ورقة بيانات الترانزستور الضوئي LTR-306 - حزمة جانبية - تيار المجمع حتى 2.4 مللي أمبير - جهد 30 فولت - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

الترانزستور الضوئي LTR-306 هو ترانزستور من نوع NPN مصنوع من السيليكون ومغلف في حزمة بلاستيكية جانبية. تم تصميم هذا المكون لاكتشاف الإشعاع تحت الأحمر، حيث يحول الضوء الساقط إلى تيار كهربائي عند طرف المجمع. وظيفته الأساسية هي العمل كمستشعر ضوئي في دوائر إلكترونية متنوعة، حيث يعمل كمفتاح يتم التحكم فيه بالضوء أو كمستشعر تمثيلي لشدة الضوء. اتجاه الحزمة الجانبية هو ميزة رئيسية، مما يعني أن المنطقة الحساسة تواجه بشكل عمودي على اتجاه الأطراف، وهو الأمثل للتطبيقات التي يتم فيها وضع مصدر الضوء على جانب لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

تشمل المزايا الأساسية لهذا الجهاز نطاق التشغيل الواسع لتيار المجمع، مما يوفر مرونة في التصميم عبر متطلبات الحساسية المختلفة. تم تصميم العدسة المدمجة لتعزيز الحساسية من خلال تركيز الضوء تحت الأحمر الوارد على المنطقة شبه الموصلة النشطة. علاوة على ذلك، فإن استخدام الحزمة البلاستيكية منخفضة التكلفة يجعلها خيارًا اقتصاديًا للتطبيقات الاستهلاكية والصناعية ذات الأحجام الكبيرة حيث تكون فعالية التكلفة أمرًا بالغ الأهمية دون التضحية بمعايير الأداء الأساسية.

يغطي السوق المستهدف لـ LTR-306 طيفًا واسعًا من التطبيقات التي تتطلب كشفًا موثوقًا للأشعة تحت الحمراء. وهذا يشمل، على سبيل المثال لا الحصر، أنظمة كشف الأشياء والعد، وأجهزة استشعار الفتحات (مثل الطابعات وآلات البيع)، وأجهزة استشعار نهاية الشريط، والاستشعار القريب، ومعدات الأتمتة الصناعية. يجعل تصميمه القوي وأداؤه المحدد مناسبًا للتكامل في الأنظمة الإلكترونية البسيطة والمعقدة على حد سواء.

2. تحليل مفصل للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف. الحد الأقصى لتبديد الطاقة هو 100 ملي واط عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية. يجب ألا يتجاوز جهد المجمع-الباعث (V_CE) 30 فولت، بينما يقتصر جهد الباعث-المجمع العكسي (V_EC) على 5 فولت. تم تصنيف الجهاز للتشغيل ضمن نطاق درجة حرارة محيطة من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية ويمكن تخزينه في درجات حرارة تتراوح من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. بالنسبة للحام، يمكن للأطراف تحمل 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ عند القياس على بعد 1.6 مم من جسم الحزمة، وهو متطلب قياسي لعمليات اللحام بالموجة أو إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد جميع المعلمات الكهربائية والبصرية عند T_A=25 درجة مئوية، مما يوفر خط أساس لمقارنة الأداء.

• جهد انهيار المجمع-الباعث (V_(BR)CEO):الحد الأدنى 30 فولت (I_C= 1 مللي أمبير، E_e=0). هذا هو الجهد الذي ينهار عنده التقاطع في غياب الضوء.
• جهد انهيار الباعث-المجمع (V_(BR)ECO):الحد الأدنى 5 فولت (I_E= 100 ميكرو أمبير، E_e=0). هذه المعلمة مهمة لحالات الانحياز العكسي.
• جهد تشبع المجمع-الباعث (V_CE(SAT)):عادة 0.1 فولت، بحد أقصى 0.4 فولت (I_C= 100 ميكرو أمبير، E_e=1 ملي واط/سم²). يشير هذا الجهد المنخفض إلى أداء تحويل جيد عندما يكون الترانزستور في حالة التشغيل الكامل.
• زمن الصعود (T_r) وزمن الهبوط (T_f):الحد الأقصى 20 ميكرو ثانية لكل منهما (V_CC=5 فولت، I_C=1 مللي أمبير، R_L=1 كيلو أوم). تحدد هذه المعلمات سرعة تحويل الترانزستور الضوئي استجابة لنبضة ضوئية.
• تيار الظلام للمجمع (I_CEO):الحد الأقصى 100 نانو أمبير (V_CE= 10 فولت، E_e=0). هذا هو تيار التسرب في غياب الضوء، وهو معلمة حاسمة لحساسية الإضاءة المنخفضة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يستخدم LTR-306 نظام تصنيف (Binning) لمعلمته الرئيسية، تيار المجمع في حالة التشغيل (I_C(ON)). التصنيف هو عملية مراقبة الجودة والفرز التي تجمع المكونات بناءً على الأداء المقاس ضمن نطاقات محددة. وهذا يضمن الاتساق للمستخدم النهائي. يتم اختبار الجهاز تحت ظروف قياسية (V_CE= 5 فولت، E_e= 1 ملي واط/سم²، λ=940 نانومتر).

