ورقة بيانات القاطع الضوئي LTH-306-09S - بديل المفاتيح الميكانيكية - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTH-306-09S قاطعًا ضوئيًا، وهو نوع من الأجهزة الإلكترونية الضوئية المصممة للكشف عن انقطاع شعاع الضوء. يعمل كبديل مباشر وحالة صلبة للمفاتيح الميكانيكية التقليدية في تطبيقات الاستشعار المختلفة. تكمن الميزة الأساسية في تشغيله بدون تلامس، مما يلغي المشكلات المتعلقة بالتآكل الميكانيكي، وارتداد التلامس، والتدهور المادي مع مرور الوقت. وهذا يجعله موثوقًا للغاية للتطبيقات التي تتطلب تشغيلًا متكررًا أو تشغيلًا في بيئات حيث يمكن أن يؤثر الغبار أو الرطوبة أو الاهتزاز على التلامسات الميكانيكية. الجهاز مناسب لسوق واسع، بما في ذلك الأتمتة الصناعية (استشعار الموضع، مفاتيح الحد)، والإلكترونيات الاستهلاكية (كشف ورق الطابعة، استشعار صينية القرص)، وأنظمة السلامة (كشف قفل الباب).

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد تتسبب في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• دخل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED):
  • تبديد الطاقة:75 ميلي واط. هذه هي أقصى طاقة مستمرة يمكن للصمام الثنائي الباعث للضوء تحملها عند درجة الحرارة المحيطة المحددة.
  • تيار الأمام الذروي:1 أمبير (تحت ظروف النبض: 300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية). هذا التصنيف حاسم لقيادة الصمام الثنائي الباعث للضوء بنبضات قصيرة وعالية الكثافة.
  • تيار الأمام المستمر:50 مللي أمبير. أقصى تيار مستمر للتشغيل طويل الأمد الموثوق.
  • الجهد العكسي:5 فولت. تجاوز هذا يمكن أن يتلف تقاطع الصمام الثنائي الباعث للضوء.
• خرج الترانزستور الضوئي:
  • تبديد الطاقة:100 ميلي واط.
  • جهد المجمع-الباعث (V_CE):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه عبر المجمع والباعث.
  • جهد الباعث-المجمع:5 فولت.
  • تيار المجمع:20 مللي أمبير. أقصى تيار يمكن لخرج الترانزستور الضوئي استنزافه.
• البيئية:
  • نطاق درجة حرارة التشغيل:-25°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة لوظيفة الجهاز الطبيعية.
  • نطاق درجة حرارة التخزين:-40°C إلى +100°C.
  • درجة حرارة لحام الأطراف:260°C لمدة 5 ثوانٍ (للأطراف على بعد 1.6 مم من العلبة). هذا يحدد قيد ملف تعريف لحام إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

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

• خصائص دخل الصمام الثنائي الباعث للضوء:
  • جهد الأمام (V_F):عادة من 1.2 فولت إلى 1.6 فولت عند تيار أمامي (I_F) بقيمة 20 مللي أمبير. يستخدم هذا لحساب قيمة المقاوم المحدد للتيار المطلوبة: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • التيار العكسي (I_R):أقصى 100 ميكرو أمبير عند جهد عكسي 5 فولت.
• خصائص خرج الترانزستور الضوئي:
  • 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). القيمة المنخفضة مرغوبة لنسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة.
  • جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):عادة 0.4 فولت عند I_C=0.25 مللي أمبير و I_F=20 مللي أمبير. هذا هو انخفاض الجهد عبر الترانزستور الضوئي عندما يكون "مفتوحًا" بالكامل.
  • تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)):الحد الأدنى 0.5 مللي أمبير عند V_CE=5 فولت و I_F=20 مللي أمبير. يحدد هذا الحد الأدنى لتيار الخرج عندما يكون مسار الضوء غير معترض.
• خاصية المقترن:
  • زاوية الفعل:8° إلى 14°. هذه معلمة حاسمة تحدد الإزاحة الزاوية للجسم المعترض (مثل ذراع الرافعة) المطلوبة لتبديل حالة الخرج بشكل موثوق. تشير الزاوية الأصغر إلى حساسية أعلى للحركة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص الكهربائية/البصرية النموذجية. بينما لا يتم توفير الرسوم البيانية المحددة في النص، يتم تحليل غرضها القياسي أدناه.

• التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى I_F-V_F):يُظهر هذا الرسم البياني العلاقة غير الخطية بين تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء والجهد. يساعد المصممين على فهم المقاومة الديناميكية للصمام الثنائي الباعث للضوء وضمان قيادة تيار مستقرة.
• تيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث (منحنيات I_C-V_CE):تُظهر هذه المنحنيات، المرسومة لتيارات قيادة مختلفة للصمام الثنائي الباعث للضوء (I_F)، خصائص خرج الترانزستور الضوئي. تُظهر منطقة التشبع (حيث يكون I_Cثابتًا نسبيًا) ومنطقة الخطي/النشط، وهي مهمة لتطبيقات الاستشعار التناظرية.
• نسبة نقل التيار (CTR) مقابل التيار الأمامي:CTR هي نسبة تيار مجمع الترانزستور الضوئي (I_C) إلى تيار أمام الصمام الثنائي الباعث للضوء (I_F)، تُعبر عنها عادة كنسبة مئوية. يُظهر هذا المنحنى كيف تتغير الكفاءة مع تيار القيادة وهو مفتاح لتحسين دائرة القيادة للحصول على تأرجح الخرج المطلوب.
• منحنيات الاعتماد على درجة الحرارة:الرسوم البيانية التي تُظهر كيف تختلف معلمات مثل V_F, I_C(ON)، وتيار الظلام مع درجة الحرارة المحيطة ضرورية لتصميم أنظمة قوية تعمل عبر نطاق درجة الحرارة المحدد.

4. معلومات الميكانيكية والتغليف

تتضمن ورقة البيانات رسمًا لأبعاد العلبة (غير مرفق هنا). تشمل الاعتبارات الميكانيكية الرئيسية:

• أبعاد الفتحة:الفجوة الحرجة التي يمر من خلالها الجسم المعترض. يحدد عرضها وعمقها التوافق مع الجسم المستهدف.
• تباعد الأطراف وشكلها:تخطيط الأطراف (على الأرجح تكوين قياسي بأربعة أطراف: الأنود، الكاثود للصمام الثنائي الباعث للضوء؛ المجمع، الباعث للترانزستور الضوئي) وتباعدها حيويان لتصميم بصمة اللوحة المطبوعة (PCB).
• الحجم الكلي للعلبة:يحدد الطول والعرض والارتفاع الخارجي وضع الجهاز داخل التجميع.
• تحديد القطبية:سيكون للعلبة علامات (مثل نقطة أو حافة مائلة) لتحديد الطرف 1، والذي يجب محاذاته بشكل صحيح مع بصمة اللوحة المطبوعة.
• أذرع الرافعة المخصصة:ميزة ملحوظة هي القدرة على تصميم أذرع رافعة مخصصة تتصل بالجسم المعترض، مما يسمح بتكيف المستشعر لحركات ميكانيكية محددة وزيادة مرونة تطبيقه.

5. إرشادات اللحام والتجميع

المناولة الصحيحة حاسمة للموثوقية.

• لحام إعادة التدفق:الحد المحدد هو 260°C لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم العلبة. يتوافق هذا مع ملفات إعادة التدفق النموذجية الخالية من الرصاص. يجب على المصممين التأكد من أن الملف الحراري لفرن إعادة التدفق لا يتجاوز هذا الحد لمنع تلف الإيبوكسي الداخلي أو تقاطعات أشباه الموصلات.
• اللحام اليدوي:إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب استخدام مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة، وتقليل وقت اللحام لكل طرف (عادة < 3 ثوانٍ).
• التنظيف:استخدم عوامل تنظيف مناسبة وغير تآكلية متوافقة مع العلبة البلاستيكية للجهاز.
• ظروف التخزين:قم بالتخزين في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن النطاق المحدد -40°C إلى +100°C لمنع امتصاص الرطوبة (والذي يمكن أن يسبب "انفجار الذرة" أثناء إعادة التدفق) وتلف التفريغ الكهروستاتيكي (ESD).

6. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

التكوين الأكثر شيوعًا هو مفتاح رقمي. يتم قيادة الصمام الثنائي الباعث للضوء بتيار ثابت (مثل 20 مللي أمبير عبر مقاوم متسلسل). يتم توصيل مجمع الترانزستور الضوئي بمقاوم سحب (R_pull-up) إلى جهد إمداد المنطق (مثل 5 فولت)، ويتم تأريض الباعث. تؤخذ إشارة الخرج من عقدة المجمع.

• شعاع غير معترض (الغائب عن الجسم):يسقط الضوء على قاعدة الترانزستور الضوئي، مما يجعله يوصل. يتم سحب جهد المجمع إلى مستوى منخفض (قريب من V_CE(SAT)).
• شعاع معترض (الجسم موجود):يتم إيقاف تشغيل الترانزستور الضوئي. يقوم مقاوم السحب بسحب جهد المجمع إلى مستوى مرتفع (إلى جهد الإمداد).

