مشخصات فنی سنسور نوری بازتابی ITR8307/L24/TR8 - بدون سرب، مطابق با RoHS و REACH - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

ITR8307/L24/TR8 یک کلید نوری بازتابی فشرده و نصب‌سطحی است که برای کاربردهای حسگری فاصله کوتاه طراحی شده است. این قطعه یک فرستنده دیود نورافشان مادون قرمز (LED) از جنس GaAs و یک گیرنده فتوترانزیستور سیلیکونی NPN با حساسیت بالا را در یک بسته پلاستیکی کنار هم ادغام کرده است. این پیکربندی به آن امکان می‌دهد تا با اندازه‌گیری شدت نور مادون قرمز بازتابیده شده به گیرنده، وجود یا عدم وجود یک سطح بازتابنده را تشخیص دهد.

این قطعه با زمان پاسخ سریع، حساسیت بالا به نور مادون قرمز و پاسخ طیفی که طول‌موج‌های مرئی را حذف می‌کند، شناخته می‌شود که آن را در برابر تداخل نور محیطی مرئی مصون می‌سازد. این قطعه بدون سرب (Pb-free) تولید شده، مطابق با دستورالعمل‌های RoHS و REACH اتحادیه اروپا است و الزامات بدون هالوژن (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm) را برآورده می‌کند.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای اصلی این سنسور شامل پروفیل نازک، ابعاد فشرده و پاسخ نوری سریع آن است که برای کاربردهای با محدودیت فضا و سرعت بالا حیاتی هستند. طراحی آن را برای انواع تجهیزات الکترونیکی مصرفی و تجهیزات کنترل‌شده با ریزپردازنده که نیاز به تشخیص غیرتماسی قابل اعتماد اجسام دارند، مناسب می‌سازد.

کاربردهای هدف متداول شامل حسگری موقعیت در دستگاه‌هایی مانند دوربین‌های دیجیتال (برای تشخیص لنز یا درپوش)، ضبط‌کننده‌های نوار ویدئویی (VCR)، درایوهای فلاپی دیسک، ضبط‌کننده‌های نوار کاست و سایر سیستم‌های کنترل خودکار است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 محدودیت‌های مطلق عملکرد

این قطعه نباید فراتر از این محدودیت‌ها به کار گرفته شود تا از آسیب دائمی جلوگیری شود. محدودیت‌های کلیدی شامل اتلاف توان ورودی (LED) معادل 75 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد، حداکثر جریان مستقیم (IF) 50 میلی‌آمپر و جریان مستقیم پیک (IFP) 1 آمپر برای پالس‌های ≤100 میکروثانیه با چرخه کاری 1% است. برای خروجی (فتوترانزیستور)، حداکثر اتلاف توان کلکتور 75 میلی‌وات، جریان کلکتور (IC) 50 میلی‌آمپر و ولتاژ کلکتور-امیتر (BV_CEO) 30 ولت است. محدوده دمای کاری از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها در دمای محیط (T_a) 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند و عملکرد قطعه را در شرایط کاری نرمال تعریف می‌کنند.

2.2.1 مشخصات ورودی (LED مادون قرمز)

• ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.2 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر، با حداکثر 1.6 ولت. این پارامتر برای طراحی مدار درایور LED حیاتی است.
• طول‌موج پیک (λ_P):940 نانومتر، که تابش آن را کاملاً در طیف مادون قرمز نزدیک قرار می‌دهد.

2.2.2 مشخصات خروجی (فتوترانزیستور)

• جریان تاریکی (I_CEO):جریان نشتی هنگامی که نوری به قطعه نمی‌تابد، با حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10V. مقدار کمتر نشان‌دهنده عملکرد بهتر در حالت خاموش است.
• جریان نور (I_C(ON)):جریان کلکتور هنگامی که LED فعال است و نور به گیرنده بازتابیده می‌شود. این پارامتر در شرایط تست V_CE=2V و I_F=4mA محدوده وسیعی از 0.5 میلی‌آمپر تا 15.0 میلی‌آمپر دارد. این پارامتر به شدت به بازتابندگی و فاصله جسم هدف وابسته است.
• زمان صعود/سقوط (t_r, t_f):معمولاً هر کدام 20 میکروثانیه، که سرعت سوئیچینگ سنسور را تعریف می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که رابطه بین پارامترهای کلیدی را در شرایط مختلف نشان می‌دهد. این نمودارها برای درک رفتار واقعی فراتر از نقطه متداول 25 درجه سانتی‌گراد ضروری هستند.

