ورقة بيانات مستشعر الفوتوإنترابتور LTH-309-08 - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يعد LTH-309-08 فوتوإنترابتور عاكس، وهو نوع من أجهزة الاستشعار الكهروضوئية التي تجمع بين ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED) وترانزستور ضوئي في عبوة واحدة مدمجة. وظيفته الأساسية هي اكتشاف وجود أو غياب جسم ما دون تلامس فيزيائي من خلال استشعار انقطاع حزمة الأشعة تحت الحمراء المنعكسة من سطح ما. تم تصميم هذا الجهاز للتركيب المباشر على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أو إدخاله في مقبس ثنائي الخط القياسي، مما يجعله متعدد الاستخدامات للغاية في عمليات التجميع الآلي.

تكمن الميزة الأساسية لهذا المستشعر في قدرته على التبديل دون تلامس، مما يلغي التآكل الميكانيكي، ويضمن موثوقية عالية وعمر تشغيلي طويل. وهو مناسب بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب أوقات استجابة سريعة وكشف دقيق للأجسام في مساحات محدودة. تشمل الأسواق المستهدفة النموذجية معدات أتمتة المكاتب (الطابعات، آلات النسخ)، الأتمتة الصناعية (عدادات أحزمة النقل، استشعار الموضع)، الإلكترونيات الاستهلاكية، ومختلف أجهزة القياس حيث يكون الكشف الموثوق عن الأجسام أمرًا بالغ الأهمية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• ثنائي الباعث للضوء (LED) المدخل:يجب ألا يتجاوز تيار الأمام المستمر 50 مللي أمبير، مع السماح بتيار أمامي ذروي يبلغ 1 أمبير في ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية). الحد الأقصى لتبديد الطاقة لثنائي الباعث للضوء هو 75 ملي واط. يجب تجنب جهد عكسي أكبر من 5 فولت.
• الترانزستور الضوئي المخرج:يقتصر تيار المجمع على 20 مللي أمبير. يمكن لجهد المجمع-الباعث أن يتحمل حتى 30 فولت، بينما يقتصر جهد الباعث-المجمع على 5 فولت. يجب ألا يتجاوز تبديد الطاقة للترانزستور الضوئي 100 ملي واط.
• الحدود البيئية:تم تصنيف الجهاز للتشغيل ضمن نطاق درجة حرارة محيطة من -25°C إلى +85°C. يمكن التخزين من -55°C إلى +100°C. بالنسبة للحام، يمكن للأطراف أن تتحمل 260°C لمدة 5 ثوانٍ عند القياس على بعد 1.6 مم من جسم العبوة.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد هذه المعلمات عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C وتحدد الأداء المتوقع في ظل ظروف التشغيل العادية.

• جهد الأمام لثنائي الباعث للضوء المدخل (V_F):عادةً ما يكون من 1.2V إلى 1.6V عند تشغيله بتيار أمامي (I_F) بقيمة 20 مللي أمبير. هذه المعلمة حاسمة لتصميم المقاوم المحدد للتيار في دائرة التشغيل.
• تيار الظلام للترانزستور الضوئي المخرج (I_CEO):تيار التسرب عندما لا يسقط ضوء على المستشعر، محدد كحد أقصى 100 نانو أمبير عند V_CE=10V. يعد تيار الظلام المنخفض ضروريًا لنسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة، خاصة في التطبيقات ذات الإضاءة المنخفضة أو الكسب العالي.
• تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)):الحد الأدنى لتيار المجمع هو 0.5 مللي أمبير عندما يتم تشغيل ثنائي الباعث للضوء عند I_F=20mA و V_CE=5V. تشير هذه المعلمة إلى حساسية الترانزستور الضوئي.
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):انخفاض الجهد عبر الترانزستور الضوئي عندما يكون في حالة "تشغيل" كاملة، عادةً 0.4V عند I_C=0.25mA و I_F=20mA. يُفضل جهد تشبع منخفض للتوافق مع دوائر المنطق ذات الجهد المنخفض.
• وقت الاستجابة:يتميز سرعة تبديل المستشعر بوقت الصعود (T_R) ووقت الهبوط (T_F). القيم النموذجية هي 3-15 ميكروثانية لوقت الصعود و 4-20 ميكروثانية لوقت الهبوط في ظروف اختبار V_CE=5V، I_C=2mA، و R_L=100Ω. هذا التبديل السريع يتيح اكتشاف الأجسام المتحركة بسرعة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص الكهربائية/البصرية النموذجية. بينما لا يتم توفير الرسوم البيانية المحددة في النص، يمكن شرح الغرض العام منها والرؤى التي تقدمها.

