ورقة بيانات القاطع الضوئي LTH-872-T55T1 - مفتاح بصري ذو فتحة - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTH-872-T55T1 قاطعًا ضوئيًا من النوع ذو الفتحة، وهو مكون إلكتروني ضوئي أساسي مُصمم لتطبيقات الاستشعار بدون تلامس. يجمع بين ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED) وترانزستور ضوئي داخل غلاف واحد، يفصل بينهما فجوة أو فتحة فيزيائية. يعتمد مبدأ التشغيل الأساسي على قطع الحزمة الضوئية تحت الحمراء المسافرة من الباعث إلى الكاشف. عندما يمر جسم معتم عبر هذه الفتحة، فإنه يحجب الضوء، مما يتسبب في تغيير كبير في تيار الخرج للترانزستور الضوئي. يتم الكشف عن هذا التغيير إلكترونيًا، مما يوفر إشارة تبديل رقمية موثوقة. تُفضل المقاطع الضوئية بسبب موثوقيتها العالية ودقتها ومقاومتها للعوامل البيئية مثل الغبار أو التلوث السطحي مقارنة بالمفاتيح الميكانيكية.

المزايا الأساسية:تشمل المزايا الأساسية لهذا الجهاز التبديل الحقيقي بدون تلامس، مما يلغي التآكل الميكانيكي ويضمن عمر تشغيلي طويل. يوفر أوقات استجابة سريعة، مما يتيح اكتشاف الأحداث عالية السرعة. التصميم مناسب للتركيب المباشر على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أو الاستخدام مع مقبس ثنائي الخط، مما يوفر مرونة في التجميع. يوفر بناؤه حماية متأصلة ضد تداخل الضوء المحيط.

السوق المستهدف والتطبيقات:يُستخدم هذا المكون على نطاق واسع في مختلف معدات أتمتة المكاتب والإلكترونيات الاستهلاكية. تشمل سيناريوهات التطبيق النموذجية اكتشاف الورق في أجهزة الفاكس والطابعات وآلات النسخ الضوئي، حيث يستشعر وجود أو عدم وجود الورق، أو انحشار الورق، أو موضع رؤوس الطباعة والعربات. كما يوجد في الماسحات الضوئية وآلات البيع، وأتمتة العمليات الصناعية لاستشعار الموضع، وأي جهاز يتطلب اكتشافًا دقيقًا وموثوقًا للأجسام بدون تلامس فيزيائي.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الحدود أو عندها.

• ثنائي الباعث للضوء (LED) المدخل:
  • تبديد الطاقة (P_D):75 ملي واط. هذه هي أقصى قدرة يمكن لشريحة LED تبديدها كحرارة عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية. يمكن أن يؤدي تجاوز ذلك إلى هروب حراري وفشل.
  • تيار الأمام المستمر (I_F):50 مللي أمبير. أقصى تيار مستمر يمكن تمريره باستمرار عبر LED.
  • تيار الأمام الذروي:1 أمبير (عرض النبضة = 10 ميكروثانية، 300 نبضة في الثانية). تسمح هذه القيمة بنبضات عالية التيار قصيرة المدى، وهي مفيدة لقيادة LED بمخرج ضوئي لحظي أعلى دون تجاوز تصنيف الطاقة المتوسط.
  • الجهد العكسي (V_R):5 فولت. أقصى جهد انحياز عكسي يمكن تطبيقه عبر LED. يمكن أن يتسبب تجاوز ذلك في انهيار الوصلة.
• الترانزستور الضوئي المخرج:
  • تبديد الطاقة (P_D):100 ملي واط.
  • جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه بين المجمع والباعث عندما تكون القاعدة (المدخل الضوئي) مفتوحة.
  • تيار المجمع (I_C):20 مللي أمبير. أقصى تيار يمكن أن يمر عبر مسار المجمع-الباعث.
• الحدود الحرارية:
  • نطاق درجة حرارة التشغيل:من -25 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي تم تحديد الجهاز للعمل فيه بشكل صحيح.
  • نطاق درجة حرارة التخزين:من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية.
  • درجة حرارة لحام الأطراف:260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ (على بعد 1.6 مم من جسم العلبة). يحدد هذا قيد ملف تعريف إعادة التدفق للحام لمنع تلف الغلاف البلاستيكي والوصلات السلكية الداخلية.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعلمات تحت ظروف الاختبار القياسية (T_A=25 درجة مئوية) وتحدد الأداء النموذجي للجهاز.

