ورقة بيانات فوتوإنترابتور LTH-872-N55H - نوع الفتحة - أبعاد 4.0 مم - جهد 5 فولت - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTH-872-N55H فوتوإنترابتور من نوع الفتحة، وهو مكون إلكتروني ضوئي أساسي يُستخدم في تطبيقات الاستشعار والتبديل دون تلامس. فهو يدمج ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED) وترانزستور ضوئي داخل غلاف واحد، مفصولين بفجوة أو فتحة فيزيائية. مبدأ التشغيل الأساسي واضح: عندما يمر جسم عبر هذه الفتحة، فإنه يعترض حزمة الأشعة تحت الحمراء المسافرة من الباعث إلى الكاشف، مما يتسبب في تغيير مقابل في حالة خرج الترانزستور الضوئي. تجعل هذه الآلية البسيطة والموثوقة منه حلاً مثالياً للكشف عن وجود أو غياب أو موضع أو سرعة الأجسام دون تلامس فيزيائي.

تم تصميم الجهاز للتركيب المباشر على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أو إدخاله في مقبس ثنائي الخط القياسي، مما يوفر مرونة في التجميع والنماذج الأولية. تشمل مزاياه الأساسية الموثوقية العالية، وسرعة التبديل السريعة، وعمر تشغيلي طويل بسبب عدم وجود نقاط تلامس ميكانيكية قابلة للتآكل. تمتد التطبيقات النموذجية عبر مجموعة واسعة من معدات الأتمتة المكتبية والصناعية، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر: الطابعات، وآلات النسخ، والماسحات الضوئية، وأجهزة الفاكس، ومختلف الأنظمة الآلية التي تتطلب كشفاً دقيقاً للأجسام.

1.1 الميزات الأساسية

• التبديل دون تلامس:يُزيل التآكل الميكانيكي، مما يضمن موثوقية عالية وعمر تشغيلي طويل.
• تركيب متعدد الاستخدامات:متوافق مع اللحام المباشر على PCB أو المقابس ثنائية الخط القياسية، مما يسهل التكامل في تصميمات الدوائر المختلفة.
• وقت استجابة سريع:يمكن من كشف الأحداث عالية السرعة، مما يجعله مناسباً للتطبيقات التي تتطلب استشعاراً سريعاً، مثل كشف تغذية الورق في الطابعات أو أنظمة الترميز الدوراني.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

توفر ورقة البيانات معلمات حاسمة تحدد حدود تشغيل الجهاز وأدائه تحت الظروف القياسية. فهم هذه المعلمات ضروري لتصميم الدائرة المناسب وضمان الموثوقية على المدى الطويل.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي، إذا تم تجاوزها، قد تسبب تلفاً دائماً للجهاز. وهي ليست شروطاً للتشغيل العادي.

• ثنائي باعث الضوء (LED) المدخل:
  • تبديد الطاقة (P_D):75 ميلي واط كحد أقصى. هذه هي الطاقة الكلية التي يمكن لـ LED تبديدها بأمان كحرارة.
  • تيار الأمام المستمر (I_F):50 ميلي أمبير كحد أقصى. لا ينبغي تشغيل LED بتيار مستمر يتجاوز هذه القيمة.
  • الجهد العكسي (V_R):5 فولت كحد أقصى. تطبيق جهد عكسي أعلى من هذا يمكن أن يعطل وصلة LED.
• الترانزستور الضوئي المخرج:
  • تبديد الطاقة (P_D):100 ميلي واط كحد أقصى للترانزستور الضوئي.
  • جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت كحد أقصى. هذا هو أقصى جهد يمكن تطبيقه بين المجمع والباعث عندما تكون القاعدة (مدخل الضوء) مفتوحة.
  • جهد الباعث-المجمع (V_ECO):5 فولت كحد أقصى، وهو تصنيف الجهد العكسي لوصلة المجمع-الباعث.
  • تيار المجمع (I_C):20 ميلي أمبير كحد أقصى. يجب أن يبقى تيار الحمل عبر الترانزستور الضوئي أقل من هذا الحد.
• البيئية:
  • نطاق درجة حرارة التشغيل (T_A):من -25°C إلى +85°C. يتم ضمان عمل الجهاز ضمن المواصفات عبر هذا النطاق لدرجة الحرارة المحيطة.
  • نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg):من -40°C إلى +100°C.
  • درجة حرارة لحام الأطراف:260°C لمدة 5 ثوانٍ كحد أقصى، محدد لحالة شكل طرف 1.6 مم (0.063 بوصة). هذا أمر بالغ الأهمية لعمليات اللحام بإعادة التدفق أو اللحام الموجي.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

تحدد هذه المعلمات أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل النموذجية عند درجة حرارة محيطة (T_A) تساوي 25°C.

