ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-1650D - أبعاد العبوة 5.0x4.0x3.2 مم - جهد 30 فولت - قدرة 100 ملي واط - عبوة داكنة شفافة - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

الترانزستور الضوئي LTR-1650D هو ترانزستور من نوع NPN مصنوع من السيليكون ومصمم لتطبيقات الكشف عن الأشعة تحت الحمراء. وهو مُغلف في عبوة بلاستيكية داكنة شفافة منخفضة التكلفة تسمح بترشيح فعال للضوء المرئي مع نقل أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء، بشكل أساسي حول 940 نانومتر. تعمل العدسة المدمجة على تعزيز حساسية الجهاز من خلال تركيز الإشعاع تحت الأحمر الساقط على المنطقة النشطة للترانزستور. تم تصميم هذا المكون ليكون موثوقًا وعالي الأداء عبر نطاق واسع من درجات حرارة التشغيل، مما يجعله مناسبًا لمختلف أنظمة الاستشعار والتحكم.

2. الميزات الرئيسية والمزايا الأساسية

• نطاق واسع لتيار المجمع:يقدم الجهاز تصنيفات أداء متعددة (من A إلى F) توفر مجموعة واسعة من تيار المجمع في حالة التشغيل (IC(ON)) من 0.2 مللي أمبير كحد أدنى إلى أكثر من 9.6 مللي أمبير كحد أقصى، مما يسمح للمصممين باختيار جزء يتطابق مع متطلبات الحساسية المحددة.
• عدسة عالية الحساسية:تزيد العدسة الإيبوكسية المدمجة من مساحة الجمع الفعالة للضوء تحت الأحمر، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء والاستجابة العامة.
• عبوة بلاستيكية فعالة من حيث التكلفة:يستخدم هيكلاً بلاستيكياً قياسياً واقتصادياً للإنتاج الضخم واعتماد واسع في السوق.
• عبوة داكنة شفافة خاصة:تم تلوين مادة العبوة لتخفيف الضوء المرئي، مما يقلل التداخل من مصادر الضوء المحيطة ويعزز الأداء في البيئات ذات ظروف الإضاءة المتقلبة.

3. تحليل متعمق للمعاملات التقنية

3.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• تبديد القدرة (P_D):100 ملي واط عند T_A=25°C. هذه هي أقصى قدرة يمكن للجهاز تبديدها بأمان على شكل حرارة.
• جهد المجمع-الباعث (V_CEO):30 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه بين طرفي المجمع والباعث مع القاعدة مفتوحة.
• جهد الباعث-المجمع (V_ECO):5 فولت. أقصى جهد عكسي يمكن تطبيقه بين الباعث والمجمع.
• نطاق درجة حرارة التشغيل (T_opr):-40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي تم تحديد الجهاز للعمل ضمنه.
• نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg):-55°C إلى +100°C.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260°C لمدة 5 ثوانٍ على مسافة 1.6 مم من جسم العبوة. هذا أمر بالغ الأهمية لعمليات اللحام بالموجة أو إعادة التدفق.

3.2 الخصائص الكهربائية والبصرية (T_A=25°C)

يتم اختبار المعاملات التالية تحت ظروف محددة وتحدد أداء الجهاز.

• جهد انهيار المجمع-الباعث (V_(BR)CEO):30 فولت (الحد الأدنى). تم الاختبار عند I_C= 1 مللي أمبير بدون إشعاع (E_e= 0 ملي واط/سم²).
• جهد انهيار الباعث-المجمع (V_(BR)ECO):5 فولت (الحد الأدنى). تم الاختبار عند I_E= 100 ميكرو أمبير بدون إشعاع.
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):0.4 فولت (الحد الأقصى). انخفاض الجهد عبر الترانزستور عندما يكون في حالة "تشغيل" كاملة، تم الاختبار عند I_C= 100 ميكرو أمبير و E_e= 1 ملي واط/سم². يعتبر V_CE(SAT)منخفضاً مرغوباً للتبديل الفعال.
• زمن الصعود (T_r) وزمن الهبوط (T_f):10 ميكرو ثانية (نموذجي). يتم قياس معاملات سرعة التبديل هذه باستخدام V_CC=5 فولت، I_C=1 مللي أمبير، و R_L=1 كيلو أوم. وهي تحدد مدى سرعة استجابة الترانزستور الضوئي للتغيرات في شدة الضوء.
• تيار المجمع المظلم (I_CEO):100 نانو أمبير (الحد الأقصى). هذا هو تيار التسرب المتدفق عبر المجمع عندما يكون الجهاز في ظلام تام (E_e= 0 ملي واط/سم²) مع V_CE= 10 فولت. التيار المظلم المنخفض ضروري لنسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة في الكشف عند الإضاءة المنخفضة.

