دیتاشیت فوتوترانزیستور LTR-5576D - بسته‌بندی 3.0x2.8x1.9mm - ولتاژ کلکتور-امیتر 30V - توان 100mW - فیلتر سبز تیره - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTR-5576D یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN است که برای کاربردهای آشکارسازی مادون قرمز طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تبدیل نور مادون قرمز فرودی به جریان الکتریکی در پایانه کلکتور است. یک ویژگی متمایزکننده کلیدی این قطعه، بسته‌بندی پلاستیکی سبز تیره خاص آن است. این ماده بسته‌بندی به طور خاص انتخاب شده تا طول‌موج‌های نور مرئی را تضعیف یا قطع کند و در نتیجه حساسیت و گزینش‌پذیری دستگاه را نسبت به تابش مادون قرمز افزایش دهد. این امر آن را به ویژه برای کاربردهایی مناسب می‌سازد که تمایز بین نور مرئی محیطی و سیگنال مادون قرمز مورد نظر حیاتی است.

مزایای اصلی LTR-5576D شامل محدوده کاری گسترده برای جریان کلکتور است که انعطاف‌پذیری طراحی را فراهم می‌کند. این قطعه حساسیت بالایی به نور مادون قرمز ارائه می‌دهد و حتی در سطوح پایین‌تر تابش نیز آشکارسازی قابل اطمینانی را تضمین می‌کند. علاوه بر این، دارای زمان‌های سوئیچینگ سریع است که با زمان‌های صعود و نزول در محدوده میکروثانیه مشخص می‌شود و امکان استفاده از آن را در کاربردهای نیازمند پاسخ سریع، مانند پیوندهای ارتباط داده‌ای، آشکارسازی شیء و حس‌گری سرعت فراهم می‌کند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. آن‌ها در دمای محیط (T_A) برابر 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند.

• توان اتلافی (P_D):100 میلی‌وات. این حداکثر توانی است که دستگاه می‌تواند به صورت گرما اتلاف کند. تجاوز از این حد خطر فرار حرارتی و خرابی را به همراه دارد.
• ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO):30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین کلکتور و امیتر با بیس باز (شناور) اعمال کرد.
• ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO):5 ولت. حداکثر ولتاژ معکوس قابل اعمال بین امیتر و کلکتور.
• محدوده دمای کاری:40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. محدوده دمای محیطی که در آن عملکرد دستگاه مطابق با مشخصات الکتریکی آن تضمین می‌شود.
• محدوده دمای نگهداری:55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس. محدوده دمایی برای نگهداری غیرعملیاتی بدون تخریب.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه بسته. این محدودیت‌های پروفیل لحیم‌کاری بازجوشی را تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها عملکرد دستگاه را تحت شرایط آزمایش خاص در T_A=25 درجه سلسیوس تعریف می‌کنند.

• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر، V_(BR)CEO:30 ولت (حداقل). اندازه‌گیری شده در I_C= 1mA با تابندگی صفر (E_e= 0 mW/cm²).
• ولتاژ شکست امیتر-کلکتور، V_(BR)ECO:5 ولت (حداقل). اندازه‌گیری شده در I_E= 100μA با تابندگی صفر.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر، V_CE(SAT):0.4 ولت (حداکثر). افت ولتاژ در سراسر دستگاه هنگامی که کاملاً "روشن" (هادی) است، آزمایش شده در I_C= 50μA و E_e= 0.5 mW/cm². یک V_CE(SAT)پایین برای سوئیچینگ کارآمد مطلوب است.
• زمان‌های سوئیچینگ:
  • زمان صعود (T_r):15 میکروثانیه (معمولی). زمان لازم برای افزایش جریان خروجی از 10% به 90% مقدار نهایی آن.
  • زمان نزول (T_f):18 میکروثانیه (معمولی). زمان لازم برای کاهش جریان خروجی از 90% به 10% مقدار اولیه آن. آزمایش شده در V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ.
• جریان تاریک کلکتور (I_CEO):100 نانوآمپر (حداکثر). جریان نشتی که از کلکتور می‌گذرد هنگامی که هیچ نوری فرودی نیست (E_e= 0 mW/cm²) و V_CE= 10V. یک جریان تاریک پایین برای نسبت سیگنال به نویز خوب در آشکارسازی نور کم حیاتی است.
• نسبت جریان کلکتور در حالت روشن (R):تعریف شده به صورت I_L1/I_L2, با مقدار معمولی 1.0 و حداقل/حداکثر 0.8/1.25. این پارامتر به یکنواختی خروجی جریان تحت شرایط آزمایش خاص مربوط می‌شود.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینی)

