دیتاشیت فوتوترانزیستور LTR-516AD - بسته‌بندی سبز تیره - ولتاژ معکوس 30 ولت - اتلاف توان 150 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTR-516AD یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN با عملکرد بالا است که برای آشکارسازی تابش مادون قرمز طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تبدیل نور مادون قرمز فرودی به جریان الکتریکی است. ویژگی کلیدی این قطعه، بسته‌بندی پلاستیکی سبز تیره خاص آن است که به منظور فیلتر کردن بخش عمده‌ای از طیف نور مرئی مهندسی شده است. این امر آن را به ویژه برای کاربردهایی مناسب می‌سازد که حسگر باید عمدتاً به سیگنال‌های مادون قرمز پاسخ دهد و تداخل ناشی از نور مرئی محیط را به حداقل برساند. این قطعه ترکیبی از حساسیت نوری بالا، ظرفیت پیوندی پایین و زمان‌های سوئیچینگ سریع را ارائه می‌دهد و آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای سیستم‌های مختلف حسگری و ارتباطی مادون قرمز تبدیل می‌کند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این قطعه برای کار در محدوده‌های مشخص محیطی و الکتریکی به منظور اطمینان از قابلیت اطمینان و جلوگیری از آسیب، درجه‌بندی شده است. حداکثر اتلاف توان در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد، 150 میلی‌وات است. این قطعه می‌تواند ولتاژ معکوس (V_R) تا 30 ولت را تحمل کند. محدوده دمای عملیاتی از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است، در حالی که می‌تواند در محدوده دمایی 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود. برای مونتاژ، پایه‌ها را می‌توان در دمای 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر مدت 5 ثانیه لحیم کرد، به شرطی که نقطه لحیم‌کاری حداقل 1.6 میلی‌متر از بدنه بسته فاصله داشته باشد.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

تمام پارامترهای الکتریکی و نوری در دمای T_A= 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند. ولتاژ شکست معکوس (V_(BR)R) معمولاً در جریان معکوس (I_R) 100 میکروآمپر، 30 ولت است. جریان تاریک معکوس (I_D(R)) که جریان نشتی در هنگام عدم تابش نور است، در ولتاژ V_R= 10 ولت حداکثر 30 نانوآمپر است. تحت تابندگی (E_e) 0.5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع از یک منبع 940 نانومتری، فوتوترانزیستور یک ولتاژ مدار باز (V_OC) معادل 350 میلی‌ولت تولید می‌کند. عملکرد دینامیکی آن با زمان‌های صعود و فرود (T_r, T_f) هر کدام 50 نانوثانیه مشخص می‌شود، هنگامی که با ولتاژ V_R=10 ولت، پالس 940 نانومتری و مقاومت بار 1 کیلواهم آزمایش شود. جریان اتصال کوتاه (I_S) که معیاری کلیدی برای حساسیت است، تحت شرایط V_R=5 ولت، λ=940 نانومتر و E_e=0.1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، 2 میکروآمپر (معمول) است. ظرفیت کل پیوند (C_T) در ولتاژ V_R=3 ولت و فرکانس 1 مگاهرتز حداکثر 25 پیکوفاراد است. طول موج حداکثر حساسیت طیفی (λ_SMAX) 900 نانومتر است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که برای طراحی مدار حیاتی هستند. شکل 1 جریان تاریک (I_D) را در برابر ولتاژ معکوس (V_R) ترسیم می‌کند و رفتار نشتی قطعه در تاریکی را نشان می‌دهد. شکل 2 نشان می‌دهد که چگونه ظرفیت پیوند (C_T) با افزایش ولتاژ معکوس کاهش می‌یابد، که برای کاربردهای فرکانس بالا مهم است. شکل 3 تغییرات جریان نوری را با دمای محیط نشان می‌دهد و بیانگر چگونگی انحراف خروجی حسگر با تغییرات دما است. شکل 4 به طور مشابه جریان تاریک را در برابر دما ترسیم می‌کند. شکل 5 منحنی حساسیت طیفی نسبی است که به صورت گرافیکی حداکثر پاسخ در 900 نانومتر و اثربخشی بسته‌بندی سبز تیره در تضعیف حساسیت در محدوده نور مرئی را تأیید می‌کند. شکل 6 رابطه خطی بین جریان نوری (I_p) و تابندگی مادون قرمز (E_e) را نشان می‌دهد. شکل 7 یک نمودار قطبی است که وابستگی زاویه‌ای حساسیت را نشان می‌دهد. شکل 8 به تفصیل نشان می‌دهد که چگونه حداکثر اتلاف توان کل مجاز با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