3.3 نظام تصنيف تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON))

يتم تصنيف LTR-1650D إلى فئات مختلفة بناءً على حساسيته، المحددة بواسطة تيار المجمع في حالة التشغيل المقاس تحت ظروف قياسية (V_CE= 5 فولت، E_e= 1 ملي واط/سم²، λ = 940 نانومتر). هذا يسمح بالاختيار الدقيق بناءً على متطلبات كسب التطبيق.

• الفئة A:0.2 - 0.6 مللي أمبير
• الفئة B:0.4 - 1.2 مللي أمبير
• الفئة C:0.8 - 2.4 مللي أمبير
• الفئة D:1.6 - 4.8 مللي أمبير
• الفئة E:3.2 - 9.6 مللي أمبير
• الفئة F:6.4 مللي أمبير (الحد الأدنى)

يجب على المصممين الرجوع إلى رمز الفئة المحدد عند الطلب لضمان أن الترانزستور الضوئي يلبي احتياجات الحساسية وتيار الخرج للدائرة.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح كيف تختلف المعاملات الرئيسية مع الظروف البيئية والكهربائية.

4.1 تيار المجمع المظلم مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 1)

يظهر هذا المنحنى أن تيار المجمع المظلم (I_CEO) يزداد بشكل أسي مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. هذا سلوك شبه موصل أساسي حيث تصبح حاملات الشحنة الناتجة حرارياً أكثر انتشاراً. في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، يمكن أن يصبح تيار التسرب المتزايد هذا مصدراً مهماً للضوضاء ويجب أخذه في الاعتبار في تصميم عتبة مضخم الاستشعار.

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

يصور الرسم البياني تخفيض أقصى تبديد قدرة مسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند 25°C، يمكن للجهاز تحمل 100 ملي واط. مع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض هذا التصنيف خطياً. للتشغيل الموثوق فوق 25°C، يجب أن تبقى القدرة الفعلية المبددة (V_CE* I_C) أقل من منحنى التخفيض. هذا أمر بالغ الأهمية لمنع الانفلات الحراري وضمان الموثوقية طويلة الأمد.

4.3 زمن الصعود والهبوط مقابل مقاومة الحمل (الشكل 3)

يوضح هذا المنحنى المقايضة بين سرعة التبديل ومقاومة الحمل (R_L). تزداد أوقات الصعود والهبوط مع مقاومات الحمل الأكبر. هذا لأن R_Lأكبر تخلق ثابت زمني RC أكبر مع سعة تقاطع الترانزستور الضوئي. للتطبيقات التي تتطلب كشف نبضات سريع، يجب استخدام مقاومة حمل أصغر، وإن كان ذلك على حساب تقليل تأرجح جهد الخرج.

4.4 تيار المجمع النسبي مقابل الإشعاع (الشكل 4)

يظهر هذا الرسم البياني العلاقة بين الإشعاع تحت الأحمر الساقط (E_e) وتيار المجمع الناتج. الاستجابة تكون خطية بشكل عام على مدى معين، وهو مثالي لتطبيقات استشعار الضوء التناظرية. يمثل ميل هذا الخط استجابة الجهاز. فهم هذه الخاصية هو مفتاح لمعايرة خرج المستشعر إلى مستوى شدة ضوء محدد.

4.5 مخطط الحساسية (الشكل 5)

يوضح هذا المخطط القطبي الاعتماد الزاوي لحساسية الترانزستور الضوئي. تكون الحساسية عادة أعلى عندما يسقط الضوء تحت الأحمر بشكل عمودي على العدسة (0°). وتتناقص مع زيادة زاوية السقوط. هذه الخاصية حيوية لتصميم المسار البصري في التطبيق، مثل ضمان المحاذاة الصحيحة في قاطع من نوع الفتحة أو تحديد مجال الرؤية لمستشعر القرب.

