ورقة بيانات القاطع الضوئي LTH-301-05 - التبديل بدون تلامس - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTH-301-05 قاطعًا ضوئيًا عاكسًا، وهو نوع من المكونات الإلكترونية الضوئية التي تجمع بين صمام ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (IR LED) وترانزستور ضوئي في عبوة واحدة مدمجة. وظيفته الأساسية هي اكتشاف وجود أو غياب جسم ما دون تلامس فيزيائي، مما يجعله مفتاحًا يعمل بدون تلامس. تكمن الميزة الأساسية لهذا الجهاز في موثوقيته وعمره التشغيلي الطويل، حيث يلغي التآكل الميكانيكي المرتبط بالمفاتيح التقليدية. تم تصميمه للتركيب المباشر على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أو للاستخدام مع مقبس ثنائي الخط، مما يوفر مرونة في التجميع. تجعل سرعة التبديل السريعة منه مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب اكتشافًا سريعًا، مثل الطابعات وآلات النسخ وآلات البيع الذاتي ومعدات الأتمتة الصناعية حيث تكون هناك حاجة لاستشعار الموضع أو عد الأشياء أو اكتشاف الحواف.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. وهي ليست للتشغيل المستمر. تشمل المعايير الرئيسية:

• تيار الأمام المستمر للصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء (I_F): 60 مللي أمبير. هذا هو الحد الأقصى للتيار الثابت الذي يمكن أن يمر عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء.
• تيار الأمام القمة للصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء: 1 أمبير (لنبضات بعرض 10 ميكروثانية بمعدل 300 نبضة في الثانية). هذا يسمح بنبضات قصيرة وعالية الكثافة لتعزيز اكتشاف الإشارة.
• تيار المجمع للترانزستور الضوئي (I_C): 20 مللي أمبير. أقصى تيار يمكن للترانزستور المخرج التعامل معه.
• جهد المجمع-الباعث للترانزستور الضوئي (V_CEO): 30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه عبر مجمع وباعث الترانزستور الضوئي.
• نطاق درجة حرارة التشغيل: من -25°C إلى +85°C. هذا يحدد نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الموثوق.
• درجة حرارة لحام الأطراف: 260°C لمدة 5 ثوانٍ على مسافة 1.6 مم من جسم العلبة. هذا أمر بالغ الأهمية للتجميع لمنع التلف الحراري.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

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

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. هذا هو انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء عندما يكون مضاءً.
• تيار العكس (I_R): أقصى 100 ميكرو أمبير عند جهد عكسي (V_R) بقيمة 5 فولت. هذا يشير إلى تيار التسرب الصغير عندما يكون الصمام الثنائي الباعث للضوء في حالة انحياز عكسي.

2.2.2 خصائص المخرج (الترانزستور الضوئي)

• جهد انهيار المجمع-الباعث (V_(BR)CEO): 30 فولت كحد أدنى. الجهد الذي ينهار عنده الترانزستور عندما تكون القاعدة مفتوحة.
• تيار الظلام للمجمع-الباعث (I_CEO): أقصى 100 نانو أمبير عند V_CE=10 فولت. هذا هو تيار التسرب للترانزستور الضوئي عندما لا يسقط عليه ضوء (أي تيار حالة "الإيقاف"). تعتبر القيمة المنخفضة مرغوبة للحصول على تباين جيد بين حالتي التشغيل والإيقاف.

2.2.3 خصائص المقرن (المشترك)

تصف هذه المعايير سلوك الصمام الثنائي الباعث للضوء والترانزستور الضوئي أثناء عملهما معًا.

• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)): أقصى 0.4 فولت عندما يكون الترانزستور الضوئي في حالة تشغيل كاملة (I_C=0.25 مللي أمبير، I_F=20 مللي أمبير). يعتبر جهد التشبع المنخفض جيدًا للواجهة مع المنطق الرقمي.
• تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)): 0.5 مللي أمبير كحد أدنى عندما يتم تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء (I_F=20 مللي أمبير) و V_CE=5 فولت. هذا هو التيار الضوئي الناتج، والذي يحدد قوة إشارة المخرج.
• وقت الاستجابة: يحدد هذا مدى سرعة استجابة المخرج للتغير في ضوء المدخل.
  • زمن الصعود (t_r): عادةً 3 ميكروثانية، أقصى 15 ميكروثانية. الوقت الذي يستغرقه تيار المخرج للارتفاع من 10% إلى 90% من قيمته النهائية عند تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء.
  • زمن الهبوط (t_f): عادةً 4 ميكروثانية، أقصى 20 ميكروثانية. الوقت الذي يستغرقه تيار المخرج للهبوط من 90% إلى 10% من قيمته الأولية عند إيقاف تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء.

