ورقة بيانات القاطع الضوئي العاكس LTH-872-N55T1 - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTH-872-N55T1 قاطعًا ضوئيًا عاكسًا، وهو نوع من المكونات الإلكترونية الضوئية التي تجمع بين صمام ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (LED) وترانزستور ضوئي في غلاف واحد مدمج ومضغوط. وظيفته الأساسية هي اكتشاف وجود أو غياب جسم ما دون تلامس مادي، وذلك عن طريق استشعار انقطاع حزمة الضوء المنعكسة من الجسم إلى المستشعر. تم تصميم هذا الجهاز للتطبيقات التي تتطلب كشفًا موثوقًا وسريعًا وغير تداخلي للأجسام أو استشعار الموضع.

1.1 المزايا الأساسية

تنبع المزايا الرئيسية لهذا القاطع الضوئي من مبدأ تشغيله الأساسي وتصميمه.التشغيل اللاتلامسييُزيل التآكل الميكانيكي، مما يعزز بشكل كبير العمر التشغيلي والموثوقية مقارنة بالمفاتيح الميكانيكية. هذا أمر بالغ الأهمية في التطبيقات عالية التكرار. علاوة على ذلك، فإنه يوفرسرعة تبديل عالية، بأوقات صعود وهبوط نموذجية في نطاق الميكروثانية، مما يمكنه من اكتشاف الأجسام المتحركة بسرعة أو الأحداث عالية التردد. يضمن الغلاف المتكامل المحاذاة الدقيقة بين الباعث والمستقبل، مما يبسط عملية التجميع ويحسن الاتساق.

1.2 السوق المستهدف والتطبيق

الأسواق الرئيسية المستهدفة لهذا المكون هي أتمتة المكاتب والأجهزة الدقيقة. تطبيقه الرئيسي الموثق هو داخلالماسحات الضوئية والطابعات. في هذه الأجهزة، تُستخدم المقاطع الضوئية بشكل شائع لوظائف مثل اكتشاف وجود الورق (مثل استشعار الحافة الأمامية للورقة)، وكشف انحشار الورق، واستشعار موضع العربة أو رأس الطباعة، واكتشاف الموضع الأساسي للآليات المتحركة. وقت الاستجابة السريع ضروري للحفاظ على الإنتاجية العالية لمعدات المسح والطباعة الحديثة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يعد فهم الخصائص الكهربائية والبصرية أمرًا بالغ الأهمية لتصميم الدائرة بشكل صحيح وضمان التشغيل الموثوق ضمن الحدود المحددة للجهاز.

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• صمام LED المدخل:
  • تبديد الطاقة (P_D): 75 ميلي واط كحد أقصى.
  • تيار الأمام المستمر (I_F): 50 مللي أمبير كحد أقصى. هذا هو الحد الأقصى المطلق للتيار الذي يمكن أن يمر عبر صمام LED.
  • الجهد العكسي (V_R): 5 فولت كحد أقصى. تجاوز هذا يمكن أن يؤدي إلى انهيار وصلة صمام LED.
• الترانزستور الضوئي المخرج:
  • تبديد الطاقة (P_C): 100 ميلي واط كحد أقصى.
  • جهد المجمع-الباعث (V_CEO): 30 فولت كحد أقصى. هذا هو أقصى جهد يمكن تطبيقه عبر مجمع وباعث الترانزستور الضوئي عندما تكون القاعدة مفتوحة (حالة الظلام).
  • جهد الباعث-المجمع (V_ECO): 5 فولت كحد أقصى (تصنيف الجهد العكسي).
  • تيار المجمع (I_C): 20 مللي أمبير كحد أقصى.
• البيئة:
  • درجة حرارة التشغيل (T_opr): من -25°C إلى +85°C.
  • درجة حرارة التخزين (T_stg): من -55°C إلى +100°C.
  • درجة حرارة لحام الأطراف (T_sol): 260°C لمدة 5 ثوانٍ كحد أقصى (للأطراف على بعد 1.6 مم من العلبة).