• خصائص ثنائي الباعث للضوء (LED) المدخل:
  • جهد الأمام (V_F):عادة 1.2 فولت، بحد أقصى 1.6 فولت عند I_F= 20 مللي أمبير. هذه المعلمة حاسمة لتصميم المقاوم المحدد للتيار لدائرة قيادة LED. عادةً ما يهدف التصميم النموذجي إلى I_F=20 مللي أمبير، باستخدام V_F~1.2 فولت للحساب.
  • التيار العكسي (I_R):بحد أقصى 100 ميكرو أمبير عند V_R= 5 فولت. يشير هذا إلى جودة وصلة PN الخاصة بـ LED تحت الانحياز العكسي.
• خصائص الترانزستور الضوئي المخرج:
  • جهد انهيار المجمع-الباعث (V_(BR)CEO):بحد أدنى 30 فولت عند I_C=1 مللي أمبير. يضمن هذا هامش أمان جيد للدوائر المنطقية النموذجية 5 فولت أو 12 فولت.
  • تيار المجمع-الباعث في الظلام (I_CEO):بحد أقصى 100 نانو أمبير عند V_CE=10 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما يكون LED مغلقًا (بدون ضوء). تعتبر القيمة المنخفضة ضرورية للحالة "مغلق" محددة جيدًا، خاصة في الدوائر ذات الكسب العالي.
• خصائص المقترن (النظام):
  • تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)):بحد أدنى 0.5 مللي أمبير عندما V_CE= 5 فولت و I_F= 20 مللي أمبير. هذه هي معلمة الحساسية الرئيسية. تحدد الحد الأدنى لتيار الخرج عندما تكون الفتحة غير معيقة. يجب على المصممين التأكد من اختيار مقاوم الحمل (R_L) بحيث ينتج هذا التيار تأرجح جهد قابل للاستخدام.
  • جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):بحد أقصى 0.4 فولت عند I_C= 0.25 مللي أمبير و I_F= 20 مللي أمبير. يشير جهد التشبع المنخفض هذا إلى أداء جيد عندما يتم دفع الترانزستور الضوئي إلى التشبع (مفتوح بالكامل)، مما يسمح له بسحب الخط قريبًا جدًا من الأرضي.
  • وقت الاستجابة:
    • وقت الصعود (T_r):عادة 3 ميكروثانية، بحد أقصى 15 ميكروثانية.
    • وقت الهبوط (T_f):عادة 4 ميكروثانية، بحد أقصى 20 ميكروثانية.
    تم القياس تحت V_CC=5 فولت، I_C=2 مللي أمبير، R_L=100 أوم. تحدد هذه الأوقات أقصى تردد تبديل. الأوقات غير المتماثلة شائعة في الترانزستورات الضوئية. للتصميم المحافظ، افترض ترددًا أقصى قدره 1/(T_r+T_f) ~ 1/40 ميكروثانية = 25 كيلو هرتز.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الأداء النموذجية. على الرغم من عدم توفير الرسوم البيانية المحددة في النص، فإن تفسيراتها القياسية هي كما يلي:

• التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (I_F-V_F):يُظهر هذا المنحنى العلاقة الأسية النموذجية للثنائي. يساعد في فهم تغير V_Fمع درجة الحرارة والتيار.
• تيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث (I_C-V_CE):لتيار LED معين (I_F)، يُظهر هذا الرسم البياني خصائص خرج الترانزستور الضوئي، المشابهة لمنحنيات خرج الترانزستور ثنائي القطب. يوضح الانتقال من المنطقة النشطة إلى منطقة التشبع.
• نسبة نقل التيار (CTR) مقابل التيار الأمامي:CTR هي النسبة I_C/ I_F(غالبًا ما تُعبر كنسبة مئوية). هذه معلمة كفاءة حاسمة للمقترن. يُظهر المنحنى عادةً أن CTR يبلغ ذروته عند I_Fمحدد وينخفض عند التيارات الأعلى بسبب التسخين أو تأثيرات أخرى.
• الخصائص الحرارية:منحنيات توضح كيف تختلف معلمات مثل I_C(ON), V_F, و CTR عبر نطاق درجة حرارة التشغيل (-25 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية). ينخفض كسب الترانزستور الضوئي عمومًا مع زيادة درجة الحرارة، وهو ما يجب أخذه في الاعتبار في التصميمات التي تتطلب أداءً مستقرًا عبر درجات الحرارة.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 الأبعاد الخارجية