LTR-5576D از یک سیستم دسته‌بندی بر اساس جریان کلکتور متوسط در حالت روشن (I_C(ON)) استفاده می‌کند. این جریان تحت شرایط استاندارد اندازه‌گیری می‌شود: V_CE= 5V و یک تابندگی (E_e) برابر 1 mW/cm². دستگاه‌ها بر اساس محدوده I_C(ON)اندازه‌گیری شده آن‌ها به دسته‌های مختلف (A تا F) مرتب می‌شوند. هر دسته با یک علامت‌گذاری رنگی خاص برای شناسایی آسان مرتبط است.

دو مجموعه حد ارائه شده است: محدوده‌های تنگ‌ترتنظیمات تولیدکه در طول مرتب‌سازی تولید استفاده می‌شود، و محدوده‌های وسیع‌ترمحدودیت‌های کنترل کیفیت (Q.C.)که برای آزمایش پذیرش نهایی استفاده می‌شود.

این دسته‌بندی به طراحان اجازه می‌دهد تا دستگاه‌هایی با حساسیت یکنواخت برای نیازهای مدار خاص خود انتخاب کنند و عملکرد قابل پیش‌بینی را در تولید انبوه تضمین می‌کند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که رفتار دستگاه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد.

4.1 جریان تاریک کلکتور در مقابل دمای محیط (شکل 1)

این منحنی نشان می‌دهد که جریان تاریک کلکتور (I_CEO) به صورت نمایی با افزایش دمای محیط افزایش می‌یابد. در 25 درجه سلسیوس، در محدوده نانوآمپر است، اما می‌تواند در انتهای بالایی محدوده دمای کاری (85+ درجه سلسیوس) به طور قابل توجهی افزایش یابد. این مشخصه برای طراحی مدارهایی که باید در یک محدوده دمایی وسیع پایداری خود را حفظ کنند، حیاتی است، زیرا جریان تاریک افزایش‌یافته به عنوان یک افست یا منبع نویز عمل می‌کند.

4.2 کاهش توان مجاز کلکتور در مقابل دمای محیط (شکل 2)

این نمودار کاهش توان اتلافی حداکثر مجاز را با افزایش دمای محیط به تصویر می‌کشد. در 25 درجه سلسیوس، دستگاه می‌تواند تمام 100 میلی‌وات را اتلاف کند. با افزایش دما، این توان حداکثر باید به صورت خطی کاهش یابد تا از تجاوز از حد دمای پیوند جلوگیری شود. این منحنی برای مدیریت حرارتی و تضمین عملکرد قابل اطمینان در محیط‌های با دمای بالا ضروری است.

4.3 زمان صعود و نزول در مقابل مقاومت بار (شکل 3)

این نمودار رابطه بین سرعت سوئیچینگ (T_r, T_f) و مقاومت بار (R_L) متصل به کلکتور را نشان می‌دهد. زمان‌های سوئیچینگ با کاهش مقاومت بار کاهش می‌یابند. این به این دلیل است که یک R_Lکوچکتر امکان شارژ و دشارژ سریع‌تر ظرفیت پیوند فوتوترانزیستور و هر ظرفیت پارازیتی در مدار را فراهم می‌کند. طراحان می‌توانند از این منحنی برای بهینه‌سازی R_Lبرای تعادل مطلوب بین سرعت سوئیچینگ و دامنه سیگنال خروجی استفاده کنند.

4.4 جریان کلکتور نسبی در مقابل تابندگی (شکل 4)

این منحنی تابع انتقال فوتوترانزیستور را نشان می‌دهد: رابطه بین تابندگی مادون قرمز فرودی (E_e, بر حسب mW/cm²) و جریان کلکتور حاصل (I_C). منحنی معمولاً در یک محدوده خاص خطی است. این خطی‌بودن برای کاربردهای حس‌گری آنالوگ که در آن جریان خروجی باید مستقیماً متناسب با شدت نور باشد، مهم است. نمودار در V_CE= 5V گرفته شده است.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد بسته‌بندی

LTR-5576D در یک بسته‌بندی استاندارد 3 پایه با دید جانبی عرضه می‌شود. ابعاد کلیدی (بر حسب میلی‌متر) به شرح زیر است، با تلرانس عمومی ±0.15mm مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد:

• بدنه بسته: تقریباً 3.0 میلی‌متر طول، 2.8 میلی‌متر ارتفاع و 1.9 میلی‌متر عمق (به استثنای پایه‌ها).
• فاصله پایه‌ها: فاصله بین مرکز پایه‌ها یک مقدار استاندارد است، در جایی که از بدنه بسته خارج می‌شوند اندازه‌گیری می‌شود.
• رزین بیرون‌زده: حداکثر 1.5 میلی‌متر رزین ممکن است زیر فلنج بیرون بزند.

