ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-209 - غلاف شفاف - جهد المجمع-الباعث 30 فولت - قدرة 100 مللي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

الترانزستور الضوئي LTR-209 هو ترانزستور ثنائي القطب من نوع NPN مصنوع من السيليكون ومصمم لتطبيقات الكشف عن الأشعة تحت الحمراء. وهو مُغلف بغلاف بلاستيكي شفاف يسمح بحساسية عالية للضوء الساقط، خاصة في طيف الأشعة تحت الحمراء. يتميز الجهاز بنطاق تشغيل واسع، وموثوقية عالية، وفعالية من حيث التكلفة، مما يجعله مناسبًا لمختلف أنظمة الاستشعار والكشف.

1.1 المزايا الأساسية

• نطاق واسع لتيار المجمع:يدعم الجهاز مجموعة واسعة من مستويات تيار المجمع، مما يوفر مرونة في تصميم الدائرة وضبط الحساسية.
• عدسة عالية الحساسية:تعزز العدسة المدمجة حساسية الجهاز للإشعاع تحت الأحمر الوارد، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
• غلاف بلاستيكي منخفض التكلفة:يستخدم تغليفًا بلاستيكيًا اقتصاديًا، مما يقلل من التكلفة الإجمالية للنظام.
• غلاف شفاف:يُعظم الغلاف الشفاف كمية الضوء التي تصل إلى المنطقة شبه الموصلة النشطة، مما يحسن الأداء.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يقدم القسم التالي تفسيرًا تفصيليًا وموضوعيًا للمعايير الكهربائية والبصرية الرئيسية المحددة للترانزستور الضوئي LTR-209.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم الحدود التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت أو عند هذه الظروف.

• يظهر منحنى التخفيض هذا أقصى تبديد طاقة مسموح به (P_D):100 مللي واط. هذه هي أقصى قدرة يمكن للجهاز تبديدها كحرارة عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية. يتجاوز هذا الحد خطر الانفجار الحراري والفشل.
• جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه بين طرفي المجمع والباعث مع فتح القاعدة (تيار ضوئي فقط).
• جهد الباعث-المجمع (V_ECO):5 فولت. أقصى جهد عكسي يمكن تطبيقه بين الباعث والمجمع.
• نطاق درجة حرارة التشغيل:-40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي صُمم الجهاز للعمل فيه بشكل صحيح.
• نطاق درجة حرارة التخزين:-55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي دون تدهور.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ على مسافة 1.6 مم من جسم الغلاف. هذا يحدد الملف الحراري المقبول لعمليات اللحام اليدوي أو الموجي.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعايير تحت ظروف اختبار محددة عند T_A=25 درجة مئوية وتحدد الأداء النموذجي للجهاز.

• جهد انهيار المجمع-الباعث (V_(BR)CEO):30 فولت (الحد الأدنى). مقاس عند I_C= 1 مللي أمبير مع إشعاع صفري (E_e= 0 مللي واط/سم²). هذا يؤكد الحد الأقصى المطلق.
• جهد انهيار الباعث-المجمع (V_(BR)ECO):5 فولت (الحد الأدنى). مقاس عند I_E= 100 ميكرو أمبير مع إشعاع صفري.
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):0.4 فولت (الحد الأقصى). انخفاض الجهد عبر الجهاز عندما يكون "مفتوحًا" بالكامل (موصل)، مقاس عند I_C= 100 ميكرو أمبير و E_e= 1 مللي واط/سم². يُفضل انخفاض V_CE(SAT)لفقدان طاقة أقل.
• زمن الصعود (T_r) وزمن الهبوط (T_f):10 ميكرو ثانية (نموذجي) و 15 ميكرو ثانية (نموذجي) على التوالي. تحدد هذه المعايير سرعة تبديل الترانزستور الضوئي. تم القياس تحت ظروف V_CC=5 فولت، I_C=1 مللي أمبير، و R_L=1 كيلو أوم. عدم التماثل شائع في الترانزستورات الضوئية.
• تيار المجمع في الظلام (I_CEO):100 نانو أمبير (الحد الأقصى). هذا هو تيار التسرب الذي يتدفق من المجمع إلى الباعث عندما يكون الجهاز في ظلام تام (E_e= 0 مللي واط/سم²) و V_CE= 10 فولت. التيار المظلم المنخفض ضروري لتطبيقات الحساسية العالية لتقليل الضوضاء.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يستخدم LTR-209 نظام تصنيف لمعيار رئيسي، وهوتيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)). التصنيف هو عملية مراقبة الجودة حيث يتم فرز المكونات بناءً على الأداء المقاس إلى مجموعات أو "صناديق" محددة. هذا يسمح للمصممين باختيار جهاز بنطاق أداء مضمون مناسب لتطبيقهم.