يتم تصنيف الفئات من A إلى F، حيث يمثل كل منها نطاقًا محددًا لـ I_C(ON):

• الفئة A:من 0.20 مللي أمبير إلى 0.60 مللي أمبير
• الفئة B:من 0.40 مللي أمبير إلى 1.08 مللي أمبير
• الفئة C:من 0.72 مللي أمبير إلى 1.56 مللي أمبير
• الفئة D:من 1.04 مللي أمبير إلى 1.80 مللي أمبير
• الفئة E:من 1.20 مللي أمبير إلى 2.40 مللي أمبير
• الفئة F:الحد الأدنى 1.60 مللي أمبير (لم يتم تحديد حد أعلى في البيانات المقدمة)

يسمح هذا النظام للمصممين باختيار فئة تتطابق مع حساسية الدائرة المطلوبة. على سبيل المثال، قد تحدد دائرة تحتاج إلى تيار خرج عالي لقيادة مرحل أو LED مباشرة الفئة E أو F، بينما قد تستخدم دائرة استشعار منخفضة الطاقة الفئة A أو B لتقليل استهلاك الطاقة.

4. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة منحنيات خصائص نموذجية توضح كيف تختلف المعلمات الرئيسية مع ظروف التشغيل. هذه المنحنيات ضرورية لفهم سلوك الجهاز بما يتجاوز المواصفات أحادية النقطة.

4.1 تيار الظلام للمجمع مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 1)

يظهر هذا المنحنى أن تيار الظلام للمجمع (I_CEO) يزداد بشكل أسي مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. عند -40 درجة مئوية، يكون في نطاق البيكو أمبير، ولكنه يمكن أن يرتفع إلى حوالي 100 ميكرو أمبير عند 120 درجة مئوية. هذه الخاصية حاسمة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، حيث يعمل تيار الظلام المتزايد كمصدر إزاحة أو ضوضاء، مما قد يقلل من الحساسية الفعالة والنطاق الديناميكي للمستشعر.

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

يوضح هذا الرسم البياني تخفيض الحد الأقصى المسموح به لتبديد الطاقة مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. بينما يمكن للجهاز تبديد 100 ملي واط عند 25 درجة مئوية، يجب تقليل هذا التصنيف خطيًا عند درجات الحرارة الأعلى لمنع الانفلات الحراري وضمان الموثوقية. يوفر المنحنى البيانات اللازمة لإدارة الحرارة في تصميم التطبيق.

4.3 زمن الصعود والهبوط مقابل مقاومة الحمل (الشكل 3)

يكشف هذا الرسم عن المقايضة بين سرعة التحويل ومقاومة الحمل. تزداد أوقات الصعود والهبوط (T_r, T_f) بشكل كبير مع زيادة قيمة مقاومة الحمل (R_L). لمقاومة حمل 1 كيلو أوم، يكون الوقت حوالي 20 ميكرو ثانية، ولكنه يمكن أن يتجاوز 150 ميكرو ثانية لمقاومة حمل 10 كيلو أوم. يجب على المصممين اختيار R_Lلتحقيق التوازن بين الحاجة إلى وقت استجابة سريع وتأرجح جهد الخرج المطلوب أو مستوى التيار.

