دیتاشیت ITR9909 قطع‌کننده نوری - بسته‌بندی 4.0 میلی‌متر - طول موج 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

ITR9909 یک ماژول قطع‌کننده نوری فشرده است که برای کاربردهای حس‌گری بدون تماس طراحی شده است. این ماژول یک دیود ساطع‌کننده مادون‌قرمز (IRED) و یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN را درون یک محفظه ترموپلاستیک سیاه واحد ادغام می‌کند. اجزا به صورت کنار هم بر روی محورهای نوری همگرا قرار گرفته‌اند. اصل عملکرد پایه شامل دریافت تابش توسط فوتوترانزیستور از فرستنده مادون‌قرمز هم‌مکان است. هنگامی که یک جسم مات از شکاف بین آن‌ها عبور می‌کند، این پرتو مادون‌قرمز قطع شده و باعث تغییر قابل تشخیص در وضعیت خروجی فوتوترانزیستور می‌شود که امکان تشخیص جسم، حس‌گری موقعیت یا عملکردهای سوئیچینگ را فراهم می‌کند.

1.1 ویژگی‌ها و مزایای اصلی

• زمان پاسخ سریع:امکان تشخیص اجسام با حرکت سریع را فراهم می‌کند.
• حساسیت بالا:فوتوترانزیستور سیلیکونی پاسخ الکتریکی قوی به نور مادون‌قرمز ارائه می‌دهد.
• طول موج مشخص:IRED در طول موج پیک (λp) 940 نانومتر تابش می‌کند که برای چشم انسان نامرئی است و به کاهش تداخل از نور محیطی مرئی کمک می‌کند.
• انطباق محیطی:این قطعه به صورت بدون سرب تولید شده و با استانداردهای RoHS، EU REACH و بدون هالوژن (Br <900ppm، Cl <900ppm، Br+Cl <1500ppm) مطابقت دارد.
• ادغام فشرده:بسته‌بندی ترکیبی، طراحی و مونتاژ PCB را برای کاربردهای حس‌گری شکافی ساده می‌کند.

1.2 کاربردهای هدف

ITR9909 برای انواع کاربردهایی که نیاز به تشخیص قابل اعتماد و بدون تماس دارند مناسب است:

• انکودرهای چرخشی و سنسورهای موقعیت در ماوس کامپیوتر و دستگاه‌های کپی.
• تشخیص کاغذ و حس‌گری لبه در اسکنرها و پرینترها.
• تشخیص حضور دیسک در درایوهای فلاپی دیسک و سایر درایوهای رسانه‌ای.
• سوئیچینگ بدون تماس عمومی.
• حس‌گری در سطح برد که نیاز به نصب مستقیم دارد.

2. مشخصات فنی و تحلیل عمیق

2.1 محدوده‌های مطلق حداکثر

کارکرد دستگاه فراتر از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود. تمامی مشخصات در دمای محیط Ta=25°C است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

• ورودی (IRED):
  • اتلاف توان (Pd): 75 میلی‌وات
  • ولتاژ معکوس (VR): 5 ولت
  • جریان مستقیم پیوسته (IF): 50 میلی‌آمپر
  • جریان مستقیم پیک (IFP): 1 آمپر (عرض پالس ≤100μs، چرخه کاری 1%)
• خروجی (فوتوترانزیستور):
  • اتلاف توان کلکتور (Pd): 75 میلی‌وات
  • جریان کلکتور (IC): 50 میلی‌آمپر
  • ولتاژ کلکتور-امیتر (BV_CEO): 30 ولت
  • ولتاژ امیتر-کلکتور (BV_ECO): 5 ولت
• محیطی:
  • دمای عملیاتی (T_opr): 25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد
  • دمای ذخیره‌سازی (T_stg): 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد
  • دمای لحیم‌کاری پایه‌ها (T_sol): 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه (1/16 اینچ از بدنه)

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

پارامترهای عملکردی معمول در Ta=25°C رفتار عملیاتی دستگاه را تعریف می‌کنند.