3.1 تصنيف تيار المجمع في حالة التشغيل

يتم قياس I_C(ON)تحت ظروف موحدة: V_CE= 5 فولت، E_e= 1 مللي واط/سم²، وطول موجة مصدر الأشعة تحت الحمراء (λ) 940 نانومتر. يتم فرز الجهاز إلى الصناديق التالية بناءً على التيار المقاس:

• الصندوق C:0.8 مللي أمبير (الحد الأدنى) إلى 2.4 مللي أمبير (الحد الأقصى)
• الصندوق D:1.6 مللي أمبير (الحد الأدنى) إلى 4.8 مللي أمبير (الحد الأقصى)
• الصندوق E:3.2 مللي أمبير (الحد الأدنى) إلى 9.6 مللي أمبير (الحد الأقصى)
• الصندوق F:6.4 مللي أمبير (الحد الأدنى) - لم يتم تحديد حد أعلى في مقتطف ورقة البيانات هذا.

تأثير التصميم:قد لا تعمل الدائرة المصممة لأجهزة الصندوق C (تيار أقل) بشكل صحيح إذا تم استخدام جهاز من الصندوق F (تيار أعلى) دون إعادة معايرة، والعكس صحيح. تحديد رمز الصندوق أمر بالغ الأهمية لأداء نظام متسق.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات توضح كيف تختلف المعايير الرئيسية مع ظروف التشغيل. هذه ضرورية لفهم السلوك في العالم الحقيقي بما يتجاوز المواصفات أحادية النقطة.

4.1 تيار المجمع في الظلام مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 1)

يظهر هذا الرسم البياني أن I_CEO(التيار المظلم) يزداد بشكل أسي مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة (T_A). على سبيل المثال، عند 100 درجة مئوية، يمكن أن يكون التيار المظلم أعلى بعدة مرات مما هو عليه عند 25 درجة مئوية. هذا سلوك شبه موصل أساسي بسبب زيادة توليد حاملات الشحن الحراري.اعتبارات التصميم:في التطبيقات ذات درجة الحرارة العالية، يمكن أن يصبح التيار المظلم المتزايد مصدرًا مهمًا للضوضاء، مما قد يحجب الإشارات الضوئية الضعيفة. قد تكون إدارة الحرارة أو تكييف الإشارة ضرورية.

4.2 تبديد طاقة المجمع مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 2)

This derating curve shows the maximum allowable power dissipation (P_C) كدالة لـ T_A. الحد الأقصى المطلق البالغ 100 مللي واط صالح فقط عند أو أقل من 25 درجة مئوية. مع زيادة T_A، تقل قدرة الجهاز على تبديد الحرارة، لذلك يجب تقليل أقصى طاقة مسموح بها خطيًا. عند 85 درجة مئوية (أقصى درجة حرارة تشغيل)، يكون تبديد الطاقة المسموح به أقل بكثير.اعتبارات التصميم:يجب تصميم الدوائر لضمان ألا يتجاوز تبديد الطاقة الفعلي (V_CE* I_C) القيمة المخفضة عند أعلى درجة حرارة تشغيل متوقعة.

4.3 زمن الصعود/الهبوط مقابل مقاومة الحمل (الشكل 3)

يوضح هذا المنحنى المقايضة بين سرعة التبديل وسعة الإشارة. زمن الصعود (T_r) وزمن الهبوط (T_f) يزدادان مع زيادة مقاومة الحمل (R_L). توفر R_Lالأكبر تأرجح جهد إخراج أكبر (ΔV = I_C* R_L) ولكنها تبطئ وقت استجابة الدائرة لأن سعة تقاطع الترانزستور تستغرق وقتًا أطول للشحن/التفريغ عبر المقاوم الأكبر.اعتبارات التصميم:يجب اختيار قيمة R_Lبناءً على ما إذا كان التطبيق يعطي الأولوية للاستجابة عالية السرعة (R_Lأقل) أو كسب جهد إخراج عالٍ (R_Lأعلى).