4.4 تيار المجمع النسبي مقابل الإشعاع الضوئي (الشكل 4)

هذه خاصية نقل أساسية. تُظهر أن تيار المجمع يكون خطيًا نسبيًا مع الإشعاع الضوئي الساقط (E_e) في النطاق المنخفض (0-2 ملي واط/سم²) عندما يتم تثبيت V_CEعند 5 فولت. هذه المنطقة الخطية هي المكان الذي يمكن فيه استخدام الجهاز لقياس الضوء التمثيلي. عند مستويات إشعاع أعلى، قد يبدأ الاستجابة في التشبع.

4.5 مخطط الحساسية (الشكل 5)

يوضح هذا المخطط القطبي الحساسية الزاوية للترانزستور الضوئي. يتم رسم الحساسية النسبية مقابل زاوية الضوء الساقط. يظهر أن الجهاز لديه زاوية رؤية محددة تكون فيها الحساسية قصوى (عادة على المحور، 0 درجة). تتناقص الحساسية مع تحرك مصدر الضوء بعيدًا عن المحور. هذا المخطط حيوي للمحاذاة الميكانيكية في التطبيق النهائي لضمان اقتران مثالي بين مصدر الضوء والمستشعر.

5. معلومات الميكانيكا والتغليف

يستخدم LTR-306 حزمة بلاستيكية جانبية. يتم توفير الأبعاد في ورقة البيانات بجميع القياسات بالمليمترات (بوصة بين قوسين). التسامحات الأبعاد الرئيسية هي عادة ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم الحزمة، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم البصمة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). تتضمن الحزمة عدسة مصبوبة في البلاستيك لتعزيز كفاءة الجمع البصري. يعني الاتجاه الجانبي أن منطقة الاستشعار النشطة موجودة على جانب المكون، وليس في الأعلى. يتم توفير تحديد قطبية واضح (أطراف الباعث والمجمع) في رسم الحزمة، وهو أمر ضروري لتجميع لوحة الدوائر بشكل صحيح.

6. إرشادات اللحام والتجميع

الجهاز مناسب لعمليات تجميع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) القياسية. يحدد التصنيف الأقصى المطلق أن الأطراف يمكنها تحمل درجة حرارة لحام تبلغ 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ عند القياس على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم الحزمة. هذا التصنيف متوافق مع ملفات تعريف اللحام بالموجة وإعادة التدفق النموذجية. يوصى باتباع إرشادات JEDEC أو IPC القياسية للتعامل مع حساسية الرطوبة إذا كانت قابلة للتطبيق، على الرغم من أن الحزمة البلاستيكية قوية بشكل عام. أثناء اللحام، يجب الحرص على تجنب الإجهاد الحراري المفرط على الحزمة. بعد التجميع، يجب إجراء التنظيف باستخدام مذيبات متوافقة مع المادة البلاستيكية. بالنسبة للتخزين، يجب مراعاة النطاق المحدد من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية، ويتم توريد المكونات عادةً في أكياس حاجزة للرطوبة مع مجفف.

7. توصيات التطبيق

7.1 سيناريوهات تطبيقية نموذجية

• كشف/قطع الأشياء:يستخدم في أزواج مع LED تحت أحمر لاكتشاف وجود أو غياب جسم يعترض الشعاع. شائع في الطابعات وآلات النسخ وآلات البيع والعدادات الصناعية.
• الاستشعار القريب:كشف انعكاس الضوء تحت الأحمر من جسم قريب.
• حواجز الضوء/أجهزة استشعار الفتحات:كشف حافة شريط أو ورق أو مادة أخرى.
• المشفرات:تستخدم في المشفرات الضوئية الدورانية أو الخطية لقراءة الأنماط على عجلة أو شريط مشفر.
• مستقبلات التحكم عن بعد البسيطة:لاكتشاف أوامر الأشعة تحت الحمراء الأساسية (على الرغم من أن وحدات الاستقبال المخصصة أكثر شيوعًا للبروتوكولات المعقدة).

