ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-5888DHP1 - غلاف أخضر داكن - جهد المجمع-الباعث 30 فولت - استطاعة تبديد 100 ميلي واط - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

الترانزستور الضوئي LTR-5888DHP1 مصمم بحساسية عالية لتطبيقات كشف الأشعة تحت الحمراء (IR). وظيفته الأساسية هي تحويل الضوء تحت الأحمر الساقط إلى تيار كهربائي. الميزة الرئيسية هي غلافه البلاستيكي الأخضر الداكن الخاص، المصمم لتوهين أو حجب أطوال موجات الضوء المرئي. هذا التصميم يقلل من التداخل الناتج عن مصادر الضوء المرئي المحيطة، مما يجعل الجهاز مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات التي يكون فيها الإشارة المطلوبة في طيف الأشعة تحت الحمراء فقط، مثل استشعار القرب، وكشف الأجسام، ومستقبلات أجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء.

يقدم الجهاز نطاق تشغيل واسع لتيار المجمع ويتميز بأوقات تبديل سريعة، مما يمكنه من الاستجابة بسرعة للتغيرات في الإضاءة تحت الحمراء. هذا المزيج من الترشيح الضوئي، والحساسية، والسرعة يجعله مكونًا متعدد الاستخدامات لمختلف الأنظمة الإلكترونية التي تتطلب كشفًا موثوقًا للأشعة تحت الحمراء.

2. تحليل متعمق للمعاملات التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• استطاعة التبديد (P_C):100 ميلي واط. هذه هي أقصى قدرة يمكن للجهاز تبديدها كحرارة عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C. تجاوز هذا الحد يعرض الجهاز لخطر الانحراف الحراري والفشل.
• جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه بين طرفي المجمع والباعث عندما تكون القاعدة (المنطقة الحساسة للضوء) مفتوحة.
• جهد الباعث-المجمع (V_ECO):5 فولت. أقصى جهد عكسي يمكن تطبيقه بين الباعث والمجمع.
• نطاق درجة حرارة التشغيل:-40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي صُمم الجهاز للعمل فيه بشكل صحيح.
• نطاق درجة حرارة التخزين:-55°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين في حالة عدم التشغيل.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260°C لمدة 5 ثوانٍ على مسافة 1.6 مم من جسم الغلاف. هذا يحدد قيد ملف تعريف لحام الريفلو لمنع تلف الغلاف.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد هذه المعاملات عند T_A=25°C وتحدد الأداء النموذجي للجهاز.

• جهود الانهيار: V_(BR)CEO(30V كحد أدنى) و V_(BR)ECO(5V كحد أدنى). هذه هي الجهود التي ينهار عندها التقاطع تحت تيارات اختبار محددة بدون إضاءة (E_e= 0 ميلي واط/سم²).
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):0.4V كحد أقصى عند I_C= 100 ميكرو أمبير و E_e= 1 ميلي واط/سم². هذا هو هبوط الجهد عبر الترانزستور عندما يكون في حالة "تشغيل" كاملة (مشبع) تحت الإضاءة. V_CE(SAT)أقل هو مرغوب للتبديل الفعال.
• أوقات التبديل:زمن الصعود (T_r) هو 15 ميكرو ثانية نموذجيًا وزمن الهبوط (T_f) هو 18 ميكرو ثانية نموذجيًا، مقاسة تحت V_CC=5V، I_C=1mA، و R_L=1kΩ. هذه الأوقات تحدد مدى سرعة استجابة المخرج لدخل ضوئي نابض.
• تيار الظلام للمجمع (I_CEO):100 نانو أمبير كحد أقصى عند V_CE=10V بدون إضاءة. هذا هو تيار التسرب الصغير الذي يتدفق عندما يكون الجهاز في ظلام تام. تيار الظلام الأقل يشير إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل في الكشف تحت إضاءة منخفضة.
• نسبة تيار المجمع (R):0.8 إلى 1.25. من المحتمل أن يحدد هذا المعامل التطابق بين ترانزستورين ضوئيين أو قناتين، وهو أمر مهم لتطبيقات الاستشعار التفاضلي.

3. شرح نظام التصنيف (بينينغ)

يستخدم LTR-5888DHP1 نظام تصنيف شامل يعتمد على تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)). التصنيف هو عملية مراقبة الجودة تجمع المكونات ذات خصائص الأداء المتشابهة. يتم تقديم جدولين للتصنيف: واحد لنطاق الإعداد الإنتاجي وواحد للنطاق المضمون النهائي.

