دیتاشیت حسگر نوری LTR-X130P - حسگر مجاورت و نور محیط یکپارچه - رابط I2C - 1.7V تا 3.6V - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTR-X130P یک حسگر نوری بسیار یکپارچه و کم‌ولتاژ است که قابلیت‌های حسگری مجاورت (PS) و حسگری نور محیط (ALS) را در یک بسته‌بندی سطح‌نصب ChipLED مینیاتوری و بدون سرب، ترکیب می‌کند. فلسفه طراحی هسته‌ای آن بر فعال‌سازی تشخیص پیشرفته اشیاء و اندازه‌گیری نور در کاربردهای محدود از نظر فضا و مبتنی بر باتری متمرکز است.

مزیت اصلی این حسگر در یکپارچگی در سطح سیستم آن نهفته است. این حسگر دارای یک فرستنده مادون قرمز داخلی (LED)، فوتودیودهای مرئی و مادون قرمز، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC)، یک کنترلر وقفه قابل برنامه‌ریزی و یک رابط دیجیتال کامل I2C است. این یکپارچگی به طور قابل توجهی تعداد قطعات خارجی را کاهش داده و چیدمان PCB را ساده می‌کند. یک ویژگی کلیدی عملکردی، قابلیت سرکوب عالی نور محیط آن است که قادر به عملکرد دقیق در شرایط نور مستقیم خورشید تا 100,000 لوکس می‌باشد و آن را برای محیط‌های بیرونی یا محیط‌های داخلی با نور زیاد مناسب می‌سازد. عملکرد وقفه قابل برنامه‌ریزی به میکروکنترلر میزبان اجازه می‌دهد تا وارد حالت‌های خواب کم‌مصرف شود و تنها زمانی که آستانه‌های مجاورت خاصی عبور داده شوند، بیدار شود، در نتیجه بهینه‌سازی کارایی کلی توان سیستم - عاملی حیاتی برای دستگاه‌های موبایل و قابل حمل - را ممکن می‌سازد.

بازار هدف آن طیف گسترده‌ای از لوازم الکترونیکی مصرفی و دستگاه‌های محاسباتی را در بر می‌گیرد. کاربردهای اصلی آن شامل تنظیم خودکار نور پس‌زمینه نمایشگر و کنترل روشنایی در تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها، لپ‌تاپ‌ها و مانیتورها است، جایی که تجربه کاربری را بهبود بخشیده و در مصرف برق صرفه‌جویی می‌کند. علاوه بر این، قابلیت تشخیص اشیاء آن تا فاصله 10 سانتی‌متر برای ویژگی‌هایی مانند کنترل ژست بدون لمس، تشخیص حضور (مانند خاموش کردن نمایشگر زمانی که کاربر دور می‌شود) و جلوگیری ساده از برخورد با موانع در دستگاه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مشخصات الکتریکی و نوری

تمامی مشخصات معمولاً در VDD = 2.8V و دمای عملیاتی (T_ope) برابر با 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری می‌شوند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

ویژگی‌های توان:
این حسگر در محدوده ولتاژ تغذیه گسترده‌ای از 1.7V تا 3.6V کار می‌کند که با خروجی‌های باتری معمول و خطوط تغذیه تنظیم‌شده سازگار است. جریان تغذیه معمولی در حین اندازه‌گیری فعال، در حداکثر چرخه کاری 95 میکروآمپر است. یک ویژگی مهم برای صرفه‌جویی در مصرف برق، حالت آماده‌باش (خاموش) است که تنها 1 میکروآمپر جریان می‌کشد. زمان بیدار شدن از این حالت آماده‌باش تا آمادگی برای اندازه‌گیری فعال، معمولاً 10 میلی‌ثانیه است که امکان پاسخ سریع را در حالی که میانگین مصرف توان بسیار پایین حفظ می‌شود، فراهم می‌کند.

