دیتاشیت فنی LTR-C950-TB-T - فوتوترانزیستور مادون قرمز - بسته‌بندی نمای جانبی - Vce 30V

1. مرور کلی محصول

LTR-C950-TB-T یک قطعه گسسته فوتوترانزیستور مادون قرمز (IR) است که برای کاربردهای سنجش طراحی شده است. این قطعه متعلق به خانواده گسترده‌ای از دستگاه‌های اپتوالکترونیک است که برای استفاده در سیستم‌هایی که نیاز به تشخیص مطمئن نور مادون قرمز دارند، در نظر گرفته شده است. عملکرد اصلی این قطعه تبدیل تابش مادون قرمز فرودی به جریان الکتریکی متناظر در پایه کلکتور آن است. بسته‌بندی نمای جانبی آن با لنز گنبدی و بدنه سیاه برای نصب روی PCB بهینه شده و به مدیریت تداخل نور محیطی کمک می‌کند.

این دستگاه برای سازگاری با فرآیندهای مونتاژ خودکار مدرن، از جمله تجهیزات جایگذاری و لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز طراحی شده است. مشخصه اصلی آن پاسخگویی به نور مادون قرمز با طول موج 940 نانومتر است که معمولاً در سیستم‌های کنترل از راه دور و سنجش مختلف برای اجتناب از نویز نور مرئی استفاده می‌شود.

1.1 ویژگی‌ها و مزایای اصلی

• مطابق با RoHS و محصول سبز:بدون استفاده از مواد خطرناک تولید شده و مطابق با استانداردهای زیست‌محیطی است.
• طراحی نوری:دارای یک لنز گنبدی سیاه رنگ با نمای جانبی است که میدان دید خاصی را فراهم کرده و به محافظت از سنسور در برابر نور محیطی ناخواسته کمک می‌کند.
• سازگاری با تولید:در نوار 8 میلی‌متری روی قرقره‌های 7 اینچی عرضه می‌شود که آن را کاملاً با ماشین‌های جایگذاری خودکار پرسرعت (Pick-and-Place) سازگار می‌کند.
• سازگاری با فرآیند:برای تحمل پروفیل‌های استاندارد لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز مورد استفاده در خطوط مونتاژ فناوری نصب سطحی (SMT) درجه‌بندی شده است.
• بسته‌بندی استاندارد:مطابق با طرح‌های استاندارد بسته‌بندی EIA است که پیش‌بینی‌پذیری در طراحی فوت‌پرینت PCB را تضمین می‌کند.

1.2 کاربردهای هدف

این فوتوترانزیستور برای طیف وسیعی از کاربردهای الکترونیکی که نیاز به تشخیص یا سنجش غیرتماسی دارند مناسب است. موارد استفاده متداول شامل موارد زیر است:

• گیرنده‌های مادون قرمز:رمزگشایی سیگنال‌ها از کنترل‌های از راه دور در لوازم الکترونیکی مصرفی (تلویزیون‌ها، سیستم‌های صوتی، ست‌تاپ‌باکس‌ها).
• سنسورهای مجاورت/شیء نصب شده روی PCB:تشخیص وجود، عدم وجود یا موقعیت یک شیء در لوازم خانگی، تجهیزات اتوماسیون و دستگاه‌های امنیتی.
• سوئیچینگ نوری پایه:استفاده در قطع‌کننده‌های شکافی یا سنسورهای بازتابی.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

بخش‌های زیر تجزیه‌ای دقیق از محدودیت‌های عملیاتی و مشخصات عملکرد دستگاه تحت شرایط آزمایش مشخص‌شده ارائه می‌دهند.

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

این مقادیر، محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد در این محدودیت‌ها یا زیر آن تضمین نمی‌شود.