يتميز الجهاز بتغليف قياسي عبر الثقب مع جسم بلاستيكي مصبوب يحتوي على الفتحة. ملاحظات الأبعاد الرئيسية من ورقة البيانات:

• جميع الأبعاد مُقدمة بالمليمترات (مم).
• التحمل الافتراضي للأبعاد غير المحددة هو ±0.25 مم.
• يتم تحديد عرض الفتحة المحدد، وارتفاع الجسم، وتباعد الأطراف في الرسم البعدي (غير مفصل بالكامل في النص). هذه المعلومات حاسمة للتكامل الميكانيكي، لضمان ملاءمة الجسم المراد اكتشافه عبر الفتحة ولتصميم بصمة PCB.

4.2 تحديد القطبية وترتيب الأطراف

للتشغيل السليم، تحديد الطرف الصحيح أمر أساسي. يستخدم التغليف ترتيب أطراف قياسي للمقاطع الضوئية ذات الفتحة: زوج من الأطراف لـ LED بالأشعة تحت الحمراء (الأنود والكاثود) وزوج آخر للترانزستور الضوئي (المجمع والباعث). يحدد رسم ورقة البيانات أرقام الأطراف. عادةً، عند عرض الجهاز من الأعلى (جانب الفتحة)، يتم ترقيم الأطراف عكس اتجاه عقارب الساعة. يجب على المصمم الرجوع إلى الرسم لتوصيل الأنود والكاثود والمجمع والباعث بشكل صحيح.

5. إرشادات اللحام والتركيب

الالتزام بهذه الإرشادات ضروري لمنع التلف أثناء عملية التصنيع.

• لحام إعادة التدفق:تحدد القيمة القصوى المطلقة لحام الأطراف عند 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم العلبة. وهذا يترجم إلى ملف تعريف قياسي لإعادة التدفق مع الأطراف. للغلاف البلاستيكي كتلة حرارية محدودة، لذا يجب تجنب التعرض المطول لدرجات الحرارة العالية لمنع التشقق أو التلف الداخلي.
• اللحام اليدوي:إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فاستخدم مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة. قم بتطبيق الحرارة على الطرف/الدبوس، وليس على الجسم البلاستيكي، وأكمل الوصلة خلال 3-5 ثوانٍ لكل طرف.
• التنظيف:استخدم مواد التنظيف المذيبة المتوافقة مع المادة البلاستيكية للجهاز لتجنب التشقق الناتج عن الإجهاد أو التدهور.
• ظروف التخزين:قم بالتخزين في بيئة ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد (-55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية) ورطوبة منخفضة. يجب الاحتفاظ بالأجهزة الحساسة للرطوبة في تغليف جاف ومغلق حتى الاستخدام.

6. اعتبارات تصميم التطبيقات

6.1 دائرة تطبيقية نموذجية

تتضمن دائرة الواجهة القياسية جزأين رئيسيين:

1. مشغل LED:يتم توصيل مقاوم محدد للتيار (R_LIMIT) على التوالي مع LED. يتم حساب قيمته على النحو R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F. لمصدر طاقة 5 فولت، V_F=1.2 فولت، و I_F=20 مللي أمبير، R_LIMIT= (5 - 1.2) / 0.02 = 190 أوم. سيكون المقاوم 180 أوم أو 200 أوم مناسبًا.
2. خرج الترانزستور الضوئي:يتم توصيل الترانزستور الضوئي عادةً كمفتاح باعث مشترك. يتم توصيل مقاوم سحب لأعلى (R_L) بين المجمع ومصدر الطاقة الموجب (V_CC). يتم توصيل الباعث بالأرضي. عندما يسقط الضوء على الترانزستور (فتحة غير معيقة)، فإنه يعمل، مما يسحب جهد المجمع إلى مستوى منخفض (قريب من V_CE(SAT)). عندما يتم حجب الضوء، يتم إيقاف تشغيل الترانزستور، ويتم سحب جهد المجمع إلى مستوى عالٍ بواسطة R_L. تحدد قيمة R_Lتأرجح جهد الخرج والسرعة. يوفر R_Lأصغر استجابة أسرع ولكنه يسحب تيارًا أكبر. يُعد استخدام حالة الاختبار لـ R_L=100 أوم كنقطة بداية أمرًا شائعًا.