3.1 مشخصات LED مادون قرمز

منحنی‌ها نشان می‌دهند که جریان مستقیم چگونه با دمای محیط و ولتاژ مستقیم تغییر می‌کند. ولتاژ مستقیم دارای ضریب دمایی منفی است، به این معنی که با افزایش دما کاهش می‌یابد. منحنی توزیع طیفی تابش پیک در 940 نانومتر را تأیید می‌کند، که خود طول‌موج پیک با دما کمی جابجا می‌شود.

3.2 مشخصات فتوترانزیستور

منحنی‌های مهم شامل جریان تاریکی کلکتور در مقابل دمای محیط (که به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد)، جریان کلکتور در مقابل تابندگی (که پاسخ فتوترانزیستور به شدت نور را نشان می‌دهد) و جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر است. منحنی حساسیت طیفی نشان می‌دهد گیرنده بیشترین حساسیت را به نور مادون قرمز در محدوده 800-900 نانومتر دارد که به خوبی با خروجی 940 نانومتری LED مطابقت دارد.

3.3 مشخصات کامل سنسور (ITR)

این نمودارها رفتار سنسور را در یک تنظیم بازتابی عملی مدل می‌کنند. منحنیجریان کلکتور نسبی در مقابل فاصلهبرای طراحی سیستم حیاتی است و نشان می‌دهد که چگونه سیگنال خروجی با افزایش فاصله بین سنسور و یک سطح بازتابنده (مانند شیشه پوشش‌دار با آلومینیوم) کاهش می‌یابد. یک منحنی دیگر تغییرات خروجی را هنگامی که یک کارت در میدان دید سنسور حرکت می‌کند نشان می‌دهد که برای تشخیص لبه یا شکاف مفید است. نمودار زمان پاسخ در مقابل مقاومت بار به انتخاب مقاومت پول‌آپ مناسب برای بهینه‌سازی سرعت کمک می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

این قطعه در یک بسته نصب‌سطحی فشرده ارائه می‌شود. دیتاشیت نقشه‌های ابعادی دقیقی با اندازه‌گیری‌های حیاتی مانند طول کلی، عرض، ارتفاع، فاصله پایه‌ها و ابعاد پد ارائه می‌دهد. تمام تلرانس‌ها معمولاً ±0.1 میلی‌متر هستند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. مهندسان باید برای طراحی جای پای PCB به این نقشه‌های دقیق مراجعه کنند تا از لحیم‌کاری و تراز مکانیکی مناسب اطمینان حاصل شود.

4.2 شناسایی قطب‌ها

بسته شامل نشانه‌ها یا شکل خاصی برای نشان دادن پایه 1 است. جهت‌گیری صحیح در حین مونتاژ حیاتی است، زیرا اتصال معکوس می‌تواند به قطعه آسیب برساند. پین‌اوت، آند و کاتد LED مادون قرمز و کلکتور و امیتر فتوترانزیستور را مشخص می‌کند.

5. راهنمای لحیم‌کاری، مونتاژ و نگهداری

5.1 حساسیت به رطوبت و نگهداری

این قطعه دارای سطح حساسیت به رطوبت (MSL) 4 است. دستورالعمل‌های کلیدی مدیریت شامل موارد زیر است:

• عمر قفسه در بسته مهر و موم شده اصلی مانع رطوبت: 12 ماه در <40°C و <90% رطوبت نسبی.
• پس از باز کردن بسته، قطعات باید در صورت نگهداری در شرایط کارخانه (<30°C/60%RH) در عرض 72 ساعت مونتاژ شوند، یا در یک محیط خشک (<20% RH) نگهداری شوند.
• اگر کارت نشانگر رطوبت (HIC) از 20% RH فراتر رود، قبل از لحیم‌کاری ریفلو نیاز به پخت (به عنوان مثال، 24 ساعت در 125°C) وجود دارد.

5.2 شرایط لحیم‌کاری ریفلو

یک پروفیل دمایی توصیه شده برای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب ارائه شده است. اقدامات احتیاطی کلیدی شامل موارد زیر است:

• محدود کردن لحیم‌کاری ریفلو به حداکثر دو چرخه.
• اجتناب از اعمال تنش مکانیکی روی بسته در حین گرمایش.
• جلوگیری از تاب برداشتن PCB پس از لحیم‌کاری.