قيمة R_pull-upهي مقايضة: توفر القيمة الأقل أوقات صعود أسرع وحصانة ضوضاء أفضل ولكنها تسحب تيارًا أكبر عندما يكون الخرج منخفضًا. يجب اختيارها بناءً على سرعة التبديل المطلوبة وخصائص دخل مرحلة المنطق التالية.

6.2 اعتبارات التصميم

• اختيار تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء:التشغيل عند 20 مللي أمبير النموذجي يوفر تيار خرج جيد. التيارات الأقل توفر الطاقة ولكنها تقلل I_C(ON)وهامش الضوضاء. لا تتجاوز تصنيف تيار الأمام المستمر.
• حصانة الضوء المحيط:الجهاز حساس للطول الموجي المحدد للصمام الثنائي الباعث للضوء الداخلي. ومع ذلك، في البيئات ذات الضوء المحيط القوي (خاصة ضوء الشمس الذي يحتوي على الأشعة تحت الحمراء)، يمكن لإشارة قيادة الصمام الثنائي الباعث للضوء المضمنة (النبضية) مع الكشف المتزامن في دائرة الاستقبال أن تحسن الحصانة بشكل كبير.
• وقت الاستجابة:تقتصر سرعة التبديل (وقت الصعود/الهبوط) على سعة الترانزستور الضوئي وقيمة مقاوم السحب. للتطبيقات عالية السرعة، استشر الرسوم البيانية الديناميكية المحددة إذا كانت متاحة.
• خصائص الجسم:تؤثر عتامة الجسم المعترض وسمكه ولونه على كمية الضوء المحجوب. للتشغيل الموثوق، يجب أن يكون الجسم معتمًا بدرجة كافية لتقليل تيار الترانزستور الضوئي إلى أقل من عتبته لحالة "الإيقاف".
• المحاذاة:المحاذاة الميكانيكية الدقيقة للجسم داخل فتحة المستشعر ضرورية للتشغيل المتسق، خاصة بالنظر إلى زاوية الفعل المحددة.

7. المقارنة التقنية والمزايا

مقارنة بالمفاتيح الميكانيكية الدقيقة، يقدم القاطع الضوئي LTH-306-09S عدة مزايا رئيسية:

• طول العمر والموثوقية:لا توجد تلامسات متحركة تتآكل أو تتقوس أو تتأكسد. عادة ما يكون العمر الافتراضي أطول بمراتب من حيث الحجم.
• التشغيل عالي السرعة:يمكنه التبديل بشكل أسرع بكثير من المفاتيح الميكانيكية، التي تقيدها ارتداد التلامس والقصور الذاتي الميكانيكي.
• أداء متسق:مقاومة التلامس ليست عاملاً. تظل خصائص الخرج مستقرة مع مرور الوقت.
• الختم البيئي:يمكن ختم العلبة البلاستيكية بسهولة أكبر ضد الغبار والرطوبة مقارنة بالمفتاح الميكانيكي مع المشغل الخارجي.
• التشغيل الهادئ:صامت تمامًا، على عكس النقرة المسموعة للمفتاح الميكانيكي.

المقايضة هي الحاجة إلى إلكترونيات داعمة (مصدر تيار للصمام الثنائي الباعث للضوء ومقاوم سحب) والحساسية المحتملة للضوء المحيط الشديد أو تلوث المسار البصري.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

• س: هل يمكنني قيادة الصمام الثنائي الباعث للضوء مباشرة من طرف متحكم دقيق بجهد 5 فولت؟ج: لا. يجب عليك استخدام مقاوم محدد للتيار. على سبيل المثال، مع V_CC=5 فولت، V_F~1.4 فولت، والمرغوب I_F=20 مللي أمبير: R = (5V - 1.4V) / 0.02A = 180Ω. مقاوم 180Ω أو 220Ω هو النموذجي.
• س: ماذا تعني "زاوية الفعل" من 8-14 درجة لتصميمي؟ج: هذا يعني أن ذراع الرافعة المادي أو العلم الذي يعترض الشعاع يجب أن يدور أو يتحرك خلال 8 درجات على الأقل (وعادة حتى 14 درجة) أثناء مروره عبر الفتحة لضمان تبديل موثوق من حالة "التشغيل" إلى "الإيقاف". يجب أن يضمن تصميمك الميكانيكي هذا السفر الزاوي.
• س: تيار مجمع الخرج (I_C(ON)) هو 0.5 مللي أمبير فقط كحد أدنى. هل هذا يكفي لقيادة دخل منطقي؟ج: نعم، لمدخلات المنطق CMOS أو TTL القياسية، التي لها مقاومة دخل عالية جدًا (تتطلب ميكرو أمبيرات فقط)، فإن قدرة استنزاف 0.5 مللي أمبير أكثر من كافية. مستوى الجهد (منخفض = ~0.4 فولت) هو المعلمة الحرجة.
• س: كيف أحمي الجهاز من الارتفاعات المفاجئة في الجهد على خطوط الإمداد؟ج: استخدم مكثفات فصل على مستوى اللوحة القياسية (مثل 100 نانو فاراد سيراميك) بالقرب من الجهاز. للبيئات القاسية، يمكن النظر في استخدام ثنائيات قمع الجهد العابر (TVS) الإضافية على سكة الإمداد.

