ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-3208 - أبعاد العبوة - جهد المجمع-الباعث 30 فولت - تبديد الطاقة 100 ملي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTR-3208 ترانزستور ضوئي من نوع NPN مصنوع من السيليكون ومصمم لتطبيقات الكشف عن الأشعة تحت الحمراء. وهو مُغلف في عبوة بلاستيكية منخفضة التكلفة تتميز بعدسة مدمجة مُحسنة للحصول على حساسية عالية. تم تصميم هذا المكون لتحويل ضوء الأشعة تحت الحمراء الساقط إلى تيار كهربائي مُقابل عند طرف المجمع، مما يجعله مناسبًا لمختلف أنظمة الاستشعار والكشف التي تتطلب كشفًا ضوئيًا موثوقًا وفعالًا من حيث التكلفة.

1.1 المزايا الأساسية

يقدم الجهاز عدة فوائد رئيسية للمصممين. تتمثل ميزته الأساسية في نطاق تشغيل واسع لتيار المجمع، مما يوفر مرونة في تصميم الدوائر عبر مستويات إشارة مختلفة. يساعد دمج العدسة مباشرة في العبوة على تعزيز حساسيته للإشعاع تحت الأحمر الوارد، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء ونطاق الكشف. علاوة على ذلك، يساهم استخدام عبوة بلاستيكية قياسية في خفض التكلفة الإجمالية للمكون، مما يجعله خيارًا جذابًا للتطبيقات ذات الأحجام الكبيرة أو الحساسة للتكلفة.

1.2 السوق المستهدف والتطبيقات

يستهدف هذا الترانزستور الضوئي سوق الإلكترونيات الضوئية الواسع، حيث يخدم التطبيقات التي تتطلب استشعارًا بدون تلامس. تشمل حالات الاستخدام النموذجية: كشف الأجسام، واستشعار الموضع، ومقاطعات الفتحات (مثل تلك الموجودة في الطابعات والمشفرات)، والمفاتيح التي تعمل بدون لمس، وأنظمة التشغيل الآلي الصناعية. تجعل موثوقيته وواجهته البسيطة (التي تتطلب عادةً مقاومة سحب وجهد تغذية) خيارًا شائعًا لكل من الإلكترونيات الاستهلاكية وأنظمة التحكم الصناعية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يتم توصيف الأداء الكهربائي والبصري لـ LTR-3208 في ظل ظروف درجة الحرارة المحيطة القياسية (25 درجة مئوية). يعد فهم هذه المعلمات أمرًا بالغ الأهمية لتصميم الدوائر بشكل صحيح وضمان التشغيل الموثوق ضمن الحدود المحددة للجهاز.

2.1 التقييمات القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل عند أو تحت هذه الحدود. الحد الأقصى لتبديد الطاقة هو 100 ملي واط، وهو ما يحدد التصميم الحراري للتطبيق. تقييم جهد المجمع-الباعث (V_CEO) هو 30 فولت، بينما تقييم جهد الباعث-المجمع (V_ECO) هو 5 فولت، مما يشير إلى عدم تناسق الجهاز. يتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، ويمكن تخزينه في بيئات تتراوح من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. بالنسبة للحام، يمكن أن تتحمل الأطراف 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ عند القياس على بعد 1.6 مم من جسم العبوة.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

تحدد المعلمات التشغيلية الرئيسية أداء الجهاز في ظل ظروف اختبار محددة. جهد انهيار المجمع-الباعث (V_(BR)CEO) يبلغ عادةً 30 فولت عند تيار مجمع 1 مللي أمبير بدون إضاءة. جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)) منخفض جدًا، يتراوح من 0.1 فولت (الحد الأدنى) إلى 0.4 فولت (الحد الأقصى) عندما يتم تشغيل الجهاز بتيار مجمع 100 ميكرو أمبير تحت إشعاع قدره 1 ملي واط/سم². يُعد جهد التشبع المنخفض هذا مرغوبًا فيه لتطبيقات التبديل. يتميز سرعة التبديل بوقت الصعود (T_r) ووقت الهبوط (T_f)، والمحددين بـ 10 ميكرو ثانية و 15 ميكرو ثانية على التوالي في ظل ظروف اختبار V_CC=5V، I_C=1mA، و R_L=1kΩ. تيار المجمع في الظلام (I_CEO)، وهو تيار التسرب بدون ضوء، له قيمة قصوى تبلغ 100 نانو أمبير عند V_CE=10V.