5.3 تعمیر

تعمیر پس از لحیم‌کاری توصیه نمی‌شود. در صورت اجتناب‌ناپذیر بودن، باید از هویه دو سر برای گرم کردن همزمان دو طرف قطعه استفاده شود تا تنش حرارتی به حداقل برسد. تأثیر بالقوه بر مشخصات قطعه باید از قبل ارزیابی شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات بسته‌بندی

جریان استاندارد بسته‌بندی به این صورت است: 1000 قطعه در هر قرقره، 15 قرقره در هر جعبه و 2 جعبه در هر کارتن.

6.2 ابعاد نوار و قرقره

نقشه‌های دقیقی برای نوار حامل (ابعاد جیب، فاصله) و قرقره (قطر، اندازه هاب) برای استفاده در برنامه‌ریزی ماشین پیک اند پلیس خودکار ارائه شده است.

6.3 مشخصات برچسب

برچسب‌های بسته‌بندی شامل فیلدهایی برای شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره محصول (P/N)، تعداد (QTY) و شماره سری ساخت (LOT No.) و غیره برای قابلیت ردیابی است.

7. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 مدارهای کاربردی متداول

یک مدار کاربردی پایه شامل اتصال یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با آند LED مادون قرمز است. فتوترانزیستور معمولاً با اتصال کلکتور به یک مقاومت پول‌آپ (V_CC) و امیتر به زمین متصل می‌شود. ولتاژ در نود کلکتور به عنوان سیگنال خروجی دیجیتال یا آنالوگ عمل می‌کند. مقدار مقاومت پول‌آپ (R_L) هم بر روی دامنه ولتاژ خروجی و هم بر زمان پاسخ تأثیر می‌گذارد، همانطور که در منحنی‌های دیتاشیت نشان داده شده است.

7.2 ملاحظات طراحی

• بازتابندگی جسم:خروجی سنسور (I_C(ON)) مستقیماً با بازتابندگی سطح هدف متناسب است. مواد با بازتابندگی بالا (مانند پلاستیک سفید، فلز) سیگنال قوی ارائه می‌دهند، در حالی که مواد تیره یا جاذب ممکن است ندهند.
• فاصله و تراز:فاصله حسگری کوتاه است (معمولاً چند میلی‌متر). تراز مکانیکی دقیق بین سنسور و مسیر هدف برای عملکرد یکنواخت حیاتی است.
• مصونیت در برابر نور محیط:در حالی که حساسیت طیفی گیرنده نور مرئی را حذف می‌کند، منابع قوی مادون قرمز محیطی (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند باعث تداخل شوند. در چنین محیط‌هایی ممکن است استفاده از محافظ نوری یا تکنیک‌های مدولاسیون/دمدولاسیون ضروری باشد.
• نویز الکتریکی:در محیط‌های پرنویز، استفاده از خازن‌های بای‌پس نزدیک قطعه و چیدمان دقیق PCB توصیه می‌شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فتوترانزیستورها یا فوتودیودهای ساده‌تر، ITR8307 هر دو فرستنده و گیرنده را ادغام می‌کند و طراحی و تراز نوری را ساده می‌سازد. در مقابل سنسورهای عبوری (که نیاز به قطع پرتو بین اجزای جداگانه توسط جسم دارند)، سنسورهای بازتابی امکان طراحی مکانیکی ساده‌تری با حسگری در یک طرف جسم را فراهم می‌کنند. تمایزهای کلیدی آن شامل بسته‌بندی فشرده SMD، مطابقت با مقررات زیست‌محیطی مدرن (بدون سرب، بدون هالوژن) و مستندسازی خوب عملکرد در محدوده دما است.

9. پرسش‌های متداول (FAQ) بر اساس پارامترهای فنی

س: فاصله حسگری متداول چقدر است؟

پ: فاصله یک مشخصه ثابت نیست بلکه به بازتابندگی هدف و جریان خروجی مورد نیاز بستگی دارد. نمودار "جریان کلکتور نسبی در مقابل فاصله" نشان می‌دهد که سیگنال برای یک سطح بازتابنده استاندارد فراتر از 1-2 میلی‌متر به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. برای کوتاه‌ترین فاصله قابل اعتماد طراحی کنید.

س: آیا می‌توانم LED را مستقیماً با یک منبع ولتاژ راه‌اندازی کنم؟

پ: خیر. LED یک قطعه جریان‌محور است. شما باید از یک مقاومت محدودکننده جریان سری برای تنظیم جریان مستقیم (I_F) به مقدار مورد نظر (مثلاً 20 میلی‌آمپر) بر اساس ولتاژ تغذیه شما (V_CC) و ولتاژ مستقیم LED (V_F≈ 1.2V) استفاده کنید. R_limit= (V_CC- V_F) / I_F.