4.4 تيار المجمع النسبي مقابل الإشعاع الضوئي (الشكل 4)

يرسم هذا الرسم البياني تيار المجمع الطبيعي مقابل كثافة الطاقة الضوئية الساقطة (الإشعاع، E_e). يظهر علاقة خطية في النطاق المرسوم (0 إلى ~5 مللي واط/سم²). هذه الخطية هي ميزة رئيسية للترانزستورات الضوئية المستخدمة في تطبيقات الاستشعار التناظرية، حيث يتناسب تيار الإخراج طرديًا مع شدة الضوء الداخل. يظهر المنحنى لـ V_CE= 5 فولت.

4.5 مخطط الحساسية (الشكل 5)

على الرغم من اختصار المحاور، فإن "مخطط الحساسية" يوضح عادةً الاستجابة الطيفية للكاشف. الترانزستورات الضوئية السيليكونية مثل LTR-209 تكون أكثر حساسية للضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، حيث تبلغ ذروتها حوالي 800-950 نانومتر. هذا يجعلها مثالية للاستخدام مع باعثات الأشعة تحت الحمراء الشائعة (مثل مصابيح LED ذات λ=940 نانومتر، كما هو مذكور في حالة اختبار التصنيف) ولتصفية تداخل الضوء المرئي.

5. معلومات الميكانيكا والتغليف

5.1 أبعاد الغلاف

يستخدم الجهاز غلافًا بلاستيكيًا قياسيًا مثقوبًا. تشمل الملاحظات الأبعاد الرئيسية من ورقة البيانات:

• جميع الأبعاد بالمليمترات (يتم توفيرها بالبوصة بين قوسين).
• ينطبق تسامح قياسي قدره ±0.25 مم (±.010") ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• أقصى بروز للراتنج تحت الحافة هو 1.5 مم (.059").
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم الغلاف، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم بصمة PCB.

تحديد القطبية:الطرف الأطول هو عادةً المجمع، والطرف الأقصر هو الباعث. قد تشير الجانب المسطح على حافة الغلاف أيضًا إلى جانب الباعث. تحقق دائمًا من مخطط الغلاف.

6. إرشادات اللحام والتجميع

الإرشاد الأساسي المقدم هو لللحام اليدوي أو الموجي: يمكن تعريض الأطراف لدرجة حرارة 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مقاسة على مسافة 1.6 مم (.063") من جسم الغلاف. هذا يمنع التلف الحراري للشريحة شبه الموصلة الداخلية والغلاف البلاستيكي.

للحام بإعادة التدفق:على الرغم من عدم ذكره صراحة في ورقة البيانات هذه، تتطلب الأغلفة البلاستيكية المماثلة عادةً ملفًا متوافقًا مع معايير JEDEC (مثل J-STD-020)، مع أقصى درجة حرارة لا تتجاوز عادةً 260 درجة مئوية. مستوى الحساسية للرطوبة (MSL) ومتطلبات الخبز غير مذكورة هنا ويجب تأكيدها مع الشركة المصنعة.

ظروف التخزين:يجب تخزين الجهاز ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية في بيئة جافة وغير تآكلية. للتخزين طويل الأمد، يوصى باتخاذ احتياطات مضادة للكهرباء الساكنة.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كشف الأشياء والاستشعار عن القرب:يستخدم مع مصباح LED للأشعة تحت الحمراء للكشف عن وجود أو غياب أو قرب جسم ما (مثل في آلات البيع، والطابعات، والأتمتة الصناعية).
• مستشعرات الفتحات والمشفرات:كشف انقطاعات في حزمة الأشعة تحت الحمراء لحساب الأشياء أو قياس سرعة الدوران.
• مستقبلات التحكم عن بعد:على الرغم من أنها أبطأ من الثنائيات الضوئية المخصصة، إلا أنه يمكن استخدامها في دوائر مستقبل الأشعة تحت الحمراء البسيطة منخفضة التكلفة.
• حواجز الضوء وأنظمة الأمان:إنشاء حزمة غير مرئية للكشف عن التسلل.

7.2 اعتبارات التصميم وتكوين الدائرة

تكوين الدائرة الأكثر شيوعًا هو وضعالباعث المشترك. يتم توصيل الترانزستور الضوئي مع المجمع إلى مصدر إيجابي (V_CC) عبر مقاوم حمل (R_L)، ويتم توصيل الباعث بالأرض. يسبب الضوء الساقط تيارًا ضوئيًا (I_C) للتدفق، مما يولد جهد إخراج (V_OUT) عند عقدة المجمع: V_OUT= V_CC- (I_C* R_L). في الظلام، V_OUTمرتفع (~V_CC). عند الإضاءة، V_OUT drops.

