ورقة بيانات مستشعر LTH-209-01 الضوئي العاكس - مستشعر الأجسام العاكسة - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTH-209-01 وحدة مقاطعة ضوئية من النوع العاكس، مُصممة لتطبيقات التبديل غير التلامسية. يجمع هذا الجهاز الكهروضوئي بين صمام ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء (IR) وترانزستور ضوئي داخل عبوة واحدة مدمجة. وظيفته الأساسية هي اكتشاف وجود أو غياب جسم عاكس موضوع داخل فجوة الاستشعار الخاصة به. تم تصميم الوحدة للتركيب المباشر على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) أو للاستخدام مع مقابس ثنائية الخط، مما يوفر مرونة في تكامل النظام. تشمل مزاياه الأساسية التشغيل غير التلامسي، الذي يلغي التآكل الميكانيكي ويضمن موثوقية طويلة الأمد، وسرعات تبديل سريعة مناسبة لمهام الاستشعار والعد المختلفة. يشمل السوق المستهدف معدات الأتمتة، والإلكترونيات الاستهلاكية، وأنظمة الأمان، والتحكم الصناعي حيث يكون هناك حاجة لاكتشاف أجسام دقيق وموثوق.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

قد يؤدي تشغيل الجهاز خارج هذه الحدود إلى تلف دائم. تشمل المعايير الرئيسية:

• تيار الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء الأمامي المستمر (I_F):50 مللي أمبير كحد أقصى. هذا يُحدد الحد الأعلى للتيار المستمر الذي يمكن تمريره باستمرار عبر صمام LED للأشعة تحت الحمراء.
• جهد الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء العكسي (V_R):5 فولت كحد أقصى. تجاوز جهد الانحياز العكسي هذا يمكن أن يتلف وصلة LED.
• تيار مجمع ترانزستور الضوء (I_C):20 مللي أمبير كحد أقصى. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن لترانزستور المخرج استنزافه.
• جهد مجمع-باعث ترانزستور الضوء (V_CEO):30 فولت كحد أقصى. هذا هو أقصى جهد يمكن تطبيقه عبر طرفي المجمع والباعث لترانزستور الضوء.
• نطاق درجة حرارة التشغيل:من -35°C إلى +65°C. يتم ضمان تشغيل الجهاز ضمن المواصفات عبر نطاق درجة الحرارة المحيطة هذا.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260°C لمدة 5 ثوانٍ على مسافة 1.6 مم من العلبة. هذا أمر بالغ الأهمية لعمليات اللحام الموجي أو إعادة التدفق.

ملاحظة على تخفيض القدرة:يجب تخفيض أقصى تبديد للطاقة لكل من الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء (75 ميغاواط) وترانزستور الضوء (100 ميغاواط) خطيًا بمعدل 1.33 ميغاواط/°C لدرجات الحرارة المحيطة أعلى من 25°C. هذا أمر أساسي لإدارة الحرارة والموثوقية طويلة الأمد.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد هذه المعايير عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C وتُحدد أداء الجهاز النموذجي.

2.2.1 خصائص الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء المدخل

• الجهد الأمامي (V_F):عادةً من 1.2 فولت إلى 1.6 فولت عند تيار أمامي (I_F) قدره 20 مللي أمبير. هذه المعلمة حاسمة لتصميم دائرة القيادة المحددة للتيار لصمام LED.
• التيار العكسي (I_R):100 ميكرو أمبير كحد أقصى عند جهد عكسي (V_R) قدره 5 فولت. يشير التيار العكسي المنخفض إلى جودة وصلة جيدة.

2.2.2 خصائص ترانزستور الضوء المخرج

• جهد انهيار مجمع-باعث (V_(BR)CEO):30 فولت كحد أدنى عند I_C=1 مللي أمبير. يسمح جهد الانهيار العالي هذا باستخدام جهود سحب أعلى في دائرة المخرج.
• تيار الظلام مجمع-باعث (I_CEO):100 نانو أمبير كحد أقصى عند V_CE=10 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما يكون الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء مغلقًا (لا إضاءة). يعد تيار الظلام المنخفض ضروريًا لنسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة، خاصة في التطبيقات منخفضة الإضاءة أو عالية الكسب.

