دیتاشیت قطع کننده نوری ITR8104 - مادون قرمز 940 نانومتر - 5 ولت/20 میلی‌آمپر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

ITR8104 یک ماژول قطع کننده نوری فشرده است که برای کاربردهای حسگری و سوئیچینگ غیرتماسی طراحی شده است. این قطعه یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز و یک فتوترانزیستور سیلیکونی NPN را درون یک محفظه ترموپلاستیک سیاه یکپارچه می‌کند. اجزا به صورت کنار هم بر روی محورهای نوری همگرا چیده شده‌اند. در حالت عادی، فتوترانزیستور تابش مادون قرمز ساطع شده توسط LED را دریافت می‌کند. هنگامی که یک جسم کدر مسیر نور بین فرستنده و گیرنده را قطع می‌کند، فتوترانزیستور از هدایت بازمی‌ایستد و یک سیگنال سوئیچینگ واضح ارائه می‌دهد.

مزایای کلیدی این دستگاه شامل زمان پاسخ سریع، حساسیت بالا و طول موج اوج تابش 940 نانومتر است که خارج از طیف مرئی بوده و برای به حداقل رساندن تداخل نور محیطی طراحی شده است. دستگاه با مواد بدون سرب ساخته شده و با مقررات زیست‌محیطی مرتبط مانند RoHS و EU REACH مطابقت دارد.

2. بررسی عمیق مشخصات فنی

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

کارکرد دستگاه فراتر از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• ورودی (LED مادون قرمز):
  • توان اتلافی (Pd): 75 میلی‌وات (در دمای 25°C یا پایین‌تر)
  • ولتاژ معکوس (VR): 5 ولت
  • جریان مستقیم (IF): 50 میلی‌آمپر
• خروجی (فتوترانزیستور):
  • توان اتلافی کلکتور (Pc): 75 میلی‌وات
  • جریان کلکتور (IC): 20 میلی‌آمپر
  • ولتاژ کلکتور-امیتر (BV_CEO): 30 ولت
  • ولتاژ امیتر-کلکتور (BV_ECO): 5 ولت
• حرارتی:
  • دمای کاری (T_opr): 25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد
  • دمای نگهداری (T_stg): 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد
  • دمای لحیم‌کاری پایه (T_sol): 260 درجه سانتی‌گراد به مدت ≤5 ثانیه (اندازه‌گیری شده در فاصله 3 میلی‌متری از پکیج)

2.2 ویژگی‌های الکترواپتیکی (T_a=25°C)

این پارامترها عملکرد دستگاه را در شرایط کاری معمول تعریف می‌کنند.

• ویژگی‌های ورودی (LED مادون قرمز):
  • ولتاژ مستقیم (V_F): 1.2 ولت (معمول)، 1.6 ولت (حداکثر) در I_F=20mA
  • جریان معکوس (I_R): 10 میکروآمپر (حداکثر) در V_R=5V
  • طول موج اوج (λ_P): 940 نانومتر (معمول) در I_F=20mA
• ویژگی‌های خروجی (فتوترانزیستور):
  • جریان تاریکی (I_CEO): 100 نانوآمپر (حداکثر) در V_CE=20V, E_e=0mW/cm²
  • ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(sat)): 0.4 ولت (حداکثر) در I_C=0.5mA, I_F=20mA
  • جریان کلکتور (I_C(ON)): 0.5 میلی‌آمپر (حداقل) در V_CE=5V, I_F=20mA
  • زمان صعود (t_r): 20 میکروثانیه (معمول) در V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ
  • زمان نزول (t_f): 20 میکروثانیه (معمول) در V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ضروری برای مهندسان طراحی ارائه می‌دهد.

3.1 ویژگی‌های LED مادون قرمز

نمودارها رابطه بین جریان مستقیم و دمای محیط را نشان می‌دهند که کاهش توان لازم در دماهای بالاتر برای ماندن در محدوده توان را نشان می‌دهد. منحنی حساسیت طیفی اوج تابش در 940 نانومتر را تأیید می‌کند. نمودار دیگر تغییر جزئی طول موج اوج تابش با دمای محیط را نشان می‌دهد که برای اکثر کاربردها معمولاً قابل چشم‌پوشی است.

