دیتاشیت فوتوترانزیستور مادون قرمز LTR-516AB - ابعاد بسته‌بندی - ولتاژ معکوس 30 ولت - طول موج 940 نانومتر - مستندات فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTR-516AB یک فوتوترانزیستور سیلیکونی از نوع NPN است که به‌طور خاص برای کاربردهای تشخیص مادون قرمز (IR) طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تبدیل نور مادون قرمز تابیده شده به جریان الکتریکی است. یک ویژگی کلیدی، بسته‌بندی اپوکسی پلاستیکی آبی تیره مخصوص آن است که به عنوان فیلتر نور مرئی عمل می‌کند. این طراحی به‌طور قابل توجهی حساسیت سنسور به نور مرئی محیط را کاهش می‌دهد و آن را برای کاربردهایی که صرفاً به سیگنال‌های مادون قرمز متکی هستند، مانند سیستم‌های کنترل از راه دور، تشخیص اشیاء و انتقال داده‌های IR بسیار مناسب می‌سازد.

این قطعه ترکیبی از حساسیت نوری بالا و زمان‌های پاسخ سریع را ارائه می‌دهد که امکان تشخیص قابل اطمینان سیگنال‌های IR مدوله شده را فراهم می‌کند. ظرفیت پیوندی پایین آن به فرکانس قطع بالا کمک می‌کند که برای کاربردهای سوئیچینگ پرسرعت مفید است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدوده‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. LTR-516AB می‌تواند حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) 30 ولت را تحمل کند. حداکثر اتلاف توان آن در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد، 150 میلی‌وات است. این قطعه برای کار در محدوده دمایی 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده و می‌تواند در محیط‌هایی از 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود. برای لحیم‌کاری، پایه‌ها می‌توانند تا 5 ثانیه در دمای 260 درجه سانتی‌گراد مقاومت کنند، مشروط بر اینکه اندازه‌گیری در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه بسته انجام شود.

2.2 مشخصه‌های الکترواپتیکی

این پارامترها تحت شرایط آزمایش خاص در T_A=25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شده و عملکرد قطعه را تعریف می‌کنند.

• ولتاژ شکست معکوس (V_(BR)R): حداقل 30 ولت در I_R=100 میکروآمپر. این ولتاژی است که در آن پیوند دچار شکست می‌شود.
• جریان تاریک معکوس (I_D(R)): حداکثر 30 نانوآمپر در V_R=10 ولت. این جریان نشتی کوچکی است که وقتی نوری به قطعه تابیده نمی‌شود، جاری می‌شود.
• ولتاژ مدار باز (V_OC): معمولاً 350 میلی‌ولت هنگامی که با نور IR با طول موج 940 نانومتر و تابندگی (E_e) 0.5 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع روشن می‌شود. این ولتاژ تولید شده در دو سر باز است.
• جریان اتصال کوتاه (I_S): معمولاً 2 میکروآمپر (حداقل 1.7 میکروآمپر) در V_R=5 ولت، λ=940 نانومتر و E_e=0.1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع. این جریان فوتویی است که وقتی خروجی اتصال کوتاه می‌شود، تولید می‌گردد.
• زمان صعود/سقوط (T_r, T_f): حداکثر هر کدام 50 نانوثانیه. این پارامترها سرعت سوئیچینگ فوتوترانزیستور را هنگامی که توسط یک منبع نور پالسی راه‌اندازی می‌شود، تعریف می‌کنند، با مقاومت بار (R_L) 1 کیلواهم و V_R=10 ولت.
• ظرفیت کل (C_T): حداکثر 25 پیکوفاراد در V_R=3 ولت و f=1 مگاهرتز. ظرفیت پایین برای کار در فرکانس‌های بالا حیاتی است.
• طول موج حساسیت اوج (λ_SMAX): تقریباً 900 نانومتر. قطعه به نور مادون قرمز نزدیک به این طول موج بیشترین حساسیت را دارد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

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

3.1 جریان تاریک در مقابل ولتاژ معکوس

شکل 1 رابطه بین جریان تاریک معکوس (I_D) و ولتاژ معکوس اعمال شده (V_R) را نشان می‌دهد. جریان تاریک در محدوده ولتاژ مشخص شده بسیار پایین (در محدوده پیکوآمپر تا نانوآمپر پایین) باقی می‌ماند، که برای حفظ نسبت سیگنال به نویز خوب در تشخیص نور کم ضروری است.

3.2 ظرفیت در مقابل ولتاژ معکوس

شکل 2 نشان می‌دهد که چگونه ظرفیت پیوند (C_t) با افزایش ولتاژ بایاس معکوس کاهش می‌یابد. این یک مشخصه معمول پیوندهای PN است. کار در بایاس معکوس بالاتر می‌تواند ظرفیت را کاهش دهد و در نتیجه پاسخ فرکانس بالا را بهبود بخشد.