2.3 تيار المجمع في حالة التشغيل والتصنيف

المعلمة الحرجة هي تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON))، وهو ناتج التيار عندما يكون الجهاز مضاءً. يتم تصنيف هذه المعلمة، مما يعني أنه يتم فرز الأجهزة إلى مجموعات أداء. شرط الاختبار هو V_CE= 5V مع إشعاع قدره 1 ملي واط/سم² عند طول موجي 940 نانومتر. التصنيفات كالتالي: التصنيف C: 0.8 إلى 2.4 مللي أمبير؛ التصنيف D: 1.6 إلى 4.8 مللي أمبير؛ التصنيف E: 3.2 إلى 9.6 مللي أمبير؛ التصنيف F: 6.4 مللي أمبير (الحد الأدنى). يسمح هذا التصنيف للمصممين باختيار جهاز بنطاق حساسية مناسب لتطبيقهم المحدد، مما يضمن أداءً متسقًا للنظام.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح كيف تختلف المعلمات الرئيسية مع العوامل البيئية والتشغيلية. تعتبر هذه الرسوم البيانية ضرورية لفهم سلوك الجهاز بما يتجاوز المواصفات أحادية النقطة الواردة في الجداول.

3.1 الاعتماد على درجة الحرارة

يوضح الشكل 1 العلاقة بين تيار المجمع في الظلام (I_CEO) ودرجة الحرارة المحيطة (T_a). يزداد تيار الظلام بشكل أسي مع درجة الحرارة، وهي خاصية أساسية للوصلات شبه الموصلة. يجب على المصممين مراعاة زيادة التسرب هذه في بيئات درجات الحرارة المرتفعة، حيث يمكن أن تؤثر على مستوى الإشارة في حالة الإيقاف وأرضية الضوضاء. يصور الشكل 2 تخفيض الحد الأقصى المسموح به لتبديد طاقة المجمع (P_C) مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. تقييم 100 ملي واط صالح فقط عند أو أقل من 25 درجة مئوية؛ فوق هذه الدرجة، يجب تقليل الطاقة القصوى خطيًا لمنع الإجهاد الحراري الزائد.

3.2 الخصائص الديناميكية والاستجابة

يوضح الشكل 3 كيف تتأثر أوقات الصعود والهبوط (T_r, T_f) بمقاومة الحمل (R_L). تزداد أوقات التبديل مع زيادة مقاومات الحمل. هذا اعتبار بالغ الأهمية لتصميم دوائر الكشف عالية السرعة، حيث قد تكون هناك حاجة إلى مقاوم حمل أصغر لتحقيق النطاق الترددي المطلوب، وإن كان ذلك على حساب استهلاك تيار أعلى. يظهر الشكل 4 تيار المجمع النسبي كدالة للإشعاع (E_e). العلاقة خطية بشكل عام في منطقة التشغيل، مما يؤكد أن تيار الخرج يتناسب طرديًا مع قوة الضوء الساقط، وهو أمر مثالي لتطبيقات الاستشعار التناظرية.

3.3 الاستجابة الطيفية

يرتبط الشكلان 5 و 6 بحساسية الجهاز الطيفية. الشكل 5 هو رسم قطبي يظهر الاعتماد الزاوي للحساسية، مشيرًا إلى كيفية تغير الناتج مع زاوية الضوء الساقط بالنسبة لمحور الجهاز. هذا مهم للمحاذاة في الأنظمة البصرية. الشكل 6، منحنى التوزيع الطيفي، يظهر أن LTR-3208 أكثر حساسية لضوء الأشعة تحت الحمراء، مع حدوث ذروة الاستجابة عند طول موجي محدد (يفترض أن يكون في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، النموذجية للترانزستورات الضوئية السيليكونية). له استجابة ضئيلة للضوء المرئي، مما يجعله محصنًا ضد إضاءة الغرفة المحيطة في كثير من الحالات.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد العبوة

يستخدم LTR-3208 عبوة بلاستيكية قياسية بثلاثة أطراف. تتضمن العبوة عدسة مصبوبة في الأعلى لتركيز الضوء الوارد على منطقة أشباه الموصلات الحساسة. تشمل الأبعاد الحرجة حجم الجسم، وتباعد الأطراف، وبروز الراتنج تحت الحافة، والذي يُحدد بحد أقصى 1.5 مم. يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم العبوة. يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات مع تسامح قياسي يبلغ ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. المخطط الفيزيائي والأبعاد ضرورية لتصميم بصمة PCB وضمان الملاءمة المناسبة داخل التجميع.