LTR-516AD در یک بسته پلاستیکی سبز تیره خاص قرار دارد. نکات کلیدی ابعادی شامل موارد زیر است: تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند، با تلرانس عمومی ±0.25 میلی‌متر مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. حداکثر بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج 1.5 میلی‌متر است. فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بدنه بسته خارج می‌شوند. بسته‌بندی برای نصب از طریق سوراخ طراحی شده است. رنگ سبز تیره جزئی جدایی‌ناپذیر از عملکرد آن است و به عنوان یک فیلتر نور مرئی عمل می‌کند تا نسبت سیگنال به نویز برای آشکارسازی مادون قرمز را بهبود بخشد.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

برای لحیم‌کاری قابل اطمینان، رعایت شرایط مشخص شده بسیار مهم است. پایه‌ها باید در دمای 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه لحیم شوند. نقطه لحیم‌کاری باید حداقل 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه پلاستیکی بسته فاصله داشته باشد تا از آسیب حرارتی به تراشه نیمه‌هادی و پوشش پلاستیکی جلوگیری شود. می‌توان از تکنیک‌های استاندارد لحیم‌کاری موجی یا دستی استفاده کرد، مشروط بر اینکه محدودیت‌های دما و زمان به شدت رعایت شوند. قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض دماهای بالاتر از حد مشخص شده می‌تواند عملکرد را کاهش دهد یا باعث خرابی دائمی شود.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 سناریوهای کاربردی متداول

LTR-516AD برای انواع کاربردهای مبتنی بر مادون قرمز بسیار مناسب است. این کاربردها شامل آشکارسازی شیء و حسگری مجاورت در سیستم‌های اتوماسیون و امنیتی، سنسورهای شکاف در پرینترها و دستگاه‌های فروش خودکار، سوئیچ‌های بدون تماس و پیوندهای ارتباط داده مادون قرمز (مانند رابط‌های قدیمی IRDA) می‌شود. زمان سوئیچینگ سریع آن، آن را در سیستم‌هایی که نیاز به آشکارسازی پالس سریع دارند، قابل استفاده می‌سازد.

6.2 ملاحظات طراحی

هنگام طراحی با این فوتوترانزیستور، چندین عامل باید در نظر گرفته شود. اولاً، نقطه کار باید با در نظر گرفتن حساسیت و سرعت مورد نیاز انتخاب شود؛ یک ولتاژ معکوس بالاتر به طور کلی ظرفیت را کاهش می‌دهد و سرعت را بهبود می‌بخشد اما جریان تاریک را افزایش می‌دهد. مقدار مقاومت بار (R_L) یک انتخاب طراحی حیاتی است: یک R_L بزرگتر خروجی ولتاژ بالاتری فراهم می‌کند اما زمان پاسخ را کند می‌کند (ثابت زمانی RC را افزایش می‌دهد). بسته‌بندی سبز تیره تداخل ناشی از نور مرئی محیط را کاهش می‌دهد، اما طراح همچنان باید زمینه مادون قرمز در محیط کاربردی را در نظر بگیرد. برای عملکرد پایدار در محدوده دما، تغییرات نشان داده شده در شکل‌های 3 و 4 باید لحاظ شوند، احتمالاً از طریق جبران دمایی در مدار شرط‌سازی سیگنال.