6.2 تحديات التصميم والحلول

• مقاومة الضوء المحيط:على الرغم من أن تصميم الفتحة يوفر بعض الحماية، إلا أن الضوء المحيط القوي (خاصة الأشعة تحت الحمراء) يمكن أن يؤثر على الترانزستور الضوئي. يمكن أن يؤدي استخدام إشارة قيادة LED مُعدلة والكشف المتزامن في دائرة المستقبل إلى تعزيز المقاومة بشكل كبير. بدلاً من ذلك، يمكن أن يساعد ضمان تغطية الفتحة.
• تعويض درجة الحرارة:مع انخفاض كسب الترانزستور الضوئي مع درجة الحرارة، سينخفض I_C(ON). للتطبيقات الحرجة، صمم الدائرة ليكون لها هامش كافٍ عند أعلى درجة حرارة تشغيل، أو استخدم مقارنًا مع عتبة قابلة للتعديل بدلاً من واجهة مقاوم سحب لأعلى بسيطة.
• خصائص الجسم:يجب أن يكون الجسم الذي يعترض الحزمة معتمًا لطول موجة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة (~940 نانومتر). قد لا يتم اكتشاف المواد الرقيقة أو الشفافة بشكل موثوق. يجب أن يكون حجم الجسم كافيًا لحجب الحزمة بالكامل داخل الفتحة.

7. المقارنة والتمييز التقني

مقارنة بتقنيات الاستشعار الأخرى:

• مقارنة بالمفاتيح الصغرى الميكانيكية:تقدم المقاطع الضوئية موثوقية فائقة (بدون أجزاء متحركة تتآكل)، واستجابة أسرع، وتشغيل صامت. وهي محصنة ضد ارتداد التلامس.
• مقارنة بمستشعرات الضوء العاكسة:تكون أنواع الفتحات بشكل عام أكثر موثوقية لاكتشاف الحواف أو استشعار الموضع الدقيق لأنها أقل عرضة للتغيرات في الانعكاسية أو لون الجسم المستهدف. إما أن يتم حجب الحزمة بالكامل أو لا يتم حجبها.
• مقارنة بمستشعرات تأثير هول:تكتشف مستشعرات هول المجالات المغناطيسية، وليست قطع الضوء. تُستخدم لظواهر فيزيائية مختلفة (مثل اكتشاف مغناطيس). المقاطع الضوئية مخصصة لاكتشاف أي جسم معتم.
• ضمن المقاطع الضوئية:يتمثل التمييز المحدد لـ LTH-872-T55T1 في مزيجه من التصنيفات الكهربائية (مثل V_CEO=30 فولت، I_C(ON)الحد الأدنى=0.5 مللي أمبير)، وأبعاد التغليف، وفعالية التكلفة لتطبيقات أتمتة المكاتب ذات الحجم الكبير.

8. الأسئلة الشائعة (FAQ)