ماده پلاستیکی سبز تیره بسته بخشی جدایی‌ناپذیر از عملکرد آن است و نور مرئی را فیلتر می‌کند.

5.2 شناسایی قطبیت

دستگاه سه پایه دارد: امیتر، کلکتور و بیس (که اغلب در برخی پیکربندی‌ها بدون اتصال رها می‌شود یا برای یک مقاومت بایاس استفاده می‌شود). آرایش پایه‌ها برای این نوع بسته استاندارد است، اما طراحان همیشه باید برای جهت‌گیری صحیح به نقشه دقیق بسته در دیتاشیت مراجعه کنند. اتصال نادرست می‌تواند به دستگاه آسیب برساند.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

جابجایی و مونتاژ فوتوترانزیستورها نیاز به دقت دارد تا از آسیب ناشی از تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و گرمای بیش از حد جلوگیری شود.

• اقدامات احتیاطی ESD:دستگاه به ESD حساس است. باید روش‌های جابجایی ایمن در برابر ESD، از جمله استفاده از مچ‌بندهای زمین‌شده و سطوح کار رسانا، رعایت شود.
• لحیم‌کاری بازجوشی:حداکثر مقدار مطلق برای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه است، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه بسته. این مربوط به یک پروفیل استاندارد بازجوشی بدون سرب است. پروفیل باید به دقت کنترل شود تا از شوک حرارتی یا تجاوز از این حد جلوگیری شود.
• لحیم‌کاری موجی:در صورت استفاده، لحیم‌کاری موجی باید با پیش‌گرمایش مناسب انجام شود تا تنش حرارتی روی بسته پلاستیکی به حداقل برسد.
• تمیزکاری:از حلال‌های تمیزکننده‌ای استفاده کنید که با ماده پلاستیکی سبز تیره سازگار هستند تا از تغییر رنگ یا تخریب جلوگیری شود.
• نگهداری:در یک محیط خشک و محافظت‌شده در برابر ESD و در محدوده دمای مشخص شده 55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس نگهداری شود.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی معمول

• آشکارسازی شیء و حس‌گری مجاورت:در دستگاه‌هایی مانند شیرهای آب خودکار، خشک‌کن‌های دست، دستگاه‌های توزیع دستمال کاغذی و سیستم‌های امنیتی برای تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء با انعکاس یک پرتو مادون قرمز استفاده می‌شود.
• اتوماسیون صنعتی:برای شمارش اشیاء روی نوار نقاله، تشخیص موقعیت قطعات ماشین‌آلات یا در انکودرهای نوری برای بازخورد سرعت و موقعیت.
• الکترونیک مصرفی:در گیرنده‌های کنترل از راه دور (اگرچه اغلب با یک IC اختصاصی جفت می‌شود)، سنسورهای نور محیط برای کنترل روشنایی نمایشگر و سنسورهای شکاف در پرینترها یا درایوهای دیسک.
• پیوندهای داده پایه:برای انتقال داده مادون قرمز ساده و برد کوتاه (مانند سیستم‌های سازگار با IrDA در سرعت‌های پایین‌تر).

7.2 ملاحظات طراحی

• مدار بایاس:فوتوترانزیستور را می‌توان در دو پیکربندی رایج استفاده کرد: یک سوئیچ ساده (با یک مقاومت pull-up) یا در حالت خطی برای حس‌گری آنالوگ. مقدار مقاومت بار (R_L) حیاتی است و بر بهره، پهنای باند (سرعت سوئیچینگ) و نوسان ولتاژ خروجی تأثیر می‌گذارد.
• رد نور محیط:بسته سبز تیره رد قابل توجهی از نور مرئی ارائه می‌دهد، اما کامل نیست. برای محیط‌های با نور محیطی بالا، ممکن است فیلترگذاری نوری اضافی، سیگنال‌های مادون قرمز مدوله‌شده یا تکنیک‌های آشکارسازی همزمان برای بهبود یکپارچگی سیگنال ضروری باشد.
• جبران دمایی:همانطور که در منحنی‌ها نشان داده شده است، جریان تاریک با دما افزایش می‌یابد. برای حس‌گری آنالوگ دقیق، ممکن است مدارها نیاز به جبران دمایی داشته باشند یا از دستگاه در یک پیکربندی تفاضلی برای حذف افست وابسته به دما استفاده کنند.
• طراحی لنز و محفظه:میدان دید سنسور توسط بسته‌بندی آن تعیین می‌شود. لنزها یا دیافراگم‌های خارجی می‌توانند برای فوکوس یا محدود کردن ناحیه حس‌گری مطابق نیاز کاربرد استفاده شوند.

