دیتاشیت فوتوترانزیستور PD204-6B/L3 - بسته‌بندی 3mm - حساسیت اوج 940nm - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

PD204-6B/L3 یک فوتودیود سیلیکونی PIN پرسرعت و با حساسیت بالا است که در یک بسته پلاستیکی استاندارد 3 میلی‌متری قرار دارد. این قطعه از نظر طیفی با دیودهای ساطع‌کننده نور مرئی و مادون قرمز هماهنگ است و حساسیت اوج آن برای طول موج 940 نانومتر بهینه‌سازی شده است که آن را برای طیف وسیعی از کاربردهای سنجشی نیازمند پاسخ سریع و عملکرد قابل اطمینان مناسب می‌سازد.

مزایای کلیدی این قطعه شامل زمان پاسخ سریع، حساسیت نوری بالا و ظرفیت خازنی پیوند کوچک است که به تشخیص کارآمد سیگنال کمک می‌کند. این محصول مطابق با مقررات RoHS و EU REACH است و به عنوان یک دستگاه بدون سرب (Pb-free) تولید می‌شود.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این دستگاه برای عملکرد قابل اطمینان در محدوده‌های مشخص شده محیطی و الکتریکی طراحی شده است. تجاوز از این مقادیر ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• ولتاژ معکوس (VR):32 ولت - حداکثر ولتاژی که می‌توان به صورت بایاس معکوس در پایانه‌های فوتودیود اعمال کرد.
• دمای عملیاتی (Topr):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمای محیط برای عملکرد عادی دستگاه.
• دمای ذخیره‌سازی (Tstg):40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمای ایمن برای نگهداری هنگامی که دستگاه روشن نیست.
• دمای لحیم‌کاری (Tsol):260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر مدت 5 ثانیه، مطابق با پروفایل‌های استاندارد لحیم‌کاری رفلو.
• اتلاف توان (Pc):150 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها عملکرد اصلی فوتوترانزیستور را تحت شرایط آزمایش استاندارد (Ta=25°C) تعریف می‌کنند.

• پهنای باند طیفی (λ0.5):760 نانومتر تا 1100 نانومتر. این محدوده طول‌موج‌هایی را تعریف می‌کند که دستگاه حداقل نیمی از حساسیت اوج خود را حفظ می‌کند.
• طول موج حساسیت اوج (λP):940 نانومتر (معمولی). دستگاه در این طول موج مادون قرمز بیشترین پاسخ را به نور دارد.
• ولتاژ مدار باز (VOC):0.42 ولت (معمولی) تحت تابندگی (Ee) معادل 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در 940 نانومتر.
• جریان اتصال کوتاه (ISC):4.3 میکروآمپر (معمولی) تحت همان شرایط آزمایش (Ee=1mW/cm², λp=940nm).
• جریان نور معکوس (IL):3.9 میکروآمپر (حداقل)، 6 میکروآمپر (معمولی) در VR=5V، Ee=1mW/cm²، λp=940nm. این جریان نوری است که هنگامی که دیود تحت بایاس معکوس قرار دارد و روشن می‌شود، تولید می‌شود.
• جریان تاریک معکوس (ID):10 نانوآمپر (حداکثر) در VR=10V در تاریکی کامل (Ee=0mW/cm²). این جریان نشتی کوچکی است که حتی در صورت عدم وجود نور نیز جریان می‌یابد.
• ولتاژ شکست معکوس (VBR):32 ولت (حداقل) اندازه‌گیری شده در جریان معکوس (IR) معادل 100μA در تاریکی.
• ظرفیت خازنی کل (Ct):10 پیکوفاراد (معمولی) در VR=5V و فرکانس 1MHz. ظرفیت خازنی پایین‌تر امکان سرعت سوئیچینگ بالاتر را فراهم می‌کند.
• زمان صعود/سقوط (tr/tf):10 نانوثانیه / 10 نانوثانیه (معمولی) با VR=10V و مقاومت بار (RL) معادل 100Ω، که نشان‌دهنده پاسخ بسیار سریع مناسب برای تشخیص نور پالسی است.
• زاویه دید (2θ1/2):45 درجه (معمولی). این میدان دید زاویه‌ای را تعریف می‌کند که دستگاه در آن حساسیت خود را حفظ می‌کند.

تلرانس‌ها به صورت ±10% برای شدت نور، ±1nm برای طول موج غالب و ±0.1V برای ولتاژ مستقیم در کاربردهای مرتبط مشخص شده‌اند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که رفتار دستگاه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد. این منحنی‌ها برای مهندسان طراح جهت پیش‌بینی عملکرد در سناریوهای دنیای واقعی ضروری هستند.