3.2 ویژگی‌های فتوترانزیستور

نمودارهای کلیدی شامل رابطه بین جریان کلکتور و جریان مستقیم (ویژگی‌های انتقالی) در دماهای مختلف است که حساسیت دستگاه را برجسته می‌کند. نمودار توان اتلافی کلکتور در مقابل دمای محیط برای مدیریت حرارتی بسیار مهم است و نشان می‌دهد که حداکثر توان مجازی چگونه با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

ITR8104 در یک پکیج استاندارد Through-Hole عرضه می‌شود. ابعاد حیاتی شامل فاصله پایه‌ها، عرض بدنه و ارتفاع کلی است. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلرانس کلی ±0.3 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بدنه پلاستیکی پکیج خارج می‌شوند.

4.2 شناسایی قطبیت و نصب

دستگاه دارای یک پین‌اوت استاندارد است: آند و کاتد LED مادون قرمز، و کلکتور و امیتر فتوترانزیستور. محفظه معمولاً علامت‌گذاری یا شکل‌دهی شده است تا پین 1 را نشان دهد. هنگام نصب روی PCB، سوراخ‌ها باید دقیقاً با موقعیت پایه‌ها تراز شوند تا از اعمال تنش مکانیکی بر بدنه اپوکسی جلوگیری شود، که می‌تواند عملکرد را کاهش دهد یا باعث خرابی شود.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 فرم‌دهی پایه‌ها

• خم کردن باید در فاصله‌ای بیشتر از 3 میلی‌متر از پایین بدنه رزین اپوکسی انجام شود.
• فرم‌دهی پایه‌ها بایدقبل ازفرآیند لحیم‌کاری تکمیل شود.
• قاب پایه در حین خم شدن باید به طور ایمن نگه داشته شود تا از تنش بر روی پکیج جلوگیری شود.
• برش پایه‌ها باید در دمای اتاق انجام شود.

5.2 توصیه‌های لحیم‌کاری

برای جلوگیری از آسیب حرارتی، حداقل فاصله 3 میلی‌متر از اتصال لحیم تا حباب اپوکسی حفظ شود.

• لحیم‌کاری دستی:دمای نوک هویه: حداکثر 300°C (حداکثر 30W). زمان لحیم‌کاری: حداکثر 3 ثانیه برای هر پایه.
• لحیم‌کاری موجی/غوطه‌وری:دمای پیش‌گرم: حداکثر 100°C (حداکثر 60 ثانیه). دمای حمام لحیم: حداکثر 260°C. زمان ماند: حداکثر 5 ثانیه.
• از سرد کردن سریع پس از لحیم‌کاری خودداری کنید. اجازه دهید دستگاه به تدریج به دمای اتاق بازگردد.
• لحیم‌کاری غوطه‌وری یا دستی نباید بیش از یک بار انجام شود.

5.3 پروفیل لحیم‌کاری توصیه شده

پروفیل یک پیش‌گرم تدریجی، یک زمان کنترل شده بالاتر از نقطه مایع (معمولاً 260°C) و یک نرخ خنک‌سازی کنترل شده را برای به حداقل رساندن شوک حرارتی به قطعه پیشنهاد می‌کند.

6. نگهداری و جابجایی

• نگهداری اولیه (پس از حمل و نقل):10–30°C، ≤70% رطوبت نسبی تا 3 ماه.
• نگهداری بلندمدت (بیش از 3 ماه):10–25°C، 20–60% رطوبت نسبی در یک ظرف دربسته با اتمسفر نیتروژن تا یک سال.
• پس از باز کردن بسته:در دمای 10–25°C، 20–60% رطوبت نسبی نگهداری شود. ظرف 24 ساعت یا در اسرع وقت استفاده شود. دستگاه‌های استفاده نشده را بلافاصله دوباره مهر و موم کنید.
• از تغییرات سریع دما در محیط‌های با رطوبت بالا برای جلوگیری از تعریق خودداری کنید.
• تمیز کردن:تمیز کردن اولتراسونیکبرای این دستگاه توصیه نمی‌شود.recommended for this device.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 مشخصات بسته‌بندی

بسته‌بندی استاندارد به این صورت است: 100 قطعه در هر تیوب، 20 تیوب در هر جعبه، و 4 جعبه در هر کارتن.