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

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

• خصائص صمام LED المدخل:
  • جهد الأمام (V_F): عادةً من 1.2 فولت إلى 1.6 فولت عند تيار أمامي (I_F) قدره 20 مللي أمبير. هذا هو انخفاض الجهد عبر صمام LED عند إضاءته.
  • التيار العكسي (I_R): 100 ميكرو أمبير كحد أقصى عند جهد عكسي (V_R) قدره 5 فولت. هذا هو تيار التسرب الصغير عندما يكون صمام LED متحيزًا عكسيًا.
• 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 الترانزستور الضوئي في ظلام تام (لا يوجد ضوء من صمام LED). القيمة المنخفضة مرغوبة لنسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة.
  • جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)): 0.4 فولت كحد أقصى عند I_C=0.25 مللي أمبير و I_F=20 مللي أمبير. هذا هو الجهد عبر الترانزستور عندما يكون "مشغلاً" بالكامل (مشبعًا). يقلل جهد التشبع المنخفض من فقد الطاقة في عنصر التبديل.
  • تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)): 0.5 مللي أمبير كحد أدنى عند V_CE=5 فولت و I_F=20 مللي أمبير. يحدد هذا الحد الأدنى لتيار الخرج عندما يتم تشغيل صمام LED ولا يعترض جسم ما الحزمة (بافتراض الوضع العاكس).
• وقت استجابة المقترن (النظام):
  • وقت الصعود (T_R): 3 ميكروثانية (نموذجي) إلى 15 ميكروثانية (أقصى). هذا هو الوقت الذي يستغرقه خرج الترانزستور الضوئي للارتفاع من 10% إلى 90% من قيمته النهائية عند تشغيل صمام LED.
  • وقت الهبوط (T_F): 4 ميكروثانية (نموذجي) إلى 20 ميكروثانية (أقصى). هذا هو الوقت الذي يستغرقه الخرج للهبوط من 90% إلى 10% عند إيقاف تشغيل صمام LED. هذه الأوقات السريعة ضرورية لميزة "سرعة التبديل العالية" المذكورة.
  • ظروف الاختبار: V_CE=5 فولت، I_C=2 مللي أمبير، R_L=100 أوم.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص الكهربائية/البصرية النموذجية. على الرغم من عدم توفير الرسوم البيانية المحددة في النص، فإن الغرض منها هو توضيح العلاقة بين المعلمات الرئيسية في ظل ظروف مختلفة، وهو أمر ضروري للتصميم القوي.

3.1 معلومات المنحنيات المُستنتجة

بناءً على الممارسة القياسية لمثل هذه المكونات، من المحتمل أن تشمل المنحنيات النموذجية:

• التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (I_F-V_F):يُظهر هذا المنحنى العلاقة غير الخطية بين التيار المار عبر صمام LED والجهد عبره. يساعد في تحديد قيمة المقاوم التسلسلي المطلوبة لتحقيق تيار تشغيل مرغوب من جهد مصدر معين.
• تيار المجمع مقابل جهد المجمع-الباعث (I_C-V_CE):بالنسبة للترانزستور الضوئي، سيتم رسم عائلة من هذه المنحنيات لمستويات مختلفة من الضوء الساقط (أو تيارات تشغيل LED مختلفة، I_F). يحدد مناطق تشغيل الترانزستور (القطع، النشط، التشبع) في ظل ظروف الإضاءة.
• نسبة النقل الحالي (CTR) مقابل التيار الأمامي:CTR هي نسبة تيار المجمع الخرجي للترانزستور الضوئي (I_C) إلى تيار الأمام المدخلي لصمام LED (I_F)، ويُعبر عنها عادةً كنسبة مئوية. يُظهر هذا المنحنى كيف تتغير الكفاءة مع تيار التشغيل وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة الواجهة لضمان تأرجح إشارة خرج كافٍ.
• الاعتماد على درجة الحرارة:منحنيات توضح كيف تختلف معلمات مثل الجهد الأمامي (V_F)، وتيار الظلام (I_CEO)، وCTR مع درجة الحرارة المحيطة. هذا أمر حيوي لضمان التشغيل المستقر عبر نطاق درجة الحرارة المحدد بالكامل (-25°C إلى +85°C).

4. معلومات الميكانيكا والغلاف

يتم الإشارة إلى أبعاد الغلاف ولكن لم يتم تفصيلها في النص المقدم. تشير الملاحظات إلى أن جميع الأبعاد بالمليمترات (مع البوصة بين قوسين) وأن التسامح العام هو ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يشير رقم الجزء LTH-872-N55T1 إلى نمط غلاف محدد شائع في المقاطع الضوئية العاكسة، والذي يتميز عادةً بجسم بلاستيكي مصبوب بفتحة. يواجه الباعث والمستقبل نفس الاتجاه عبر هذه الفتحة، مما يسمح لهما باكتشاف جسم يعكس الضوء المنبعث مرة أخرى.