7.2 اعتبارات التصميم

• الانحياز:يمكن استخدام الترانزستور الضوئي في تكوينين شائعين: وضع المفتاح (مع مقاومة سحب لأعلى) أو الوضع التمثيلي (في تكوين مضخم باعث مشترك). تؤثر قيمة مقاومة الحمل (R_L) بشكل حاسم على كل من جهد/تيار الخرج وسرعة الاستجابة (انظر الشكل 3).
• مناعة ضد الضوء المحيط:للتشغيل الموثوق في بيئات ذات إضاءة محيطة متغيرة (مثل ضوء الشمس، أضواء الغرفة)، غالبًا ما يكون تعديل مصدر الأشعة تحت الحمراء والترشيح أو إزالة التضمين المقابل لإشارة الترانزستور الضوئي ضروريًا.
• العدسة والمحاذاة:المحاذاة الميكانيكية المناسبة بين باعث الأشعة تحت الحمراء والترانزستور الضوئي، مع مراعاة اتجاهه الجانبي ونمط حساسيته الزاوية (الشكل 5)، أمر ضروري لتعظيم قوة الإشارة والموثوقية.
• تأثيرات درجة الحرارة:يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار تباين تيار الظلام (الشكل 1) والحساسية مع درجة الحرارة، خاصة في البيئات الخارجية أو القاسية.
• الضوضاء الكهربائية:في الدوائر التمثيلية الحساسة، قد تكون هناك حاجة إلى التدريبات والتأريض المناسب لمنع التقاط الضوضاء على عقدة الترانزستور الضوئي ذات المعاوقة العالية.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بالثنائي الضوئي القياسي، يوفر الترانزستور الضوئي مثل LTR-306 كسبًا داخليًا، مما يؤدي إلى تيار خرج أعلى بكثير لنفس مدخل الضوء. هذا يلغي الحاجة إلى مضخم تحويل التيار إلى جهد خارجي في العديد من دوائر الكشف البسيطة، مما يقلل عدد المكونات والتكلفة. مقارنة بالترانزستورات الضوئية الأخرى، تكمن المزايا المحددة لـ LTR-306 فيحزمته الجانبية، وهو عامل شكل ميكانيكي مميز مناسب لمسارات ضوئية محددة، وفيتصنيف تيار المجمع الواسعالذي يوفر مرونة، وفيعدسته المدمجة لتعزيز الحساسية. تجعل أوقات صعوده/هبوطه المحددة وتصنيفات جهده مكونًا قويًا للأغراض العامة للتطبيقات متوسطة السرعة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ماذا يعني رمز الفئة (A, B, C, إلخ) لتصميمي؟

ج: يشير رمز الفئة إلى النطاق المضمون لتيار المجمع الذي سينتجه الجهاز تحت ظروف الاختبار القياسية. اختر فئة توفر تيار إشارة كافٍ للدائرة اللاحقة (مثل المقارن، محول التناظري إلى الرقمي في المتحكم الدقيق) مع مراعاة استهلاك الطاقة. الفئات الأعلى (E, F) تعطي تيارًا أكبر ولكن قد يكون لديها تيار ظلام أعلى قليلاً.

س: هل يمكنني استخدام هذا المستشعر في ضوء الشمس؟

ج: يحتوي ضوء الشمس المباشر على كمية كبيرة من الإشعاع تحت الأحمر الذي سيشبع المستشعر ويجعله غير قابل للاستخدام لاكتشاف مصدر IR منفصل. للاستخدام في الهواء الطلق، الترشيح البصري (مرشح يمرر IR ويمنع الضوء المرئي) و/أو مصادر الضوء المعدلة مع الكشف المتزامن إلزاميان.

س: لماذا يعتمد زمن الصعود/الهبوط على مقاومة الحمل؟

ج: سرعة الترانزستور الضوئي محدودة بثابت الوقت RC المتكون من سعته الوصوية ومقاومة الحمل (R_L). مقاومة R_Lأكبر تخلق ثابت وقت أكبر، مما يبطئ تأرجح الجهد عند المجمع، وبالتالي يزيد أوقات الصعود والهبوط. لاستجابة أسرع، استخدم R_Lأصغر، ولكن هذا سيقلل أيضًا من تأرجح جهد الخرج.

س: كيف أفسر مخطط الحساسية؟

ج: يوضح المخطط الاستجابة النسبية للمستشعر للضوء القادم من زوايا مختلفة. تكون القيمة 1.0 (أو 100٪) عادة عند 0 درجة (مباشرة على العدسة). يظهر المنحنى مقدار انخفاض الإشارة إذا كان مصدر الضوء غير محاذٍ. استخدم هذا لتصميم الغلاف الميكانيكي وميزات المحاذاة في منتجك.