خطوات التصميم الرئيسية:

1. اختر R_L:بناءً على تأرجح الإخراج المطلوب (V_CC/I_C(ON)) والسرعة المطلوبة (انظر الشكل 3). القيم بين 1 كيلو أوم و 10 كيلو أوم شائعة.
2. ضع في اعتبارك عرض النطاق الترددي:تشكل قيمة R_L، مع سعة تقاطع الجهاز، مرشحًا منخفض التمرير. للتشغيل النبضي، تأكد من أن ثابت الوقت RC للدائرة أقصر بكثير من عرض النبضة.
3. إدارة الضوء المحيط:استخدم الترشيح البصري (مرشح داكن أو يمرر الأشعة تحت الحمراء فوق المستشعر) لحجب الضوء المرئي غير المرغوب فيه وتقليل الضوضاء.
4. تعويض درجة الحرارة:للاستشعار التناظري الدقيق، ضع في اعتبارك اعتماد التيار المظلم على درجة الحرارة (الشكل 1). تشمل التقنيات استخدام مستشعر مرجعي مظلم متطابق في تكوين تفاضلي أو تنفيذ تعويض برمجي.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بكاشفات بصرية أخرى:

• مقابل الثنائي الضوئي:يوفر الترانزستور الضوئي كسب تيار متأصل (β أو h_FE)، مما يؤدي إلى تيار إخراج أعلى بكثير لنفس مستوى الضوء. هذا يبسط تصميم الدائرة حيث تكون هناك حاجة لتضخيم لاحق أقل. ومع ذلك، فإن الترانزستورات الضوئية أبطأ عمومًا (أوقات صعود/هبوط أطول) ولديها نطاق خطي أكثر محدودية من الثنائيات الضوئية.
• مقابل دارلينجتون الضوئي:يقدم دارلينجتون الضوئي كسبًا أعلى من الترانزستور الضوئي القياسي ولكن له أوقات استجابة أبطأ بكثير وجهد تشبع أعلى (V_CE(SAT)). يوفر LTR-209 توازنًا جيدًا بين الكسب والسرعة وانخفاض الجهد.
• ميزة تمييز LTR-209:إنغلافه الشفافوعدسته المدمجةهما ميزتان تمييزيتان رئيسيتان. تستخدم العديد من الترانزستورات الضوئية المنافسة أغلفة إيبوكسية سوداء تخفف الضوء. يزيد الغلاف الشفاف لـ LTR-209 من الحساسية، بينما تساعد العدسة في تركيز الضوء الوارد على المنطقة النشطة، مما يحسن الاتجاهية وقوة الإشارة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

9.1 ماذا يعني رمز "BIN"، ولماذا هو مهم؟

رمز BIN (C, D, E, F) يصنف الجهاز بناءً على تيار المجمع في حالة التشغيل المقاس (I_C(ON)). إنه بالغ الأهمية لأنه يضمن نطاق أداء محدد. استخدام جهاز من الصندوق الخاطئ قد يتسبب في أن تكون دائرة غير حساسة أو حساسة للغاية، مما يؤدي إلى خلل في الأداء. حدد دائمًا الصندوق المطلوب عند الطلب.

9.2 هل يمكنني استخدام هذا المستشعر مع مصدر ضوء مرئي؟

على الرغم من أن مادة السيليكون تستجيب للضوء المرئي، إلا أن ذروة حساسيتها تكون في الأشعة تحت الحمراء القريبة (انظر الشكل 5 الضمني). للحصول على أداء مثالي وتجنب التداخل من الضوء المرئي المحيط، يوصى بشدة بإقرانه مع باعث للأشعة تحت الحمراء (عادة 850 نانومتر، 880 نانومتر، أو 940 نانومتر) واستخدام مرشح يمرر الأشعة تحت الحمراء على الكاشف.

9.3 كيف أحول الإخراج إلى إشارة رقمية؟

أبسط طريقة هي توصيل الإخراج (عقدة المجمع) إلى مدخل عاكس مشغل شميت أو مقارن مع تردد. يحول هذا تأرجح الجهد التناظري إلى إشارة رقمية نظيفة، محصنة ضد الضوضاء. يجب ضبط عتبة المقارن بين مستويات جهد الإخراج "المضيء" و"المظلم".