4.1 تحديد القطبية وترتيب الأطراف

على الرغم من عدم سرد ترتيب الأطراف بالضبط، فإن أغلفة المقاطع الضوئية القياسية تحتوي على 4 أطراف: اثنان لأنود وكاثود صمام LED بالأشعة تحت الحمراء، واثنان لمجمع وباعث الترانزستور الضوئي NPN. عادةً ما تتضمن ورقة البيانات رسمًا تخطيطيًا يوضح المنظر العلوي وترقيم الأطراف (مثلًا، 1: الأنود، 2: الكاثود، 3: المجمع، 4: الباعث). يعد توصيل قطبية صمام LED بشكل صحيح إلزاميًا لمنع التلف.

5. إرشادات اللحام والتركيب

توفر ورقة البيانات معيارًا حاسمًا للتجميع: أقصى درجة حرارة لحام للأطراف. بالنسبة للأطراف الموجودة على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من العلبة البلاستيكية، يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة260°C لمدة 5 ثوانٍ. هذا تصنيف قياسي للحام الموجة أو اليدوي. بالنسبة للحام بإعادة التدفق، يجب أن يكون المكون متوافقًا مع ملف إعادة التدفق المحدد المستخدم، والذي يكون عادةً بدرجة حرارة ذروة حوالي 240-250°C. يمكن أن يتسبب تجاوز هذه الحدود الحرارية في تلف داخلي لوصلات أشباه الموصلات أو تشوه الغلاف البلاستيكي، مما يؤثر على المحاذاة البصرية والأداء.

6. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 دائرة تطبيقية نموذجية

تتضمن دائرة الواجهة الأساسية جزأين رئيسيين:

1. مشغل صمام LED:يتم توصيل مقاومة محددة للتيار على التوالي مع صمام LED. يتم حساب قيمة المقاومة (R_series) على النحو التالي: R_series= (V_CC- V_F) / I_F. باستخدام V_Fالنموذجي البالغ 1.4 فولت و I_Fمرغوب فيه قدره 20 مللي أمبير مع مصدر 5 فولت، نحصل على R_series= (5 - 1.4) / 0.02 = 180 أوم. سيكون المقاوم القياسي 180 أوم أو 220 أوم مناسبًا. يوفر تشغيل صمام LED بتيار ثابت، بدلاً من جهد ثابت، إخراج ضوء أكثر استقرارًا.
2. خرج الترانزستور الضوئي:يُستخدم الترانزستور الضوئي عادةً في تكوين باعث مشترك. يتم توصيل مقاوم حمل (R_L) بين المجمع ومصدر الجهد الموجب (V_CC). يتم توصيل الباعث بالأرض. عندما يسقط الضوء على الترانزستور، فإنه يعمل، مما يؤدي إلى خفض جهد المجمع (نحو V_CE(SAT)). في الظلام، يكون الترانزستور مغلقًا، ويتم سحب جهد المجمع إلى مستوى عالٍ إلى V_CCبواسطة R_L. تحدد قيمة R_Lتأرجح جهد الخرج والسرعة؛ كلما كانت R_Lأصغر، كانت الاستجابة أسرع ولكن التأرجح أصغر. تختبر ورقة البيانات باستخدام R_L=100 أوم.

6.2 اعتبارات التصميم

• مناعة الضوء المحيط:كمستشعر عاكس، يمكن أن يكون عرضة للضوء المحيط (خاصة ضوء الشمس أو الإضاءة الداخلية الساطعة التي تحتوي على الأشعة تحت الحمراء). يمكن أن يؤدي استخدام إشارة تشغيل LED مُعدَّلة واكتشاف متزامن في دائرة المستقبل إلى تحسين المناعة بشكل كبير ضد مثل هذه التداخلات.
• انعكاسية الجسم:تعتمد مسافة الاستشعار الفعالة وقوة الإشارة بشكل كبير على انعكاسية الجسم المستهدف. تعمل الأسطح عالية الانعكاس (مثل الورق الأبيض) بشكل أفضل، بينما قد لا تعكس الأسطح الداكنة أو غير اللامعة ما يكفي من الضوء.
• المحاذاة والفراغ:عادةً ما يتم تحديد مسافة الاستشعار المثلى (الفراغ بين المستشعر والجسم العاكس) في ورقة البيانات الكاملة. يجب أن يضمن التصميم الميكانيكي الحفاظ على هذا الفراغ بشكل ثابت.
• الضوضاء الكهربائية:للمسارات الطويلة للكابلات أو البيئات الصاخبة، قد يكون من الضروري وجود تدريج وتصفية مناسبة لإشارة الخرج، حيث أن خرج الترانزستور الضوئي هو عقدة عالية المعايرة عند الإيقاف ويمكن أن يكون حساسًا للالتقاط.