3. معلومات الميكانيكا والتغليف

3.1 أبعاد العبوة

يتميز الجهاز بعلبة قياسية ذات ثقوب تمرير بأربعة أطراف. يتم توفير الأبعاد الدقيقة في رسومات ورقة البيانات. تشمل الملاحظات الرئيسية:

• جميع الأبعاد بالمليمترات، مع البوصة بين قوسين.
• التحمل القياسي هو ±0.25 مم (±0.010 بوصة) ما لم يُذكر خلاف ذلك في ملاحظة محددة.
• تم تصميم العبوة للاستقرار أثناء عمليات اللحام بالموجة أو اللحام اليدوي.

3.2 تحديد قطبية الأطراف

التوجيه الصحيح أمر بالغ الأهمية. يوضح مخطط ورقة البيانات بوضوح أطراف الأنود والكاثود للصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء وأطراف المجمع والباعث للترانزستور الضوئي. قد يؤدي تركيب الجهاز بشكل غير صحيح إلى عدم التشغيل أو تلف دائم.

4. إرشادات اللحام والتجميع

التعامل السليم يضمن موثوقية الجهاز وعمره التشغيلي الطويل.

• اللحام: يمكن لحام الأطراف بحد أقصى لدرجة الحرارة 260°C، ولكن يجب تطبيق هذه الحرارة لمدة أقصاها 5 ثوانٍ فقط. من الأهمية بمكان الحفاظ على المسافة المحددة (1.6 مم / 0.063 بوصة) من جسم العلبة البلاستيكية لمنع انصهار أو تشوه العبوة.
• التنظيف: استخدم المذيبات المناسبة المتوافقة مع المادة البلاستيكية للجهاز. تجنب التنظيف بالموجات فوق الصوتية بترددات معينة قد تسبب إجهادًا داخليًا أو تشققًا.
• ظروف التخزين: للحفاظ على الأداء، قم بتخزين الأجهزة في بيئة ذات نطاق درجة حرارة من -40°C إلى +100°C ورطوبة منخفضة، ويفضل أن يكون ذلك في عبوة مضادة للكهرباء الساكنة لمنع تلف التفريغ الكهروستاتيكي (ESD).

5. اقتراحات التطبيق

5.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كشف الورق في الطابعات/آلات النسخ: اكتشاف انحشار الورق، أو نهاية الورق، أو حالات التغذية المتعددة.
• عد الأشياء: عد العناصر على حزام ناقل أو من خلال ممر.
• استشعار الموضع/السرعة: اكتشاف الفتحات في عجلة المرمز لتحديد الموضع الدوراني أو سرعة المحرك.
• آلات البيع الذاتي: التحقق من مرور العملات المعدنية أو توزيع المنتجات.
• أنظمة الأمان: كجزء من مستشعر كسر الشعاع لاكتشاف التسلل.

5.2 اعتبارات التصميم

• تحديد تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء: استخدم دائمًا مقاومة على التوالي مع الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء لتحديد تيار الأمام (I_F) إلى قيمة آمنة، عادةً بين 10 مللي أمبير و 20 مللي أمبير لتحقيق توازن بين قوة إشارة المخرج وعمر الجهاز. يمكن حساب قيمة المقاومة باستخدام R = (V_CC- V_F) / I_F.
• انحياز الترانزستور الضوئي: عادةً ما يتم توصيل مقاومة سحب لأعلى بين مجمع الترانزستور الضوئي وجهد التغذية الموجب (V_CC). يتم توصيل الباعث بالأرض. تحدد قيمة هذه المقاومة (غالبًا بين 1 كيلو أوم و 10 كيلو أوم) وجهد التغذية تأرجح جهد المخرج وسرعة الاستجابة. تعطي المقاومة الأصغر استجابة أسرع ولكن تأرجح جهد مخرج أقل (واستهلاك طاقة أعلى عند التشغيل).
• مناعة ضد الضوء المحيط: نظرًا لأن الجهاز يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء، فهو محصن إلى حد ما ضد الضوء المحيط المرئي. ومع ذلك، يمكن للمصادر القوية للإشعاع تحت الأحمر (مثل ضوء الشمس أو المصابيح المتوهجة) أن تسبب تشغيلًا خاطئًا. يمكن أن يؤدي استخدام إشارة الأشعة تحت الحمراء المضمنة ودائرة إزالة التضمين إلى تحسين مناعة الضوضاء بشكل كبير.
• الفجوة وقابلية الانعكاس: تعتمد مسافة الاستشعار وقوة الإشارة على قابلية انعكاس الجسم المستهدف وعرض الفجوة بين المستشعر والجسم. ستنتج الأجسام الداكنة غير العاكسة إشارة أضعف.