• اتلاف توان (P_D):100 میلی‌وات. حداکثر توان پیوسته‌ای که دستگاه می‌تواند به صورت حرارت تلف کند.
• ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO):30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین پایه‌های کلکتور و امیتر اعمال کرد.
• ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO):5 ولت. حداکثر ولتاژ معکوس بین امیتر و کلکتور.
• محدوده دمای عملیاتی (T_A):40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. محدوده دمای محیط برای عملکرد عادی.
• محدوده دمای انبارش (T_stg):55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس. محدوده دمای ایمن برای دستگاه هنگامی که روشن نیست.
• شرایط لحیم‌کاری مادون قرمز:در طول ریفلو، دمای اوج 260 درجه سلسیوس را برای حداکثر 10 ثانیه تحمل می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس اندازه‌گیری شده و عملکرد معمول دستگاه را تعریف می‌کنند.

• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)CEO):30 ولت (حداقل). ولتاژی که در آن یک جریان معکوس کوچک مشخص (I_R= 100 میکروآمپر) بدون روشنایی (E_e= 0 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) جاری می‌شود.
• ولتاژ شکست امیتر-کلکتور (V_(BR)ECO):5 ولت (حداقل). مشابه V_(BR)CEO اما برای شرایط بایاس معکوس.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):0.4 ولت (حداکثر). ولتاژ دو سر کلکتور و امیتر هنگامی که ترانزیستور تحت تابندگی 0.5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع و جریان کلکتور (I_C) 100 میکروآمپر کاملاً "روشن" (هادی) است. مقدار پایین‌تر نشان‌دهنده عملکرد بهتر است.
• زمان صعود (T_r) و زمان سقوط (T_f):15 میکروثانیه (معمول). زمان لازم برای صعود جریان خروجی از 10% به 90% (زمان صعود) یا سقوط از 90% به 10% (زمان سقوط) از حداکثر مقدار خود در پاسخ به یک ورودی نوری پالسی. با V_CE=5 ولت، I_C=1 میلی‌آمپر و R_L=1 کیلواهم اندازه‌گیری شده است.
• جریان تاریک کلکتور (I_CEO):100 نانوآمپر (حداکثر). جریان نشتی کوچکی که از کلکتور به امیتر هنگامی که نوری به دستگاه نمی‌تابد جاری می‌شود (V_CE= 20 ولت). مقدار کمتر برای حساسیت بهتر است.
• جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)):1.5 تا 9.2 میلی‌آمپر. جریان کلکتوری که هنگامی دستگاه با یک منبع مادون قرمز استاندارد روشن می‌شود تولید می‌شود (E_e=0.5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λ=940 نانومتر، V_CE=5 ولت). این پارامتر کلیدی حساسیت است.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

دستگاه‌ها بر اساس جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)) در دسته‌های عملکردی مرتب می‌شوند. این امر به طراحان اجازه می‌دهد تا قطعاتی با حساسیت یکنواخت برای نیازهای مدار خاص خود انتخاب کنند.

• دسته A: I_C(ON) در محدوده 1.5 میلی‌آمپر (حداقل) تا 2.9 میلی‌آمپر (حداکثر).
• دسته B: I_C(ON) در محدوده 2.9 میلی‌آمپر (حداقل) تا 5.5 میلی‌آمپر (حداکثر).
• دسته C: I_C(ON) در محدوده 5.5 میلی‌آمپر (حداقل) تا 9.2 میلی‌آمپر (حداکثر).

یک تلورانس ±15% به حدود هر دسته اعمال می‌شود. طراحان هنگام محاسبه بهره مدار و سطوح آستانه باید این تغییرات را در نظر بگیرند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

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

4.1 حساسیت طیفی

یک نمودار (شکل 1) حساسیت طیفی نسبی در مقابل طول موج را نشان می‌دهد. LTR-C950-TB-T حساسیت اوجی در حدود 940 نانومتر نشان می‌دهد که با تابنده‌های مادون قرمز (IRED) متداول مطابقت دارد. حساسیت برای طول‌موج‌های کوتاه‌تر از 800 نانومتر و بلندتر از 1100 نانومتر به شدت کاهش می‌یابد که فیلترینگ ذاتی در برابر بخش عمده‌ای از طیف نور مرئی فراهم می‌کند.