7. المقارنة والتمييز التقني

مقارنة بتقنيات الاستشعار الأخرى، يقدم هذا القاطع الضوئي مزايا محددة:

• مقارنة بالمفاتيح الميكانيكية:لا يوجد ارتداد تلامسي، عمر تشغيلي أطول بكثير (ملايين مقابل آلاف الدورات)، استجابة أسرع، وتشغيل صامت.
• مقارنة بالمقاطع الضوئية الناقلة (مقترنات ضوئية ذات فتحة):الأنواع العاكسة مثل LTH-872-N55T1 لا تتطلب مرور جسم عبر فتحة؛ يمكنها استشعار الأجسام عن بُعد. هذا يبسط التصميم الميكانيكي لتطبيقات مثل كشف الورق حيث يتحرك الورق على طول سطح.
• مقارنة بالمستشعرات الحديثة (مثل مستشعرات هول، الموجات فوق الصوتية):تكون المقاطع الضوئية بشكل عام أبسط وأقل تكلفة لاكتشاف الوجود/الغياب الأساسي. لا تتطلب مغناطيسات (مثل مستشعرات هول) وهي أقل تعقيدًا من مستشعرات الموجات فوق الصوتية، على الرغم من أنها قد تكون أقل فعالية على الأهداف غير العاكسة.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هو الغرض من مواصفة تيار الظلام (I_CEOCE(Dark)

CE(Dark)_LCE(Dark)

F_FF

C(ON)_C(ON)F_FF

A: نطاق درجة حرارة التشغيل (-25°C إلى +85°C) يسمح بالاستخدام في العديد من البيئات. ومع ذلك، يحتوي ضوء الشمس المباشر على إشعاع قوي للأشعة تحت الحمراء يمكن أن يشبع الترانزستور الضوئي، مما يتسبب في اكتشاف مستمر "للتشغيل". للاستخدام في الهواء الطلق، يوصى بشدة باستخدام التصفية البصرية (مرشح يمرر الأشعة تحت الحمراء ويمنع الضوء المرئي ولكن يمرر طول موجة صمام LED) و/أو تقنيات تعديل الإشارة لرفض ضوء الأشعة تحت الحمراء المحيط.

9. مبدأ التشغيل

يعمل LTH-872-N55T1 على مبدأ تعديل الانعكاس الداخلي. يصدر صمام LED بالأشعة تحت الحمراء ضوءًا. في حالة عدم وجود هدف عاكس داخل مجال الاستشعار، يتبدد معظم هذا الضوء. عندما يدخل جسم عاكس مناسب إلى المجال، ينعكس جزء من الضوء المنبعث مرة أخرى نحو الجهاز. يكتشف الترانزستور الضوئي المتكامل، الحساس لنفس طول موجة الأشعة تحت الحمراء، هذا الضوء المنعكس. تولد الفوتونات الساقطة أزواج إلكترون-ثقب في منطقة قاعدة الترانزستور الضوئي، مما يوفر بشكل فعال تيار قاعدة. هذا يؤدي إلى تشغيل الترانزستور، مما يسمح بتدفق تيار مجمع (I

C_CC

10. اتجاهات الصناعة

على الرغم من أن تقنية القاطع الضوئي الأساسية ناضجة، فإن الاتجاهات تركز على التصغير والتكامل والوظائف المحسنة. قد تتميز الأجهزة الأحدث بما يلي:

- أغلفة التركيب السطحي (SMD):مساحات أصغر لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة.

- دوائر متكاملة (IC):تتضمن بعض المقاطع الضوئية الحديثة تضخيمًا، ومشغلات شميت للتأخر، وحتى خرج رقمي (مثل I2C) على الشريحة، مما يبسط تصميم الواجهة.

- سرعة أعلى:يستمر التطوير لتحقيق أوقات استجابة أسرع لمواكبة زيادة سرعات الآلات.

- تحسين رفض الضوء المحيط:يتم استخدام تصاميم بصرية متقدمة ومخططات تعديل لجعل المستشعرات أكثر قوة في بيئات الإضاءة الصعبة. يظل مبدأ الاستشعار العاكس الأساسي، كما هو مجسد في مكونات مثل LTH-872-N55T1، حلاً موثوقًا وفعالاً من حيث التكلفة لمجموعة واسعة من مهام الكشف اللاتلامسي.