8. مقایسه و تمایز فنی

متمایزکننده اصلی LTR-5576Dبسته پلاستیکی سبز تیرهآن است. در مقایسه با بسته‌های شفاف یا بی‌رنگ استاندارد، این امر فیلترگذاری ذاتی نور مرئی را ارائه می‌دهد و طراحی نوری را در محیط‌هایی با نور مرئی محیطی نوسانی ساده می‌کند.زمان‌های سوئیچینگ سریعآن (در محدوده 15-18 میکروثانیه) آن را برای کاربردهای نیازمند پاسخ سریع‌تر نسبت به فوتوترانزیستورهای معمولی، که می‌توانند زمان سوئیچینگ در محدوده ده‌ها تا صدها میکروثانیه داشته باشند، مناسب می‌سازد.سیستم دسته‌بندی جامع(دسته‌های A-F) به طراحان یک محدوده حساسیت تضمین‌شده ارائه می‌دهد و امکان عملکرد یکنواخت‌تر را در تولید انبوه در مقایسه با قطعات بدون دسته‌بندی با پراکندگی پارامتری وسیع‌تر فراهم می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف از بسته سبز تیره چیست؟
ج: پلاستیک سبز تیره به عنوان یک فیلتر نوری داخلی عمل می‌کند. بیشتر طیف نور مرئی را تضعیف می‌کند در حالی که اجازه می‌دهد طول‌موج‌های مادون قرمز به تراشه سیلیکونی عبور کنند. این امر به طور قابل توجهی پاسخ سنسور به نور محیط اتاق، نور خورشید یا سایر منابع مرئی را کاهش می‌دهد و باعث می‌شود که عمدتاً به سیگنال مادون قرمز مورد نظر پاسخ دهد.

س: چگونه مقاومت بار مناسب (R_L) را انتخاب کنم؟
ج: انتخاب شامل یک مصالحه است. یک R_Lبزرگ‌تر نوسان ولتاژ خروجی بالاتری برای یک جریان نوری معین (بهره بالاتر) ارائه می‌دهد اما منجر به سرعت سوئیچینگ کندتر می‌شود (شکل 3 را ببینید). یک R_Lکوچک‌تر پاسخ سریع‌تر اما بهره پایین‌تری ارائه می‌دهد. R_Lرا بر اساس اینکه اولویت شما حساسیت (حس‌گری آنالوگ) است یا سرعت (سوئیچینگ دیجیتال) انتخاب کنید.

س: دسته‌بندی (A-F) برای طراحی من چه معنایی دارد؟
ج: دسته‌بندی یکنواختی حساسیت را تضمین می‌کند. اگر مدار شما برای یک آستانه جریان خاص طراحی شده است، استفاده از دستگاه‌های یک دسته تضمین می‌کند که همه آن‌ها در تقریباً یک سطح نوری یکسان فعال می‌شوند. مخلوط کردن دسته‌ها می‌تواند باعث شود برخی واحدها حساسیت بیشتری یا کمتری نسبت به دیگران داشته باشند. دسته‌ای را انتخاب کنید که محدوده I_C(ON)آن با نقطه کاری مدار شما مطابقت داشته باشد.

س: آیا می‌توانم از این سنسور در نور مستقیم خورشید استفاده کنم؟
ج: در حالی که بسته سبز تیره کمک می‌کند، نور مستقیم خورشید حاوی مقدار عظیمی از تابش مادون قرمز است که می‌تواند سنسور را اشباع کند. برای کاربردهای فضای باز یا با مادون قرمز محیطی بالا، اقدامات اضافی مانند فیلترهای نوری میان‌گذر تنظیم‌شده روی طول‌موج منبع مادون قرمز خاص شما، محافظ فیزیکی یا استفاده از یک منبع مادون قرمز مدوله‌شده با آشکارسازی همزمان مورد نیاز است.