4.2 جریان تاریک کلکتور در مقابل دما

منحنی (شکل 3) جریان تاریک کلکتور (I_CEO) را در مقابل دمای محیط (T_A) رسم می‌کند. I_CEO به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد. این یک ملاحظه حیاتی برای کاربردهای دمای بالا است، زیرا افزایش جریان تاریک، سطح نویز زمینه را بالا برده و می‌تواند بر نسبت سیگنال به نویز سنسور تأثیر بگذارد.

4.3 پاسخ دینامیکی در مقابل بار

نمودارها (شکل 4) نشان می‌دهند که زمان صعود (T_r) و زمان سقوط (T_f) چگونه با مقاومت بار (R_L) تغییر می‌کنند. هر دو زمان با مقاومت بار بالاتر افزایش می‌یابند. برای کاربردهایی که نیاز به سوئیچینگ سریع دارند، یک مقاومت بار کوچکتر مفید است، اگرچه دامنه ولتاژ خروجی را کاهش خواهد داد.

4.4 جریان نسبی کلکتور در مقابل تابندگی

این نمودار (شکل 5) رابطه بین جریان خروجی و توان نور فرودی (تابندگی) را نشان می‌دهد. پاسخ در یک محدوده قابل توجه به طور کلی خطی است که برای کاربردهای سنجش آنالوگ مطلوب است. این نمودار عملکرد دستگاه را به عنوان یک مبدل تناسبی نور به جریان تأیید می‌کند.

4.5 الگوی تابش

یک نمودار قطبی (شکل 6) حساسیت زاویه‌ای بسته‌بندی نمای جانبی را نشان می‌دهد. شدت تابشی (یا حساسیت) نسبی در مقابل زاویه نور فرودی رسم شده است. این نمودار برای طراحی مکانیکی ضروری است و میدان دید مؤثر (FOV) را نشان می‌دهد که در آن سنسور به طور مطمئن یک منبع IR را تشخیص خواهد داد.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد کلی

دستگاه دارای یک بسته‌بندی استاندارد فوتوترانزیستور نمای جانبی است. ابعاد کلیدی شامل اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و موقعیت لنز می‌شود. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلورانس معمول ±0.1 میلی‌متر ارائه شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. پین‌اوت پایه‌های کلکتور و امیتر را مشخص می‌کند.

5.2 طراحی پیشنهادی پد لحیم

یک الگوی لند (فوت‌پرینت) برای طراحی PCB ارائه شده است. ابعاد پیشنهادی پد برای پدهای نصب 1.0 میلی‌متر در 1.8 میلی‌متر است، با فاصله 1.8 میلی‌متر بین آن‌ها. پیروی از این الگو اطمینان از اتصال لحیم قابل اعتماد در طول ریفلو و تراز مکانیکی مناسب را تضمین می‌کند.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

6.1 پروفیل ریفلو لحیم‌کاری

یک پروفیل ریفلو پیشنهادی برای فرآیندهای بدون سرب (Pb-free) گنجانده شده است. پارامترهای کلیدی عبارتند از:

• پیش‌گرم:150-200 درجه سلسیوس برای حداکثر 120 ثانیه.
• دمای اوج:حداکثر 260 درجه سلسیوس.
• زمان بالاتر از نقطه مایع:دستگاه نباید بیش از 10 ثانیه در معرض دمای بالاتر از 260 درجه سلسیوس قرار گیرد.

پروفیل بر اساس استانداردهای JEDEC است. مهندسان باید پروفیل را برای طراحی PCB خاص، خمیر لحیم و فر خود مشخص‌سازی کنند.

6.2 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، از هویه‌ای با دمای حداکثر 300 درجه سلسیوس استفاده کنید و زمان تماس را به 3 ثانیه برای هر اتصال محدود کنید. از اعمال تنش به پایه‌های قطعه خودداری کنید.

6.3 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری پس از لحیم‌کاری، فقط از حلال‌های مبتنی بر الکل مانند ایزوپروپیل الکل استفاده کنید. از پاک‌کننده‌های شیمیایی قوی یا ناشناخته که ممکن است به بسته‌بندی پلاستیکی یا لنز آسیب برسانند خودداری کنید.