10. مثال تصميمي عملي

السيناريو: تصميم مستشعر وجود ورق للطابعة.يتم وضع LED تحت أحمر على جانب واحد من مسار الورق، ويوضع LTR-306 مباشرة في المقابل، مما يخلق شعاعًا. عندما لا يكون هناك ورق، يضرب ضوء IR الترانزستور الضوئي، فيشغله ويسحب جهد مجمعه إلى مستوى منخفض. عندما يمر الورق، يعترض الشعاع، فينطفئ الترانزستور الضوئي، ويرتفع جهد مجمعه (عبر مقاومة سحب لأعلى). يتم اكتشاف هذا الانتقال في الجهد بواسطة متحكم دقيق.

خطوات التصميم:

1. حدد فئة مناسبة (مثل الفئة C) لضمان تغيير تيار قوي بما يكفي لقيادة جهد مقاومة السحب لأعلى المختارة بشكل موثوق عبر نطاق درجة حرارة التشغيل المتوقع.

2. اختر مقاومة حمل/سحب لأعلى (R_L). مقاومة 4.7 كيلو أوم مع مصدر طاقة 5 فولت ستعطي تأرجح جهد جيد. راجع الشكل 3 للتأكد من أن وقت الاستجابة الناتج (~100 ميكرو ثانية) سريع بما يكيف لسرعة الورق.

3. صمم الحامل ميكانيكيًا بحيث يتم محاذاة LED و LTR-306 وفقًا لمحور 0 درجة في مخطط الحساسية (الشكل 5). تبسط الحزمة الجانبية هذا حيث يمكن تركيب كلا المكونين بشكل مسطح على PCB متقابلين.

4. نفذ سائق LED تحت الأحمر مع تعديل (مثل موجة مربعة 1 كيلو هرتز) لجعل المستشعر منيعًا ضد ضوء IR المحيط الثابت. سيقوم المتحكم الدقيق بعد ذلك بقراءة إشارة المستشعر بشكل متزامن مع هذا التعديل.

11. مبدأ التشغيل

الترانزستور الضوئي هو ترانزستور تقاطع ثنائي القطب حيث تتعرض منطقة القاعدة للضوء. في LTR-306 (من نوع NPN)، يتم امتصاص الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الكافية (ضوء تحت أحمر عند ~940 نانومتر) في وصلة القاعدة-المجمع، مولدة أزواج إلكترون-فجوة. يتم فصل حاملات الشحنة الضوئية هذه بواسطة المجال الكهربائي في وصلة القاعدة-المجمع المنحازة عكسيًا. يعمل تيار الصورة الناتج كتيار قاعدة للترانزستور. بسبب كسب التيار للترانزستور (بيتا/h_FE)، يتم تضخيم تيار الصورة الصغير هذا، منتجًا تيار مجمع أكبر بكثير. هذا التضخيم الداخلي هو الفرق الرئيسي عن الثنائي الضوئي. يتناسب تيار المجمع بشكل أساسي مع شدة الضوء الساقط وكسب الجهاز.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تمثل الترانزستورات الضوئية مثل LTR-306 تقنية ناضجة وفعالة من حيث التكلفة للاستشعار الضوئي البسيط. تشمل الاتجاهات الحالية في الإلكترونيات الضوئية دمج الترانزستورات الضوئية مع دوائر تضخيم وتكييف الإشارات على الشريحة لإنشاء مستشعرات ذات خرج رقمي أو مستشعرات تمثيلية ذات خطية محسنة وتعويض حراري. هناك أيضًا اتجاه نحو التصغير وحزم التركيب السطحي ذات بصمات أصغر. للتطبيقات عالية السرعة وأكثر دقة، غالبًا ما يُفضل الثنائيات الضوئية مع مضخمات تحويل التيار إلى جهد خارجية أو دوائر متكاملة ضوئية مخصصة. ومع ذلك، لمهام الكشف الأساسية منخفضة التكلفة ومتوسطة السرعة، تظل الترانزستورات الضوئية المنفصلة ذات صلة عالية بسبب بساطتها وقوتها وقلة عدد مكوناتها.