3.3 وابستگی دمایی

شکل 3 نشان می‌دهد که جریان فوتویی (I_P) دارای ضریب دمایی مثبت است؛ به طور کلی با افزایش دمای محیط برای یک سطح تابندگی ثابت، افزایش می‌یابد. شکل 4 نشان می‌دهد که جریان تاریک (I_D) به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد. طراحان باید این تغییرات را در کاربردهایی با محدوده دمایی عملیاتی وسیع در نظر بگیرند.

3.4 پاسخ طیفی

شکل 5 یک نمودار حیاتی است که حساسیت طیفی نسبی در مقابل طول موج را نشان می‌دهد. پاسخ در حدود 900 نانومتر به اوج می‌رسد و تقریباً از 700 نانومتر تا 1100 نانومتر گسترش می‌یابد، که طیف مادون قرمز نزدیک را پوشش می‌دهد. بسته‌بندی آبی تیره به طور مؤثر حساسیت زیر حدود 700 نانومتر (نور مرئی) را تضعیف می‌کند.

3.5 جریان فوتویی در مقابل تابندگی

شکل 6 رابطه خطی بین جریان فوتویی تولید شده (I_P) و تابندگی مادون قرمز تابیده شده (E_e) در 940 نانومتر را نشان می‌دهد. این خطی بودن برای کاربردهای حسگر آنالوگ مهم است.

3.6 منحنی کاهش توان

شکل 8 منحنی کاهش توان کل در مقابل دمای محیط را ارائه می‌دهد. حداکثر اتلاف توان مجاز به صورت خطی با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. این منحنی برای اطمینان از عملکرد قابل اطمینان و جلوگیری از فرار حرارتی حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

LTR-516AB در یک بسته‌بندی رادیال استاندارد 3 میلی‌متری با پایه عرضه می‌شود. ابعاد کلیدی شامل قطر بدنه، فاصله پایه‌ها و طول کلی است. رزین اپوکسی آبی تیره به شکل عدسی قالب‌گیری شده است. یک فلنج کوچک روی بدنه بسته وجود دارد، با این نکته که رزین بیرون زده زیر این فلنج حداکثر ارتفاع 1.5 میلی‌متر را دارد. فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای که پایه‌ها از بسته خارج می‌شوند اندازه‌گیری می‌شود. تمام تلرانس‌های ابعادی ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

4.2 شناسایی قطبیت

پایه بلندتر معمولاً کلکتور و پایه کوتاه‌تر امیتر است. طرف صاف روی لبه بسته نیز ممکن است به عنوان نشانه بصری برای جهت‌گیری صحیح عمل کند. همیشه برای شناسایی قطعی پایه‌ها به نمودار بسته مراجعه کنید.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعه برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا دستی مناسب است. مقدار حداکثر مطلق مشخص می‌کند که پایه‌ها می‌توانند 260 درجه سانتی‌گراد را به مدت 5 ثانیه تحمل کنند، مشروط بر اینکه اندازه‌گیری در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه بسته انجام شود. توصیه می‌شود از هویه با کنترل دما استفاده کنید و زمان کلی قرارگیری در معرض حرارت را به حداقل برسانید تا از آسیب به بسته اپوکسی یا تراشه نیمه‌هادی داخلی جلوگیری شود. از اعمال تنش مکانیکی به پایه‌ها در حین و پس از لحیم‌کاری خودداری کنید.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 مدارهای کاربردی معمول

LTR-516AB معمولاً در یک پیکربندی امیتر مشترک ساده استفاده می‌شود. کلکتور از طریق یک مقاومت بار (R_CC) به ولتاژ تغذیه مثبت (V_L) متصل می‌شود. امیتر به زمین متصل است. هنگامی که نور IR روی فوتوترانزیستور می‌تابد، آن روشن می‌شود و باعث افت ولتاژ در دو سر R_L می‌گردد. این سیگنال ولتاژ می‌تواند به یک مقایسه‌گر، ADC میکروکنترلر یا تقویت‌کننده برای پردازش بیشتر تغذیه شود. مقدار R_Lبر بهره، پهنای باند و دامنه خروجی تأثیر می‌گذارد؛ یک مقاومت 1 کیلواهمی در شرایط آزمایش زمان صعود/سقوط استفاده شده است.