9.4 لماذا يكون إخراجي غير مستقر في بيئة مشرقة وحارة؟

من المحتمل أن يكون هذا بسبب التأثيرات المشتركة للتيار المظلم العالي (الذي يزداد مع درجة الحرارة حسب الشكل 1) والاستجابة للضوء المحيط. تشمل الحلول: 1) إضافة درع أو أنبوب مادي لتحديد مجال الرؤية، 2) استخدام مصدر أشعة تحت حمراء مُعدل وكشف متزامن، 3) تنفيذ دائرة تحيز أو تعويض مستقرة حرارياً.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو:تصميم مستشعر للكشف عن الورق للطابعة.

التنفيذ:يتم وضع مصباح LED للأشعة تحت الحمراء و LTR-209 على جانبي مسار الورق، بمحاذاة لإنشاء حزمة. عندما يكون الورق موجودًا، فإنه يحجب الحزمة. يتم تكوين الترانزستور الضوئي في وضع الباعث المشترك مع R_L= 4.7 كيلو أوم و V_CC= 5 فولت.

اختيار المكونات والحسابات:اختر جهازًا من الصندوق D (I_C(ON)= 1.6-4.8 مللي أمبير). بدون ورق (الحزمة سليمة)، افترض I_C= 3 مللي أمبير (نموذجي). V_OUT= 5 فولت - (3 مللي أمبير * 4.7 كيلو أوم) = 5 فولت - 14.1 فولت = -9.1 فولت. هذا مستحيل، مما يعني أن الترانزستور مشبع. في حالة التشبع، V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0.4 فولت (إشارة منخفضة). عندما يحجب الورق الحزمة، I_C≈ I_CEO(صغير جدًا، ~نانو أمبير)، لذا V_OUT≈ 5 فولت (إشارة عالية). يمكن لطرف GPIO في المتحكم الدقيق قراءة هذه الإشارة العالية/المنخفضة مباشرة للكشف عن وجود الورق. يوصى باستخدام مكثف فصل (مثل 100 نانو فاراد) عبر أطراف تغذية المستشعر لتصفية الضوضاء.

11. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو ترانزستور ثنائي القطب (BJT) حيث تكون منطقة القاعدة معرضة للضوء. تخلق الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الكافية أزواج إلكترون-ثقب في تقاطع القاعدة-المجمع. يتم جرف هذه الحاملات الضوئية بواسطة المجال الكهربائي الداخلي، مما يعمل بشكل فعال كتيار قاعدي. يتم بعد ذلك تضخيم "تيار القاعدة البصري" هذا بواسطة كسب تيار الترانزستور (h_FE)، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير. يتناسب حجم تيار المجمع هذا مع شدة الضوء الساقط، مما يوفر وظيفة الاستشعار. يزيد الغلاف الشفاف والعدسة في LTR-209 من عدد الفوتونات التي تصل إلى التقاطع شبه الموصلة الحساس.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل الترانزستورات الضوئية مثل LTR-209 تقنية ناضجة وفعالة من حيث التكلفة. تشمل الاتجاهات الحالية في الإلكترونيات الضوئية:

• التكامل:التحول نحو حلول متكاملة تجمع بين الكاشف الضوئي والمضخم والمنطق الرقمي (مثل مقاطعات الضوء مع إخراج منطقي مدمج) على شريحة واحدة، مما يقلل عدد المكونات الخارجية ويحسن مناعة الضوضاء.
• أجهزة التركيب السطحي (SMD):على الرغم من أن الأغلفة المثقوبة لا تزال شائعة للنماذج الأولية وتطبيقات معينة، إلا أن هناك تحولًا صناعيًا قويًا نحو أغلفة SMD أصغر (مثل SMT-3) للتجميع الآلي والتصاميم المقيدة بالمساحة.
• تحسين الأداء:تطوير أجهزة بأوقات استجابة أسرع، وتيارات مظلمة أقل، واستقرار حراري محسن لتطبيقات أكثر تطلبًا في السيارات والصناعة والإلكترونيات الاستهلاكية.
• تحسين مخصص للتطبيق:يتم تصميم المستشعرات خصيصًا لأطوال موجية محددة (مثل لمراقبة معدل ضربات القلب عند أطوال موجية معينة للأشعة تحت الحمراء) أو مع مرشحات ضوء النهار المدمجة.

يبقى مبدأ التشغيل الأساسي للترانزستور الضوئي ساريًا، وتستمر الأجهزة مثل LTR-209 في كونها خيارًا موثوقًا لمجموعة واسعة من احتياجات الاستشعار الأساسية إلى المتوسطة بسبب بساطتها ومتانتها وتكلفتها المنخفضة.