9. أمثلة تطبيقية عملية

• كشف ورق الطابعة:يدور علم متصل بذراع صينية الورق عبر فتحة القاطع الضوئي. عندما يكون الورق موجودًا، يكون العلم في موضع واحد (شعاع غير معترض)؛ عندما يكون فارغًا، ينتقل إلى الموضع الآخر (شعاع معترض)، مما يشير إلى نظام التحكم.
• عد الأجسام على حزام ناقل صناعي:تمر الأجسام على الناقل عبر بوابة مجهزة بقاطع ضوئي. يكسر كل جسم الشعاع، مما يولد نبضة يتم عدها بواسطة PLC أو متحكم دقيق.
• قفل السلامة للباب:يتم تركيب القاطع الضوئي على إطار الباب، ويتم تركيب لسان على الباب. عندما يُغلق الباب بشكل صحيح، يدخل اللسان الفتحة، مما يسمح للشعاع بالمرور ويشير إلى حالة "آمنة". إذا كان الباب مفتوحًا، يتم حجب الشعاع، مما يشير إلى حالة "غير آمنة" يمكنها تعطيل الآلات.
• استشعار قرص الترميز الدوراني:يدور قرص مشقوق متصل بعمود محرك بين الباعث والمستقبل. تُستخدم سلسلة نبضات الضوء الناتجة أثناء مرور الفتحات لتحديد السرعة والموضع.

10. مبدأ التشغيل

القاطع الضوئي هو مقترن ضوئي به فجوة مادية بين باعثه ومستقبله. يتكون من صمام ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED) على جانب واحد وترانزستور ضوئي من السيليكون على الجانب المقابل، محاذيين عبر فتحة مفتوحة. عندما يتم تطبيق تيار كهربائي على الصمام الثنائي الباعث للضوء، فإنه يصدر ضوءًا تحت الأحمر. ينتقل هذا الضوء عبر الفجوة ويضرب منطقة قاعدة الترانزستور الضوئي. تولد الفوتونات أزواج إلكترون-ثقب في القاعدة، تعمل بشكل فعال كتيار قاعدة. يتم بعد ذلك تضخيم هذا التيار الضوئي بواسطة كسب الترانزستور، مما يسمح بتدفق تيار مجمع أكبر بكثير. عندما يدخل جسم معتم الفتحة، فإنه يحجب مسار الضوء. يتوقف تيار القاعدة الضوئي، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل الترانزستور الضوئي وإيقاف تيار المجمع. وبالتالي، فإن وجود أو عدم وجود جسم في الفتحة يتحكم رقميًا في توصيلية الترانزستور الضوئي للخرج.

11. اتجاهات التكنولوجيا

التكنولوجيا الأساسية للقواطع الضوئية ناضجة. تركز الاتجاهات الحالية على التكامل والتقليص. أصبحت الأجهزة أصغر في حجم العلبة (أنواع SMD) مع الحفاظ على الأداء أو تحسينه. هناك أيضًا اتجاه نحو دمج دوائر إضافية على الشريحة، مثل مشغلات شميت للتأخر (لتوفير تبديل رقمي نظيف بدون مكونات خارجية)، ومكبرات الصوت للخرج التناظري، أو حتى واجهات رقمية كاملة (I2C). هذا يقلل من عدد المكونات الخارجية ويبسط التصميم. علاوة على ذلك، تسمح الأجهزة ذات الحساسية الأعلى بالتشغيل بتيارات أقل للصمام الثنائي الباعث للضوء، مما يقلل من استهلاك الطاقة الكلي للنظام، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تعمل بالبطارية. يستمر تطوير مواد المسار البصري (العدسات، المرشحات) أيضًا في تحسين رفض الضوء المحيط ودقة الاستشعار.