عادةً ما ترسم هذه المنحنيات المعلمات الرئيسية مقابل متغيرات مثل درجة الحرارة أو تيار التشغيل. على سبيل المثال، سيساعد المنحنى الذي يوضح I_C(ON)مقابل I_F(تيار الأمام لثنائي الباعث للضوء) المصمم على فهم العلاقة بين طاقة المدخل وقوة إشارة المخرج، مما يسمح بتحسين تشغيل ثنائي الباعث للضوء للحساسية واستهلاك الطاقة المطلوبين. منحنى شائع آخر هو I_C(ON)مقابل درجة الحرارة المحيطة، وهو أمر بالغ الأهمية لفهم كيفية تدهور أو تغير أداء المستشعر في درجات الحرارة القصوى، مما يضمن تشغيلًا موثوقًا عبر النطاق المحدد من -25°C إلى +85°C. هذه الرسوم البيانية ضرورية لتصميم نظام قوي يتجاوز مواصفات نقطة 25°C الاسمية.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

تم تصميم LTH-309-08 للتكامل المدمج. يتم توفير أبعاد العبوة في ورقة البيانات بجميع القياسات بالمليمترات (والبوصة بين قوسين). تشمل الملاحظات الميكانيكية الرئيسية:

• ينطبق تسامح عام قدره ±0.25mm (±0.010") ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم العبوة البلاستيكية، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم البصمة على لوحة الدوائر المطبوعة.
• العبوة من النوع المثقوب القياسي، مما يسهل عمليات اللحام اليدوي واللحام بالموجة.

يُفهم تحديد القطبية الصحيحة من خلال توزيع الأطراف القياسي لمثل هذه الأجهزة: الأنود والكاثود لثنائي الباعث للضوء على جانب واحد، ومجمع وباعث الترانزستور الضوئي على الجانب الآخر. يجب على المصممين الرجوع إلى الرسم الأبعاد لتأكيد ترتيب واتجاه الأطراف الدقيق لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة الصحيح.

5. إرشادات اللحام والتركيب

تحدد ورقة البيانات حد درجة حرارة لحام الأطراف عند 260°C لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم العبوة. هذه معلمة حاسمة لمراقبة العملية أثناء اللحام بالموجة أو اللحام اليدوي.

• اللحام بإعادة التدفق:على الرغم من أنه جهاز مثقوب في المقام الأول، إذا تم استخدامه في لوحة مختلطة التقنيات، فيجب توخي الحذر الشديد أثناء إعادة التدفق. العبوة البلاستيكية لها تحمل حراري أقل من المكونات السطحية. بشكل عام، لا يوصى بها لملفات إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء أو الحمل الحراري القياسية إلا إذا تم تأهيلها على وجه التحديد.
• اللحام اليدوي:استخدم مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة. قم بتطبيق الحرارة على وصلة الطرف/الوسادة بسرعة وكفاءة لتقليل انتقال الحرارة إلى القطعة شبه الموصلة الحساسة داخل العبوة. لا تقم بتطبيق اللحام مباشرة على طرف المكواة على طرف المكون لفترة طويلة.
• التنظيف:استخدم مواد التنظيف المذيبة المتوافقة مع البلاستيك المكون للعبوة لتجنب التشقق أو التدهور.
• ظروف التخزين:قم بالتخزين في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -55°C إلى +100°C لمنع امتصاص الرطوبة (والذي يمكن أن يسبب "انفجار" أثناء اللحام) وتلف التفريغ الكهروستاتيكي.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كشف الورق في الطابعات/آلات النسخ:اكتشاف أعطال الورق، أو حالات خلو الدرج، أو وجود الورق في نقاط محددة على مسار الورق.
• عد الأجسام على الناقلات:عد المنتجات، الزجاجات، أو المكونات أثناء مرورها بنقطة ثابتة.
• استشعار الموضع:اكتشاف الموضع الأساسي لعربة متحركة (كما في الماسح الضوئي أو الراسم) أو حالة الفتح/الإغلاق لباب أو غطاء.
• استشعار قرص المشفر الدوراني:يستخدم مع عجلة ذات فتحات لإنشاء مشفر ضوئي منخفض الدقة لردود فعل السرعة أو الموضع.