المعامل I_C(ON)يُعرّف على أنه متوسط تيار المجمع تحت ظروف قياسية (V_CE= 5V، E_e= 1 ميلي واط/سم²). يتم فرز الأجهزة إلى فئات مصنفة من A إلى H، لكل منها نطاق I_C(ON)محدد (مثلًا، الفئة A: 0.20mA إلى 0.26mA للإعداد الإنتاجي). ترتبط كل فئة بعلامة لونية مميزة (أحمر، أسود، أخضر، أزرق، أبيض، بنفسجي، أصفر، برتقالي). هذا يسمح للمصممين باختيار أجهزة بحساسية مضبوطة بدقة لمتطلبات دارتهم المحددة، مما يضمن أداءً متسقًا للنظام. على سبيل المثال، التطبيق الذي يتطلب عتبة تشغيل دقيقة سيفيد من استخدام أجهزة من فئة واحدة ضيقة.

4. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة منحنيات خصائص نموذجية، توفر رؤية بصرية لسلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة.

• الشكل 1: تيار الظلام للمجمع مقابل درجة الحرارة المحيطة:يظهر هذا الرسم البياني كيف يزداد I_CEOبشكل أسي مع ارتفاع درجة الحرارة. هذا اعتبار بالغ الأهمية للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، حيث يمكن لتيار الظلام المتزايد أن يحجب الإشارات الضوئية الضعيفة.
• الشكل 2: استطاعة تبديد المجمع مقابل درجة الحرارة المحيطة:يظهر منحنى تخفيض التصنيف هذا أن أقصى استطاعة تبديد مسموح بها (P_C) تتناقص مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند 85°C، تكون أقصى قدرة يمكن للجهاز تحملها أقل بكثير من تصنيف 100mW عند 25°C. يجب على المصممين استخدام هذا المنحنى لضمان التشغيل الحراري الآمن.
• الشكل 3: زمن الصعود والهبوط مقابل مقاومة الحمل:يوضح هذا الرسم أن أوقات التبديل (T_rو T_f) تزداد مع مقاومة الحمل الأعلى (R_L). للتطبيقات التي تتطلب أقصى سرعة، يجب اختيار قيمة أقل لـ R_L، على الرغم من أن هذا سيؤثر على تأرجح جهد الخرج.
• الشكل 4: تيار المجمع النسبي مقابل الإشعاعية:هذه هي دالة النقل الأساسية للترانزستور الضوئي. تظهر أن تيار المجمع يزداد خطيًا مع الإشعاعية تحت الحمراء الساقطة (E_e) على مدى معين. ميل هذا الخط يمثل استجابة الجهاز أو حساسيته.

5. معلومات الميكانيكية والتغليف

يستخدم الجهاز غلافًا بلاستيكيًا أخضر داكن خاص. يتم توفير أبعاد الغلاف في ورقة البيانات بجميع القياسات بالمليمترات. تشمل ملاحظات الأبعاد الرئيسية: تسامح ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك، أقصى بروز للراتنج تحت الحافة 1.5 مم، وتباعد الأطراف مقاسًا عند النقطة التي تخرج منها الأطراف من الغلاف. المادة الخضراء الداكنة حاسمة لخصائصها الترشيحية الضوئية، حيث تحجب الضوء المرئي لتعزيز الأداء المحدد للأشعة تحت الحمراء.

6. إرشادات اللحام والتركيب

الإرشاد الأساسي المقدم يتعلق بالإجهاد الحراري لللحام. يمكن تعريض الأطراف لدرجة حرارة 260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مقاسة عند نقطة على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم الغلاف. هذا المواصفة بالغة الأهمية لتحديد ملف تعريف آمن لللحام بالريفلو. تجاوز حد الوقت-درجة الحرارة هذا يمكن أن يسبب تلفًا داخليًا للشريحة أشباه الموصلات، أو روابط الأسلاك، أو الغلاف البلاستيكي نفسه، مما يؤدي إلى فشل فوري أو تقليل الموثوقية طويلة المدى. يجب أيضًا اتباع الممارسات القياسية للصناعة للتعامل مع الأجهزة الحساسة للرطوبة (MSL) ما لم يُذكر خلاف ذلك.

7. توصيات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• مستقبلات أجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء:كشف الإشارات تحت الحمراء المضمنة من أجهزة التحكم عن بعد للتلفزيون، مكيفات الهواء، إلخ.
• استشعار القرب وكشف الأجسام:تُستخدم في الحنفيات الأوتوماتيكية، مجففات الأيدي، موزعات المناشف الورقية، والروبوتات لاستشعار وجود جسم.
• العد والفرز الصناعي:كشف الأجسام على الأحزمة الناقلة عند اقترانها بمصدر ضوء تحت أحمر.
• المشفرات الضوئية:استشعار الفتحات أو العلامات على قرص دوار لقياس الموضع أو السرعة.
• كاشفات الدخان:في بعض تصاميم الحجرات الضوئية، لكشف الضوء المتناثر بواسطة جزيئات الدخان.

