناعية، والإلكترونيات الاستهلاكية (مثل الطابعات، وآلات النسخ)، وأنظمة الأمان، وآلات البيع حيث يكون هناك حاجة للكشف عن الأجسام، أو استشعار انحشار الورق، أو استشعار الفتحات.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف. تشمل الحدود الرئيسية:

• تيار الأمام المستمر للصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء (I_F): 60 مللي أمبير. هذا هو الحد الأقصى للتيار المستمر الذي يمكن تطبيقه باستمرار على الصمام الثنائي الباعث للضوء.
• تيار الأمام الذروي للصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء: 1 أمبير لعرض نبضة 10 ميكروثانية بمعدل 300 نبضة في الثانية. هذا يسمح بنبضات قصيرة وعالية الكثافة لتعزيز اكتشاف الإشارة.
• جهد المجمع-الباعث للترانزستور الضوئي (V_CEO): 30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه عبر دبابيس المجمع والباعث.
• نطاق درجة حرارة التشغيل: من -25°C إلى +85°C. يحدد نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الموثوق.
• درجة حرارة لحام الأطراف: 260°C لمدة 5 ثوانٍ على مسافة 1.6 مم من العلبة. هذا أمر بالغ الأهمية لعمليات تجميع لوحات الدوائر المطبوعة.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد هذه المعلمات عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C وتحدد الأداء النموذجي للجهاز تحت ظروف التشغيل العادية.

2.2.1 خصائص المدخل (الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء)

• جهد الأمام (V_F): عادةً من 1.2 فولت إلى 1.6 فولت عند تيار أمامي (I_F) بقيمة 20 مللي أمبير. يستخدم هذا لحساب قيمة المقاوم المحدد للتيار لدائرة تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء.
• تيار العكس (I_R): أقصى 100 ميكرو أمبير عند جهد عكسي (V_R) بقيمة 5 فولت. يشير هذا إلى تيار التسرب للصمام الثنائي الباعث للضوء عند انحيازه العكسي.

2.2.2 خصائص المخرج (الترانزستور الضوئي)

• جهد انهيار المجمع-الباعث (V_(BR)CEO): أدنى 30 فولت. يضمن أن الترانزستور يمكنه تحمل جهد المجمع-الباعث المحدد.
• تيار الظلام للمجمع-الباعث (I_CEO): أقصى 100 نانو أمبير عند V_CE=10 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما يكون الصمام الثنائي الباعث للضوء مغلقًا (بدون ضوء)، مما يؤثر على مستوى الإشارة في حالة "الإيقاف".

2.2.3 خصائص المقرن (المجتمعة)

• تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)): أدنى 5.0 مللي أمبير عند V_CE=5 فولت و I_F=20 مللي أمبير. هذا هو تيار خرج الترانزستور الضوئي عندما يكون الصمام الثنائي الباعث للضوء مضاءً بالكامل وغير معترض، مما يشير إلى حساسيته.
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)): أقصى 0.4 فولت عند I_C=2.5 مللي أمبير و I_F=20 مللي أمبير. يُفضل جهد تشبع منخفض عندما يُستخدم الترانزستور الضوئي كمفتاح في وضع التشبع، لتقليل انخفاض الجهد.
• زمن الاستجابة: زمن الصعود (t_r) عادةً 3-15 ميكروثانية، وزمن الهبوط (t_f) عادةً 4-20 ميكروثانية تحت ظروف الاختبار المحددة (V_CE=5 فولت، I_C=2 مللي أمبير، R_L=100 أوم). تحدد هذه المعلمات سرعة تبديل الجهاز وعرض النطاق الترددي، وهي أمور بالغة الأهمية للكشف عن الأجسام سريعة الحركة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص الكهربائية/البصرية النموذجية. بينما لا يتم توفير الرسوم البيانية المحددة في النص، فإن المنحنيات القياسية لمثل هذه الأجهزة تشمل عادةً:

• التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (I_F-V_F) للصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء: يُظهر العلاقة غير الخطية، مما يساعد في تحديد نقطة التشغيل.
• تيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث (I_C-V_CE) للترانزستور الضوئي: عند مستويات مختلفة من الإشعاع (تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء)، يُظهر هذا سلوك ترانزستور الخرج، مشابهًا لخصائص خرج الترانزستور ثنائي القطب.
• نسبة نقل التيار (CTR) مقابل التيار الأمامي: CTR هي نسبة تيار مجمع الترانزستور الضوئي (I_C) إلى تيار الأمام للصمام الثنائي الباعث للضوء (I_F). يُظهر هذا المنحنى كيف تتغير الكفاءة مع تيار التشغيل.
• اعتماد تيار الظلام (I_CEO) وتيار حالة التشغيل (I_C(ON)): يوضح كيف يتدهور الأداء أو يختلف مع تغيرات درجة الحرارة المحيطة، وهو أمر حيوي لتصميم أنظمة مستقرة عبر نطاق التشغيل المحدد.

هذه المنحنيات ضرورية للمصممين لتحسين نقطة التشغيل، وضمان سلامة الإشارة عبر درجات الحرارة، وفهم حدود الجهاز.

4. معلومات الميكانيكا والغلاف

تم تصميم LTH-306-01 للتركيب على لوحات الدوائر المطبوعة أو في المقابس. يتم توفير أبعاد الغلاف في ورقة البيانات بجميع القياسات بالمليمترات (والبوصات). تشمل الملاحظات الميكانيكية الرئيسية:

• ينطبق تسامح قياسي يبلغ ±0.25 مم (±0.010 بوصة) ما لم يُذكر خلاف ذلك في الرسم ذي الأبعاد.
• يتميز الغلاف بجسم مصبوب بفجوة دقيقة بين باعث الأشعة تحت الحمراء والترانزستور الضوئي. الأبعاد الدقيقة لهذه الفجوة، والارتفاع الإجمالي، والعرض، والطول، وتباعد الأطراف، كلها أمور بالغة الأهمية للتكامل الميكانيكي في المنتج النهائي.
• تُصنع الأطراف عادةً من مادة قابلة للحام ويتم تشكيلها للتركيب عبر الثقب.

تحديد القطبية أمر بالغ الأهمية. سيكون للجهاز علامات (مثل نقطة، أو شق، أو أطوال أطراف مختلفة) لتحديد الأنود والكاثود للصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء والمجمع والباعث للترانزستور الضوئي. يمكن أن يؤدي الاتصال الخاطئ للقطبية إلى إتلاف المكونات.

5. إرشادات اللحام والتجميع

تحدد القيم القصوى المطلقة درجة حرارة لحام الأطراف عند 260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من العلبة البلاستيكية. هذه معلمة حاسمة لعمليات اللحام الموجي أو اللحام اليدوي.

التوصيات:

6. اقتراحات التطبيق

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

تتضمن دائرة تطبيق أساسية:

1. دائرة تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء: مقاوم محدد للتيار متسلسل مع الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء. يتم حساب قيمة المقاوم (R_limit) كـ (جهد التغذية - V_F) / I_F. لتغذية 5 فولت و I_F=20 مللي أمبير، مع V_F~1.4 فولت، R_limit≈ (5-1.4)/0.02 = 180 أوم.
2. دائرة خرج الترانزستور الضوئي: يمكن استخدام الترانزستور الضوئي في تكوينين شائعين:
   • وضع المفتاح (التشبع): قم بتوصيل مقاوم سحب من المجمع إلى مصدر موجب (مثل 5 فولت). يتم توصيل الباعث بالأرض. عندما يضرب الضوء الترانزستور، فإنه يعمل بقوة (يتشبع)، مما يسحب جهد المجمع إلى مستوى منخفض (قريب من V_CE(SAT)). عندما يتم حجب الضوء، يتم إيقاف تشغيل الترانزستور، ويتم سحب جهد المجمع إلى مستوى مرتفع بواسطة المقاوم. يكون الخرج إشارة رقمية.
   • الوضع الخطي: استخدم الترانزستور الضوئي في تكوين مضخم باعث مشترك مع مقاوم مجمع. يتغير جهد الخرج خطيًا مع شدة الضوء المستلم، وهو مفيد للاستشعار التناظري.