6. مبدأ التشغيل

يعمل LTH-301-05 على مبدأ بصري بسيط. يصدر الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء الداخلي حزمة من ضوء الأشعة تحت الحمراء. مقابل الصمام الثنائي الباعث للضوء يوجد ترانزستور ضوئي. في الحالة "غير المقاطعة"، تنتقل هذه الحزمة الضوئية عبر فجوة صغيرة وتضرب الترانزستور الضوئي، مما يتسبب في توصيله (التشغيل). عند إدخال جسم في هذه الفجوة، فإنه يحجب ضوء الأشعة تحت الحمراء. مع عدم سقوط ضوء على الترانزستور الضوئي، يتوقف عن التوصيل (الإيقاف). يتم اكتشاف هذا التغيير في الحالة الكهربائية للترانزستور الضوئي (من التوصيل إلى عدم التوصيل، أو العكس) بواسطة الدائرة الخارجية، مما يسجل وجود الجسم. يعمل الترانزستور الضوئي بشكل أساسي كمصدر تيار يتم التحكم فيه بواسطة شدة الضوء.

7. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات منحنيات الخصائص النموذجية التي لا تقدر بثمن لتحليل التصميم التفصيلي. بينما لا يتم إعادة إنتاج الرسوم البيانية المحددة في النص، فإنها توضح عادةً العلاقات التالية:

• التيار الأمامي مقابل جهد الأمام (I_F-V_F) للصمام الثنائي الباعث للضوء: يظهر العلاقة غير الخطية، مما يساعد في تحديد انخفاض الجهد الدقيق عند تيارات تشغيل مختلفة.
• تيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث (I_C-V_CE) للترانزستور الضوئي: عند مستويات مختلفة من الضوء الساقط (أو تيارات تشغيل مختلفة للصمام الثنائي الباعث للضوء)، تُظهر هذه المنحنيات خصائص مخرج الترانزستور، على غرار منحنيات مخرج الترانزستور ثنائي القطب.
• تيار المجمع مقابل التيار الأمامي (I_C-I_F): منحنى خاصية النقل هذا حاسم. يوضح كيف يختلف التيار الضوئي للمخرج (I_C) مع تيار مدخل الصمام الثنائي الباعث للضوء (I_F). يحدد نسبة نقل التيار (CTR)، وهي معيار كفاءة رئيسي للمقرن.
• الاعتماد على درجة الحرارة: غالبًا ما تُظهر المنحنيات كيف تختلف معايير مثل جهد الأمام (V_F)، وتيار الظلام (I_CEO)، وتيار حالة التشغيل (I_C(ON)) مع درجة الحرارة المحيطة. هذا أمر بالغ الأهمية لتصميم الأنظمة التي تعمل على نطاق واسع من درجات الحرارة.

8. أسئلة شائعة بناءً على المعايير التقنية

1. س: ما هي مسافة الاستشعار النموذجية؟أ: مسافة الاستشعار ليست قيمة ثابتة واحدة في ورقة البيانات. تعتمد على التصميم الميكانيكي المحدد للفتحة، وتيار التشغيل للصمام الثنائي الباعث للضوء (I_F)، وحساسية دائرة الاستقبال، وقابلية انعكاس الجسم المقاطع. يجب على المصمم تحديد ذلك بناءً على معيار I_C(ON)وإعداد التطبيق.
2. س: هل يمكنني تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء مباشرة من طرف متحكم دقيق؟أ: ربما، لكن يجب عليك التحقق من أمرين: أ) يجب أن تكون قدرة طرف المتحكم الدقيق على توفير التيار القصوى أكبر من I_Fالمرغوب فيه (مثل 20 مللي أمبير). ب) يجب عليك تضمين مقاومة تحديد تيار على التوالي كما هو موضح في اعتبارات التصميم. لا تقم بتوصيل صمام ثنائي باعث للضوء مباشرة بمصدر جهد أبدًا.
3. س: كيف أقوم بوصل المخرج مع مدخل رقمي؟أ: أبسط طريقة هي استخدام مقاومة سحب لأعلى على المجمع. عندما يكون مسار الضوء مفتوحًا، يكون الترانزستور الضوئي في حالة تشغيل، مما يسحب جهد المجمع إلى مستوى منخفض (قريب من V_CE(SAT)). عندما يتم حجب الضوء، يكون الترانزستور في حالة إيقاف، وتسحب مقاومة السحب لأعلى جهد المجمع إلى مستوى مرتفع (إلى V_CC). يوفر هذا إشارة نظيفة بمستوى منطقي.
4. س: لماذا يعتبر وقت الاستجابة مهمًا؟أ: تسمح أوقات الاستجابة السريعة (ميكروثانية) للمستشعر باكتشاف الأجسام سريعة الحركة جدًا أو الأحداث المتسلسلة السريعة دون فقدان العد. هذا أمر أساسي في الآلات عالية السرعة، وتطبيقات المرمزات، أو أنظمة الاتصالات التي تستخدم الضوء النبضي.
5. س: ماذا يحدث إذا تجاوزت القيم القصوى المطلقة؟أ: يمكن أن يؤدي تجاوز هذه الحدود، حتى لفترة وجيزة، إلى تلف فوري أو كامن للجهاز. يمكن أن يشمل ذلك تدهور إخراج الضوء من الصمام الثنائي الباعث للضوء، أو زيادة تيار الظلام في الترانزستور الضوئي، أو فشل كامل (دائرة مفتوحة أو قصيرة). صمم دائمًا بهامش أمان.