5. معلومات الميكانيكا والعبوة

5.1 أبعاد العبوة

يستخدم الجهاز عبوة قياسية 3 مم (T-1) ذات أطراف شعاعية. تشمل الأبعاد الرئيسية:

• قطر جسم العبوة: حوالي 5.0 مم.
• ارتفاع العبوة: حوالي 3.2 مم (باستثناء الأطراف).
• تباعد الأطراف: يقاس حيث تخرج الأطراف من العبوة، عادة 2.54 مم (0.1 بوصة).
• يُسمح ببروز أقصى للراتنج يبلغ 1.5 مم تحت الحافة.

ملاحظة:جميع الأبعاد بالمليمترات مع تسامح قياسي ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يجب على المصممين الرجوع إلى الرسم الميكانيكي التفصيلي للتخطيط الدقيق للمساحة والموضع.

5.2 تحديد القطبية

يحتوي الترانزستور الضوئي على طرفين: المجمع والباعث. الطرف الأطول هو عادة المجمع. قد تحتوي العبوة أيضاً على جانب مسطح أو علامة أخرى بالقرب من طرف المجمع. القطبية الصحيحة ضرورية لتشغيل الدائرة بشكل صحيح وتطبيق جهد الانحياز الصحيح.

6. إرشادات اللحام والتجميع

• اللحام اليدوي:استخدم مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة. قلل وقت اللحام لمنع انتقال الحرارة المفرط إلى الشريحة شبه الموصلة.
• اللحام بالموجة/إعادة التدفق:الالتزام الصارم بالتصنيف الأقصى: 260°C لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم العبوة. تجاوز ذلك يمكن أن يتلف وصلات الأسلاك الداخلية أو العبوة الإيبوكسية.
• التنظيف:استخدم المذيبات المناسبة المتوافقة مع الراتنج الإيبوكسي الداكن الشفاف. تجنب التنظيف بالموجات فوق الصوتية ما لم يثبت أنه آمن للعبوة.
• التخزين:قم بالتخزين في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -55°C إلى +100°C لمنع امتصاص الرطوبة (والذي قد يسبب "انفجار الذرة" أثناء إعادة التدفق) وتلف التفريغ الكهروستاتيكي.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كشف الأشياء والقطع:يستخدم في مفاتيح بصرية من نوع الفتحة (مثل كشف الورق في الطابعات، استشعار نهاية المسار في طابعات 3D).
• استشعار القرب:مقترن مع LED تحت أحمر للكشف غير التلامسي للأشياء.
• المشفرات:كشف الأنماط على الأقراص الدوارة لقياس السرعة أو الموضع.
• التحكم الصناعي:الاستشعار في المعدات الآلية حيث تكون المناعة ضد الضوء البيئي مطلوبة.
• الإلكترونيات الاستهلاكية:مستقبلات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء (على الرغم من استخدامها غالباً مع دوائر متكاملة مخصصة، يمكن للترانزستور الضوئي أن يشكل الواجهة الأمامية).

7.2 اعتبارات التصميم الحرجة

• دائرة الانحياز:يمكن استخدام الترانزستور الضوئي إما في تكوين مفتاح (باعث مشترك) أو متابع (متابع الباعث). يوفر تكوين الباعث المشترك كسب جهد وهو شائع للتبديل الرقمي. مطلوب مقاومة سحب لأعلى (R_L).
• اختيار R_L:قيمة مقاومة الحمل تتضمن مقايضة. R_Lأكبر تعطي تأرجح جهد خرج أكبر لتيار ضوئي معين ولكنها تبطئ سرعة التبديل (انظر الشكل 3). اختر بناءً على السرعة المطلوبة ومستوى الإشارة.
• رفض الضوء المحيط:بينما تساعد العبوة الداكنة، يمكن لمصادر الأشعة تحت الحمراء المحيطة القوية (ضوء الشمس، المصابيح المتوهجة) أن تشبع المستشعر. فكر في استخدام مرشحات بصرية، وتعديل مصدر الأشعة تحت الحمراء، واستخدام تقنيات الكشف المتزامن.
• تعويض درجة الحرارة:للاستشعار التناظري الدقيق، يجب تعويض تغير التيار المظلم والحساسية مع درجة الحرارة (الشكلان 1 و 2) في دائرة تكييف الإشارة.
• الضوضاء الكهربائية:قد تكون العقدة عالية المعاوقة عند المجمع عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI). حافظ على المسارات قصيرة، استخدم التدريع إذا لزم الأمر، وفكر في إضافة مكثف صغير (مثل 10-100 بيكو فاراد) عبر R_Lلترشيح الضوضاء عالية التردد، مع مراعاة تأثيره على السرعة.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بالثنائي الضوئي الأساسي، يوفر الترانزستور الضوئي مثل LTR-1650D كسباً داخلياً، منتجاً تيار خرج أكبر بكثير لنفس مدخل الضوء، مما يلغي غالباً الحاجة إلى مضخم خارجي إضافي في تطبيقات التبديل البسيطة. مقارنة بترانزستور دارلينجتون الضوئي، فإنه يوفر أوقات استجابة أسرع (ميكروثانية مقابل عشرات/مئات الميكروثانية) ولكن كسب أقل. نظام التصنيف المحدد لـ I_C(ON)يسمح بتصميم نظام أكثر دقة مقارنة بالأجهزة ذات المواصفات الواحدة الواسعة. العبوة الداكنة الشفافة هي ميزة تمييز رئيسية عن العبوات الشفافة، حيث توفر قمعاً مدمجاً للضوء المرئي.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعاملات التقنية)

