دیتاشیت فوتوترانزیستور LTR-S320-DB-L - بسته‌بندی EIA - حساسیت اوج 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTR-S320-DB-L یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN با عملکرد بالا است که برای کاربردهای حسگری مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه برای تشخیص نور در طیف مادون قرمز نزدیک بهینه‌سازی شده و حساسیت اوج آن به طور خاص در 940 نانومتر است که آن را برای طیف گسترده‌ای از سیستم‌های کنترل از راه دور، تشخیص اشیاء و وظایف اتوماسیون صنعتی مناسب می‌سازد. عملکرد اصلی آن تبدیل نور مادون قرمز تابیده شده به جریان الکتریکی متناظر است.

قطعه در یک بسته استاندارد مطابق با EIA با یک لنز رزینی سیاه برش نور روز قرار گرفته است. این لنز به طور مؤثری نور محیطی مرئی را فیلتر می‌کند و به طور قابل توجهی نویز و تحریک کاذب را کاهش می‌دهد و در نتیجه نسبت سیگنال به نویز را در حضور نور پس‌زمینه بهبود می‌بخشد. این بسته برای سازگاری با فرآیندهای مونتاژ خودکار با حجم بالا، از جمله تغذیه نوار و قرقره و لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز طراحی شده است که با الزامات تولید مدرن همسو است.

به عنوان یک "محصول سبز" مطابق با RoHS و بدون سرب، این قطعه با استانداردهای زیست‌محیطی معاصر مطابقت دارد. ترکیب پاسخ طیفی، طراحی بسته و سازگاری ساختاری، آن را به عنوان یک راه‌حل قابل اعتماد و همه‌کاره برای مدارهای تشخیص مادون قرمز حساس به هزینه و مبتنی بر عملکرد معرفی می‌کند.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی و عمیق

تمام مشخصات الکتریکی و نوری در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس تعیین شده‌اند که یک خط پایه استاندارد برای ارزیابی عملکرد فراهم می‌کند.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد در این محدودیت‌ها یا نزدیک به آن تضمین نشده و باید در طراحی مدار از آن اجتناب کرد.

• اتلاف توان (P_D):150 میلی‌وات. این حداکثر توان مجازی است که قطعه می‌تواند به صورت گرما دفع 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 پایه‌های کلکتور و امیتر اعمال کرد هنگامی که بیس باز است (فوتوترانزیستور در شرایط تاریکی).
• محدوده دمای کاری:40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. محدوده دمای محیطی که قطعه برای عملکرد صحیح در آن طراحی شده است.
• محدوده دمای نگهداری:55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس. محدوده دمایی برای نگهداری غیرعملیاتی بدون تخریب.
• شرایط لحیم‌کاری مادون قرمز:دمای اوج 260 درجه سلسیوس برای حداکثر 10 ثانیه. این محدوده پروفیل حرارتی برای فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب را تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط آزمایش خاص تعریف می‌کنند.

• ولتاژ شکست معکوس (V_(BR)R):حداقل 33 ولت، معمولاً 170 ولت در I_R=100 میکروآمپر. این مقدار بالا نشان‌دهنده یک پیوند قوی است که قادر به تحمل بایاس معکوس قابل توجهی است که برای مدارهای با بارهای القایی یا اسپایک‌های ولتاژ مفید است.
• جریان تاریک معکوس (I_D):حداکثر 10 نانوآمپر در V_R=10 ولت. این جریان نشتی هنگامی است که هیچ نوری تابیده نمی‌شود. یک جریان تاریک پایین برای دستیابی به حساسیت بالا و عملکرد کم‌نویز، به ویژه در سناریوهای تشخیص نور کم، حیاتی است.
• ولتاژ مدار باز (V_OC):معمولاً 390 میلی‌ولت هنگامی که توسط نور 940 نانومتر در تابندگی (E_e) 0.5 میلی‌وات بر سانتیمتر مربع روشن می‌شود. این پارامتر هنگامی مرتبط است که قطعه در حالت فوتوولتائیک (بدون بایاس خارجی) استفاده می‌شود.
• جریان اتصال کوتاه (I_SC):معمولاً 1.8 میکروآمپر تحت همان شرایط آزمایش V_OC(V_R=5 ولت، λ=940 نانومتر، E_e=0.5 میلی‌وات بر سانتیمتر مربع). این جریان فوتویی است که هنگامی که خروجی اتصال کوتاه شده است، تولید می‌شود.
• زمان صعود (T_r) و زمان سقوط (T_f):حداکثر 30 نانوثانیه برای هر کدام (V_R=10 ولت، R_L=1 کیلواهم). این مشخصات سرعت سوئیچینگ برای کاربردهایی که نیاز به تشخیص پالس سریع یا مدولاسیون فرکانس بالا دارند، مانند پیوندهای ارتباط داده، بسیار مهم است.
• ظرفیت کل (C_T):حداکثر 1 پیکوفاراد در V_R=5 ولت، f=1 مگاهرتز. ظرفیت پیوند پایین برای حفظ زمان‌های پاسخ سریع ضروری است، زیرا ثابت زمانی RC مدار را محدود می‌کند.
• پهنای باند طیفی (λ_0.5):750 نانومتر تا 1100 نانومتر. این محدوده طول‌موج‌هایی را تعریف می‌کند که پاسخ‌دهی قطعه حداقل نصف مقدار اوج آن است. این محدوده منطقه مادون قرمز متداول مورد استفاده توسط بسیاری از تابنده‌های IR (مانند LEDهای 850 نانومتر و 940 نانومتر) را پوشش می‌دهد.
• طول موج حساسیت اوج (λ_P):940 نانومتر. قطعه از نظر طیفی با LEDهای مادون قرمز تابنده در 940 نانومتر هماهنگ شده است که حداکثر بازده و قدرت سیگنال را در چنین جفت‌سازی‌هایی تضمین می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه معمولی اشاره می‌کند که بینش بصری از رفتار قطعه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهند. در حالی که نمودارهای خاص در متن بازتولید نشده‌اند، پیامدهای معمولی آن‌ها در زیر تحلیل شده است.