ویژگی‌های حسگر مجاورت (PS):
عملکرد PS به شدت قابل پیکربندی است. رزولوشن مؤثر بین 8، 9، 10 و 11 بیت قابل انتخاب است که به طراحان اجازه می‌دهد بین دقت اندازه‌گیری و سرعت تبدیل تعادل برقرار کنند. فرستنده مادون قرمز یکپارچه در طول موج پیک 940 نانومتر کار می‌کند. جریان راه‌اندازی LED به صورت پله‌ای قابل برنامه‌ریزی است: 2.5، 5، 10، 25، 50، 75، 100 و 125 میلی‌آمپر که امکان تنظیم محدوده تشخیص و مصرف توان را فراهم می‌کند. LED با فرکانس 60 کیلوهرتز تا 100 کیلوهرتز و چرخه کاری 50% پالس می‌زند. تعداد پالس‌ها در هر چرخه اندازه‌گیری از 1 تا 255 قابل پیکربندی است که مستقیماً بر زمان انتگرال‌گیری و حساسیت تأثیر می‌گذارد. در شرایط معمولی (32 پالس، 60 کیلوهرتز، جریان راه‌اندازی 100 میلی‌آمپر، هدف کارت خاکستری 18%)، حسگر می‌تواند اشیاء را تا فاصله 10 سانتی‌متر تشخیص دهد. قابلیت حذف نور محیط آن برای نور مستقیم خورشید تا 100 کیلولوکس مشخص شده است.

2.2 حداکثر مقادیر مجاز مطلق و شرایط عملیاتی

حداکثر مقادیر مجاز مطلق:اینها محدودیت‌های تنش هستند که حتی به طور لحظه‌ای نیز نباید از آن‌ها فراتر رفت تا از آسیب دائمی جلوگیری شود. ولتاژ تغذیه (VDD) نباید از 4.0V تجاوز کند. پایه‌های ورودی/خروجی دیجیتال (SCL، SDA، INT) و پایه LDR دارای محدوده ولتاژی از 0.5V- تا 4.0V+ هستند. دستگاه می‌تواند در دمای بین 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود.

شرایط عملیاتی توصیه‌شده:اینها محیط عملیاتی عادی را برای عملکرد قابل اطمینان تعریف می‌کنند. VDD باید بین 1.7V و 3.6V حفظ شود. تغذیه آند LED (VLED) به یک منبع جداگانه 3.0V تا 4.5V نیاز دارد. رابط I2C یک منطق بالا (V_I2Chigh) را در ≥1.5V و یک منطق پایین (V_I2Clow) را در ≤0.4V تشخیص می‌دهد. محدوده دمای عملیاتی کامل از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است که عملکرد را در محیط‌های سخت تضمین می‌کند.

2.3 ویژگی‌های الکتریکی AC (رابط I2C)

این حسگر از هر دو حالت استاندارد (100 کیلوهرتز) و حالت سریع (400 کیلوهرتز) ارتباط I2C پشتیبانی می‌کند. پارامترهای کلیدی زمان‌بندی شامل: فرکانس کلاک SCL (f_SCL) از 0 تا 400 کیلوهرتز، زمان آزاد گذرگاه (t_BUF) حداقل 1.3 میکروثانیه، دوره پایین SCL (t_LOW) حداقل 1.3 میکروثانیه، دوره بالای SCL (t_HIGH) حداقل 0.6 میکروثانیه و زمان تنظیم داده (t_SU:DAT) حداقل 100 نانوثانیه است. زمان‌های صعود و نزول برای هر دو سیگنال SDA و SCL باید کمتر از 300 نانوثانیه باشد. یک فیلتر ورودی، اسپایک‌های نویز کوتاه‌تر از 50 نانوثانیه را سرکوب می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت نمودارهای عملکرد معمولی ضروری برای طراحی را ارائه می‌دهد.

تعداد PS در مقابل فاصله:این منحنی رابطه بین خروجی دیجیتال خام (تعداد PS) از حسگر و فاصله تا یک کارت خاکستری استاندارد با بازتابندگی 18% را نشان می‌دهد. این منحنی معمولاً غیرخطی است و افزایش سریعی در تعداد را با کاهش فاصله در نزدیکی بسیار زیاد حسگر نشان می‌دهد و پس از آن کاهش تدریجی‌تری با افزایش فاصله رخ می‌دهد. این نمودار برای کالیبره کردن حسگر و تنظیم آستانه‌های وقفه مناسب برای محدوده‌های تشخیص خاص در یک کاربرد، حیاتی است.