9.1 ماذا تعني مواصفة "BIN"، وكيف أختار؟

يحدد رمز الفئة (من A إلى F) النطاق المضمون لحساسية الترانزستور الضوئي (I_C(ON)). اختر فئة بناءً على تيار الخرج المطلوب لمستوى الإشعاع المحدد لديك. للتطبيقات ذات الحساسية الأعلى/مستويات الضوء المنخفضة، اختر حرف فئة أعلى (مثل E أو F). للتطبيقات الحساسة للتكلفة حيث لا يكون الكسب العالي بالغ الأهمية، قد تكون الفئة الأقل (A أو B) كافية.

9.2 لماذا يعتبر التيار المظلم مهماً؟

التيار المظلم (I_CEO) هو إشارة الخرج الموجودة عندما لا يسقط ضوء. يحدد الحد الأدنى للضوء القابل للكشف ويعمل كمصدر ضوضاء. في تطبيقات التبديل الرقمي، يجب ضبط عتبة الكشف للدائرة فوق أقصى تيار مظلم متوقع، خاصة في درجات الحرارة العالية حيث يزداد بشكل كبير.

9.3 كيف تؤثر مقاومة الحمل على الأداء؟

تؤثر مقاومة الحمل (R_L) بشكل مباشر على معاملين رئيسيين:جهد الخرج(V_out= I_C* R_L) وسرعة التبديل(انظر الشكل 3). يجب عليك اختيار R_Lلتحقيق تأرجح الجهد اللازم لمستويات المنطق أو مدخل ADC، مع ضمان أيضاً أن تكون أوقات الصعود/الهبوط سريعة بما يكفي لمعدل البيانات أو وقت الاستجابة لتطبيقك.

9.4 هل يمكنني استخدامه تحت ضوء الشمس الساطع؟

توفر العبوة الداكنة الشفافة بعض الرفض، لكن ضوء الشمس المباشر يحتوي على إشعاع تحت أحمر شديد يمكن أن يشبع المستشعر بسهولة. للاستخدام في الهواء الطلق، الإجراءات الإضافية إلزامية: التظليل المادي (أغطية)، مرشحات بصرية نطاق ضيق مركزة على الطول الموجي لمصدر الأشعة تحت الحمراء الخاص بك (مثل 940 نانومتر)، ويفضل استخدام مصدر أشعة تحت حمراء معدل مع كشف متزامن في دائرة المستقبل لتمييز الإشارة عن المكون المستمر لضوء الشمس.

10. دراسة حالة عملية للتصميم والاستخدام

السيناريو: تصميم مستشعر لكشف الورق للطابعة.