• خصائص ثنائي باعث الضوء (LED) المدخل:
  • جهد الأمام (V_F):1.2 فولت بشكل نموذجي، بحد أقصى 1.6 فولت عند تيار أمامي (I_F) بقيمة 20 ميلي أمبير. تُستخدم هذه المعلمة لحساب قيمة المقاوم المحدد للتيار لدائرة تشغيل LED: R = (V_CC- V_F) / I_F.
  • تيار عكسي (I_R):100 ميكرو أمبير كحد أقصى عند جهد عكسي (V_R) بقيمة 5 فولت، مما يشير إلى تيار التسرب لـ LED عند انحيازه عكسياً.
• خصائص الترانزستور الضوئي المخرج:
  • تيار الظلام للمجمع-الباعث (I_CEO):100 نانو أمبير كحد أقصى عند V_CE= 10 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما يكون LED مطفأ (لا يوجد ضوء ساقط على الترانزستور الضوئي). يُعد تيار الظلام المنخفض مرغوباً فيه للحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة، خاصة في تطبيقات الإضاءة المنخفضة أو الكسب العالي.
• خصائص المقترن (النظام):
  • جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):0.4 فولت كحد أقصى عندما يكون الترانزستور الضوئي في حالة التشغيل الكامل (I_C= 0.25 ميلي أمبير، I_F= 20 ميلي أمبير). يُعد جهد التشبع المنخفض حاسماً عندما يُستخدم المخرج لدفع مدخلات المنطق أو دوائر الجهد المنخفض الأخرى، لأنه يحدد مستوى \"المنخفض\" المنطقي.
  • تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)):2.0 ميلي أمبير كحد أدنى عند V_CE= 5 فولت و I_F= 20 ميلي أمبير. هذا هو الحد الأدنى المضمون لتيار الخرج عندما يتم تشغيل LED عند تياره النموذجي ويكون الشعاع غير معترض. غالباً ما تُسمى هذه المعلمة \"نسبة نقل التيار\" (CTR) عند التعبير عنها كنسبة I_C/I_F، وهي تحدد حساسية المقترن. هنا، الحد الأدنى لـ CTR هو (2.0 ميلي أمبير / 20 ميلي أمبير) = 0.1 أو 10%.
  • وقت الاستجابة:
    • وقت الصعود (T_r):3 ميكرو ثانية بشكل نموذجي، 15 ميكرو ثانية كحد أقصى. هذا هو الوقت الذي يستغرقه المخرج للانتقال من 10% إلى 90% من قيمته النهائية عند تشغيل LED المدخل.
    • وقت الهبوط (T_f):4 ميكرو ثانية بشكل نموذجي، 20 ميكرو ثانية كحد أقصى. هذا هو الوقت الذي يستغرقه المخرج للانتقال من 90% إلى 10% من قيمته النهائية عند إطفاء LED المدخل. تتيح سرعات التبديل السريعة هذه كشف الأجسام المتحركة بسرعة.

3. المعلومات الميكانيكية والغلاف

يتميز LTH-872-N55H بغلاف قياسي عبر الثقب مصمم لتسهيل التكامل مع PCB.

3.1 الأبعاد الخارجية

توفر ورقة البيانات رسماً ميكانيكياً مفصلاً. تشمل الأبعاد الرئيسية عرض الفتحة الكلي، الذي يحدد حجم الجسم الذي يمكن كشفه، وتباعد الأطراف لتخطيط PCB. جميع الأبعاد محددة بالميليمترات (مم) مع تسامح قياسي ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يُظهر الرسم عادة المنظر العلوي، والمنظر الجانبي، وتحديد الأطراف (مصعد الباعث، مهبط الباعث، المجمع، الباعث).