3.1 اتلاف توان در مقابل دمای محیط

این منحنی نشان می‌دهد که حداکثر اتلاف توان مجازی با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. طراحان باید قابلیت تحمل توان را بر این اساس کاهش دهند تا قابلیت اطمینان بلندمدت تضمین شود.

3.2 حساسیت طیفی

منحنی پاسخ طیفی، حساسیت اوج دستگاه در 940 نانومتر و محدوده مفید آن از تقریباً 760 نانومتر تا 1100 نانومتر را تأیید می‌کند. این منحنی مناسب بودن دستگاه را برای کاربردهای استفاده‌کننده از LEDهای مادون قرمز متداول برجسته می‌سازد.

3.3 جریان تاریک معکوس در مقابل دمای محیط

جریان تاریک به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد. این منحنی برای کاربردهای عملیاتی در دماهای بالا حیاتی است، زیرا جریان تاریک بالاتر به نویز کمک می‌کند و می‌تواند نسبت سیگنال به نویز را در شرایط نور کم تحت تأثیر قرار دهد.

3.4 جریان نور معکوس در مقابل تابندگی (Ee)

این نمودار رابطه خطی بین جریان نوری تولید شده (IL) و شدت نور تابیده شده (تابندگی) را در یک محدوده مشخص نشان می‌دهد. این نمودار پاسخ فوتومتری قابل پیش‌بینی و خطی دستگاه را تأیید می‌کند.

3.5 ظرفیت خازنی پایانه در مقابل ولتاژ معکوس

ظرفیت خازنی پیوند (Ct) با افزایش ولتاژ بایاس معکوس کاهش می‌یابد. ظرفیت خازنی پایین‌تر برای کاربردهای پرسرعت مطلوب است و این منحنی به انتخاب نقطه بایاس عملیاتی بهینه کمک می‌کند.

3.6 زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار

این منحنی نشان می‌دهد که چگونه زمان‌های صعود و سقوط (tr/tf) تحت تأثیر مقدار مقاومت بار خارجی (RL) قرار می‌گیرند. پاسخ سریع‌تر با مقاومت‌های بار کوچک‌تر حاصل می‌شود، اما این امر در مقابل دامنه سیگنال معاوضه می‌شود.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

دستگاه از یک بسته رادیال استاندارد 3 میلی‌متری با پایه استفاده می‌کند. نقشه ابعادی، قطر بدنه، فاصله پایه‌ها و ابعاد پایه را مشخص می‌کند. تمام تلرانس‌های نامشخص ±0.25mm است. رنگ لنز مشکی است.

4.2 شناسایی قطبیت

کاتد (پایانه منفی) معمولاً توسط یک نقطه صاف روی بدنه بسته یا یک پایه بلندتر نشان داده می‌شود. قطبیت صحیح باید در طول مونتاژ مدار برای عملکرد صحیح بایاس معکوس رعایت شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعه برای فرآیندهای استاندارد مونتاژ PCB مناسب است.

• لحیم‌کاری رفلو:حداکثر دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد است و زمان در این دما یا بالاتر از آن نباید از 5 ثانیه تجاوز کند تا از آسیب حرارتی به بسته پلاستیکی و تراشه نیمه‌هادی جلوگیری شود.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت لزوم لحیم‌کاری دستی، باید از هویه کنترل دمایی با حداقل زمان تماس (معمولاً کمتر از 3 ثانیه برای هر پایه) استفاده شود.
• تمیزکاری:از مواد شوینده سازگار با جنس بسته پلاستیکی استفاده کنید.
• نگهداری:در یک محیط خشک و ضد استاتیک در محدوده دمای ذخیره‌سازی مشخص شده 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات تعداد در بسته

بسته‌بندی استاندارد به شرح زیر است: 200 تا 1000 قطعه در هر کیسه، 4 کیسه در هر جعبه و 10 جعبه در هر کارتن. این امر انعطاف‌پذیری را برای نمونه‌سازی اولیه و تولید انبوه فراهم می‌کند.