6.2 ملاحظات طراحی

• بایاس: اعمال بایاس معکوس (V_R) ظرفیت پیوند را کاهش می‌دهد و سرعت را بهبود می‌بخشد، اما ممکن است جریان تاریک را کمی افزایش دهد.
• حذف نور محیط: بسته‌بندی آبی تیره حذف عالی نور مرئی را فراهم می‌کند. با این حال، برای کاربردها در محیط‌هایی با منابع قوی IR (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای)، ممکن است فیلتر نوری اضافی یا طراحی محفظه ضروری باشد.
• سرعت در مقابل حساسیت: یک مقاومت بار کوچکتر (R_L) سرعت سوئیچینگ را بهبود می‌بخشد اما دامنه ولتاژ خروجی را برای یک جریان فوتویی معین کاهش می‌دهد. طراحان باید بر اساس نیازهای کاربردی این عوامل را متعادل کنند.
• جبران دمایی: برای حسگر آنالوگ دقیق در یک محدوده دمایی وسیع، ممکن است مدارهایی برای جبران تغییرات جریان تاریک و جریان فوتویی مورد نیاز باشد.

7. مقایسه و تمایز فنی

ویژگی متمایزکننده اصلی LTR-516AB بسته‌بندی آبی تیره آن است که در فوتوترانزیستورهای شفاف استاندارد یا آب‌شفاف یافت نمی‌شود. این فیلتر داخلی آن را با ساده‌سازی طراحی نوری، برای کاربردهای صرفاً IR برتر می‌سازد. در مقایسه با فوتودیودها، فوتوترانزیستورها بهره داخلی ارائه می‌دهند که منجر به جریان خروجی بالاتر برای همان سطح نور می‌شود، اما معمولاً زمان‌های پاسخ کندتری دارند. زمان صعود/سقوط 50 نانوثانیه‌ای LTR-516AB آن را برای پروتکل‌های ارتباطی IR با سرعت متوسط به خوبی قرار می‌دهد.

8. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: هدف از بسته‌بندی آبی تیره چیست؟

ج: به عنوان یک فیلتر عمل می‌کند تا بیشتر نور مرئی را مسدود کند و عمدتاً اجازه دهد نور مادون قرمز به تراشه نیمه‌هادی برسد. این کار عملکرد در سیستم‌های IR را با کاهش نویز از نور مرئی محیط بهبود می‌بخشد.

س: آیا می‌توانم از این سنسور برای تشخیص نور مرئی استفاده کنم؟

ج: خیر، حساسیت آن در طیف مرئی به شدت توسط فیلتر بسته تضعیف می‌شود. این قطعه به طور خاص برای تشخیص مادون قرمز طراحی شده است.

س: چگونه مقدار مقاومت بار (R_L) را انتخاب کنم؟

ج: این انتخاب شامل یک مبادله است. یک R_Lبالاتر ولتاژ خروجی بیشتری به ازای هر واحد جریان فوتویی می‌دهد (بهره بالاتر) اما ثابت زمانی RC را افزایش می‌دهد و پاسخ را کند می‌کند. با مقدار 1 کیلواهمی از شرایط آزمایش شروع کنید و بر اساس سرعت و سطح سیگنال مورد نیاز خود تنظیم کنید.

س: تفاوت بین جریان اتصال کوتاه (I_S) و جریان فوتویی در یک مدار چیست؟

ج: I_Sپارامتری است که تحت شرایط اتصال کوتاه خاص اندازه‌گیری می‌شود. در یک مدار عملی با یک مقاومت بار، جریان خروجی به دلیل مقاومت داخلی ترانزیستور و بایاس اعمال شده کمی کمتر خواهد بود.

9. اصل عملکرد

یک فوتوترانزیستور یک ترانزیستور پیوند دو قطبی (BJT) است که در آن پیوند بیس-کلکتور در معرض نور قرار دارد. فوتون‌های تابیده شده با انرژی بیشتر از گاف نواری نیمه‌هادی، جفت‌های الکترون-حفره را در ناحیه تخلیه این پیوند تولید می‌کنند. این حامل‌ها توسط میدان الکتریکی جارو می‌شوند و یک جریان بیس ایجاد می‌کنند. این جریان بیس تولید شده توسط نور سپس توسط بهره جریان ترانزیستور (h_FE) تقویت می‌شود و منجر به یک جریان کلکتور بسیار بزرگتر می‌گردد. بنابراین، یک سیگنال نور کوچک یک جریان خروجی بزرگتر را کنترل می‌کند.

10. روندهای توسعه

حوزه اپتوالکترونیک به سمت یکپارچگی بالاتر، بسته‌بندی‌های کوچکتر (مانند قطعات نصب سطحی) و عملکرد بهبود یافته ادامه می‌دهد. روندها شامل فوتوترانزیستورها و فوتودیودهای مجتمع با مدارهای تقویت و شکل‌دهی سیگنال روی یک تراشه واحد (تراشه‌های اپتو) است که پیچیدگی سیستم را کاهش می‌دهد. همچنین توسعه مداوم در مواد و بسته‌بندی برای افزایش حساسیت، سرعت و انتخاب‌پذیری طول موج برای کاربردهای نوظهور در حسگری، لیدار و ارتباطات نوری در جریان است.