1. الاختيار:اختر فئة حساسية متوسطة (مثل الفئة C أو D) لضمان تشغيل موثوق دون أن تكون حساساً بشكل مفرط للغبار أو الانعكاسات.
2. تكوين الدائرة:استخدم تكوين مفتاح باعث مشترك. اقترن LTR-1650D مع LED تحت أحمر (مثل 940 نانومتر) موضوع على الجانب المقابل لمسار الورق.
3. تحديد حجم المكونات:اختر قيمة R_L(مثل 4.7 كيلو أوم) توفر خرج منطقي منخفض (قريب من 0 فولت) عند وجود الورق (حجب الضوء، I_Cمنخفض) وخرج منطقي مرتفع (قريب من V_CC) عند غياب الورق (وجود الضوء، I_Cمرتفع). تحقق من أن مستويات الجهد متوافقة مع دبابيس إدخال المتحكم الدقيق.
4. مناعة الضوضاء:أضف مكثف 10 نانو فاراد بالتوازي مع R_Lلقمع الضوضاء الكهربائية من محركات الطابعة. السرعة الناتجة (~100 ميكرو ثانية) لا تزال أسرع بكثير من حركة الورق الميكانيكية.
5. المحاذاة:استخدم مخطط الحساسية (الشكل 5) لتوجيه التصميم الميكانيكي. تأكد من محاذاة LED تحت الأحمر والترانزستور الضوئي داخل مخروط الحساسية العالية (مثل ±20°) لتعظيم قوة الإشارة.
6. الاختبار:اختبر المستشعر تحت أسوأ الظروف: درجة حرارة عالية (للتحقق من زيادة التيار المظلم) ومع أنواع ورق مختلفة (قد يكون بعضها أكثر شفافية للأشعة تحت الحمراء).

11. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو في الأساس ترانزستور تقاطع ثنائي القطب (BJT) حيث يتم توليد تيار القاعدة بواسطة الضوء بدلاً من توفيره كهربائياً. تمتص الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات في منطقة تقاطع القاعدة-المجمع، مكونة أزواج إلكترون-فجوة. يقوم المجال الكهربائي في تقاطع المجمع-القاعدة المتحيز عكسياً بجرف هذه الحاملات، مولدة بشكل فعال تياراً ضوئياً يعمل كتيار القاعدة (I_B). يتم بعد ذلك تضخيم تيار القاعدة الضوئي هذا بواسطة كسب تيار الترانزستور (h_FE)، مما يؤدي إلى تيار مجمع أكبر بكثير (I_C= h_FE* I_B). هذا التضخيم الداخلي هو الميزة الرئيسية مقارنة بالثنائي الضوئي البسيط. تعمل مادة العبوة الداكنة الشفافة كمرشح تمرير طويل، مما يسمح لأطوال موجات الأشعة تحت الحمراء (مثل 940 نانومتر) بالمرور بينما تمتص الأطوال الموجية المرئية الأقصر، وبالتالي تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في البيئات ذات الضوء المرئي.

12. اتجاهات وتطورات الصناعة

يستمر قطاع الإلكترونيات البصرية في التطور. بينما تظل الترانزستورات الضوئية المنفصلة مثل LTR-1650D حيوية للتطبيقات الحساسة للتكلفة، عالية الحجم، أو ذات الأداء المحدد، تشمل الاتجاهات الأوسع:

• التكامل:زيادة تكامل كاشف الضوء مع مضخمات الواجهة الأمامية التناظرية، محولات التناظري إلى الرقمي (ADC)، والمنطق الرقمي في حلول شريحة واحدة (مثل مستشعرات الضوء المحيط، وحدات استشعار القرب). هذه توفر خرج رقمي معاير، مساحة أصغر، وتصميم مبسط ولكن قد تأتي بتكلفة وحدة أعلى.
• التصغير:الطلب على أحجام عبوات أصغر (مثل عبوات مقياس الشريحة) لتناسب الإلكترونيات الاستهلاكية المتقلصة باستمرار.
• تحسين الأداء:تطوير أجهزة ذات تيارات مظلمة أقل، أوقات استجابة أسرع (إلى نطاق النانوثانية)، وحساسية أعلى للتطبيقات الأكثر تطلباً مثل LiDAR والاتصالات عالية السرعة.
• التخصص:مستشعرات مصممة خصيصاً لأطوال موجية محددة (مثل لمراقبة معدل ضربات القلب، استشعار الغاز) أو مع مرشحات طيفية مدمجة.

من المرجح أن تحافظ الترانزستورات الضوئية المنفصلة على مكانتها في التطبيقات حيث توفر بساطتها، متانتها، تكلفتها المنخفضة، وخصائص أدائها المحددة (مثل العبوة الداكنة لـ LTR-1650D) حلاً أمثلاً.