6.2 مشخصات فرم برچسب

برچسب محصول حاوی اطلاعات کلیدی برای ردیابی و شناسایی است:

• CPN:شماره محصول مشتری
• P/N:شماره محصول (مثلاً PD204-6B/L3)
• QTY:تعداد در بسته
• CAT, HUE, REF:رده‌بندی‌ها برای شدت نور، طول موج غالب و ولتاژ مستقیم (در صورت دسته‌بندی).
• LOT No:شماره دسته تولید برای قابلیت ردیابی.
• X:ماه تولید.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

PD204-6B/L3 برای کاربردهای مختلف سنجش نوری مناسب است، از جمله:

• سنسورهای درب اتوماتیک:تشخیص قطع پرتو مادون قرمز برای فعال‌سازی مکانیزم‌های باز/بسته شدن درب.
• کپی‌برها و پرینترها:برای تشخیص کاغذ، سنجش لبه یا نظارت بر سطح تونر استفاده می‌شود.
• دستگاه‌های بازی/سیستم‌های آرکید:برای تشخیص شیء، کنترل‌های تعاملی یا سنجش موقعیت.
• سنجش مادون قرمز عمومی:گیرنده‌های کنترل از راه دور، سنسورهای مجاورتی و اتوماسیون صنعتی که نیازمند تشخیص سریع و قابل اطمینان نور مادون قرمز 940 نانومتر است.

7.2 ملاحظات طراحی

• مدار بایاس:فوتودیود را در حالت بایاس معکوس (حالت فوتوکانداکتیو) برای سرعت و خطی بودن بهینه به کار ببرید. یک ولتاژ معکوس 5 تا 10 ولت معمول است، همانطور که در مشخصات نشان داده شده است.
• مقاومت بار (RL):RL را بر اساس معاوضه مورد نیاز بین سرعت پاسخ (پهنای باند) و نوسان ولتاژ خروجی انتخاب کنید. یک مدار تقویت‌کننده ترانسیمپدانس (TIA) برای تبدیل جریان نوری کوچک به یک ولتاژ قابل استفاده در حالی که سرعت بالا و نویز کم حفظ می‌شود، توصیه می‌شود.
• ملاحظات نوری:از تراز مناسب با منبع نور (معمولاً یک LED مادون قرمز در 940 نانومتر) اطمینان حاصل کنید. زاویه دید 45 درجه باید برای میدان دید در نظر گرفته شود. استفاده از فیلتر نوری می‌تواند به مسدود کردن نور محیطی ناخواسته، به ویژه نور مرئی کمک کند.
• کاهش نویز:برای کاربردهای حساس، دستگاه و مدار آن را از نویز الکتریکی محافظت کنید. مسیرها را کوتاه نگه دارید، از خازن‌های بای‌پس استفاده کنید و تأثیر جریان تاریک در دمای عملیاتی بالا را در نظر بگیرید.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتودیودها یا فوتوترانزیستورهای استاندارد با زمان پاسخ کندتر، PD204-6B/L3 مزایای متمایزی ارائه می‌دهد:

• سرعت بالا:با زمان‌های صعود/سقوط 10 نانوثانیه، به طور قابل توجهی سریع‌تر از بسیاری از فوتوترانزیستورهای عمومی است و امکان تشخیص سیگنال‌های مدوله شده سریع را فراهم می‌کند.
• ساختار PIN:ساختار فوتودیود PIN یک ناحیه تخلیه وسیع‌تر نسبت به یک فوتودیود PN استاندارد فراهم می‌کند که منجر به ظرفیت خازنی پیوند کمتر (10pF) و سرعت بالاتر می‌شود.
• طیف بهینه‌سازی شده:حساسیت اوج 940 نانومتر دقیقاً با خروجی LEDهای مادون قرمز متداول و کم‌هزینه هماهنگ است و کارایی سیستم را به حداکثر می‌رساند.
• بسته‌بندی استاندارد:بسته رادیال 3 میلی‌متری یک فرم فکتور رایج صنعتی است که ادغام آن را در طراحی‌های موجود آسان می‌کند و با فوت‌پرینت‌های استاندارد PCB سازگار است.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

9.1 تفاوت عملکرد در حالت فوتوولتائیک (بایاس صفر) و فوتوکانداکتیو (بایاس معکوس) چیست؟

در حالت فوتوولتائیک (V_R=0V)، فوتودیود یک ولتاژ (V_OC) تولید می‌کند. این حالت جریان تاریک صفر دارد اما پاسخ کندتر و خطی بودن کمتری دارد. مشخصات PD204-6B/L3 مقدار VOC=0.42V را فهرست می‌کند. در حالت فوتوکانداکتیو (با بایاس معکوس، مثلاً V_R=5V)، یک ولتاژ خارجی اعمال می‌شود. این امر ظرفیت خازنی پیوند را کاهش می‌دهد (امکان پاسخ سریع‌تر را فراهم می‌کند، همانطور که در tr/tf معادل 10ns مشاهده می‌شود)، خطی بودن را بهبود می‌بخشد و اجازه می‌دهد ناحیه فعال بزرگتری داشته باشد، اما جریان تاریک (I_D) را معرفی می‌کند. برای کاربردهای پرسرعت مانند آنچه برای این دستگاه در نظر گرفته شده است، حالت فوتوکانداکتیو توصیه می‌شود.