پاسخ زاویه‌ای فرستنده:این نمودار الگوی تابش فضایی LED مادون قرمز داخلی را به تصویر می‌کشد. شدت نور مادون قرمز ساطع شده را به عنوان تابعی از زاویه از محور مرکزی (معمولاً یک نمودار قطبی) نشان می‌دهد. یک الگوی معمولی برای این بسته‌بندی ممکن است توزیع گسترده و شبه لامبرتی را نشان دهد. درک این الگو برای طراحی مکانیکی حیاتی است، زیرا بر میدان دید مؤثر و منطقه تشخیص حسگر مجاورت تأثیر می‌گذارد. تراز مناسب هر پنجره پوشش یا لنز با این الگو برای دستیابی به محدوده مشخص شده 10 سانتی‌متر ضروری است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

LTR-X130P در یک بسته‌بندی سطح‌نصب ChipLED با 8 پایه قرار دارد. ابعاد کلی در دیتاشیت با تمام اندازه‌گیری‌ها بر حسب میلی‌متر ارائه شده است. تلرانس ابعادی برای ویژگی‌های نامشخص ±0.2 میلی‌متر است. این بسته‌بندی برای فرآیندهای استاندارد مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place و لحیم‌کاری ریفلو که در تولید الکترونیک با حجم بالا رایج است، طراحی شده است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

در حالی که پروفایل‌های ریفلو خاص در بخش ارائه شده جزئیات داده نشده است، این دستگاه برای مونتاژ با فناوری استاندارد سطح‌نصب (SMT) در نظر گرفته شده است. توصیه می‌شود از دستورالعمل‌های JEDEC J-STD-020 برای پروفایل‌های لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب پیروی شود. سطح حساسیت به رطوبت (MSL) باید از مشخصات کامل بسته تأیید شود. دستگاه‌ها معمولاً در یک کیسه خشک همراه با ماده خشک‌کننده عرضه می‌شوند و در صورتی که کارت نشانگر رطوبت کیسه قبل از استفاده، قرارگیری بیش از حد در معرض رطوبت را نشان دهد، باید طبق روش‌های استاندارد پخته شوند.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

بسته‌بندی استاندارد برای LTR-X130P نوار و قرقره است که با تجهیزات مونتاژ اتوماتیک سازگار است. هر قرقره حاوی 8000 واحد است. شماره قطعه LTR-X130P است.

7. توصیه‌های طراحی کاربرد

7.1 مدار کاربرد معمولی

مدار کاربرد توصیه‌شده، ملاحظات طراحی حیاتی را برجسته می‌کند. یک نیاز اساسی، جداسازی تغذیه دیجیتال (VDD، 1.7-3.6V) و تغذیه آند LED (VLED، 3.0-4.5V) است. این جداسازی اجباری است تا جریان راه‌اندازی LED پایدار تضمین شود و از کوپل شدن نویز از پالس‌های LED به خطوط تغذیه آنالوگ و دیجیتال حساس جلوگیری شود. مدار شامل مقاومت‌های Pull-up (Rp1، Rp2، Rp3) روی خطوط SDA، SCL و INT است. مقدار آن‌ها (1 کیلواهم تا 10 کیلواهم) باید بر اساس ظرفیت کل گذرگاه و زمان صعود مورد نظر برای برآورده کردن مشخصات I2C انتخاب شود. خازن‌های دکوپلینگ ضروری هستند: یک خازن سرامیکی 1 میکروفاراد ±20% X7R/X5R (C1) باید تا حد امکان نزدیک به پایه VDD قرار گیرد و یک خازن 0.1 میکروفاراد (C2) نیز توصیه می‌شود. یک خازن مشابه 1 میکروفاراد (C3) روی خط VLED استفاده می‌شود.

7.2 پیکربندی و عملکرد پایه‌ها

• پایه 1 (SDA):خط داده سریال I2C (دوطرفه).
• پایه 2 (INT):خروجی وقفه فعال-پایین. زمانی که یک رویداد مجاورت قابل برنامه‌ریزی رخ دهد، فعال می‌شود.
• پایه 3 (LDR):به کاتد LED متصل می‌شود. هنگام استفاده از درایور داخلی، این پایه به پایه 4 (LEDK) متصل می‌شود.
• پایه 4 (LEDK):اتصال کاتد LED.
• پایه 5 (LEDA):اتصال آند LED. باید از خط تغذیه جداگانه VLED (3.0-4.5V) تأمین شود.
• پایه 6 (GND):زمین سیستم.
• پایه 7 (SCL):ورودی کلاک سریال I2C.
• پایه 8 (VDD):ورودی تغذیه دیجیتال (1.7-3.6V).

