ورقة بيانات القاطع الضوئي LTH-301-19 - التبديل بدون تلامس - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

جهاز LTH-301-19 هو جهاز تبديل مضغوط يعمل بدون تلامس، مُصمم للتطبيقات التي تتطلب كشفًا موثوقًا للأجسام أو استشعارًا للموضع. يعمل على مبدأ صمام ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (IR LED) مقترن بترانزستور ضوئي. عندما يعترض جسم ما الحزمة تحت الحمراء بين الباعث والمستقبل، تتغير حالة خرج الترانزستور الضوئي، مُوفرًا إشارة تبديل. هذا الجهاز مناسب للتركيب المباشر على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أو الاستخدام مع مقابس ثنائية الخط، ويوفر حلاً سريعًا وموثوقًا لمختلف تطبيقات الإلكترونيات الصناعية والاستهلاكية.

2. التفسير الموضوعي المتعمق للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم الحدود التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للجهاز. يمكن للصمام الثنائي بالأشعة تحت الحمراء تحمل تيار أمامي مستمر قدره 60 مللي أمبير وجهد عكسي 5 فولت. تيار مجمع الترانزستور الضوئي محدود بـ 20 مللي أمبير مع تبديد طاقة 100 مللي واط. بالنسبة للصمام الثنائي بالأشعة تحت الحمراء، يُسمح بتيار أمامي ذروي قدره 1 أمبير في ظل ظروف النبض (عرض النبضة 10 ميكروثانية، 300 نبضة في الثانية). الجهاز مصنف لمدى درجة حرارة تشغيل من -25°C إلى +85°C ومدى تخزين من -40°C إلى +100°C. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة لحام الأطراف 260°C لمدة 5 ثوانٍ عند القياس على بعد 1.6 مم من جسم الجهاز.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يُفصل هذا القسم أداء الجهاز في ظل ظروف التشغيل النموذجية عند درجة حرارة محيطة 25°C.

2.2.1 خصائص الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) المدخل

الجهد الأمامي (VF) لصمام LED بالأشعة تحت الحمراء هو عادةً 1.6 فولت عند تيار أمامي (IF) قدره 20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.6 فولت. التيار العكسي (IR) هو بحد أقصى 100 ميكرو أمبير عند جهد عكسي (VR) قدره 5 فولت.

2.2.2 خصائص الترانزستور الضوئي (Phototransistor) المخرج

جهد انهيار المجمع-الباعث (V(BR)CEO) هو 30 فولت كحد أدنى. جهد انهيار الباعث-المجمع (V(BR)ECO) هو 5 فولت كحد أدنى. تيار الظلام للمجمع-الباعث (ICEO) هو بحد أقصى 100 نانو أمبير عند VCE=10V، مما يشير إلى تيار التسرب عندما يكون LED مغلقًا.

2.2.3 خصائص المقرن (Coupler)

جهد تشبع المجمع-الباعث (VCE(SAT)) هو بحد أقصى 0.4 فولت عندما يتم دفع الترانزستور الضوئي إلى حالة التشبع (IC=70μA, IF=1.4mA). تيار المجمع في حالة التشغيل (IC(ON)) هو عادةً 70 ميكرو أمبير عند VCE=3.3V و IF=1.4mA، ويمكن أن يصل إلى 10 مللي أمبير عند VCE=5V و IF=20mA، مما يُظهر حساسية الجهاز وقدرة الخرج تحت ظروف القيادة المختلفة.

2.2.4 زمن الاستجابة

تتميز سرعة التبديل بزمن الصعود (tr) وزمن الهبوط (tf). زمن الصعود النموذجي هو 3 ميكروثانية (15 ميكروثانية كحد أقصى)، وزمن الهبوط النموذجي هو 4 ميكروثانية (20 ميكروثانية كحد أقصى)، ويتم قياسهما تحت ظروف اختبار محددة (VCE=5V, Ic=2mA, RL=100Ω). هذا يُحدد قدرة الجهاز على الكشف عالي السرعة.

3. معلومات الميكانيكا والتغليف

3.1 أبعاد العبوة

يتميز الجهاز بعبوة قياسية ذات ثقوب تمريرية. جميع الأبعاد محددة بالمليمترات مع تسامح افتراضي ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم توفير رسم الأبعاد الدقيق في ورقة البيانات، مُفصلاً حجم الجسم، تباعد الأطراف، والمساحة الإجمالية لتخطيط لوحة الدوائر المطبوعة.

3.2 تحديد قطبية الأطراف

التوجيه الصحيح أمر بالغ الأهمية. تتضمن ورقة البيانات مخططًا يُحدد بوضوح الأنود والكاثود لصمام LED بالأشعة تحت الحمراء والمجمع والباعث للترانزستور الضوئي. تركيب الجهاز بشكل غير صحيح يمكن أن يؤدي إلى عطل أو تلف.

4. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات منحنيات الخصائص الكهربائية والبصرية النموذجية، مرسومة عند درجة حرارة محيطة 25°C ما لم يُحدد خلاف ذلك. هذه الرسوم البيانية ضرورية لفهم سلوك الجهاز بما يتجاوز القيم الدنيا والنموذجية والقصوى المجدولة.

4.1 خصائص النقل

من المرجح أن تُظهر المنحنيات العلاقة بين تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء الأمامي المدخل (IF) وتيار مجمع الترانزستور الضوئي المخرج (IC) عند جهود مجمع-باعث مختلفة (VCE). هذا يوضح نسبة نقل التيار (CTR)، وهي معلمة رئيسية للكسب.

4.2 خصائص تشبع المخرج

تساعد الرسوم البيانية التي تصور VCE(SAT) مقابل IC لمستويات IF مختلفة المصممين على فهم مستويات جهد الخرج عندما يكون الترانزستور الضوئي في حالة التشغيل الكامل، وهو أمر مهم للوصل مع دوائر المنطق.

4.3 الاعتماد على درجة الحرارة

بينما تكون البيانات الأساسية عند 25°C، قد تُظهر منحنيات الخصائص كيف تختلف معاملات مثل تيار الظلام (ICEO) وتيار الخرج مع درجة الحرارة، وهو أمر حاسم لتصميم أنظمة مستقرة على مدى نطاق التشغيل المحدد.

5. إرشادات اللحام والتركيب

5.1 معاملات اللحام

يُحدد الحد الأقصى المطلق أنه يمكن لحام الأطراف عند 260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مع قياس درجة الحرارة على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من الغلاف البلاستيكي. هذا أمر بالغ الأهمية لمنع التلف الحراري للمكونات الداخلية والعبوة البلاستيكية.

5.2 التعامل والتخزين

يجب تخزين الجهاز ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -40°C إلى +100°C. يجب مراعاة احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي القياسية (ESD) أثناء التعامل والتركيب لمنع تلف الوصلات شبه الموصلة.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

جهاز LTH-301-19 مثالي للاستشعار بدون تلامس في الطابعات (كشف انحشار الورق، مستوى الحبر)، وآلات النسخ، وآلات البيع (كشف العملات/الأجسام)، والأتمتة الصناعية (استشعار الموضع، مفاتيح الحد)، والإلكترونيات الاستهلاكية. تجعله سرعة تبديله السريعة مناسبًا لتطبيقات العد أو قياس السرعة.

6.2 اعتبارات التصميم

مقاومة تحديد التيار:يجب استخدام مقاومة خارجية على التوالي مع صمام LED بالأشعة تحت الحمراء لتحديد تياره الأمامي (IF) إلى قيمة آمنة، عادةً بين حالة الاختبار البالغة 1.4 مللي أمبير والحد الأقصى المطلق البالغ 60 مللي أمبير، لتحقيق التوازن بين السطوع وعمر التشغيل.
مقاومة الحمل:تؤثر قيمة مقاومة الحمل (RL) المتصلة بمجمع الترانزستور الضوئي على كل من تأرجح جهد الخرج وزمن الاستجابة. مقاومة حمل أصغر توفر تبديلًا أسرع ولكن تأرجح جهد خرج أصغر.
الضوء المحيط:كجهاز يعمل بالأشعة تحت الحمراء، فهو أقل عرضة لتشويش الضوء المحيط المرئي. ومع ذلك، للتطبيقات الحرجة، يمكن استخدام التدريع الميكانيكي أو تقنيات التضمين/فك التضمين لتعزيز مناعة الضوضاء.
المحاذاة:المحاذاة الميكانيكية الدقيقة بين فتحتي الباعث والمستقبل ضرورية للحصول على الأداء الأمثل وأقصى مسافة استشعار.

7. المقارنة والتمييز التقني

مقارنة بالمفاتيح الميكانيكية، يقدم جهاز LTH-301-19 الميزة الرئيسية للتشغيل بدون تلامس، مما يؤدي إلى عدم وجود تآكل، وعمر تشغيلي أطول، وتشغيل صامت، وسرعات تبديل محتملة أعلى. مقارنة بأجهزة الاستشعار البصرية الأخرى، فإن عبوته ذات الفتحة المدمجة توفر مسارًا بصريًا مدمجًا، مما يبسط التصميم الميكانيكي ويحسن موثوقية المحاذاة مقارنة بمكونات الباعث والمستقبل المنفصلة. جهد التشبع المحدد (VCE(SAT)<0.4V) يضمن توافقًا جيدًا مع دوائر المنطق منخفضة الجهد.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هو الغرض من معلمة تيار الظلام (ICEO)؟
ج: تيار الظلام هو تيار التسرب الصغير الذي يتدفق عبر الترانزستور الضوئي عندما لا يسقط عليه ضوء من صمام LED بالأشعة تحت الحمراء (أي تم حجب الحزمة أو إيقاف تشغيل LED). من المرغوب فيه أن يكون تيار الظلام منخفضًا (بحد أقصى 100 نانو أمبير) لأنه يقلل من التيار في "حالة الإيقاف"، مما يؤدي إلى تمييز أوضح بين حالتي التشغيل والإيقاف للمفتاح.