9.2 چگونه جریان نور (I_L) را به یک ولتاژ قابل اندازه‌گیری تبدیل کنم؟

ساده‌ترین روش استفاده از یک مقاومت بار (R_L) به صورت سری است. ولتاژ خروجی برابر است با V_out = I_L * R_L. با این حال، با افزایش R_L، ثابت زمانی RC (با ظرفیت خازنی دیود) افزایش می‌یابد و پاسخ را کند می‌کند (همانطور که در منحنی زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار نشان داده شده است). برای عملکرد بهینه، به ویژه با جریان‌های کوچک و نیاز به سرعت، یک تقویت‌کننده ترانسیمپدانس (TIA) مدار ترجیحی است. این مدار یک ولتاژ خروجی پایدار و با امپدانس کم (V_out = -I_L * R_f) فراهم می‌کند در حالی که فوتودیود را در زمین مجازی نگه می‌دارد و تأثیرات ظرفیت خازنی را به حداقل می‌رساند.

9.3 چرا جریان تاریک مهم است و دما چگونه بر آن تأثیر می‌گذارد؟

جریان تاریک (I_D) جریان نویزی است که در صورت عدم وجود نور جریان می‌یابد. این جریان حد پایین نور قابل تشخیص را تعیین می‌کند. دیتاشیت حداکثر 10nA را در دمای 25 درجه سانتی‌گراد مشخص می‌کند. این جریان تقریباً با هر 10 درجه سانتی‌گراد افزایش دما دو برابر می‌شود. بنابراین، در محیط‌های با دمای بالا یا برای تشخیص نور بسیار کم، جریان تاریک می‌تواند به یک منبع قابل توجه نویز تبدیل شود و باید در طراحی مدار (مثلاً از طریق جبران دمایی یا تکنیک‌های تشخیص همزمان) در نظر گرفته شود.

9.4 آیا این سنسور را می‌توان با منابع نوری غیر از 940nm استفاده کرد؟

بله، اما با حساسیت کاهش یافته. منحنی پاسخ طیفی حساسیت قابل توجهی از 760 نانومتر تا 1100 نانومتر نشان می‌دهد. به عنوان مثال، به LEDهای 850 نانومتر پاسخ خواهد داد، اما جریان نوری تولید شده برای همان شدت نور کمتر از یک منبع 940 نانومتر خواهد بود. همیشه برای طراحی دقیق به منحنی حساسیت طیفی نسبی (در صورت ارائه کامل) مراجعه کنید یا پاسخ‌دهی را در طول موج مورد نظر محاسبه کنید.

10. مطالعه موردی طراحی عملی

مورد طراحی: سنسور قطع پرتو مادون قرمز برای دروازه امنیتی.

هدف:ایجاد یک سنسور قابل اطمینان و سریع برای تشخیص زمانی که یک شیء یک پرتو مادون قرمز نامرئی را قطع می‌کند و فعال‌سازی یک آلارم امنیتی.

پیاده‌سازی:

1. فرستنده:یک LED مادون قرمز 940 نانومتر توسط یک جریان پالسی (مثلاً پالس‌های 20mA در 38kHz) راه‌اندازی می‌شود تا ایمنی در برابر نور محیطی فراهم شود و مصرف توان متوسط کاهش یابد.
2. گیرنده:PD204-6B/L3 در مقابل فرستنده قرار می‌گیرد و در زاویه دید 45 درجه آن تراز می‌شود. این قطعه از طریق یک مقاومت بار تحت بایاس معکوس 5 ولت قرار می‌گیرد.
3. شرط‌سازی سیگنال:سیگنال جریان نوری AC کوچک از فوتودیود (روی جریان تاریک DC سوار شده) به یک تقویت‌کننده با بهره بالا و عبور باند تنظیم شده روی 38kHz تغذیه می‌شود. این امر نور محیطی DC و نویز فرکانس پایین را فیلتر می‌کند.
4. تشخیص:سپس سیگنال تقویت شده یکسو شده و با یک آستانه مقایسه می‌شود. هنگامی که پرتو قطع نشده است، یک سیگنال قوی 38kHz وجود دارد و خروجی مقایسه‌گر بالا است. هنگامی که یک شیء پرتو را قطع می‌کند، سیگنال ناپدید می‌شود و باعث می‌شود مقایسه‌گر به حالت پایین سوئیچ کند و آلارم را فعال کند.