6.2 اعتبارات التصميم

• تشغيل تيار ثنائي الباعث للضوء:استخدم مصدر تيار ثابت أو مقاوم محدد للتيار على التوالي مع ثنائي الباعث للضوء للحفاظ على I_Fمستقرًا، عادةً حوالي 20 مللي أمبير وفقًا لظروف الاختبار، للحصول على مخرج ثابت. يمكن أن يزيد نبض ثنائي الباعث للضوء بتيار أعلى من مسافة الاستشعار ولكن يجب أن يظل ضمن القيم القصوى المطلقة.
• تحيز الترانزستور الضوئي:يتم توصيل مقاوم سحب لأعلى (R_L) بين المجمع وجهد التغذية (V_CC). تؤثر قيمة R_Lعلى كل من تأرجح جهد المخرج ووقت الاستجابة. مقاومة R_Lأصغر تعطي استجابة أسرع ولكن تغيرًا أصغر في جهد المخرج. عادةً ما يتم توصيل الباعث بالأرضي.
• واجهة المخرج:يمكن تغذية مخرج الترانزستور الضوئي مباشرة إلى مدخل مشغل شميت في المتحكم الدقيق للاستشعار الرقمي، أو إلى مدخل تماثلي لقياس شدة الضوء المنعكس. للبيئات الصاخبة، يمكن أن تساعد إضافة مكثف صغير عبر مجمع وباعث الترانزستور الضوئي في تصفية الضوضاء عالية التردد.
• السطح المستهدف:يعتمد أداء الاستشعار العاكس بشكل كبير على انعكاسية الهدف، ولونه، ومسافته. للتشغيل المتسق، قم بمعايرة عتبة الكشف بناءً على مادة الهدف المحددة. يجب تقليل فجوة الاستشعار للحصول على أفضل قوة للإشارة.
• مناعة ضد الضوء المحيط:نظرًا لأن المستشعر يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء، فهو محصن إلى حد ما ضد الضوء المحيط المرئي. ومع ذلك، يمكن للمصادر القوية للضوء تحت الأحمر (مثل ضوء الشمس أو المصابيح المتوهجة) أن تسبب تشغيلًا خاطئًا. يمكن أن يؤدي استخدام إشارة ثنائي باعث للضوء معدلة واكتشاف متزامن في دائرة المستقبل إلى تعزيز المناعة ضد الضوء المحيط بشكل كبير.

7. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بمفاتيح الحد الميكانيكية، يقدم LTH-309-08 مزايا واضحة: لا توجد أجزاء متحركة، موثوقية أعلى، استجابة أسرع، وتشغيل صامت. ضمن فئة الفوتوإنترابتور، تستمد ميزاته الرئيسية من معاييره المحددة. تجعل سرعة التبديل السريعة (وقت صعود 3-15 ميكروثانية) مناسبة للتطبيقات عالية السرعة مقارنة بالترانزستورات الضوئية الأبطأ. يسمح جهد التشبع المنخفض نسبيًا (0.4V) بتوافق أفضل مع أنظمة المنطق الحديثة 3.3V مقارنة بالأجهزة ذات V_CE(SAT)الأعلى. تقدم العبوة القياسية المثقوبة DIP متانة وسهولة في النمذجة الأولية، على الرغم من أنها تشغل مساحة لوحة أكبر من البدائل السطحية. سيختار المصممون هذا الجزء للتطبيقات التي تتطلب توازنًا بين السرعة، والحساسية، والموثوقية المثبتة في شكل عبوة قياسي.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

• س: هل يمكنني تشغيل ثنائي الباعث للضوء بمنطق 3.3V؟ج: نعم، ولكن يجب عليك حساب المقاوم المتسلسل بعناية. مع V_Fنموذجي بقيمة 1.6V عند 20mA، ستكون قيمة المقاوم (3.3V - 1.6V) / 0.02A = 85Ω. استخدم أقصى V_Fمن ورقة البيانات لتصميم آمن.
• س: ما هي أقصى مسافة استشعار؟ج: لا تحدد ورقة البيانات مسافة. هذا يعتمد على تيار تشغيل ثنائي الباعث للضوء، انعكاسية الهدف، و I_C(ON)المطلوب. من الأفضل تحديده تجريبيًا لهدفك المحدد. بشكل عام، تعمل أجهزة الاستشعار العاكسة بشكل أفضل في نطاقات قصيرة (بضعة ملليمترات).
• س: كيف أحمي الترانزستور الضوئي من طفرات الجهد؟ج: على الرغم من أنه يحتوي على V_(BR)CEOبقيمة 30V، للموثوقية في البيئات الاستقرائية، يمكن إضافة ثنائي مثبط للجهد العابر (TVS) صغير أو ثنائي عادي في انحياز عكسي عبر المجمع-الباعث.
• س: هل يمكنني استخدام هذا في بيئة مغبرة؟ج: تراكم الغبار على العدسة سيضعف حزمة الضوء، مما يقلل الحساسية وقد يتسبب في أعطال. الجهاز غير محكم الإغلاق. للبيئات القاسية، فكر في جهاز ذو فتحة محكمة الإغلاق أو وفر حماية خارجية.