• مشخصات ورودی (IRED):
  • ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً 1.2 ولت در IF=20mA (حداکثر 1.5 ولت). با جریان‌های پالسی بالاتر افزایش می‌یابد.
  • طول موج پیک (λ_P): 940 نانومتر (معمول) هنگام راه‌اندازی با 20mA.
• مشخصات خروجی (فوتوترانزیستور):
  • جریان تاریکی (I_CEO): حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=20 ولت در تاریکی کامل. این جریان نشتی است که سطح نویز حالت \"خاموش\" را تعریف می‌کند.
  • ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(sat)): حداکثر 0.4 ولت در I_C=2mA تحت تابش کافی (1mW/cm²). یک V_CE(sat) پایین برای سوئیچینگ دیجیتال تمیز مطلوب است.
  • جریان کلکتور (I_C(ON)): حداقل 200 میکروآمپر در V_CE=5 ولت و I_F=20mA. این حداقل جریان فوتویی تضمین شده تحت شرایط آزمایش استاندارد است.
• مشخصات دینامیکی:
  • زمان صعود (t_r) و زمان سقوط (t_f): معمولاً هر کدام 15 میکروثانیه. این پارامترها که تحت شرایط بار خاصی اندازه‌گیری می‌شوند (V_CE=5 ولت، I_C=1mA، R_L=1kΩ)، حداکثر فرکانس سوئیچینگی که دستگاه می‌تواند به طور قابل اعتماد مدیریت کند را تعیین می‌کنند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که روابط کلیدی بین پارامترهای عملیاتی را نشان می‌دهند. این منحنی‌ها برای درک رفتار دستگاه تحت شرایط غیراستاندارد ضروری هستند.

3.1 منحنی‌های فرستنده مادون‌قرمز (IRED)

• جریان مستقیم در مقابل دمای محیط:کاهش جریان مستقیم مجاز حداکثر با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد.
• حساسیت طیفی:نموداری از شدت تابشی نسبی در مقابل طول موج، با پیک در 940 نانومتر و نشان‌دهنده پهنای باند باریک فرستنده.
• شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم:رابطه غیرخطی بین جریان راه‌انداز و خروجی نور را نشان می‌دهد که در جریان‌های بالاتر تمایل به اشباع دارد.
• شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای:الگوی تابش یا زاویه دید IRED را نشان می‌دهد که برای هم‌ترازی نوری حیاتی است.

3.2 منحنی‌های فوتوترانزیستور (PT)

• اتلاف توان کلکتور در مقابل دمای محیط:منحنی کاهش توان برای خروجی فوتوترانزیستور را ارائه می‌دهد.
• حساسیت طیفی:پاسخ‌دهی فوتوترانزیستور را در طول‌موج‌های مختلف نشان می‌دهد، با حساسیت پیک معمولاً در ناحیه مادون‌قرمز نزدیک، که با فرستنده 940 نانومتری مطابقت دارد.
• جریان کلکتور نسبی در مقابل دمای محیط:نشان می‌دهد که بهره یا پاسخ‌دهی فوتوترانزیستور چگونه با دما تغییر می‌کند.
• جریان کلکتور در مقابل تابندگی:یک منحنی پایه‌ای که رابطه خطی (یا تقریباً خطی) بین توان نور فرودی (تابندگی) بر روی فوتوترانزیستور و جریان کلکتور حاصل را نشان می‌دهد.
• جریان تاریکی کلکتور در مقابل دمای محیط:نشان می‌دهد که جریان نشتی (I_CEO) چگونه به صورت نمایی با افزایش دما افزایش می‌یابد، که می‌تواند بر نسبت سیگنال به نویز در کاربردهای با دمای بالا تأثیر بگذارد.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر:مشابه مشخصه خروجی ترانزیستور، که نواحی عملیاتی برای سطوح مختلف تابش را نشان می‌دهد.