3.2 تحديد القطبية وتوصيل الأطراف

القطبية الصحيحة ضرورية لعمل الجهاز. يحتوي الغلاف على علامة أو شكل طرف محدد (غالباً جانب مسطح أو شق) لتحديد الطرف 1. التوصيل القياسي للأطراف لفوتوإنترابتور رباعي الأطراف هو: الطرف 1 - مصعد LED الأشعة تحت الحمراء، الطرف 2 - مهبط LED الأشعة تحت الحمراء، الطرف 3 - باعث الترانزستور الضوئي، الطرف 4 - مجمع الترانزستور الضوئي. راجع دائماً مخطط ورقة البيانات لتأكيد تخصيص الأطراف الدقيق لـ LTH-872-N55H قبل تصميم بصمة PCB.

4. إرشادات اللحام والتجميع

4.1 عملية اللحام

تم تصنيف الجهاز لأقصى درجة حرارة لحام للأطراف تبلغ 260°C لمدة 5 ثوانٍ. هذا المواصفة بالغة الأهمية لعمليات اللحام الموجي أو إعادة التدفق. تجاوز هذه الحرارة أو الوقت يمكن أن يتلف الوصلات شبه الموصلة الداخلية أو الغلاف البلاستيكي. يُوصى باتباع إرشادات IPC القياسية للحم مكونات الثقب.

4.2 التعامل والتخزين

على الرغم من عدم تفصيلها صراحة في المقتطف المقدم، تنطبق أفضل الممارسات العامة: قم بتخزين المكونات في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد (-40°C إلى +100°C). تجنب تعريض الجهاز للرطوبة المفرطة قبل اللحام لمنع ظاهرة \"الفرقعة\" أثناء إعادة التدفق، على الرغم من أن هذا أكثر أهمية لأجهزة التركيب السطحي.

5. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

5.1 دوائر التطبيق النموذجية

التكوين الأكثر شيوعاً هو استخدام الفوتوإنترابتور كمفتاح رقمي. تتضمن دائرة بسيطة:
1. مشغل LED:قم بتوصيل مقاوم محدد للتيار على التوالي مع LED الأشعة تحت الحمراء بمصدر جهد (مثلاً، 5 فولت). اضبط قيمة المقاوم لتحقيق I_Fالمطلوب (مثلاً، 20 ميلي أمبير). مثال: R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω (استخدم مقاوم 200Ω قياسي).
2. خرج الترانزستور الضوئي:قم بتوصيل مقاوم سحب لأعلى (R_L) من مجمع الترانزستور الضوئي إلى مصدر جهد (مثلاً، 5 فولت). الباعث متصل بالأرض. عندما يكون مسار الضوء واضحاً، يوصل الترانزستور الضوئي، مما يسحب جهد المجمع (المخرج) إلى مستوى منخفض. عندما يتم حجب الشعاع، ينطفئ الترانزستور الضوئي، ويسحب مقاوم السحب لأعلى المخرج إلى مستوى مرتفع. تؤثر قيمة R_Lعلى سرعة التبديل واستهلاك التيار؛ القيمة الأقل تعطي سرعة أسرع ولكن تبديد طاقة أعلى. تستخدم حالة الاختبار في ورقة البيانات R_L= 100Ω.

5.2 اعتبارات التصميم

• مناعة ضد الضوء المحيط:نظراً لأن الجهاز يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء، فهو محصن إلى حد ما ضد الضوء المحيط المرئي. ومع ذلك، يمكن للمصادر القوية للأشعة تحت الحمراء (ضوء الشمس، بعض المصابيح) أن تسبب تداخلاً. يمكن لاستخدام إشارة LED مُعدَّلة ودائرة فك تعديل مقابلة أن تعزز بشكل كبير المناعة ضد الضوضاء.
• المحاذاة:يجب محاذاة الباعث والكاشف بدقة عبر الفتحة. يضمن الغلاف الميكانيكي هذه المحاذاة، ولكن يجب أن يضع تصميم PCB المكون بشكل صحيح.
• خصائص الجسم:يجب أن يكون الجسم المعترض للشعاع معتماً لضوء الأشعة تحت الحمراء. قد لا يتم الكشف عن المواد الشفافة أو عالية الانعكاسية بشكل موثوق.
• إزالة الارتداد:في الأنظمة الميكانيكية (مثلاً، كشف عجلة القطع)، قد يتردد إشارة الخرج عند دخول جسم الفتحة أو مغادرتها. يجب استخدام تقنيات إزالة الارتداد البرمجية أو العتادية للحصول على إشارات رقمية نظيفة.