6.2 اعتبارات التصميم

• مناعة الضوء المحيط: يستخدم الجهاز ضوء الأشعة تحت الحمراء المضمن، ولكن مصادر الأشعة تحت الحمراء المحيطة القوية (ضوء الشمس، المصابيح المتوهجة) يمكن أن تسبب تشغيلًا خاطئًا. يمكن أن يؤدي استخدام تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء النبضي والكشف المتزامن، أو إضافة مرشح بصري، إلى تحسين المناعة.
• خصائص الجسم: تعتمد موثوقية الكشف على عتامة الجسم لطول موجة الأشعة تحت الحمراء. قد لا تعترض المواد الرقيقة جدًا أو الشفافة الحزمة بالكامل.
• المحاذاة: المحاذاة الميكانيكية الدقيقة لمسار الجسم مع فجوة المستشعر ضرورية للتشغيل المتسق.
• السرعة: تأكد من أن سرعة الجسم ووقت استجابة النظام المطلوب متوافقان مع أوقات الصعود/الهبوط للجهاز (نطاق الميكروثانية).
• الضوضاء الكهربائية: في البيئات الصاخبة، حافظ على مسارات الإشارة قصيرة، واستخدم مكثفات تجاوز بالقرب من الجهاز، وفكر في التدريع.

7. المقارنة والتمييز التقني

مقارنة بالمفاتيح الدقيقة الميكانيكية، يقدم LTH-306-01 مزايا واضحة: لا ارتداد للاتصال، لا تآكل ميكانيكي، سرعة تبديل أسرع، وموثوقية أعلى على مدى ملايين الدورات. مقارنة بأجهزة الاستشعار البصرية الأخرى مثل أجهزة الاستشعار العاكسة، فإن القواطع الضوئية الناقلة (المقرنات ذات الفتحات) تكون عمومًا أكثر مناعة لتغيرات انعكاسية سطح الجسم ولونه، مما يوفر إشارة تشغيل/إيقاف أكثر اتساقًا تعتمد فقط على اعتراض الحزمة.

ستكون عوامل التمييز الرئيسية له ضمن فئة القاطع الضوئي هي حجم غلافه المحدد (الذي يتيح تصميمات مضغوطة)، وخصائصه الكهربائية (الحساسية المحددة بواسطة I_C(ON), السرعة المحددة بواسطة t_r/t_f)، ومواصفاته القوية للحمل ودرجة حرارة التشغيل.

8. الأسئلة الشائعة (FAQs)

س: ما هو العمر الافتراضي النموذجي لهذا الجهاز؟

ج: كجهاز ذي حالة صلبة بدون أجزاء متحركة، يتم تحديد عمره الافتراضي بشكل أساسي من خلال التدهور التدريجي في خرج الصمام الثنائي الباعث للضوء. عند التشغيل ضمن المواصفات، فإنه يتجاوز عادةً بكثير عمر المفاتيح الميكانيكية، وغالبًا ما يتم تصنيفه لمئات الآلاف إلى ملايين العمليات.

س: هل يمكنني تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء بمصدر جهد مباشرة؟

ج: لا. يجب تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء بمصدر محدود التيار. سيؤدي توصيله مباشرة بمصدر جهد يتجاوز جهد الأمام الخاص به إلى تدفق تيار مفرط، مما قد يدمره. استخدم دائمًا مقاومًا محددًا للتيار على التوالي أو مشغل تيار ثابت.

س: كيف أفسر القيمة الدنيا لـ "تيار المجمع في حالة التشغيل" (I_C(ON))؟

ج: هذا هو الحد الأدنى المضمون لتيار الخرج تحت ظروف الاختبار المحددة (V_CE=5 فولت، I_F=20 مللي أمبير). في تصميمك، يجب أن تتأكد من أن دائرة (مثل قيمة مقاوم السحب الخاصة بك) يمكنها العمل بشكل موثوق مع هذا الحد الأدنى من التيار لإنتاج جهد منطقي منخفض صالح عندما تكون الحزمة غير معترضة.

س: وقت الاستجابة بالميكروثانية. هل هذا سريع بما يكفي لتطبيقي؟

ج: بالنسبة لمعظم تطبيقات عد الأجسام، واستشعار الموضع، والكشف عن الورق، فإن استجابة الميكروثانية أكثر من كافية. على سبيل المثال، للكشف عن جسم يتحرك بسرعة 1 م/ث عبر فجوة 1 مم، يكون وقت الاعتراض 1 مللي ثانية (1000 ميكروثانية)، وهو أطول بكثير من وقت تبديل الجهاز. بالنسبة للتطبيقات عالية السرعة للغاية، تحقق من التوقيت المطلوب.