4.2 تحديد القطبية وتوصيل الأطراف

يحتوي الجهاز على ثلاثة أطراف: المجمع، والباعث، والقاعدة (غالبًا ما تُترك غير متصلة أو تُستخدم للتحيز في بعض التكوينات). التوصيل النموذجي للترانزستور الضوئي في هذه العبوة هو: عند عرض الجهاز من الأعلى (جانب العدسة) مع توجيه الجانب المسطح أو الشق باتجاه محدد، تكون الأطراف من اليسار إلى اليمين عادةً: الباعث، المجمع، القاعدة. ومع ذلك، يجب على المصممين دائمًا التحقق من توصيل الأطراف من الرسم الميكانيكي في ورقة البيانات لتجنب أخطاء التوصيل. قد تحتوي العبوة أيضًا على علامة أو نقر لتحديد الطرف 1.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 معلمات لحام إعادة التدفق

على الرغم من عدم تقديم تفاصيل محددة لمنحنى إعادة التدفق في هذا المقتطف، فإن التقييمات القصوى المطلقة تعطي قيدًا حرجًا: يمكن للأطراف تحمل درجة حرارة لحام تبلغ 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 5 ثوانٍ عند القياس على بعد 1.6 مم من جسم العبوة. هذا يعني أن منحنيات إعادة التدفق الخالية من الرصاص القياسية (التي تبلغ ذروتها عادةً حوالي 245-260 درجة مئوية) مقبولة، ولكن يجب التحكم في الوقت فوق نقطة الانصهار لمنع تلف العبوة. يُوصى باتباع معايير JEDEC أو IPC للحم الأجهزة المغلفة بالبلاستيك.

5.2 احتياطات التعامل والتخزين

يجب التعامل مع الجهاز مع احتياطات ESD (التفريغ الكهروستاتيكي) القياسية، حيث يمكن أن تتلف وصلة أشباه الموصلات بالكهرباء الساكنة. يجب أن يكون التخزين ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية في بيئة منخفضة الرطوبة. يجب الحفاظ على العدسة نظيفة وخالية من الخدوش أو الملوثات أو تسرب الإيبوكسي أثناء التجميع، حيث يمكن أن يؤثر ذلك بشكل كبير على الأداء البصري والحساسية.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

تكوين الدائرة الأكثر شيوعًا هو "وضع التبديل". يتم توصيل مجمع الترانزستور الضوئي بجهد تغذية موجب (V_CC) من خلال مقاومة سحب (R_L). يتم توصيل الباعث بالأرض. تؤخذ إشارة الخرج من عقدة المجمع. عندما لا يكون هناك ضوء، يكون الجهاز مغلقًا، ويتم سحب الخرج إلى مستوى عالٍ إلى V_CC. عندما يضرب ضوء الأشعة تحت الحمراء الكافي الجهاز، فإنه يعمل، مما يسحب جهد الخرج إلى مستوى منخفض نحو V_CE(SAT). تحدد قيمة R_Lتأرجح الخرج، واستهلاك التيار، وسرعة التبديل، كما هو موضح في منحنيات الأداء.

6.2 اعتبارات التصميم

تشمل عوامل التصميم الرئيسية:التحيز:تأكد من أن جهد التشغيل V_CEداخل التقييم الأقصى (30 فولت).اختيار مقاوم الحمل:اختر R_Lبناءً على سرعة التبديل المطلوبة (انظر الشكل 3)، وتأرجح جهد الخرج، واستهلاك الطاقة. مقاومة R_Lأصغر تعطي سرعة أعلى ولكن تيار أعلى.المحاذاة البصرية:ضع في اعتبارك مخطط الحساسية الزاوية (الشكل 5) عند تصميم المسار البصري بين باعث الأشعة تحت الحمراء والكاشف.مناعة ضد الضوء المحيط:بينما يكون الجهاز حساسًا بشكل أساسي للأشعة تحت الحمراء، يمكن لمصادر الأشعة تحت الحمراء المحيطة القوية (مثل ضوء الشمس أو المصابيح المتوهجة) أن تسبب تشغيلًا خاطئًا. يمكن أن يؤدي استخدام إشارة الأشعة تحت الحمراء المضمنة والكشف المتزامن إلى تحسين مناعة الضوضاء بشكل كبير.تأثيرات درجة الحرارة:ضع في اعتبارك زيادة تيار الظلام مع درجة الحرارة، مما قد يتطلب تعديلًا للعتبة في دائرة الكشف.

7. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بالثنائي الضوئي البسيط، يوفر الترانزستور الضوئي كسبًا داخليًا، مما يؤدي إلى تيار خرج أكبر بكثير لنفس مدخل الضوء، مما يلغي غالبًا الحاجة إلى مرحلة تضخيم إضافية. مقارنة بالترانزستورات الضوئية الأخرى، يكمن تمييز LTR-3208 في مجموعته المحددة من العبوة (مع عدسة مدمجة للحساسية الأعلى)، وتصنيفاته الحالية المحددة التي تسمح باختيار الحساسية، وتقييماته الكهربائية المتوازنة (30 فولت V_CEO, 100 ملي واط P_D). كما أن انخفاض V_CE(SAT)هو أيضًا خاصية مواتية للتبديل الرقمي النظيف.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هو الغرض من التصنيفات المختلفة (C، D، E، F) لـ I_C(ON)?