2.2.3 خصائص المقرن (النظام)

تصف هذه المعايير أداء نظام المستشعر الكامل (صمام LED للأشعة تحت الحمراء + ترانزستور ضوئي).

• جهد التشبع مجمع-باعث (V_CE(SAT)):0.4 فولت كحد أقصى عند I_C=0.08 مللي أمبير و I_F=20 مللي أمبير. يشير جهد التشبع المنخفض هذا إلى أن ترانزستور الضوء يمكن أن يعمل كمفتاح فعال، حيث يسحب المخرج بالقرب من الأرض عند تفعيله.
• تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)):0.16 مللي أمبير كحد أدنى عند V_CE=5 فولت و I_F=20 مللي أمبير.شرط الاختبار:يتم قياس هذه المعلمة الحرجة باستخدام سطح عاكس قياسي (ورقة بيضاء ذات انعكاس منتشر بنسبة 90٪) موضوع على بعد 3.81 مم (0.15 بوصة) من وجه المستشعر. تحدد هذه المسافة والسطح القياسيان "فجوة الاستشعار" و"الانعكاسية الدنيا القابلة للاكتشاف" للأداء المحدد للجهاز.

3. معلومات الميكانيكا والعبوة

3.1 أبعاد العبوة

يأتي LTH-209-01 في علبة ذات طراز DIP (عبوة ثنائية الخط) قياسية ذات 4 أطراف. يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات مع تسامح افتراضي يبلغ ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك في الرسم البعدي. تم تصميم العبوة للتركيب على لوحة دوائر مطبوعة مثقبة. يعد الرسم البعدي الدقيق، بما في ذلك طول الجسم، والعرض، والارتفاع، وتباعد الأطراف، وقطر الطرف، ضروريًا لتصميم بصمة PCB والتكامل الميكانيكي في غلاف المنتج النهائي.

3.2 مخطط الأطراف وتحديد القطبية

يحتوي الجهاز على أربعة أطراف. عادةً، يكون طرفان لأنود وكاثود الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء، والطرفان الآخران لمجمع وباعث ترانزستور الضوء NPN. يعد التعريف الصحيح أمرًا حيويًا لمنع التلف. يجب الرجوع إلى مخطط الأطراف في ورقة البيانات. غالبًا ما تتضمن العبوة شقًا، أو نقطة، أو حافة مائلة للإشارة إلى الطرف 1. الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء حساس للقطبية، ويجب توصيل مجمع وباعث ترانزستور الضوء بشكل صحيح لعملية تبديل سليمة.

4. إرشادات اللحام والتجميع

اللحام اليدوي:استخدم مكواة لحام ذات تحكم في درجة الحرارة. تحدد المواصفة القصوى المطلقة أنه يمكن تعريض الأطراف لـ 260°C لمدة 5 ثوانٍ عند القياس على بعد 1.6 مم من العلبة البلاستيكية. يُوصى باستخدام أدنى درجة حرارة وأقصر وقت ممكن لعمل وصلة لحام موثوقة لتقليل الإجهاد الحراري على المكونات الداخلية والعلبة البلاستيكية.

اللحام الموجي:ممكن، ولكن يجب الالتزام الصارم بنفس ملف درجة الحرارة/الزمن (260°C لمدة 5 ثوانٍ على بعد 1.6 مم من العلبة). يُوصى بالتسخين المسبق لتقليل الصدمة الحرارية.

التنظيف:إذا كان التنظيف ضروريًا بعد اللحام، فاستخدم الطرق والمذيبات المتوافقة مع المادة البلاستيكية للجهاز لتجنب تشقق أو تعتيم النافذة البصرية.