6. تحليل منحنى الأداء

تذكر ورقة البيانات \"منحنيات الخصائص الكهربائية/البصرية النموذجية.\" بينما لم يتم توفير المنحنيات المحددة في المقتطف، تشمل الرسوم البيانية النموذجية لمثل هذه الأجهزة:

• التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (I_F-V_F):يُظهر العلاقة غير الخطية لـ LED الأشعة تحت الحمراء، وهي مهمة لتصميم المشغل.
• تيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث (I_C-V_CE):عائلة من المنحنيات مع شدة الضوء الساقط (أو I_F) كمعامل، مشابهة لخصائص خرج الترانزستور.
• نسبة نقل التيار (CTR) مقابل التيار الأمامي (I_F):يُظهر كيف تتغير الحساسية مع تيار تشغيل LED.
• نسبة نقل التيار (CTR) مقابل درجة الحرارة المحيطة:منحنى حاسم يُظهر أن CTR عادةً ما ينخفض مع زيادة درجة الحرارة. يجب على المصممين ضمان هامش كافٍ عند أعلى درجة حرارة تشغيل لضمان الحد الأدنى المطلوب من I_C(ON).
• وقت الاستجابة مقابل مقاومة الحمل (R_L):يوضح المقايضة بين سرعة التبديل واستهلاك الطاقة.

7. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بالمفاتيح الدقيقة الميكانيكية، يقدم LTH-872-N55H عمراً افتراضياً وموثوقية أعلى بسبب التشغيل دون تلامس. وهو محصن ضد ارتداد التلامس. مقارنة بأجهزة الاستشعار العاكسة، توفر فوتوإنترابتورات نوع الفتحة كشفاً أكثر دقة وثباتاً لأنها أقل حساسية للون أو نسيج أو انعكاسية الجسم المستهدف؛ فهي ببساطة تكشف الاعتراض الفيزيائي لحزمة. غالباً ما يكون المميز الرئيسي بين الفوتوإنترابتورات نفسها هو أبعاد الفتحة، والحساسية (CTR)، وسرعة الاستجابة، ونوع الغلاف (عبر الثقب مقابل التركيب السطحي).

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: ماذا يحدث إذا قمت بتشغيل LED بأكثر من 50 ميلي أمبير؟
ج: تجاوز الحد الأقصى المطلق للتيار الأمامي المستمر يمكن أن يسبب تسخيناً مفرطاً، مما يؤدي إلى تدهور متسارع في خرج ضوء LED أو فشل كارثي. استخدم دائماً مقاوم محدد للتيار.

س: إشارة الخرج لدي بها ضوضاء. ما الذي يمكن أن يكون السبب؟
ج: تشمل الأسباب المحتملة الضوضاء الكهربائية على خطوط إمداد الطاقة، أو التداخل من الضوء المحيط (خاصة المصابيح الفلورية العاملة بتردد 50/60 هرتز)، أو قيمة مقاوم الحمل عالية جداً، مما يجعل العقدة عالية المعاوقة وعرضة للضوضاء. تأكد من استقرار الطاقة، وفكر في التدريع، واستخدم مقاوم سحب لأعلى أقل، أو نفذ تعديل/فك تعديل الإشارة.

س: يعمل الجهاز في درجة حرارة الغرفة ولكن يفشل عندما ترتفع حرارة نظامي. لماذا؟
ج: تنخفض حساسية الترانزستور الضوئي (CTR) مع زيادة درجة الحرارة. قد تعمل بهامش ضئيل عند 25°C. أعد تقييم تصميمك باستخدام الحد الأدنى لمواصفات I_C(ON)وضع في الاعتبار منحنى CTR مقابل درجة الحرارة النموذجي. قد تحتاج إلى زيادة تيار تشغيل LED (ضمن الحدود) أو استخدام ترانزستور ضوئي بضمان CTR أعلى في درجات الحرارة المرتفعة.