7.2 اطلاعات برچسب

برچسب محصول شامل فیلدهای زیر است: شماره محصول مشتری (CPN)، شماره محصول (P/N)، تعداد بسته‌بندی (QTY)، رتبه شدت نور (CAT)، رتبه طول موج غالب (HUE)، رتبه ولتاژ مستقیم (REF)، شماره لات (LOT No.)، و یک کد تاریخ/ماه (X).

8. پیشنهادات کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی متداول

• حسگری موقعیت/سرعت:در ماوس کامپیوتر، دستگاه‌های کپی و درایوهای فلاپی دیسک برای تشخیص چرخش یا حرکت خطی.
• سوئیچینگ غیرتماسی:تشخیص شیء در دستگاه‌های فروش خودکار، سیستم‌های امنیتی و اتوماسیون صنعتی.
• تشخیص لبه:در پرینترها و اسکنرها برای تشخیص وجود کاغذ یا لبه‌های مدیا.
• نصب مستقیم روی برد:مناسب برای کاربردهای PCB Through-Hole که نیاز به سوئیچینگ ایزوله و قابل اطمینان دارند.

8.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان:همیشه از یک مقاومت سری با LED مادون قرمز برای محدود کردن جریان مستقیم (I_F) به مقدار مورد نظر استفاده کنید، معمولاً 20 میلی‌آمپر یا کمتر برای قابلیت اطمینان بلندمدت.
• مقاومت بار:یک مقاومت Pull-up معمولاً بین کلکتور فتوترانزیستور و ولتاژ تغذیه (V_CC) متصل می‌شود. مقدار آن (مثلاً 1kΩ) بر روی نوسان ولتاژ خروجی و سرعت سوئیچینگ تأثیر می‌گذارد.
• نور محیط:در حالی که فیلتر 940 نانومتر کمک می‌کند، طراحی یک مانع فیزیکی یا محفظه برای محافظت از سنسور در برابر منابع مستقیم IR محیطی (مانند نور خورشید یا لامپ‌های رشته‌ای) قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشد.
• زمان پاسخ:برای کاربردهای پرسرعت، زمان صعود/نزول معمول 20 میکروثانیه را در نظر بگیرید و اطمینان حاصل کنید که مدار درایو می‌تواند آن را پشتیبانی کند.
• مدیریت حرارتی:به منحنی‌های کاهش توان پایبند باشید، به ویژه در محیط‌های با دمای محیطی بالا.

9. مقایسه و تمایز فنی

ITR8104 مجموعه‌ای متعادل از ویژگی‌ها را ارائه می‌دهد. طول موج 940 نانومتری آن ایمنی خوبی در برابر نویز نور مرئی فراهم می‌کند. طراحی کنار هم و محور همگرا یک شکاف حسگری به خوبی تعریف شده ارائه می‌دهد که آن را برای تشخیص لبه و موقعیت‌یابی دقیق شیء مناسب می‌سازد. زمان پاسخ سریع 20 میکروثانیه امکان استفاده در کاربردهای شمارش یا انکودینگ با سرعت متوسط را فراهم می‌کند. پکیج Through-Hole اتصال مکانیکی مستحکمی برای کاربردهای مستعد لرزش ارائه می‌دهد. در مقایسه با سنسورهای بازتابی، قطع‌کننده‌ها یک سیگنال قطع/وصل قطعی‌تر ارائه می‌دهند زیرا تحت تأثیر بازتابندگی جسم هدف قرار نمی‌گیرند.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

10.1 جریان کاری معمول LED مادون قرمز چقدر است؟

ویژگی‌های الکترواپتیکی در I_F= 20mA مشخص شده‌اند که یک نقطه کاری متداول و قابل اطمینان است. می‌توان آن را تا حداکثر مطلق 50 میلی‌آمپر برای خروجی بالاتر راه‌اندازی کرد، اما این امر نیاز به مدیریت حرارتی دقیق دارد و ممکن است قابلیت اطمینان بلندمدت را کاهش دهد.

10.2 حساسیت فتوترانزیستور چقدر است؟

پارامتر کلیدی I_C(ON) است که تضمین می‌شود حداقل 0.5 میلی‌آمپر باشد هنگامی که LED مادون قرمز با 20 میلی‌آمپر راه‌اندازی می‌شود و V_CE=5V. این یک سیگنال قوی برای رابط‌های سوئیچینگ دیجیتال با یک مقاومت Pull-up مناسب فراهم می‌کند.