س: كيف أختار قيمة مقاومة تحديد تيار LED؟
ج: استخدم قانون أوم: R = (Vcc - VF) / IF. Vcc هو جهد التغذية الخاص بك، VF هو جهد الصمام الثنائي الباعث للضوء الأمامي (استخدم 1.6V هامش تصميم)، و IF هو تيار التشغيل المطلوب (مثلاً 20mA للخرج الكامل). تأكد من أن تبديد الطاقة المحسوب في المقاومة ضمن تصنيفها.

س: هل يمكن استخدام هذا المستشعر في الهواء الطلق؟
ج: نطاق درجة حرارة التشغيل هو من -25°C إلى +85°C، وهو يغطي العديد من البيئات. ومع ذلك، يحتوي ضوء الشمس المباشر على إشعاع قوي تحت الأحمر يمكن أن يشبع المستشعر. العزل البيئي ضد الغبار والرطوبة ليس جزءًا من مواصفات العبوة ويجب النظر فيه بشكل منفصل.

س: ما الذي يؤثر على مسافة الاستشعار أو الفجوة؟
ج: تتأثر فجوة الاستشعار بتيار تشغيل LED (IF)، وحساسية الترانزستور الضوئي، والمحاذاة، وعتامة الجسم الذي يعترض الحزمة. لا تحدد ورقة البيانات فجوة قصوى؛ يجب تحديدها تجريبيًا لجسم محدد وهامش إشارة مطلوب.

9. حالة استخدام عملية

الحالة: كشف الورق في طابعة مكتبية.يمكن تركيب جهاز LTH-301-19 بحيث يمر مسار الورق عبر فتحته. يراقب دبوس إدخال/إخراج للأغراض العامة (GPIO) في متحكم دقيق، مُهيأ بمقاومة سحب لأعلى، مجمع الترانزستور الضوئي. عندما لا يكون هناك ورق، تصل الحزمة تحت الحمراء إلى المستقبل، مما يشغل الترانزستور الضوئي ويسحب جهد المجمع إلى مستوى منخفض (قريب من VCE(SAT)). عندما يدخل الورق الفتحة، يحجب الحزمة، مما يوقف تشغيل الترانزستور الضوئي، مما يسمح لمقاومة السحب لأعلى بسحب جهد المجمع إلى مستوى عالٍ إلى Vcc. يكتشف المتحكم الدقيق هذا الانتقال في الجهد لتأكيد وجود الورق أو تشغيل تنبيه نفاد الورق. يضمن زمن الاستجابة السريع الكشف حتى للورق المتحرك بسرعة.

10. مقدمة مبدأ التشغيل

جهاز LTH-301-19 هو مستشعر بصري من نوع الإرسال مُحاط بغلاف بلاستيكي على شكل حرف U. على جانب واحد، يصدر صمام ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (IR LED) ضوءًا بطول موجي يبلغ عادةً حوالي 940 نانومتر. مباشرة في المقابل، على الجانب الآخر من الفتحة، يعمل ترانزستور ضوئي من نوع NPN من السيليكون كمستقبل. تم تصميم الترانزستور الضوئي بحيث يولد الضوء الساقط على منطقة قاعدته أزواج إلكترون-فجوة، والتي تعمل كتيار قاعدة، وبالتالي تتحكم في تيار مجمع-باعث أكبر بكثير. عندما لا يكون هناك جسم في الفتحة، يضرب الضوء من صمام LED بالأشعة تحت الحمراء الترانزستور الضوئي، مما يجعله يوصل (حالة التشغيل). عندما يدخل جسم الفتحة، يعترض مسار الضوء، مما يقلل بشكل كبير من الضوء على الترانزستور الضوئي، مما يجعله يتوقف عن التوصيل (حالة الإيقاف). يُستخدم هذا التغيير في تيار/جهد الخرج كإشارة تبديل.

11. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل القواطع الضوئية مثل LTH-301-19 تقنية ناضجة وموثوقة. تشمل الاتجاهات الحالية في المجال تصغير حجم العبوة للتركيب بكثافة أعلى على لوحات الدوائر المطبوعة، وتطوير إصدارات أجهزة التركيب السطحي (SMD) لتسهيل التجميع الآلي، ودمج دوائر إضافية مثل مشغلات شميت أو مضخمات داخل العبوة لتوفير إشارة خرج رقمية نظيفة وتحسين مناعة الضوضاء. هناك أيضًا تركيز على تقليل استهلاك الطاقة، خاصة للتطبيقات التي تعمل بالبطاريات، من خلال تحسين كفاءة LED وحساسية الترانزستور الضوئي. علاوة على ذلك، تتضمن بعض المتغيرات المتقدمة عدة باعثات أو مستقبلات في عبوة واحدة لاستشعار الموضع المشفر أو لتوفير التكرار.