7.2 اعتبارات التصميم

• التحيز:يمكن استخدام الترانزستور الضوئي إما في وضع المفتاح (المشبع) أو الوضع الخطي (النشط). في وضع المفتاح (تكوين الباعث المشترك مع مقاومة سحب لأعلى)، يوفر مخرجًا رقميًا. في الوضع الخطي (غالبًا مع مضخم عمليات)، يوفر مخرجًا تماثليًا يتناسب مع شدة الضوء.
• مقاومة الحمل (R_L):قيمة R_Lفي دائرة المجمع هي خيار تصميم رئيسي. R_Lأصغر توفر تبديلًا أسرع (انظر الشكل 3) ولكنها تؤدي إلى تأرجح جهد خرج أصغر لتيار ضوئي معين. R_Lأكبر تعطي تأرجح جهد أكبر ولكن استجابة أبطأ.
• رفض الضوء المحيط:بينما يساعد الغلاف الأخضر الداكن، بالنسبة للبيئات ذات الأشعة تحت الحمراء المحيطة القوية (مثل ضوء الشمس، المصابيح المتوهجة)، قد يكون الترشيح الكهربائي الإضافي ضروريًا. استخدام مصدر ضوء تحت أحمر مضمّن ودائرة مستقبل لفك التضمين هو تقنية فعالة للغاية.
• إدارة الحرارة:راجع الشكل 2 (منحنى تخفيض التصنيف) لضمان بقاء استطاعة تبديد الجهاز ضمن الحدود الآمنة عند أقصى درجة حرارة محيطة متوقعة للتشغيل.
• اختيار الفئة:اختر فئة الحساسية المناسبة (A-H) بناءً على مستوى الإشارة المطلوب وشدة مصدر الأشعة تحت الحمراء المتوقع لتحسين أداء الدارة واتساقها.

8. المقارنة التقنية والتمييز

المميز الأساسي لـ LTR-5888DHP1 هو غلافه الأخضر الداكن المخصص لقمع الضوء المرئي. مقارنةً بالترانزستورات الضوئية الشفافة أو غير المرشحة، فإنه يقدم أداءً فائقًا في البيئات ذات الضوء المرئي المحيط العالي، حيث يكون أقل عرضة للتشغيل الخاطئ. مزيجه من V_CEOمرتفع نسبيًا (30V)، وسرعة تبديل سريعة (في نطاق الميكروثانية)، ونظام تصنيف مفصل للحساسية يجعله خيارًا قويًا وصديقًا للتصميم لمجموعة واسعة من مهام الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء. يسمح التصنيف الشامل بالمطابقة الدقيقة في التطبيقات التي تتطلب مستشعرات متعددة أو نقاط تشغيل متناسقة للغاية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعاملات التقنية)

س: ما هو الغرض من الغلاف الأخضر الداكن؟

ج: يعمل كمرشح للضوء المرئي. يوهن الضوء في الطيف المرئي (حوالي 400-700 نانومتر) بينما يسمح للأطوال الموجية تحت الحمراء (عادةً >700 نانومتر) بالمرور إلى الشريحة أشباه الموصلات. هذا يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في التطبيقات المقتصرة على الأشعة تحت الحمراء.

س: كيف أفسر جدولي التصنيف المختلفين؟

ج: جدول "الإعداد الإنتاجي" يظهر النطاقات الداخلية الأضيق المستخدمة أثناء التصنيع لفرز الأجهزة. جدول "نطاق حالة التشغيل" يظهر النطاق الأوسع المضمون الذي يمكن للعميل الاعتماد عليه. الأجهزة من فئة إنتاجية واحدة سيكون لها أداء أكثر اتساقًا من تلك التي تفي ببساطة بالنطاق المضمون الأوسع.

س: هل يمكنني استخدام هذا الجهاز تحت أشعة الشمس المباشرة؟

ج: بينما يرشح الغلاف الضوء المرئي، يحتوي ضوء الشمس على كمية كبيرة من الإشعاع تحت الأحمر. هذا يمكن أن يشبع المستشعر. للاستخدام في الهواء الطلق أو في وجود أشعة تحت حمراء محيطة قوية، يوصى بشدة باستخدام حماية ضوئية، أو ترشيح كهربائي، أو استخدام نظام مصدر ضوء تحت أحمر مضمّن.

س: ماذا يحدث إذا تجاوزت درجة حرارة/وقت لحام الأطراف؟

ج: يمكن أن يسبب تلفًا لا رجعة فيه: ذوبان الغلاف، كسر روابط الأسلاك الداخلية، أو تدهور خصائص أشباه الموصلات. التزم دائمًا بإرشاد 260°C لمدة 5 ثوانٍ على بعد 1.6 مم من الجسم.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو: تصميم مستشعر قرب لموزع صابون أوتوماتيكي.