10.3 آیا می‌توان از این قطعه برای تشخیص اجسام شفاف استفاده کرد؟

خیر. ITR8104 برای تشخیص اجسام کدری طراحی شده است که به طور کامل پرتو مادون قرمز را قطع می‌کنند. مواد شفاف یا نیمه شفاف ممکن است اجازه دهند نور IR کافی عبور کند و از خاموش شدن کامل فتوترانزیستور جلوگیری کنند.

10.4 فاصله توصیه شده بین فرستنده و گیرنده برای یک جسم چقدر است؟

دیتاشیت حداکثر شکاف را مشخص نمی‌کند. شکاف مؤثر توسط تراز و شدت LED مادون قرمز تعیین می‌شود. برای عملکرد قابل اطمینان، جسم باید به طور کامل مسیر نوری همگرا بین دو عنصر را اشغال کند. فاصله حسگری معمول چند میلی‌متر است که توسط محفظه مکانیکی تعریف می‌شود.

11. مورد عملی طراحی و استفاده

مورد: تشخیص گیرکردن کاغذ در پرینتر
یک ITR8104 در عرض مسیر کاغذ نصب شده است. یک پین میکروکنترلر LED مادون قرمز را از طریق یک مقاومت 150Ω راه‌اندازی می‌کند (محدود کردن I_F به ~20mA در 3.3V). کلکتور فتوترانزیستور از طریق یک مقاومت Pull-up 4.7kΩ به 3.3V به پین ورودی دیجیتال میکروکنترلر متصل شده است. در حالت "کاغذ موجود"، کاغذ پرتو را مسدود می‌کند، فتوترانزیستور خاموش است و پین ورودی از طریق مقاومت Pull-up HIGH خوانده می‌شود. هنگامی که مسیر کاغذ باز است، نور IR به فتوترانزیستور می‌رسد، آن را روشن می‌کند و پین ورودی را LOW می‌کند. میکروکنترلر این پین را مانیتور می‌کند. یک حالت HIGH مداوم هنگامی که انتظار کاغذ می‌رود نشان‌دهنده گیرکردن یا تغذیه نادرست است. زمان پاسخ سریع اطمینان می‌دهد که گیرکردن به سرعت تشخیص داده می‌شود و طول موج 940 نانومتری از تحریک‌های کاذب ناشی از نور اتاق جلوگیری می‌کند.

12. اصل عملکرد

ITR8104 بر اساس اصل تشخیص نور مدوله شده عمل می‌کند. یک LED مادون قرمز فوتون‌هایی با طول موج 940 نانومتر ساطع می‌کند. یک فتوترانزیستور سیلیکونی که در مقابل LED قرار دارد، به عنوان گیرنده عمل می‌کند. هنگامی که فوتون‌های با انرژی کافی به ناحیه بیس فتوترانزیستور برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. این جریان فوتوژنریک شده به عنوان جریان بیس عمل می‌کند و باعث می‌شود ترانزیستور جریان کلکتور بسیار بزرگتری را هدایت کند (اثر فوتوالکتریک ترکیب شده با تقویت ترانزیستور). حضور یک جسم کدر در مسیر نور از رسیدن فوتون‌ها به فتوترانزیستور جلوگیری می‌کند، جریان بیس را حذف می‌کند و ترانزیستور را خاموش می‌کند. این یک سیگنال خروجی دیجیتال ایجاد می‌کند که با حضور یا عدم حضور جسم مرتبط است.

13. روندهای فناوری

قطع‌کننده‌های نوری همچنان اجزای اساسی در سیستم‌های الکترومکانیکی هستند. روندهای فعلی بر کوچک‌سازی (پکیج‌های SMD کوچکتر)، یکپارچه‌سازی مدارهای اضافی شکل‌دهی سیگنال (مانند تریگر اشمیت یا تقویت‌کننده‌ها) درون پکیج برای ارائه خروجی دیجیتال تمیزتر و بهبود مقاومت در برابر آلاینده‌های محیطی متمرکز است. همچنین روندی به سمت انواع پرسرعت‌تر برای کاربردهای انکودینگ پیشرفته وجود دارد. اصل هسته‌ای قطع نوری به دلیل ایزولاسیون الکتریکی، ماهیت غیرتماسی و قابلیت اطمینان آن در مقایسه با سوئیچ‌های کاملاً مکانیکی، همچنان مستحکم باقی مانده است.