9. حالة عملية للتصميم والاستخدام

الحالة: قياس عدد الدورات في الدقيقة (RPM) لمحرك تيار مستمر صغير

يحتاج مصمم إلى قياس السرعة الدورانية لعمود محرك. يقوم بتثبيت قرص صغير به فتحات على العمود. يتم تركيب LTH-301-05 بحيث يدور القرص عبر فجوة الاستشعار الخاصة به. في كل مرة تمر فتحة عبر الفجوة، يصل الضوء إلى الترانزستور الضوئي، مما يتسبب في نبضة في المخرج. يتم تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء بتيار ثابت 15 مللي أمبير عبر مقاومة. يتم توصيل مجمع الترانزستور الضوئي بمصدر تغذية 5 فولت عبر مقاومة سحب لأعلى بقيمة 4.7 كيلو أوم وأيضًا بطرف مدخل في المتحكم الدقيق قادر على التعامل مع المقاطعات.

يتم برمجة برنامج المتحكم الدقيق لحساب عدد النبضات (الحواف الصاعدة أو الهابطة) المستلمة خلال نافذة زمنية ثابتة (مثل ثانية واحدة). نظرًا لأن القرص يحتوي، على سبيل المثال، على 20 فتحة، فإن عدد النبضات في الثانية مقسومًا على 20 يعطي عدد الدورات في الثانية، والتي يمكن تحويلها بسهولة إلى عدد الدورات في الدقيقة (RPM). تضمن أوقات الصعود والهبوط السريعة للمستشعر أنه حتى عند سرعات المحرك العالية، تكون النبضات نظيفة ويتم عدها بدقة، دون فقدان الحواف بسبب استجابة المستشعر البطيئة.

10. اتجاهات التطوير

تمثل المقاطع الضوئية مثل LTH-301-05 تقنية ناضجة وموثوقة. تركز الاتجاهات الحالية في المجال الأوسع لمستشعرات الإلكترونيات الضوئية على:

• التصغير: تطوير عبوات أجهزة سطحية التركيب (SMD) أصغر حجمًا لتوفير مساحة على اللوحة في الإلكترونيات الحديثة.
• التكامل:
  • دمج مقاومة تحديد التيار للصمام الثنائي الباعث للضوء داخليًا.
  • تضمين مشغل شميت أو مقارن في العبوة لتوفير مخرج رقمي نظيف مباشرة، مما يبسط دوائر الواجهة.
  • إضافة دوائر رفض للضوء المحيط أو منطق تضمين/إزالة تضمين على الشريحة للحصول على مناعة فائقة ضد الضوضاء.
• تحسين الأداء: تحسين نسبة نقل التيار (CTR) لاستهلاك طاقة أقل أو مسافات استشعار أطول، وتقليل أوقات الاستجابة بشكل أكبر للتطبيقات فائقة السرعة.
• التخصص: إنشاء متغيرات ذات فجوات ضيقة جدًا لاكتشاف الحواف بدقة، أو بأطوال موجية مختلفة لاكتشاف مواد محددة (مثل استشعار الأغشية الشفافة).

على الرغم من هذه التطورات، يظل القاطع الضوئي العاكس الأساسي حلاً فعالاً من حيث التكلفة وقويًا لمجموعة واسعة من تطبيقات الاستشعار بدون تلامس، وفهم معاييره التفصيلية كما هو موضح في ورقة البيانات هذه هو الخطوة الأولى نحو تصميم ناجح.