ظروف التخزين:قم بالتخزين في بيئة ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد من -40°C إلى +100°C. يُنصح بالاحتفاظ بالأجهزة في أكياس الحاجز الرطوبة الأصلية الخاصة بها حتى الاستخدام لمنع تلوث الأسطح البصرية.

5. اقتراحات التطبيق

5.1 دوائر التطبيق النموذجية

يستخدم تكوين الدائرة الأكثر شيوعًا LTH-209-01 كمفتاح رقمي. يتم تشغيل الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء بمصدر تيار ثابت أو مقاومة محددة للتيار من مصدر جهد (مثل 5 فولت). يتم استخدام I_Fنموذجي قدره 20 مللي أمبير وفقًا لشروط الاختبار. يتم توصيل ترانزستور الضوء في تكوين باعث مشترك: يتم توصيل المجمع بجهد الإمداد (V_CC, حتى 30 فولت) عبر مقاومة سحب (R_L)، ويتم توصيل الباعث بالأرض. تؤخذ إشارة المخرج من عقدة المجمع. عندما لا يكون هناك جسم عاكس، يكون ترانزستور الضوء مغلقًا (مخرج مرتفع). عندما يدخل جسم عاكس فجوة الاستشعار، ينعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء على ترانزستور الضوء، مما يشغله ويسحب المخرج إلى مستوى منخفض.

5.2 اعتبارات التصميم وأفضل الممارسات

• اختيار مقاومة السحب (R_L):تحدد قيمة R_Lتيار المخرج وتأرجح الجهد. يجب اختيارها بناءً على I_C(ON)المطلوب وخصائص إدخال الحمل (مثل دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة). توفر R_Lأصغر تبديلًا أسرع ومقاومة أفضل للضوضاء ولكنها تستهلك طاقة أكبر. تأكد من ألا يتجاوز I_C20 مللي أمبير: R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20 مللي أمبير.
• تقليل الضوضاء الكهربائية:ضع مكثف تجاوز (مثل 0.1 ميكروفاراد) بالقرب من أطراف طاقة الجهاز. حافظ على مسارات الإشارة قصيرة، خاصة خط مخرج ترانزستور الضوء، لتقليل القابلية للتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي (EMI).
• الاعتبارات البصرية:يعتمد أداء الاستشعار على الانعكاسية، واللون، والمسافة للجسم المستهدف. يتم تحديد I_C(ON)لسطح أبيض عاكس بنسبة 90٪ على بعد 3.81 مم. ستنتج الأجسام الأكثر قتامة أو بعدًا إشارة خرج أصغر. للتشغيل المتسق، صمم عتبة اكتشاف النظام (مثل جهد مرجعي للمقارن) وفقًا لذلك. تجنب مصادر الضوء المحيط (خاصة ضوء الشمس أو المصابيح المتوهجة الغنية بالأشعة تحت الحمراء) من السطوع المباشر في فتحة المستشعر، حيث يمكن أن يتسبب ذلك في تشغيل خاطئ. يمكن استخدام إشارة IR معدلة واكتشاف متزامن في بيئات الضوء المحيط العالي.
• المحاذاة الميكانيكية:تأكد من أن مسار الجسم المستهدف ثابت ويمر ضمن فجوة الاستشعار المثلى (حوالي 3.81 مم المحددة) لاكتشاف موثوق.