3.1 مشخصات جریان-ولتاژ (IV)

خانواده‌ای از منحنی‌ها که جریان کلکتور (I_C) را در برابر ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CE) برای سطوح مختلف تابندگی تابیده شده (E_e) ترسیم می‌کنند. این منحنی‌ها معمولاً نشان می‌دهند که برای یک تابندگی ثابت، I_Cبا افزایش V_CEافزایش می‌یابد تا به منطقه اشباع برسد. سطوح تابندگی بالاتر منحنی‌ها را به سمت بالا جابجا می‌کند که نشان‌دهنده جریان فوتویی بیشتر است. شیب در منطقه فعال به هدایت خروجی قطعه مربوط می‌شود.

3.2 حساسیت نسبی در برابر طول موج

این منحنی به صورت گرافیکی پاسخ طیفی را نشان می‌دهد که در 940 نانومتر به اوج می‌رسد و به سمت 750 نانومتر و 1100 نانومتر (نقاط λ_0.5) کاهش می‌یابد. این برای انتخاب یک تابنده IR مناسب برای جفت شدن با شناساگر و ارزیابی تأثیر منابع نور محیطی با طیف‌های مختلف ضروری است.

3.3 وابستگی به دما

منحنی‌ها به احتمال زیاد تغییر پارامترهای کلیدی مانند جریان تاریک (I_D) و جریان فوتویی با دمای محیط را نشان می‌دهند. جریان تاریک معمولاً به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد (تقریباً هر 10 درجه سلسیوس دو برابر می‌شود) که می‌تواند منبع قابل توجهی از نویز در کاربردهای با دمای بالا باشد. جریان فوتویی نیز ممکن است ضریب دمایی منفی کمی داشته باشد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته

قطعه مطابق با طرح کلی بسته استاندارد EIA است. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلرانس استاندارد ±0.10 میلی‌متر ارائه شده‌اند مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. بسته دارای یک لنز رزینی سیاه برش نور روز است که روی تراشه سیلیکونی قالب‌گیری شده است.

4.2 شناسایی قطبیت و پین‌اوت

فوتوترانزیستور یک قطعه 2 پایه است. پین‌اوت برای چنین بسته‌هایی استاندارد است: کلکتور معمولاً به بدنه یا پایه بلندتر (در صورت وجود) متصل است، در حالی که امیتر پایه دیگر است. نمودار دیتاشیت شناسایی قطعی را ارائه می‌دهد. قطبیت صحیح برای عملکرد مناسب مدار ضروری است.