؟ ج: يقوم التصنيف بفرز الأجهزة حسب حساسيتها. أجهزة التصنيف F لها الحد الأدنى الأعلى لتيار الخرج (الأكثر حساسية)، بينما أجهزة التصنيف C لها الأقل. هذا يسمح لك باختيار جزء يتطابق مع مستوى الإشارة المطلوب لنظامك، مما يضمن الاتساق وربما يبسط تصميم الدائرة من خلال توفير نطاق إشارة يمكن التنبؤ به.

س: هل يمكنني استخدام هذا المستشعر في ضوء الشمس؟

ج: يحتوي ضوء الشمس المباشر على كمية كبيرة من الإشعاع تحت الأحمر ومن المحتمل أن يشبع المستشعر، مما يتسبب في حالة "تشغيل" مستمرة. للاستخدام في الهواء الطلق أو في البيئات المضاءة بشكل ساطع، يوصى بشدة باستخدام الترشيح البصري (مرشح يمرر الأشعة تحت الحمراء ويمنع الضوء المرئي) و/أو تقنيات تضمين الإشارة للتمييز بين إشارة الأشعة تحت الحمراء المقصودة وضوضاء الأشعة تحت الحمراء المحيطة.

س: كيف أفسر أوقات الصعود والهبوط؟

ج: تحدد هذه السرعة التي يمكن أن يغير بها الخرج حالته. وقت الصعود 10 ميكرو ثانية يعني أن الأمر يستغرق حوالي 10 ميكرو ثانية حتى ينتقل الخرج من 10٪ إلى 90٪ من قيمته النهائية عند تطبيق الضوء. هذا يحد من التردد الأقصى للضوء المضمن الذي يمكن اكتشافه بدقة. لكشف الأجسام البسيط، هذه السرعة أكثر من كافية. للاتصالات عالية السرعة، قد يكون عاملاً مقيدًا.

9. مثال على حالة استخدام عملية

السيناريو: كشف الورق في طابعة.يتم وضع LTR-3208 (من تصنيف حساسية مناسب) وثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء على جانبي مسار الورق المتقابلين، بمحاذاة بحيث يكسر الورق الشعاع. يتم تكوين الترانزستور الضوئي في دائرة تبديل بمقاومة سحب 10 كيلو أوم إلى 5 فولت. عندما لا يكون هناك ورق، يضرب ضوء الأشعة تحت الحمراء المستشعر، مما يشغله ويسحب طرف الخرج إلى جهد منخفض (~0.2 فولت). عندما يمر الورق، فإنه يحجب الضوء، مما يوقف تشغيل الترانزستور الضوئي ويسمح بسحب طرف الخرج إلى مستوى عالٍ إلى 5 فولت. يتم إدخال هذه الإشارة الرقمية إلى متحكم دقيق لتتبع وجود الورق وكشف الحافة. تساعد العدسة الموجودة على LTR-3208 في تركيز شعاع الأشعة تحت الحمراء، مما يحسن الموثوقية ويسمح بفجوة أكبر قليلاً بين الباعث والكاشف.

10. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو ترانزستور وصلة ثنائية القطب حيث تتعرض منطقة القاعدة للضوء. تولد الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات أزواج إلكترون-فجوة في وصلة القاعدة-المجمع. هذه الحاملات الضوئية المولدة تعادل تيار قاعدة. بسبب تضخيم التيار للترانزستور (بيتا أو h_FE)، يتم مضاعفة تيار الضوء الصغير هذا، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير. يجمع الجهاز بشكل أساسي بين كشف الضوء للثنائي الضوئي وكسب التيار للترانزستور في عبوة واحدة. تعمل العدسة المدمجة على تركيز المزيد من الضوء على منطقة أشباه الموصلات النشطة، مما يزيد من "تيار القاعدة" الفعال وبالتالي إشارة الخرج.

11. اتجاهات التكنولوجيا

الاتجاه العام في المكونات الإلكترونية الضوئية المنفصلة مثل الترانزستورات الضوئية هو نحو التصغير، والتكامل الأعلى، والأداء المحسن. وهذا يشمل تطوير عبوات سطحية ذات بصمات أصغر وارتفاعات أقل لتلبية متطلبات تصميمات PCB الحديثة الكثيفة. هناك أيضًا اتجاه نحو أجهزة ذات معايير أداء محددة بشكل أفضل وأكثر اتساقًا، مما يقلل من الحاجة إلى المعايرة في التطبيقات النهائية. في بعض التطبيقات المتقدمة، يتم دمج الترانزستورات الضوئية مع دوائر تضخيم وتكييف إشارة على الرقاقة لإنشاء حلول أكثر اكتمالاً "مستشعر في عبوة"، على الرغم من أن المكونات المنفصلة مثل LTR-3208 تظل ذات صلة عالية لبساطتها وموثوقيتها وفعاليتها من حيث التكلفة في مجموعة واسعة من مهام الاستشعار القياسية.