8. مقایسه و تمایز فنی

LTR-X130P از طریق یکپارچگی بالا و عملکرد قوی در شرایط چالش‌برانگیز، خود را متمایز می‌کند. در مقایسه با راه‌حل‌های گسسته (LED مادون قرمز جداگانه، فوتودیود و IC تنظیم سیگنال)، این حسگر فضای اشغالی به طور چشمگیری کوچکتر، فرآیند طراحی ساده‌تر و لیست مواد (BOM) کاهش یافته‌ای ارائه می‌دهد. در مقابل سایر حسگرهای مجاورت یکپارچه، مزایای کلیدی آن شامل ایمنی بسیار بالای 100 کیلولوکس در برابر نور محیط است که از بسیاری از رقبا برتر است، و همچنین تنظیمات انعطاف‌پذیر و قابل برنامه‌ریزی جریان LED و تعداد پالس که امکان تنظیم دقیق برای نیازهای خاص محدوده، توان و زمان پاسخ را فراهم می‌کند. تریم کارخانه، حداقل تغییرات بین واحدها را تضمین می‌کند که بازده تولید و ثبات در محصولات نهایی را بهبود می‌بخشد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: چرا VDD و VLED باید خطوط تغذیه جداگانه باشند؟
ج: پالس‌های LED می‌توانند جریان قابل توجهی (تا 125 میلی‌آمپر) بکشند. اشتراک یک خط تغذیه باعث افت ولتاژ بزرگ یا نویز روی خط VDD می‌شود که می‌تواند بخش آنالوگ حساس و منطق دیجیتال حسگر را ناپایدار کند و منجر به قرائت‌های نادرست یا رویدادهای ریست شود. خطوط جداگانه این نویز را ایزوله می‌کنند.

س: چگونه می‌توانم محدوده تشخیص را فراتر از 10 سانتی‌متر افزایش دهم؟
ج: محدوده تحت تأثیر جریان LED، تعداد پالس‌ها و بازتابندگی هدف قرار دارد. برای افزایش محدوده، می‌توانید یک جریان LED بالاتر (تا 125 میلی‌آمپر) را برنامه‌ریزی کنید و/یا تعداد پالس‌ها در هر اندازه‌گیری را افزایش دهید (تا 255). توجه داشته باشید که این کار مصرف توان در هر چرخه اندازه‌گیری را افزایش می‌دهد.

س: عملکرد وقفه چگونه به صرفه‌جویی در مصرف برق کمک می‌کند؟
ج: به جای اینکه میکروکنترلر میزبان به طور مداوم حسگر را برای قرائت‌ها پرس و جو کند (که گذرگاه I2C و CPU را فعال نگه می‌دارد)، حسگر را می‌توان با آستانه‌های بالایی و پایینی مجاورت پیکربندی کرد. میزبان حسگر و خود را در حالت کم‌مصرف قرار می‌دهد. تنها زمانی که یک شیء وارد منطقه مجاورت تعریف شده می‌شود یا از آن خارج می‌شود، حسگر خط INT را فعال می‌کند و میزبان را برای اقدام بیدار می‌کند. این کار فعالیت سیستم را به حداقل می‌رساند.

س: هدف از ویژگی حذف تداخل متقابل چیست؟
ج: در یک بسته‌بندی فشرده، مقداری از نور مادون قرمز فرستنده داخلی می‌تواند مستقیماً نشت کند یا به صورت داخلی روی فوتودیود منعکس شود بدون اینکه به یک شیء خارجی برخورد کند. این یک افست دائمی یا سیگنال "تداخل متقابل" ایجاد می‌کند. حسگر شامل مدارهایی برای اندازه‌گیری و تفریق دیجیتالی این افست است تا اطمینان حاصل شود که تعداد مجاورت واقعاً نمایانگر نور بازتابیده از یک شیء خارجی است.