س: هل يمكنني استخدام هذا للكشف عن جسم شفاف؟
ج: بشكل عام، لا. تتطلب فوتوإنترابتورات الأشعة تحت الحمراء القياسية أن يكون الجسم معتماً لطول موجة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة (عادة حوالي 940 نانومتر). قد تسمح البلاستيك أو الزجاج الشفاف بمرور ما يكفي من ضوء الأشعة تحت الحمراء، مما يمنع الكشف الموثوق. هناك حاجة إلى أجهزة استشعار خاصة بأطوال موجية مختلفة أو مبادئ كشف للمواد الشفافة.

9. مثال حالة استخدام عملية

التطبيق:كشف انحشار الورق في طابعة مكتبية.
التنفيذ:يتم تركيب LTH-872-N55H على طول مسار الورق مع تغذية الورق عبر فتحته. يقوم دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة بتشغيل LED عبر مقاوم محدد للتيار. يقرأ دبوس GPIO آخر، مُهيأ بمقاوم سحب داخلي لأعلى، حالة مجمع الترانزستور الضوئي. أثناء التشغيل العادي، يعترض الورق الشعاع، ويكون المخرج في حالة منطقية واحدة (مثلاً، مرتفع). إذا حدث انحشار للورق، إما يبقى الورق عالقاً (مستمراً في اعتراض الشعاع) أو يفشل في الوصول إلى المستشعر (مبقياً الشعاع غير معترض)، مما يتسبب في بقاء المخرج في حالة غير متوقعة لفترة طويلة جداً. يراقب برنامج وحدة التحكم الدقيقة هذه الإشارة ويُطلق رسالة خطأ \"انحشار الورق\" إذا تم انتهاك تسلسل التوقيت المتوقع. يضمن وقت الاستجابة السريع للمستشعر إمكانية كشف حتى الفجوات الصغيرة بين أوراق الورق لمراقبة تغذية الورق بدقة.

10. مقدمة مبدأ التشغيل

يعمل الفوتوإنترابتور على مبدأ التحويل الكهروضوئي والاعتراض. داخلياً، يحتوي على مكونين منفصلين في محاذاة: ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (IR LED) وترانزستور ضوئي من السيليكون. يعمل IR LED كمصدر للضوء. عند انحيازه أمامياً بواسطة تيار خارجي، فإنه يصدر فوتونات أشعة تحت حمراء غير مرئية. يعمل الترانزستور الضوئي ككاشف للضوء. منطقة قاعدته حساسة للضوء. عندما تضرب الفوتونات من LED القاعدة، تولد أزواج إلكترون-فجوة، والتي تعمل كتيار قاعدة، مما يشغل الترانزستور ويسمح بتدفق تيار مجمع أكبر بكثير. يتناسب تيار المجمع هذا مع شدة الضوء الساقط. تفصل الفتحة هذين العنصرين فيزيائياً. يعترض الجسم الموضوع في الفتحة مسار الضوء، مما يقلل بشكل كبير من الضوء الساقط على الترانزستور الضوئي، والذي بدوره يطفئه (أو يقلل تياره). يتم كشف هذا التغيير في تيار/جهد الخرج بواسطة الدائرة الخارجية لتسجيل \"اعتراض\".

11. اتجاهات وتطورات الصناعة

يتجه اتجاه أجهزة الاستشعار الكهروضوئية، بما في ذلك الفوتوإنترابتورات، نحو التصغير، والتكامل الأعلى، وأغلفة تقنية التركيب السطحي (SMT) لاستيعاب تصميمات PCB أصغر وأكثر كثافة. هناك أيضاً تحول نحو أجهزة الاستشعار ذات المخرج الرقمي مع تكييف الإشارة المدمج، والتي توفر مخرجاً منطقياً نظيفاً ومخزناً، مما يبسط الواجهة مع وحدات التحكم الدقيقة. تتضمن بعض الإصدارات المتقدمة مشغلات شميت للتأخر لتحسين المناعة ضد الضوضاء. علاوة على ذلك، يدفع الطلب على دقة وسرعة أعلى في الأتمتة تطوير أجهزة بفتحات أضيق، وأوقات استجابة أسرع، واستقرار حراري محسن. يظل الفوتوإنترابتور الأساسي من نوع الفتحة، كما يمثله LTH-872-N55H، حلاً فعالاً من حيث التكلفة وموثوقاً للغاية لمجموعة واسعة من تطبيقات الكشف القياسية حيث تكون بساطته ومتانته من المزايا الرئيسية.