4.3 طرح پیشنهادی پد لحیم‌کاری

یک الگوی لند (فوت‌پرینت) توصیه شده برای طراحی PCB ارائه شده است تا اطمینان حاصل شود که اتصال لحیم قابل اعتماد در طول ریفلو تشکیل می‌شود. رعایت این ابعاد به جلوگیری از پدیده "سنگ قبر"، عدم همترازی یا فیله‌های لحیم ناکافی کمک می‌کند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

یک پیشنهاد دقیق برای پروفیل ریفلو مادون قرمز مناسب برای فرآیندهای لحیم‌کاری بدون سرب ارائه شده است. پارامترهای کلیدی شامل:

• پیش‌گرم:150 درجه سلسیوس تا 200 درجه سلسیوس.
• زمان پیش‌گرم:حداکثر 120 ثانیه.
• دمای اوج:حداکثر 260 درجه سلسیوس.
• زمان بالاتر از نقطه ذوب (در اوج):حداکثر 10 ثانیه.
• حداکثر تعداد سیکل‌های ریفلو: Two.

پروفیل بر اساس استانداردهای JEDEC است تا یکپارچگی بسته تضمین شود. مهندسان باید پروفیل را برای طراحی PCB خاص، قطعات و خمیر لحیم خود مشخص کنند.

5.2 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، دمای نوک هویه نباید از 300 درجه سلسیوس تجاوز کند و زمان لحیم‌کاری برای هر پایه باید به حداکثر 3 ثانیه محدود شود. تنها یک سیکل لحیم‌کاری دستی توصیه می‌شود تا از تنش حرارتی اجتناب شود.

5.3 تمیزکاری

فقط باید از مواد تمیزکننده مشخص شده استفاده شود. الکل ایزوپروپیل (IPA) یا اتیل الکل توصیه می‌شود. قطعه باید در دمای معمولی برای کمتر از یک دقیقه غوطه‌ور شود. مایعات شیمیایی نامشخص ممکن است به رزین بسته آسیب برسانند.

5.4 شرایط نگهداری

بسته مهر و موم شده (کیسه مانع رطوبت):در دمای ≤30 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی ≤90% نگهداری شود. قطعات برای استفاده در مدت یک سال از تاریخ مهر و موم کیسه درجه‌بندی شده‌اند.

بسته باز شده:در دمای ≤30 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی ≤60% نگهداری شود. قطعات باید در عرض یک هفته (168 ساعت) ریفلو شوند. برای نگهداری طولانی‌تر خارج از کیسه اصلی، باید در یک ظرف مهر و موم شده با ماده خشک‌کننده یا در یک دسیکاتور نیتروژن نگهداری شوند. قطعاتی که بیش از یک هفته نگهداری شده‌اند باید قبل از لحیم‌کاری در حدود 60 درجه سلسیوس برای حداقل 20 ساعت پخته شوند تا رطوبت جذب شده خارج شده و از "پاپ کورن شدن" در طول ریفلو جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات نوار و قرقره

قطعه در نوار حامل 8 میلی‌متری روی قرقره‌هایی با قطر 7 اینچ (178 میلی‌متر) عرضه می‌شود که با تجهیزات قرارگیری خودکار استاندارد سازگار است.

• تعداد قطعات در هر قرقره: 3000.
• نوار پوششی:حفره‌های خالی قطعات با یک نوار پوششی رویی مهر و موم می‌شوند.
• قطعات مفقود:حداکثر دو قطعه مفقود متوالی ("لامپ‌های مفقود") طبق مشخصات قرقره مجاز است.
• استاندارد:بسته‌بندی از مشخصات ANSI/EIA 481-1-A-1994 پیروی می‌کند.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

• گیرنده‌های کنترل از راه دور مادون قرمز:برای تلویزیون‌ها، سیستم‌های صوتی و ست‌تاپ‌باکس‌ها (جفت شده با یک LED مادون قرمز 940 نانومتر).
• تشخیص شیء/مجاورت:در پرینترها، کپی‌برها، دستگاه‌های فروش خودکار و اتوماسیون صنعتی برای حس کردن کاغذ، اشیاء یا موقعیت.
• آشکارسازهای دود:در طراحی‌های مبتنی بر محفظه نوری.
• انکودرها:برای حس کردن سرعت یا موقعیت در کنترل موتور.
• ایزولاسیون نوری پایه:در مدارهای ایزولاسیون کم‌سرعت و حساس به هزینه.

7.2 ملاحظات طراحی مدار

روش راه‌اندازی:فوتوترانزیستور یک قطعه خروجی جریان است. برای عملکرد یکنواخت، به ویژه هنگامی که چندین قطعه به صورت موازی استفاده می‌شوند، به شدت توصیه می‌شود از یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با هر فوتوترانزیستور استفاده شود (مدل مدار A در دیتاشیت).