س: چرا محدوده جریان نور (0.5 تا 15.0 میلی‌آمپر) اینقدر وسیع است؟

پ: این محدوده تغییرات طبیعی ساخت در توان خروجی LED و حساسیت فتوترانزیستور را در نظر می‌گیرد. همچنین وابستگی شدید این پارامتر به هدف بازتابنده خاص و فاصله در کاربرد را تأکید می‌کند. طراحی مدارها باید این محدوده را در نظر بگیرند، که اغلب با استفاده از یک مقایسه‌گر با آستانه قابل تنظیم به جای تکیه بر یک مقدار جریان مطلق انجام می‌شود.

س: چگونه رتبه MSL 4 را تفسیر کنم؟

پ: MSL 4 به این معنی است که بسته می‌تواند پس از 72 ساعت قرارگیری در معرض شرایط استاندارد کف کارخانه، سطح آسیب‌زایی از رطوبت را جذب کند. برای جلوگیری از "ترکیدن" یا لایه‌لایه شدن در فرآیند دمای بالای ریفلو، باید دستورالعمل‌های سختگیرانه نگهداری، مدیریت و پخت ذکر شده در بخش 5.1 را دنبال کنید.

10. مثال کاربردی عملی

سناریو: تشخیص کاغذ در یک پرینتر.

سنسور می‌تواند در نزدیکی مسیر تغذیه کاغذ نصب شود. یک نوار بازتابنده روی یک غلتک یا سطح ثابت در مقابل محل سنسور قرار می‌گیرد. هنگامی که کاغذ وجود ندارد، نور مادون قرمز از نوار به گیرنده بازتابیده می‌شود و یک خروجی بالا (منطقی HIGH) تولید می‌کند. هنگامی که یک ورق کاغذ بین سنسور و نوار عبور می‌کند، نور بازتابیده را مسدود یا به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و باعث افت خروجی (منطقی LOW) می‌شود. این تغییر می‌تواند توسط یک میکروکنترلر برای تأیید وجود کاغذ، تشخیص گیرکردن یا شمارش صفحات تشخیص داده شود. زمان پاسخ سریع (20 میکروثانیه) امکان تشخیص حتی در سرعت‌های بالای تغذیه کاغذ را فراهم می‌کند.

11. اصل عملکرد

این قطعه بر اساس اصل بازتاب نور مدوله‌شده عمل می‌کند. LED مادون قرمز داخلی یک پرتو نور مادون قرمز 940 نانومتری ساطع می‌کند. این نور از بسته خارج می‌شود. اگر یک جسم بازتابنده در فاصله کوتاهی و در میدان دید هر دو LED و فتوترانزیستور قرار داشته باشد، بخشی از نور ساطع شده بازتابیده می‌شود. فتوترانزیستور NPN به عنوان یک منبع جریان کنترل‌شده با نور عمل می‌کند. هنگامی که فوتون‌های مادون قرمز بازتابیده به ناحیه بیس آن برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند و به طور مؤثری یک جریان بیس ایجاد می‌کنند. این جریان بیس توسط بهره ترانزیستور تقویت می‌شود و منجر به یک جریان کلکتور بسیار بزرگتر (I_C) می‌شود. بزرگی این جریان کلکتور متناسب با شدت نور بازتابیده است که به نوبه خود به فاصله و بازتابندگی جسم هدف بستگی دارد. با نظارت بر I_C(یا ولتاژ دو سر یک مقاومت بار)، سیستم می‌تواند وجود یا مجاورت جسم را تعیین کند.

12. روندهای فناوری

سنسورهای نوری بازتابی مانند ITR8307 نمایانگر یک فناوری بالغ و قابل اعتماد برای تشخیص اجسام در برد کوتاه و کم‌هزینه هستند. روندهای فعلی در این زمینه شامل کوچک‌سازی بیشتر بسته‌ها برای قرارگیری در دستگاه‌های مصرفی کوچک‌تر، ادغام مدارهای شرط‌سازی سیگنال (تقویت‌کننده‌ها، تریگر اشمیت، رابط‌های دیجیتال) در همان بسته برای ساده‌سازی طراحی سیستم و بهبود مصونیت در برابر نویز، و توسعه سنسورهایی با مصرف توان حتی کمتر برای دستگاه‌های IoT باتری‌خور است. همچنین تلاش مداومی برای دستیابی به حساسیت بالاتر و رد بهتر نور محیط از طریق طراحی نوری و تکنیک‌های فیلتراسیون بهبودیافته وجود دارد.