10. مطالعات موردی طراحی و استفاده

مطالعه موردی 1: مدیریت نمایشگر تلفن هوشمند:در یک تلفن هوشمند، LTR-X130P در نزدیکی هندزفری قرار می‌گیرد. هنگامی که کاربر در طول تماس، تلفن را به گوش خود نزدیک می‌کند، حسگر مجاورت سر (در حدود 2-5 سانتی‌متر) را تشخیص می‌دهد. این حسگر یک وقفه به پردازنده برنامه ایجاد می‌کند که سپس صفحه نمایش لمسی را خاموش می‌کند تا از لمس‌های تصادفی گونه جلوگیری کند و نور پس‌زمینه را کم می‌کند تا در مصرف برق صرفه‌جویی شود. هنگامی که تلفن دور می‌شود، نمایشگر بازیابی می‌شود.

مطالعه موردی 2: تشخیص حضور کیوسک تعاملی:یک کیوسک اطلاعات عمومی از حسگر برای تشخیص زمانی که یک فرد در فاصله 50 سانتی‌متری نزدیک می‌شود، استفاده می‌کند. پس از تشخیص، از حالت خواب کم‌مصرف بیدار می‌شود، نمایشگر را فعال می‌کند و یک حلقه جذاب نشان می‌دهد. اگر برای یک دوره زمانی مشخص هیچ کسی تشخیص داده نشود، به حالت خواب بازمی‌گردد که در مقایسه با کارکرد 24/7، مصرف انرژی را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

11. اصول عملکرد

LTR-X130P بر اساس اصل حسگری مجاورت فعال مادون قرمز و حسگری نورسنجی محیط کار می‌کند. برای اندازه‌گیری مجاورت، میکروکنترلر داخلی، LED مادون قرمز یکپارچه را برای انتشار یک سری پالس‌های مدوله شده در 940 نانومتر فعال می‌کند. هر شیء در مقابل حسگر، بخشی از این نور را بازتاب می‌دهد. فوتودیود اختصاصی حساس به مادون قرمز، شدت نور بازتابیده را به یک جریان نوری کوچک تبدیل می‌کند. این جریان انتگرال گرفته شده و توسط یک ADC با رزولوشن بالا به یک مقدار دیجیتال تبدیل می‌شود. قدرت این مقدار دیجیتال (تعداد PS) متناسب با بازتابندگی و مجاورت شیء است. حسگر به طور همزمان نور محیط را با استفاده از یک فوتودیود نور مرئی جداگانه اندازه‌گیری می‌کند که خروجی آن پردازش می‌شود تا جزء مادون قرمز محیطی از سیگنال مجاورت کم شود و دقت افزایش یابد.

ارتباط I2C از پروتکل‌های استاندارد پیروی می‌کند. دستگاه دارای یک آدرس ثابت 7 بیتی برده 0x53 است. کنترلر اصلی از این آدرس برای نوشتن رجیسترهای پیکربندی (مانند تنظیم جریان LED، تعداد پالس، آستانه‌های وقفه) و برای خواندن داده‌های مجاورت و نور محیط استفاده می‌کند. پروتکل‌های خواندن و نوشتن، از جمله نوشتن‌های تکی، نوشتن‌های متوالی و خواندن‌های با فرمت ترکیبی (شروع تکراری)، مطابق با مشخصات I2C پیاده‌سازی شده‌اند.

12. روندهای فناوری

تکامل حسگرهایی مانند LTR-X130P چندین روند صنعتی واضح را دنبال می‌کند. یک حرکت مستمر به سمت یکپارچگی بالاتر وجود دارد که عملکردهای بیشتری (مانند حسگری رنگ، تشخیص ژست) را در بسته‌بندی‌های واحد ترکیب می‌کند در حالی که فضای اشغالی کاهش می‌یابد. کارایی توان همچنان از اهمیت بالایی برخوردار است که به سمت جریان‌های فعال و آماده‌باش پایین‌تر و طرح‌های بیدار شدن هوشمندتر سوق می‌یابد. عملکرد در محیط‌های شدید در حال بهبود است، با ایمنی بهتر در برابر نور خورشید و محدوده دمایی گسترده‌تر. علاوه بر این، روندی به سمت حسگرهای "هوشمندتر" با الگوریتم‌های تعبیه‌شده وجود دارد که داده‌های سطح بالاتر و پیش‌پردازش شده (مانند پرچم‌های "شیء حاضر/غایب" به جای تعداد خام) ارائه می‌دهند تا پردازش را از پردازنده اصلی برنامه خارج کرده و توسعه نرم‌افزار را ساده کنند.