10. مطالعه موردی طراحی عملی

سناریو: طراحی سنسور دستگاه توزیع دستمال کاغذی.
هدف تشخیص دستی است که زیر دستگاه قرار گرفته و فعال‌سازی موتور است. یک فرستنده LED مادون قرمز در مقابل آشکارساز LTR-5576D قرار می‌گیرد. به طور معمول، پرتو مادون قرمز به آشکارساز برخورد می‌کند و جریان تولید می‌کند. هنگامی که دست پرتو را قطع می‌کند، جریان کاهش می‌یابد.

مراحل طراحی:
1. پیکربندی مدار:از فوتوترانزیستور در پیکربندی سوئیچ امیتر مشترک استفاده کنید. کلکتور را از طریق یک مقاومت بار R_Lبه یک ولتاژ تغذیه (مثلاً 5V) وصل کنید. امیتر به زمین متصل است. ولتاژ خروجی از گره کلکتور گرفته می‌شود.
2. انتخاب R_L:از آنجایی که سرعت حیاتی نیست (حرکت دست کند است)، اولویت را به نوسان سیگنال خوب بدهید. از شکل 4، در یک تابندگی معقول، I_Cممکن است ~500μA (دسته C) باشد. انتخاب R_L= 10kΩ یک نوسان ولتاژ ΔV = I_C* R_L≈ 5V می‌دهد که برای راه‌اندازی ورودی منطقی عالی است.
3. انتخاب دسته‌بندی:دسته‌ای را انتخاب کنید (مثلاً دسته C یا D) که جریان کافی با خروجی LED مادون قرمز انتخاب شده در فاصله حس‌گری مورد نیاز فراهم می‌کند. این امر فعال‌سازی قابل اطمینان را تضمین می‌کند.
4. مصونیت در برابر نور محیط:بسته سبز تیره LTR-5576D به طور خودکار بیشتر تغییرات در نورپردازی اتاق را رد می‌کند و سیستم را بدون فیلترگذاری پیچیده مقاوم می‌سازد.
5. شرط‌سازی خروجی:ولتاژ کلکتور (بالا هنگامی که پرتو وجود دارد، پایین هنگامی که قطع می‌شود) می‌تواند مستقیماً به یک مقایسه‌گر یا پایه GPIO میکروکنترلر برای پردازش تغذیه شود.

11. اصل عملکرد

یک فوتوترانزیستور اساساً یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) است که در آن جریان بیس توسط نور به جای یک اتصال الکتریکی تولید می‌شود. در LTR-5576D (نوع NPN)، فوتون‌های مادون قرمز فرودی روی پیوند بیس-کلکتور جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. این حامل‌های فوتوژنریک توسط میدان الکتریکی در سراسر پیوند بیس-کلکتور با بایاس معکوس جارو می‌شوند و یک جریان نوری ایجاد می‌کنند. این جریان نوری به عنوان جریان بیس (I_B) برای ترانزیستور عمل می‌کند. به دلیل بهره جریان ترانزیستور (β یا h_FE)، جریان کلکتور (I_C) بسیار بزرگ‌تر از جریان نوری اصلی است (I_C≈ β * I_B). این تقویت داخلی چیزی است که به یک فوتوترانزیستور در مقایسه با یک فوتودیود ساده حساسیت بالای آن را می‌دهد.

12. روندهای فناوری

حوزه حس‌گری نوری همچنان در حال تکامل است. روندهای مرتبط با قطعاتی مانند LTR-5576D شامل موارد زیر است:
یکپارچه‌سازی:افزایش یکپارچه‌سازی آشکارساز نوری با مدارهای جلویی آنالوگ (تقویت‌کننده‌های ترانس‌امپدانس، ADC) و منطق دیجیتال در راه‌حل‌های تک‌تراشه یا ماژول‌ها.
ویژگی طول‌موج:توسعه آشکارسازهایی با منحنی‌های پاسخ طیفی تیزتر یا قابلیت تنظیم برای کاربردهای خاص مانند حس‌گری گاز یا تحلیل بیولوژیکی.
کوچک‌سازی:کاهش مداوم اندازه بسته برای جای‌گیری در دستگاه‌های مصرفی و پزشکی هرچه کوچک‌تر.
بهبود عملکرد:تلاش‌ها برای کاهش بیشتر جریان تاریک، افزایش سرعت و افزایش حساسیت برای کاربردهای کم‌مصرف. اصل اساسی فوتوترانزیستور همچنان معتبر است، اما پیاده‌سازی و معماری سیستم پشتیبانی آن همچنان در حال پیشرفت است.