الهدف هو كشف يد موضوعة على بعد ~5-10 سم أسفل فوهة. يتم وضع باعث LED للأشعة تحت الحمراء مقابل كاشف LTR-5888DHP1، وكلاهما يواجه منطقة الكشف.

خطوات التصميم:

1. تكوين الدائرة:استخدم الترانزستور الضوئي في وضع مفتاح الباعث المشترك. وصل الباعث إلى الأرض، والمجمع إلى مقاومة سحب لأعلى (R_L) موصولة بجهد تغذية (مثل 5V). تؤخذ إشارة الخرج من عقدة المجمع.

2. اختيار المكونات:اختر LED للأشعة تحت الحمراء بطول موجي مطابق لحساسية الذروة للترانزستور الضوئي. اختر قيمة R_L(مثل 10kΩ) توفر تأرجح جهد جيد. بناءً على شدة الأشعة تحت الحمراء المنعكسة المتوقعة، اختر ترانزستورًا ضوئيًا من الفئة D أو E لحساسية متوسطة.

3. التضمين (اختياري ولكنه موصى به):لرفض الضوء المحيط، قم بتشغيل LED الأشعة تحت الحمراء بتيار نابض (مثل 38 كيلو هرتز). اتبع مخرج الترانزستور الضوئي بمرشح نطاقي أو دائرة متكاملة مستقبل IR مخصصة مضبوطة على نفس التردد. هذا يجعل النظام محصنًا ضد الأشعة تحت الحمراء المحيطة الثابتة.

4. كشف العتبة:سيهبط جهد الخرج عند المجمع عندما تعكس اليد ضوء الأشعة تحت الحمراء على الكاشف. يمكن استخدام مقارن أو محول ADC في المتحكم الدقيق للكشف عن تغير الجهد هذا وتشغيل مضخة الصابون.

5. اعتبارات:ضع في الاعتبار زيادة تيار الظلام مع درجة الحرارة (الشكل 1) عند ضبط عتبة الكشف. تأكد من أن استطاعة تبديد الجهاز ضمن الحدود حسب الشكل 2.

11. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو في الأساس ترانزستور وصلة ثنائية القطب (BJT) حيث تكون منطقة القاعدة معرضة للضوء وغير موصولة بمحطة كهربائية. الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات تمتص في منطقة وصلة القاعدة-المجمع. هذا الامتصاص يخلق أزواج إلكترون-فجوة. المجال الكهربائي في وصلة القاعدة-المجمع المتحيزة عكسيًا يجتاح حاملات الشحنة هذه، مولدة تيارًا ضوئيًا. يعمل هذا التيار الضوئي كتيار قاعدة للترانزستور. بسبب كسب التيار للترانزستور (β أو h_FE)، فإن تيار المجمع الناتج هو التيار الضوئي مضروبًا في الكسب (I_C≈ β * I_photo). هذا التضخيم الداخلي هو ما يعطي الترانزستور الضوئي حساسية أعلى بكثير من الصمام الثنائي الضوئي البسيط. تمتص مادة الغلاف الأخضر الداكن معظم فوتونات الضوء المرئي، بينما يمكن لفوتونات الأشعة تحت الحمراء المرور وامتصاصها بواسطة السيليكون لتوليد تيار الإشارة.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر مجال الإلكترونيات الضوئية للاستشعار في التطور. تشمل الاتجاهات ذات الصلة بأجهزة مثل LTR-5888DHP1:

التكامل:الاتجاه نحو حلول متكاملة تجمع بين الكاشف الضوئي، المضخم، والمنطق الرقمي (مثل مشغل شميت أو المضمن/فك المضمن) في غلاف واحد (مثل وحدات مستقبل IR).

التصغير:تطوير ترانزستورات ضوئية في أغلفة سطحية أصغر لتلبية متطلبات الإلكترونيات الاستهلاكية المدمجة.

الترشيح المعزز:استخدام مرشحات تداخل أكثر تطورًا تُرسب مباشرة على الشريحة أو الغلاف لتوفير انتقائية طول موجي أكثر حدة، مما يحسن رفض مصادر الضوء المحيط غير المرغوب فيها.

التحسين الخاص بالتطبيق:يتم توصيف وتصنيف الأجهزة بشكل متزايد لتطبيقات محددة للغاية (مثل كشف النبضات المحدد لاتصالات البيانات، تيار ظلام منخفض جدًا للقياس الدقيق)، بدلاً من كونها مكونات للأغراض العامة.