مدل مدار A (توصیه شده):هر فوتوترانزیستور مقاومت سری مخصوص به خود را دارد که به ولتاژ تغذیه متصل است. این اطمینان می‌دهد که هر قطعه در یک نقطه جریان تعریف شده عمل می‌کند، تغییرات جزئی در مشخصات جریان-ولتاژ (I-V) آن‌ها را جبران می‌کند و از جذب جریان بیش از حد توسط یک قطعه جلوگیری می‌کند.

مدل مدار B (برای استفاده موازی توصیه نمی‌شود):چندین فوتوترانزیستور به طور مستقیم و موازی به یک مقاومت مشترک متصل شده‌اند. به دلیل تفاوت‌های طبیعی در منحنی I-V قطعات منفرد، یک قطعه ممکن است جریان بیشتری نسبت به دیگران بکشد که منجر به روشنایی یا حساسیت نابرابر در کاربردهای تشخیص می‌شود.

بایاس:قطعه معمولاً در پیکربندی امیتر مشترک با یک مقاومت کششی در کلکتور استفاده می‌شود. مقدار این مقاومت بار (R_L) هم بر نوسان ولتاژ خروجی و هم بر سرعت پاسخ (از طریق ثابت زمانی RC تشکیل شده با ظرفیت قطعه) تأثیر می‌گذارد. یک R_Lکوچکتر پاسخ سریع‌تری می‌دهد اما تغییر ولتاژ خروجی کوچکتری دارد.

مصونیت در برابر نویز:لنز سیاه برش نور روز ردکردن عالی نور مرئی را فراهم می‌کند. با این حال، برای محیط‌های پرنویز (مانند نور فلورسنت یا نور خورشید)، ممکن است فیلترگذاری الکتریکی اضافی (مانند یک خازن موازی با مقاومت بار یا یک الگوریتم دی‌بانس سخت‌افزاری/نرم‌افزاری) برای رد کردن تداخل مدوله شده ضروری باشد.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با یک فوتودیود ساده، یک فوتوترانزیستور بهره جریان داخلی (بتای ترانزیستور، β) را فراهم می‌کند که منجر به جریان خروجی بسیار بالاتر برای همان سطح نور تابیده شده می‌شود. این امر اتصال مستقیم با مدارهای منطقی یا میکروکنترلرها را بدون نیاز به مرحله تقویت بعدی آسان‌تر می‌کند، طراحی را ساده کرده و تعداد قطعات را کاهش می‌دهد.

با این حال، این بهره به قیمت زمان‌های پاسخ کندتر (معمولاً ده‌ها تا صدها نانوثانیه برای فوتوترانزیستورها در مقابل نانوثانیه برای فوتودیودها) و ظرفیت بالقوه بالاتر تمام می‌شود. برای کاربردهای بسیار پرسرعت (مانند مدولاسیون >1 مگاهرتز)، یک فوتودیود با یک تقویت کننده ترانس‌امپدانس خارجی ممکن است انتخاب بهتری باشد.

متمایزکننده‌های کلیدی LTR-S320-DB-L در دسته فوتوترانزیستورها، بسته استاندارد EIA آن برای سهولت ساخت، تطابق طیفی خاص 940 نانومتر، لنز فیلتر نور روز یکپارچه و واجد شرایط بودن آن برای فرآیندهای ریفلو بدون سرب است.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

9.1 هدف از لنز "برش نور روز" چیست؟

لنز رزینی سیاه به گونه‌ای دوپ شده است که برای نور مرئی کدر اما برای طول‌موج‌های مادون قرمز حدود 940 نانومتر شفاف است. این به طور چشمگیری جریان فوتویی تولید شده توسط نور محیط اتاق، نور خورشید یا سایر منابع مرئی را کاهش می‌دهد، تحریک‌های کاذب را به حداقل رسانده و قابلیت اطمینان تشخیص سیگنال IR را بهبود می‌بخشد.

9.2 آیا می‌توانم این قطعه را با یک LED مادون قرمز 850 نانومتر استفاده کنم؟

بله، اما با بازده کاهش یافته. منحنی پاسخ طیفی قطعه حساسیت قابل توجهی در 850 نانومتر (درون پهنای باند 750-1100 نانومتر) نشان می‌دهد، اما در اوج (940 نانومتر) نیست. سیگنال خروجی در مقایسه با استفاده از یک تابنده هماهنگ 940 نانومتر ضعیف‌تر خواهد بود. برای عملکرد بهینه و حداکثر برد، جفت شدن با یک منبع 940 نانومتر توصیه می‌شود.