• س: ما هو تيار التشغيل النموذجي لـ LED؟ج: حالة الاختبار القياسية ونقطة التشغيل الشائعة هي I_F= 20 مللي أمبير. يوفر هذا توازنًا جيدًا بين المخرج الضوئي واستهلاك الطاقة والعمر التشغيلي.
• س: هل يمكنني تشغيل LED مباشرة من طرف متحكم دقيق؟ج: لا يمكن لمعظم أطراف GPIO للمتحكمات الدقيقة توفير أو استقبال 20 مللي أمبير بشكل مستمر. يُوصى باستخدام دائرة مشغل ترانزستور أو MOSFET بسيطة، أو IC مشغل LED مخصص، لتوفير التيار اللازم.
• س: كيف أقوم بتوصيل المخرج إلى مدخل رقمي؟ج: يمكن توصيل مجمع الترانزستور الضوئي (مع مقاوم السحب لأعلى) مباشرة إلى مدخل منطقي CMOS أو TTL قياسي. عندما تكون الفتحة مفتوحة، سيقوم المدخل بقراءة LOW. عندما يتم حجبها، سيقوم بقراءة HIGH. تأكد من أن جهد السحب لأعلى متوافق مع العائلة المنطقية (مثل 5 فولت للمنطق 5 فولت، 3.3 فولت للمنطق 3.3 فولت).
• س: لماذا لا يتحول مخرجي بالكامل إلى خط التغذية عند الحجب؟ج: هذا على الأرجح بسبب تيار الظلام (I_CEO) المتدفق عبر مقاوم السحب لأعلى. مع مقاوم سحب لأعلى كبير جدًا (مثل 100 كيلو أوم)، حتى 100 نانو أمبير من التسرب يمكن أن يخلق انخفاضًا كبيرًا في الجهد. استخدم مقاوم سحب لأعلى أصغر (مثل 1 كيلو أوم إلى 10 كيلو أوم) لضمان مستوى HIGH ثابت، مع تحقيق التوازن بين استهلاك التيار والسرعة.
• س: ما هي ممارسة تخطيط PCB الموصى بها؟ج: احتفظ بمسارات مشغل LED ومسارات خرج الترانزستور الضوئي منفصلة لتقليل اقتران الضوضاء. ضع المقاوم المحدد للتيار ومقاوم السحب لأعلى بالقرب من الجهاز. تأكد من أن منطقة الفتحة على PCB خالية من طلاء اللحام أو المكونات التي يمكن أن تعترض مسار حزمة الأشعة تحت الحمراء.

9. مبدأ التشغيل

يعمل القاطع الضوئي على مبدأ الاقتران الضوئي المباشر الذي يتم قطعه بواسطة جسم فيزيائي. يصدر LED بالأشعة تحت الحمراء ضوءًا بطول موجي يبلغ عادةً حوالي 940 نانومتر، وهو غير مرئي للعين البشرية. في المقابل مباشرة، يكون الترانزستور الضوئي السيليكوني حساسًا لهذا الطول الموجي. في الحالة غير المعيقة، يضرب الضوء تحت الأحمر منطقة القاعدة للترانزستور الضوئي، مما يولد أزواج إلكترون-فجوة. يعمل هذا التيار الضوئي كتيار قاعدة، مما يتسبب في تشغيل الترانزستور وتوصيل تيار مجمع أكبر بكثير (I_C(ON)). عندما يدخل جسم معتم إلى الفتحة، فإنه يحجب مسار الضوء بالكامل. يتوقف التيار الضوئي، وينخفض تيار القاعدة الفعال إلى الصفر، ويتم إيقاف تشغيل الترانزستور الضوئي، مما يسمح فقط لتيار تسرب صغير جدًا (I_CEO) بالتدفق. يوفر هذا التباين الصارخ بين حالتي التشغيل والإيقاف إشارة رقمية نظيفة وموثوقة تشير إلى وجود الجسم أو عدم وجوده.

10. اتجاهات الصناعة

يبقى القاطع الضوئي تقنية ناضجة ومستخدمة على نطاق واسع بسبب بساطتها وقوتها وتكلفتها المنخفضة. تركز الاتجاهات الحالية في الصناعة على عدة مجالات:

• التصغير:تطوير أحجام تغليف أصغر (مثل أجهزة التركيب السطحي ذات الفتحات الضيقة جدًا) لتناسب الإلكترونيات الاستهلاكية والأجهزة المحمولة الأكثر إحكاما.
• تحسين الأداء:تحسين معلمات مثل السرعة الأعلى للآلات الأسرع، واستهلاك طاقة أقل للأجهزة التي تعمل بالبطاريات، واستقرار حراري أفضل.
• التكامل:دمج دوائر إضافية داخل الغلاف، مثل مشغلات شميت للتأخر، ومكبرات للإشارات الأضعف، أو حتى واجهات رقمية (I2C)، مما يخلق "مستشعرات ذكية" تُبسط تصميم النظام.
• التقدم في المواد:استخدام البلاستيك المتقدم وتصميمات العدسات لتحسين توازي الضوء، وزيادة كفاءة الاقتران، وتعزيز المقاومة للعوامل البيئية مثل ارتفاع درجة الحرارة والرطوبة.

على الرغم من ظهور تقنيات أحدث مثل مستشعرات وقت الطيران (ToF) أو أنظمة الرؤية، يستمر القاطع الضوئي ذو الفتحة الأساسي في أن يكون الحل الأمثل للعديد من تطبيقات اكتشاف الوجود البسيطة والموثوقة والحساسة للتكلفة.