7. مقایسه و تمایز فنی

ویژگی متمایزکننده اصلی LTR-516AD، بسته‌بندی سبز تیره اختصاصی آن برای سرکوب نور مرئی است که در تمام فوتوترانزیستورهای استاندارد یافت نمی‌شود. این امر به آن مزیت قابل توجهی در محیط‌هایی با نور مرئی متغیر می‌دهد. ترکیب پارامترهای آن - یک جریان اتصال کوتاه نسبتاً بالا (معمولاً 2 میکروآمپر)، ظرفیت پایین (حداکثر 25 پیکوفاراد) و زمان‌های سوئیچینگ سریع (50 نانوثانیه) - آن را به یک قطعه متعادل تبدیل می‌کند که برای کاربردهای حساس و با سرعت متوسط مناسب است. در مقایسه با فوتودیودها، فوتوترانزیستورهایی مانند LTR-516AD بهره داخلی فراهم می‌کنند که منجر به جریان خروجی بالاتر برای همان ورودی نور می‌شود و مراحل تقویت کننده بعدی را ساده می‌کند.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف از بسته‌بندی سبز تیره چیست؟

ج: پلاستیک سبز تیره به عنوان یک فیلتر نوری داخلی عمل می‌کند. این بسته طول‌موج‌ها در طیف مرئی را به طور قابل توجهی تضعیف می‌کند در حالی که اجازه می‌دهد نور مادون قرمز (به ویژه در حدود 900-940 نانومتر) از آن عبور کند. این امر پاسخ حسگر به نور محیط اتاق، نور خورشید یا سایر منابع مرئی را به حداقل می‌رساند و آن را برای آشکارسازی سیگنال‌های مادون قرمز اختصاصی قابل اطمینان‌تر می‌سازد.

س: چگونه پارامتر "جریان اتصال کوتاه (I_S)" را تفسیر کنم؟

ج: I_S با اتصال کوتاه کلکتور و امیتر (V_CE= 0 ولت) اندازه‌گیری می‌شود. این پارامتر نشان‌دهنده جریان فوتوژنریک شده به ازای هر واحد تابندگی تحت شرایط آزمایش خاص (940 نانومتر، 0.1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) است. در مدار شما، جریان خروجی واقعی هنگامی که یک مقاومت بار یا یک ولتاژ بایاس اعمال می‌شود، کمتر از I_S خواهد بود، اما I_S یک رقم کلیدی برای مقایسه حساسیت پایه دستگاه‌های مختلف است.

س: چرا زمان‌های صعود و فرود مهم هستند؟

ج: این پارامترها (T_r و T_f) تعریف می‌کنند که فوتوترانزیستور با چه سرعتی می‌تواند به تغییرات شدت نور پاسخ دهد. مقدار 50 نانوثانیه به این معنی است که دستگاه به طور تئوری می‌تواند فرکانس‌های سیگنال تا چند مگاهرتز را مدیریت کند و آن را برای سیستم‌های پالسی مادون قرمز، انتقال داده یا کاربردهای شمارش با سرعت بالا مناسب می‌سازد.

س: دما چگونه بر عملکرد تأثیر می‌گذارد؟

ج: همانطور که در منحنی‌ها نشان داده شده است، هم جریان تاریک (نویز) و هم جریان نوری (سیگنال) با افزایش دما افزایش می‌یابند. افزایش جریان تاریک می‌تواند قابل توجه باشد و به طور بالقوه سطح نویز زمینه را بالا ببرد. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که مدار شرط‌سازی سیگنال می‌تواند این تغییرات را مدیریت کند، به ویژه اگر دستگاه در محدوده کامل 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد کار کند.