6. المقارنة التقنية والتمييز

يختلف LTH-209-01، كمقاطعة ضوئية عاكسة، عن أنواع أجهزة الاستشعار الضوئية الأخرى:

• مقابل المقاطعات الضوئية الناقلة (مقرنات ضوئية ذات فتحة):تحتوي الأنواع الناقلة على فجوة مادية بين الباعث والمكتشف؛ يتم اكتشاف الجسم عندما يحجب مسار الضوء. تكتشف الأنواع العاكسة مثل LTH-209-01 الجسم عندما يعكس الضوء مرة أخرى. غالبًا ما تكون أجهزة الاستشعار العاكسة أبسط في التركيب لأنها تتطلب الوصول من جانب واحد فقط، لكن أدائها يعتمد أكثر على خصائص سطح الجسم.
• مقابل أجهزة الاستشعار الضوئية المنطقية:تتضمن بعض المقاطعات الضوئية دوائر منطقية مدمجة (مشغل شميت، مكبر) لتوفير مخرج رقمي نظيف. يوفر LTH-209-01 مخرج ترانزستور ضوئي تمثيلي بسيط، مما يوفر مرونة أكبر ولكنه يتطلب دوائر خارجية (مثل مقارن) لإنشاء إشارة رقمية قوية في البيئات الصاخبة.
• المزايا الرئيسية لهذا الطراز:يوفر الجمع بين جهد انهيار مجمع-باعث مرتفع نسبيًا (30 فولت)، وجهد تشبع منخفض، وشرط اختبار قياسي للحساسية توازنًا جيدًا لتطبيقات الاستشعار العاكس للأغراض العامة.

7. الأسئلة الشائعة (FAQs)

س1: ما هي المسافة المثلى لاستشعار جسم؟

ج1: تحدد ورقة البيانات تيار حالة التشغيل (I_C(ON)) مع الهدف على بعد 3.81 مم (0.15 بوصة). هذه هي مسافة الاختبار القياسية. تعتمد المسافة المثلى الفعلية على انعكاسية الهدف. بالنسبة لهدف عاكس للغاية، قد يعمل الاكتشاف على مسافات أكبر قليلاً. للتصميم الموثوق، استخدم 3.81 مم كنقطة تشغيل اسمية.

س2: هل يمكنني تشغيل صمام LED للأشعة تحت الحمراء بمصدر جهد مباشرة؟

ج2: لا. يجب تشغيل صمام LED للأشعة تحت الحمراء، مثل جميع الثنائيات، بالتيار. سيؤدي توصيله مباشرة بمصدر جهد إلى تدفق تيار مفرط، مما قد يدمر الجهاز. استخدم دائمًا مقاومة محددة للتيار على التوالي. احسب قيمة المقاومة كـ R = (V_supply- V_F) / I_F. لمصدر 5 فولت، V_F=1.4 فولت، و I_F=20 مللي أمبير: R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 أوم.

س3: لماذا إشارة المخرج الخاصة بي غير مستقرة أو بها ضوضاء؟

ج3: تشمل الأسباب الشائعة: 1) قيمة مقاومة السحب غير كافية تؤدي إلى وقت صعود بطيء، 2) التقاط ضوضاء كهربائية على مسارات مخرج طويلة (استخدم مكثف تجاوز وتوجيه أقصر)، 3) تداخل ضوء الأشعة تحت الحمراء المحيط (احمِ المستشعر أو استخدم التعديل)، 4) الجسم المستهدف له انعكاسية متغيرة أو على مسافة غير متسقة.

س4: ماذا تعني ملاحظة "تخفيض خطي 1.33 ميغاواط/°C"؟

ج4: هذه قاعدة تخفيض حراري. يتم تحديد أقصى تبديد طاقة مسموح به (75 ميغاواط للثنائي، 100 ميغاواط للترانزستور) عند 25°C. لكل درجة مئوية تزيد فيها درجة الحرارة المحيطة عن 25°C، يجب عليك تقليل أقصى طاقة مسموح بها بمقدار 1.33 ميغاواط. على سبيل المثال، عند 65°C (40°C فوق 25°C)، تكون أقصى طاقة مخفضة للترانزستور هي 100 ميغاواط - (40 * 1.33 ميغاواط) = 100 - 53.2 = 46.8 ميغاواط.

8. دراسة حالة تطبيقية عملية

السيناريو: اكتشاف الورق في طابعة.