7. بسته‌بندی و نگهداری

7.1 مشخصات نوار و قرقره

قطعات در نوار حامل برجسته 8 میلی‌متری پیچیده شده روی قرقره‌های 7 اینچی (178 میلی‌متری) بسته‌بندی شده‌اند. هر قرقره حاوی 2000 قطعه است. بسته‌بندی مطابق با استانداردهای ANSI/EIA 481-1-A-1994 است. توضیحات مشخص می‌کنند که حداکثر دو جیب قطعه متوالی ممکن است خالی باشد (مطابق با مهر و موم نوار) و جهت قطعات درون نوار مشخص شده است.

7.2 شرایط انبارش

بسته‌بندی مهر و موم شده:در دمای ≤30 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی (RH) ≤90% انبار شود. عمر مفید در کیسه مهر و موم شده رطوبت‌گیر (با ماده خشک‌کن) یک سال است.
بسته‌بندی باز شده:برای قطعات خارج شده از کیسه مهر و موم شده، محیط انبارش نباید از 30 درجه سلسیوس / 60% RH تجاوز کند. اکیداً توصیه می‌شود که لحیم‌کاری ریفلو IR ظرف یک هفته پس از باز کردن بسته تکمیل شود. برای انبارش طولانی‌تر خارج از کیسه اصلی، در یک ظرف مهر و موم شده با ماده خشک‌کن یا در یک دسیکاتور نیتروژن نگهداری شود. قطعاتی که بیش از یک هفته به صورت باز انبار شده‌اند، باید قبل از لحیم‌کاری در حدود 60 درجه سلسیوس به مدت حداقل 20 ساعت پخته شوند تا رطوبت جذب شده حذف شده و از "پاپ کورن شدن" در طول ریفلو جلوگیری شود.

8. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

8.1 طراحی مدار درایو

فوتوترانزیستور یک دستگاه خروجی جریان است. در یک مدار معمول، در پیکربندی امیتر مشترک متصل می‌شود. یک مقاومت بار (R_L) بین کلکتور و ولتاژ تغذیه (V_CC) قرار می‌گیرد. امیتر به زمین متصل است. نور فرودی باعث جاری شدن جریان کلکتور (I_C) شده و یک افت ولتاژ در دو سر R_L ایجاد می‌کند. این ولتاژ (V_OUT= V_CC- I_C*R_L) سیگنال خروجی است.

انتخاب‌های کلیدی طراحی:

• مقاومت بار (R_L):یک R_L بالاتر برای یک تغییر نور معین، دامنه ولتاژ خروجی بزرگتری می‌دهد اما زمان پاسخ را افزایش می‌دهد (شکل 4 را ببینید). یک R_L پایین‌تر پاسخ سریع‌تر اما سیگنال کوچکتری فراهم می‌کند.
• بایاس:دستگاه برای بیس به جریان بایاس خارجی نیاز ندارد؛ کاملاً توسط نور کنترل می‌شود.
• چندین دستگاه:اگر چندین فوتوترانزیستور نیاز به اتصال موازی در یک کاربرد داشته باشند، توصیه نمی‌شود که مستقیماً به هم متصل شوند. تغییرات در I_C(ON) آن‌ها (حتی در یک دسته) باعث تقسیم نابرابر جریان خواهد شد. یک مقاومت محدودکننده جریان باید به صورت سری با هر دستگاه قرار گیرد تا رفتار یکنواخت تضمین شود.