9. دراسة حالة تطبيقية عملية

السيناريو: مستشعر نفاد الورق في طابعة مكتبية.يتم تركيب LTH-309-08 على لوحة الدوائر الرئيسية بالقرب من درج التغذية بالورق. يتحرك علم بلاستيكي أبيض، مثبت على آلية درج الورق، إلى فجوة اكتشاف المستشعر عند نفاد كومة الورق. في حالة "وجود الورق"، يكون العلم خارج الفجوة، مما يسمح للضوء تحت الأحمر من ثنائي الباعث للضوء بالانعكاس من سطح ثابت داخل الطابعة إلى الترانزستور الضوئي، مما يولد I_C(ON)عالياً ومخرج منطقي منخفض (LOW) عند المجمع (مع مقاوم سحب لأعلى). عندما ينفد الورق، يتحرك العلم إلى الفجوة، مما يحجب مسار الضوء. يتم إيقاف تشغيل الترانزستور الضوئي، مما يتسبب في سحب جهد المجمع إلى مستوى عالٍ (HIGH) بواسطة المقاوم. يكتشف المتحكم الدقيق للطابعة هذه الإشارة العالية (HIGH) ويطلق تحذير "نفاد الورق" على الشاشة. يضمن وقت الاستجابة السريع الاكتشاف الفوري، بينما تضمن الطبيعة غير التلامسية ألا يتآكل المستشعر خلال عمر الطابعة.

10. مقدمة عن مبدأ التشغيل

يعمل الفوتوإنترابتور على مبدأ اكتشاف الضوء المعدل. يصدر ثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر الداخلي ضوءًا عند انحيازه للأمام. مقابل ثنائي الباعث للضوء يوجد ترانزستور ضوئي. في النوع العاكس مثل LTH-309-08، يواجه كلا العنصرين نفس الاتجاه. ينتقل الضوء المنبعث خارج العبوة، يصطدم بسطح مستهدف، وينعكس جزء منه مرة أخرى إلى العبوة حيث يسقط على الترانزستور الضوئي. يعمل الترانزستور الضوئي كمفتاح يتم التحكم فيه بالضوء. عندما تضرب الفوتونات منطقة القاعدة الخاصة به، فإنها تولد أزواجًا من الإلكترونات والثقوب، مما يوفر بشكل فعال تيار قاعدة. هذا يتسبب في تشغيل الترانزستور "تشغيل"، مما يسمح لتيار مجمع (I_C) بالتدفق يتناسب مع شدة الضوء المستلم. عندما يتم حجب مسار الضوء (على سبيل المثال، بواسطة جسم ما)، يتم إيقاف تشغيل الترانزستور الضوئي "إيقاف"، ويتدفق فقط تيار ظلام صغير. يتم استخدام هذا التغيير في تيار المجمع بين التشغيل/الإيقاف لتوليد إشارة رقمية تشير إلى وجود أو غياب الجسم الذي يعترض مسار الضوء.

11. اتجاهات التكنولوجيا

يتجه تطور أجهزة الاستشعار الكهروضوئية مثل الفوتوإنترابتور نحو التصغير، والتكامل الأعلى، والوظائف المحسنة. أصبحت عبوات الأجهزة السطحية (SMD) هي القاعدة لتوفير مساحة لوحة الدوائر المطبوعة وتمكين التجميع الآلي. هناك أيضًا اتجاه نحو دمج المستشعر مع دوائر تكييف الإشارة (المكبرات، مشغلات شميت، مخارج منطقية) على شريحة واحدة، مما يخلق أجهزة استشعار رقمية المخرج يسهل توصيلها مباشرة بالمتحكمات الدقيقة. علاوة على ذلك، يتم إحراز تقدم في تحسين رفض الضوء المحيط من خلال الترشيح البصري وتقنيات التعديل الأكثر ذكاءً. بينما يظل المبدأ الأساسي دون تغيير، تركز هذه الاتجاهات على جعل أجهزة الاستشعار أصغر حجمًا، وأكثر ذكاءً، وأكثر موثوقية، وأسهل في التنفيذ في التصميمات الإلكترونية الحديثة.