9. مورد عملی طراحی

طراحی یک مدار ساده آشکارسازی شیء مادون قرمز را در نظر بگیرید. LTR-516AD با یک LED فرستنده مادون قرمز جفت می‌شود. فوتوترانزیستور در پیکربندی امیتر مشترک متصل می‌شود: کلکتور از طریق یک مقاومت بار R_L به یک ولتاژ تغذیه (مثلاً 5 ولت) متصل می‌شود و امیتر به زمین متصل می‌شود. هنگامی که هیچ شیئی وجود ندارد، نور مادون قرمز از LED به فوتوترانزیستور می‌رسد و باعث می‌شود که هدایت کند و ولتاژ کلکتور (V_OUT) را پایین بکشد. هنگامی که یک شیء پرتو را قطع می‌کند، فوتوترانزیستور خاموش می‌شود و V_OUT بالا می‌رود. مقدار R_L باید بر اساس نوسان ولتاژ خروجی و سرعت مورد نظر انتخاب شود. برای یک منبع تغذیه 5 ولت و یک I_S معمولی 2 میکروآمپر، یک R_L 10 کیلواهم هنگامی که روشن است، افت ولتاژی حدود 20 میلی‌ولت ایجاد می‌کند که بسیار کوچک است. بنابراین، معمولاً یک مرحله مقایسه‌کننده تقویت‌کننده عملیاتی پس از فوتوترانزیستور اضافه می‌شود تا یک خروجی دیجیتال تمیز فراهم کند. بسته‌بندی سبز تیره به رد نور محیط کمک می‌کند و سیستم را برای استفاده در شرایط نوری مختلف، مقاوم می‌سازد.

10. اصل عملکرد

یک فوتوترانزیستور اساساً یک ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) است که در آن جریان بیس توسط نور تولید می‌شود به جای اینکه به صورت الکتریکی تأمین شود. در LTR-516AD (از نوع NPN)، فوتون‌های فرودی با انرژی بیشتر از گاف نواری سیلیکون، جفت‌های الکترون-حفره را در ناحیه پیوند بیس-کلکتور ایجاد می‌کنند. این حامل‌های فوتوژنریک شده توسط میدان الکتریکی جاروب می‌شوند و به طور مؤثر یک جریان بیس ایجاد می‌کنند. این جریان بیس سپس توسط بهره جریان ترانزیستور (بتا، β) تقویت می‌شود و منجر به یک جریان کلکتور بسیار بزرگتر می‌گردد. دستگاه معمولاً با پایه بیس باز یا قطع شده کار می‌کند و یک بایاس معکوس در سراسر پیوند کلکتور-بیس اعمال می‌شود تا ناحیه تخلیه گسترش یابد، حساسیت و سرعت بهبود یابد.

11. روندهای صنعت

حوزه حسگری نوری همچنان در حال تکامل است. روندی به سمت یکپارچه‌سازی وجود دارد، جایی که آشکارساز نوری، تقویت‌کننده و منطق دیجیتال در یک تراشه واحد ترکیب می‌شوند (مانند سنسورهای نور محیط یکپارچه، سنسورهای مجاورت). بسته‌بندی‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) در مقایسه با انواع نصب از طریق سوراخ برای مونتاژ خودکار، رایج‌تر می‌شوند. همچنین توسعه مداومی در مواد و طراحی‌ها برای بهبود حساسیت، کاهش نویز (جریان تاریک) و گسترش محدوده طیفی در جریان است. با این حال، قطعات گسسته مانند LTR-516AD برای کاربردهایی که نیاز به ویژگی‌های عملکرد خاص، مسیرهای نوری سفارشی یا تحمل ولتاژ بالا دارند که ممکن است در راه‌حل‌های یکپارچه در دسترس نباشد، حیاتی باقی می‌مانند. اصل استفاده از بسته‌های فیلتر شده برای پاسخ‌های طیفی خاص، همچنان یک روش طراحی رایج و مؤثر است.