يمكن استخدام LTH-209-01 لاكتشاف الحافة الأمامية للورق أثناء تغذيته عبر آلية الطابعة. يتم تركيب المستشعر على اللوحة الرئيسية مع توجيه وجه الاستشعار نحو مسار الورق. يعمل شريط عاكس أو الورق نفسه (إذا كان عاكسًا بدرجة كافية) كهدف. عندما لا يكون هناك ورق، يكون المخرج مرتفعًا. عندما تمر حافة الورق تحت المستشعر، ينشط ضوء الأشعة تحت الحمراء المنعكس ترانزستور الضوء، مما يسحب المخرج إلى مستوى منخفض. تخبر هذه الإشارة الرقمية وحدة التحكم الدقيقة للطابعة بموضع الورق، مما يسمح لها بالتحكم في توقيت الطباعة بدقة. تشمل نقاط التصميم الرئيسية هنا اختيار مقاومة سحب للتفاعل بشكل نظيف مع منطق MCU 3.3 فولت أو 5 فولت، وضمان استقرار مسار الورق ميكانيكيًا للحفاظ على فجوة الاستشعار الصحيحة، وإضافة مرشح RC بسيط على المخرج لإزالة الارتداد الناتج عن نسيج الورق.

9. مبدأ التشغيل

يعمل LTH-209-01 على مبدأ انعكاس الضوء المعدل والتحويل الكهروضوئي. داخليًا، يصدر صمام ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (IRED) ضوءًا بطول موجي يبلغ عادةً حوالي 940 نانومتر، وهو غير مرئي للعين البشرية. يُسقط هذا الضوء خارج الجزء الأمامي من الجهاز. عندما يدخل جسم عاكس مناسب في مجال الرؤية ويكون ضمن النطاق الفعال، ينعكس جزء من الإشعاع تحت الأحمر المنبعث عن سطح الجسم ويعود نحو الجهاز. يستقبل ترانزستور ضوئي من السيليكون من نوع NPN، موضوع بجوار IRED داخل نفس العبوة، هذا الضوء المنعكس. تولد الفوتونات الساقطة على منطقة قاعدة ترانزستور الضوء أزواج إلكترون-فجوة، مما يخلق تيار قاعدة بشكل فعال. يتم تضخيم تيار القاعدة الضوئي هذا بواسطة كسب الترانزستور، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير يمكن قياسه خارجيًا. هذا التغيير في تيار المجمع (من تيار ظلام منخفض جدًا إلى I_C(ON)المحدد) هو آلية الاكتشاف الأساسية. وبالتالي يحول الجهاز حدثًا بصريًا (وجود جسم عاكس) إلى إشارة كهربائية.

10. اتجاهات الصناعة والسياق

تمثل المقاطعات الضوئية العاكسة مثل LTH-209-01 تقنية ناضجة وموثوقة داخل سوق أجهزة الاستشعار الكهروضوئية الأوسع. الاتجاه العام في هذا المجال هو نحو التصغير، وزيادة التكامل، وتعزيز الوظائف. قد تتميز الأجهزة الأحدث بحزم تركيب سطحية (SMD) للتجميع الآلي، واستهلاك طاقة أقل، ودوائر تكييف إشارة مدمجة توفر مخارج رقمية (I2C، PWM) أو مخارج تمثيلية بخطية محسنة. هناك أيضًا اتجاه نحو استخدام أطوال موجية محددة أو دمج مرشحات بصرية لتحسين المناعة ضد الضوء المحيط. علاوة على ذلك، يستمر تطوير المواد وتقنيات التعبئة والتغليف في تحسين نطاق درجة الحرارة، ومقاومة الرطوبة، والاستقرار طويل الأمد لهذه المكونات. بينما توجد بدائل متقدمة، يظل مستشعر العاكس ذو المخرج المنفصل من خلال الثقب حلاً فعالاً من حيث التكلفة ومتعدد الاستخدامات للغاية للعديد من تطبيقات الكشف غير التلامسية حيث تكون البساطة والمتانة والأداء المثبت أمرًا بالغ الأهمية.