9. حالة استخدام عملية

السيناريو: الكشف عن انحشار الورق في الطابعة

يمكن وضع LTH-306-01 على طول مسار الورق. تسمح ورقة تمر عبر الفجوة لحزمة الأشعة تحت الحمراء بالوصول إلى الترانزستور الضوئي، مما يحافظ على خرجها في حالة واحدة (مثل منخفضة). إذا حدث انحشار، تتوقف الورقة في الفجوة، مما يحجب الحزمة ويغير حالة الخرج (مثل مرتفعة). يتم إرسال هذه الإشارة إلى متحكم الطابعة الدقيق، والذي يمكنه بعد ذلك إيقاف التشغيل وتنبيه المستخدم. يضمن الاستشعار غير التلامسي عدم تآكل الورق أو المستشعر، ويسمح وقت الاستجابة السريع بالكشف حتى لو كانت الورقة تتحرك بسرعة.

10. مبدأ التشغيل

LTH-306-01 هو مستشعر بصري ناقل. يحتوي على مكونين رئيسيين في ذراعين متقابلين من غلاف على شكل حرف U: صمام ثنائي باعث للضوء يعمل بالأشعة تحت الحمراء (IR LED) وترانزستور ضوئي من السيليكون من نوع NPN. يصدر الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء ضوءًا غير مرئي بالأشعة تحت الحمراء عند انحيازه الأمامي بتيار مناسب. تم تصميم الترانزستور الضوئي ليكون حساسًا لطول موجة الأشعة تحت الحمراء المحدد هذا. عندما لا يكون هناك جسم في الفجوة بينهما، يضيء ضوء الأشعة تحت الحمراء مباشرة على منطقة قاعدة الترانزستور الضوئي. يولد هذا الضوء الساقط أزواجًا من الإلكترونات والثقوب، والتي تعمل كتيار قاعدة، مما يشغل الترانزستور ويسمح بتدفق تيار مجمع كبير (I_C). عندما يدخل جسم معتم الفجوة، فإنه يحجب مسار الضوء. لا يتلقى الترانزستور الضوئي أي ضوء (أو ضوء منخفض للغاية)، ينخفض تيار القاعدة الفعال إلى الصفر تقريبًا، ويتم إيقاف تشغيل الترانزستور، مما يقلل تيار المجمع إلى مستوى تسرب منخفض جدًا (I_CEO). يتم اكتشاف هذا التغيير في تيار/جهد الخرج بواسطة الدوائر الخارجية لتسجيل حدث "وجود جسم".

11. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر مجال المكونات الإلكترونية الضوئية مثل القواطع الضوئية في التطور. تشمل الاتجاهات العامة الملحوظة في الصناعة:

• التصغير: تطوير بصمات غلاف أصغر حتى ومظهر جانبي أقل لتناسب الأجهزة الاستهلاكية والصناعية المتزايدة الضغط.
• التكامل المعزز: دمج دوائر إضافية على الشريحة، مثل مشغلات شميت للتأخر، ومقاومات محددة للتيار مدمجة، أو حتى واجهات رقمية (I2C)، مما يبسط التصميم الخارجي.
• تحسين الأداء: حساسية أعلى (تسمح بتيارات تشغيل أقل للصمام الثنائي الباعث للضوء لتوفير الطاقة)، وأوقات استجابة أسرع للأتمتة عالية السرعة، واستقرار أفضل لدرجة الحرارة.
• التركيز على كفاءة الطاقة: تصميمات تمكن من التشغيل النبضي بدورات عمل منخفضة جدًا لتقليل متوسط استهلاك الطاقة، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تعمل بالبطارية.
• المتانة: مقاومة محسنة للعوامل البيئية مثل الغبار والرطوبة والصدمات الميكانيكية.

تهدف هذه الاتجاهات إلى جعل حلول الاستشعار البصري أكثر موثوقية وأسهل في التنفيذ ومناسبة لمجموعة أوسع من التطبيقات.