چرا PD204-6B/L3 مناسب است:زمان پاسخ سریع 10 نانوثانیه‌ای آن به راحتی سیگنال مدوله شده 38kHz را مدیریت می‌کند. حساسیت بالا در 940 نانومتر نسبت سیگنال به نویز خوبی از LED مادون قرمز هماهنگ تضمین می‌کند. ظرفیت خازنی کم امکان یک مدار پاسخگو را حتی با اجزای فیلترینگ ضروری فراهم می‌کند.

11. اصل عملکرد

یک فوتودیود PIN مانند PD204-6B/L3 بر اساس اصل اثر فوتوالکتریک داخلی عمل می‌کند. ساختار دستگاه شامل یک ناحیه ذاتی (I) نیمه‌هادی وسیع و کم‌دوپ شده است که بین ناحیه‌های نوع P و نوع N قرار گرفته است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف انرژی نیمه‌هادی (مثلاً نور مادون قرمز در 940 نانومتر برای سیلیکون) به ناحیه ذاتی برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. هنگامی که دیود تحت بایاس معکوس قرار دارد، میدان الکتریکی داخلی در سراسر ناحیه تخلیه (که در لایه ذاتی گسترش می‌یابد) این حامل‌های بار را به سمت پایانه‌های مربوطه می‌راند و یک جریان نوری (I_L) تولید می‌کند که متناسب با شدت نور تابیده شده است. ناحیه ذاتی وسیع ظرفیت خازنی را کاهش می‌دهد و امکان جمع‌آوری کارآمد حامل‌های تولید شده در حجم بزرگتری را فراهم می‌کند که به سرعت و حساسیت کمک می‌کند.

12. روندها و زمینه صنعت

تشخیص‌دهنده‌های نور مانند PD204-6B/L3 اجزای اساسی در زمینه در حال رشد اپتوالکترونیک و سنجش هستند. روندهای فعلی که تقاضا برای چنین دستگاه‌هایی را هدایت می‌کنند عبارتند از:

• اتوماسیون و صنعت 4.0:افزایش استفاده از سنسورهای غیرتماسی برای کنترل موقعیت، حضور و کیفیت در تولید.
• الکترونیک مصرفی:ادغام در دستگاه‌ها برای سنجش مجاورتی (مثلاً خاموش کردن صفحه نمایش تلفن همراه در طول تماس)، سنجش نور محیطی برای کنترل روشنایی نمایشگر و تشخیص حرکت.
• اینترنت اشیا (IoT):سنسورهای کم‌مصرف و قابل اطمینان برای دستگاه‌های خانه هوشمند، سیستم‌های امنیتی و نظارت بر محیط.
• پیشرفت‌ها:روند کلی به سمت یکپارچه‌سازی بالاتر (مثلاً فوتودیودها با تقویت‌کننده روی تراشه)، بسته‌بندی‌های کوچک‌تر (دستگاه‌های نصب سطحی)، مصرف توان کمتر و عملکرد بهبود یافته در طول‌موج‌های خاص برای کاربردهایی مانند LiDAR، سنجش زیست‌پزشکی و ارتباطات نوری است. دستگاه‌هایی مانند PD204-6B/L3 یک راه‌حل بالغ، قابل اطمینان و مقرون‌به‌صرفه برای نیازهای اصلی سنجش مادون قرمز ارائه می‌دهند.

13. سلب مسئولیت و نکات استفاده

دستورالعمل‌های حیاتی استفاده مشتق شده از سلب مسئولیت دیتاشیت شامل موارد زیر است:

1. مشخصات ممکن است تغییر کند. همیشه برای طراحی به آخرین دیتاشیت رسمی مراجعه کنید.
2. این محصول تحت شرایط نگهداری عادی به مدت 12 ماه از تاریخ حمل، مشخصات منتشر شده خود را برآورده می‌کند.
3. منحنی‌های مشخصه عملکرد معمولی را نشان می‌دهند، نه مقادیر حداقل یا حداکثر تضمین شده. با حاشیه‌های مناسب طراحی کنید.
4. به شدت به مقادیر حداکثر مطلق پایبند باشید. عملکرد فراتر از این محدودیت‌ها می‌تواند باعث خرابی فوری یا نهفته شود. سازنده هیچ مسئولیتی در قبال خسارت ناشی از استفاده نادرست نمی‌پذیرد.
5. این اطلاعات اختصاصی است. تکثیر بدون اجازه ممنوع است.
6. این قطعهبرایکاربردهای حیاتی ایمنی مانند پشتیبانی حیات پزشکی، کنترل خودرو، هوانوردی یا سیستم‌های نظامی طراحی یا تأیید نشده است. برای چنین کاربردهایی، برای محصولات دارای تأییدیه ویژه با سازنده تماس بگیرید.