9.3 چگونه مقدار مقاومت سری مناسب را محاسبه کنم؟

مقدار مقاومت به جریان کاری مورد نظر و ولتاژ تغذیه (V_CC) بستگی دارد. تحت یک تابندگی خاص، فوتوترانزیستور مانند یک منبع جریان رفتار خواهد کرد. با استفاده از قانون اهم: R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C. V_CE(sat)ولتاژ اشباع است (معمولاً چند صد میلی‌ولت در جریان‌های متوسط). I_Cجریان کلکتور مورد نظر است که می‌تواند از پارامتر I_SCو سطح نور مورد انتظار تخمین زده شود. با I_SCمعمولی (1.8 میکروآمپر در 0.5 میلی‌وات بر سانتیمتر مربع) شروع کنید و بر اساس تابندگی کاربرد خود آن را مقیاس دهید. R را انتخاب کنید تا نقطه کاری در منطقه مورد نظر منحنی IV تنظیم شود.

9.4 چرا اگر قطعات خارج از کیسه نگهداری شوند، نیاز به پخت (بیکینگ) دارند؟

بسته‌های پلاستیکی می‌توانند رطوبت را از جو جذب کنند. در طول فرآیند لحیم‌کاری ریفلو با دمای بالا، این رطوبت به دام افتاده می‌تواند به سرعت تبخیر شود و فشار داخلی بالایی ایجاد کند. این می‌تواند باعث لایه‌لایه شدن بسته از تراشه ("پاپ کورن شدن") یا ترک‌های داخلی شود که منجر به خرابی فوری یا نهفته می‌شود. پخت این رطوبت جذب شده را خارج می‌کند و قطعات را برای ریفلو ایمن می‌سازد.

10. 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. فوتون‌های تابیده شده با انرژی بیشتر از گاف باند سیلیکون، جفت‌های الکترون-حفره را در منطقه پیوند بیس-کلکتور ایجاد می‌کنند. این حامل‌ها توسط میدان الکتریکی داخلی جارو می‌شوند و یک جریان فوتویی تولید می‌کنند که به عنوان جریان بیس (I_B) عمل می‌کند. این جریان بیس فوتوژنریک سپس توسط بهره جریان ترانزیستور (h_FEیا β) تقویت می‌شود و منجر به جریان کلکتور بسیار بزرگتری می‌شود (I_C= β * I_B). خروجی از پایه کلکتور گرفته می‌شود، در حالی که امیتر زمین شده است. عدم وجود یک پایه بیس فیزیکی یک ویژگی متداول است، اگرچه برخی فوتوترانزیستورها شامل یک اتصال بیس برای کنترل بایاس یا بهینه‌سازی سرعت هستند.

11. روندهای توسعه

حوزه تشخیص نوری همچنان در حال تکامل است. روندهای مرتبط با قطعاتی مانند LTR-S320-DB-L شامل:

• کوچک‌سازی:توسعه فوتوترانزیستورها در فوت‌پرینت‌های بسته کوچکتر (مانند بسته‌های مقیاس تراشه) برای امکان‌پذیر کردن الکترونیک متراکم‌تر.
• یکپارچه‌سازی پیشرفته:ترکیب شناساگر نوری با تقویت، فیلترگذاری و منطق دیجیتال روی یک تراشه واحد برای ایجاد "سنسورهای هوشمند" با خروجی دیجیتال (I2C، SPI)، کاهش تعداد قطعات خارجی و ساده‌سازی طراحی سیستم.
• بهبود سرعت:تحقیق در مورد ساختارها و مواد برای کاهش زمان عبور حامل و ظرفیت، افزایش پهنای باند فوتوترانزیستورها برای کاربردهای ارتباط داده.
• ویژگی طول موج:توسعه شناساگرها با پاسخ‌های طیفی باریک‌تر و دقیق‌تر تنظیم شده برای بهبود انتخاب‌پذیری در محیط‌های با چندین منبع IR یا برای امکان‌پذیر کردن حالت‌های حسگری جدید.
• تمرکز بر قابلیت اطمینان و آزمایش:با نفوذ اپتوالکترونیک در کاربردهای خودرویی، پزشکی و ایمنی صنعتی، تأکید بیشتری بر استانداردهای صلاحیت‌سنجی دقیق، عملکرد در محدوده دمایی گسترده و تحلیل حالت خرابی وجود دارد.

در حالی که فوتوترانزیستورهای گسسته به دلیل سادگی و مقرون‌به‌صرفه بودن برای بسیاری از کاربردها حیاتی باقی می‌مانند، این روندها به سمت راه‌حل‌های پیچیده‌تر و خاص کاربرد در آینده اشاره دارند.