8.2 بهبود نسبت سیگنال به نویز (SNR)

• مدولاسیون:برای کاربردهای کنترل از راه دور، منبع IR (IRED) در یک فرکانس حامل خاص (مثلاً 38 کیلوهرتز) پالسی می‌شود. مدار گیرنده شامل یک فیلتر میان‌گذر تنظیم شده روی این فرکانس است که نور محیطی ثابت و نویز را حذف می‌کند.
• فیلترینگ نوری:بسته‌بندی سیاه و حساسیت طیفی طبیعی (اوج در 940 نانومتر) مقداری فیلترینگ در برابر نور مرئی فراهم می‌کنند. برای محیط‌های بسیار پرنویز، یک فیلتر خارجی اضافی عبوردهنده IR/مسدودکننده مرئی می‌تواند روی سنسور استفاده شود.
• فیلترینگ الکتریکی:دنبال کردن فوتوترانزیستور با یک مرحله تقویت‌کننده که شامل فیلتر بالاگذر یا میان‌گذر است می‌تواند SNR را برای سیگنال‌های کوپل شده AC بیشتر بهبود بخشد.

8.3 ملاحظات چیدمان

• سنسور را دور از قطعات تولیدکننده حرارت قرار دهید تا رانش ناشی از دما در جریان تاریک به حداقل برسد.
• اطمینان حاصل کنید که از هندسه پد لحیم پیشنهادی استفاده می‌شود تا از "تومبستونینگ" یا تراز نادرست در طول ریفلو جلوگیری شود.
• هنگام طراحی محفظه مکانیکی، الگوی تابش (شکل 6) را در نظر بگیرید تا اطمینان حاصل شود که منبع IR در زاویه دید حساس سنسور قرار می‌گیرد.

9. اصل عملکرد

یک فوتوترانزیستور اساساً یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) است که در آن جریان بیس به جای اتصال الکتریکی توسط نور تولید می‌شود. پیوند بیس-کلکتور به عنوان یک فوتودیود عمل می‌کند. هنگامی که فوتون‌های با انرژی کافی (در این مورد، مادون قرمز) به این پیوند برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. این جریان فوتوژنریک سپس توسط بهره جریان ترانزیستور (β یا h_FE) تقویت می‌شود و منجر به جریان کلکتور بسیار بزرگتری می‌شود که متناسب با شدت نور فرودی است. بسته‌بندی نمای جانبی، تراشه نیمه‌هادی حساس را طوری قرار می‌دهد که بتواند نور موازی با سطح PCB را تشخیص دهد.

10. مثال عملی طراحی

سناریو: تشخیص شیء در یک دستگاه فروش خودکار.یک سنسور شکست پرتو برای تشخیص عبور یک محصول از یک شیار مورد نیاز است.

1. انتخاب قطعه:یک LTR-C950-TB-T (دسته B) به دلیل بسته‌بندی نمای جانبی آن انتخاب می‌شود که برای نصب روی لبه PCB رو به عرض شیار مناسب است. یک IRED مطابق 940 نانومتر به عنوان منبع نور انتخاب می‌شود.
2. طراحی مدار:فوتوترانزیستور در یک مدار امیتر مشترک با V_CC= 5 ولت پیکربندی شده است. یک مقاومت بار R_L= 2.2 کیلواهم به عنوان مصالحه‌ای بین دامنه ولتاژ خوب و سرعت قابل قبول برای این کاربرد انتخاب می‌شود. خروجی به یک مقایسه‌گر تغذیه می‌شود که آستانه آن برای تفکیک بین "پرتو موجود" (خروجی بالا) و "پرتو مسدود شده" (خروجی پایین) تنظیم شده است.
3. یکپارچه‌سازی مکانیکی:IRED و فوتوترانزیستور در دو طرف مقابل شیار محصول نصب می‌شوند و مطابق با الگوهای تابش/حساسیت آن‌ها تراز می‌شوند. ممکن است بافل‌های نوری برای محدود کردن نور پراکنده اضافه شوند.
4. ملاحظات:دمای محیط داخل دستگاه نظارت می‌شود تا اطمینان حاصل شود که در محدوده عملیاتی باقی می‌ماند. ولتاژ خروجی اولیه اندازه‌گیری شده و آستانه مقایسه‌گر با حاشیه‌ای برای در نظر گرفتن تلورانس قطعه (دسته ±15%) و تجمع احتمالی گرد و غبار روی لنزها در طول زمان تنظیم می‌شود.