3.3 منحنی ماژول کامل (ITR)

• جریان کلکتور نسبی در مقابل فاصله بین سنسور:این یک منحنی حیاتی در سطح سیستم است. نشان می‌دهد که سیگنال دریافتی (جریان کلکتور) چگونه با تغییر فاصله بین جسم قطع‌کننده و شکاف سنسور تغییر می‌کند. محدوده حس‌گری مؤثر و رابطه بین موقعیت جسم و قدرت سیگنال خروجی را تعریف می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

ITR9909 در یک بسته‌بندی استاندارد Through-Hole عرضه می‌شود. ابعاد کلیدی از نقشه شامل موارد زیر است:

• عرض و ارتفاع کلی بدنه که اندازه شکاف را تعریف می‌کند.
• فاصله و قطر پایه‌ها برای نصب روی PCB.
• عرض شکاف بین IRED و فوتوترانزیستور داخلی، که اندازه جسم قابل تشخیص را تعیین می‌کند.
• نقشه ابعادی یک تلرانس استاندارد ±0.25mm را مشخص می‌کند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

4.2 شناسایی قطبیت

دستگاه از پیکربندی پین‌اوت استاندارد مشترک در بسیاری از قطع‌کننده‌های نوری استفاده می‌کند: آند و کاتد برای ورودی IRED، و کلکتور و امیتر برای خروجی فوتوترانزیستور. محفظه معمولاً یک علامت یا شکاف برای نشان‌دادن پین 1 دارد.

5. دستورالعمل‌های مونتاژ و جابجایی

5.1 توصیه‌های لحیم‌کاری

محدوده مطلق حداکثر مشخص می‌کند که پایه‌ها می‌توانند در دمای 260 درجه سانتی‌گراد حداکثر به مدت 5 ثانیه لحیم شوند، با این شرط که نقطه لحیم‌کاری حداقل 1/16 اینچ (تقریباً 1.6mm) از بدنه پلاستیکی فاصله داشته باشد. این برای جلوگیری از آسیب حرارتی به محفظه اپوکسی و اتصالات سیمی داخلی است. برای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو، باید پروفایل‌های استاندارد برای قطعات Through-Hole با محدودیت‌های حرارتی مشابه دنبال شود.

5.2 ذخیره‌سازی و جابجایی

دستگاه باید در محدوده دمای مشخص شده 40- تا 85+ درجه سانتی‌گراد در یک محیط خشک نگهداری شود. در طول جابجایی باید احتیاط‌های استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) رعایت شود، زیرا اجزای نیمه‌هادی داخل در برابر آسیب از الکتریسیته ساکن آسیب‌پذیر هستند.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات بسته‌بندی

تعداد استاندارد بسته‌بندی به شرح زیر است:

• 150 قطعه در هر کیسه.
• 5 کیسه در هر جعبه.
• 10 جعبه در هر کارتن.

6.2 اطلاعات برچسب

برچسب محصول شامل چندین کد برای ردیابی و مشخصات است:

• CPN:شماره محصول مشتری.
• P/N:شماره محصول سازنده (مثلاً ITR9909).
• QTY:تعداد در بسته.
• CAT, HUE, REF:اینها احتمالاً به کدهای داخلی دسته‌بندی برای پارامترهایی مانند رتبه شدت نور، رتبه طول موج غالب و رتبه ولتاژ مستقیم اشاره دارند، اگرچه جزئیات خاص دسته‌بندی در این بخش از دیتاشیت ارائه نشده است.
• LOT No:شماره دسته تولید برای قابلیت ردیابی.

7. ملاحظات طراحی کاربردی

7.1 طراحی مدار

طراحی با ITR9909 شامل دو مدار اصلی است:

1. مدار راه‌انداز IRED:یک مقاومت محدودکننده جریان سری با IRED استاندارد است. مقدار مقاومت به صورت R = (V_CC- V_F) / I_F محاسبه می‌شود. برای عملکرد قابل اعتماد و عمر طولانی، راه‌اندازی IRED در یا زیر 20mA معمول توصیه می‌شود، مگر اینکه برای نیازهای خاص نسبت سیگنال به نویز، راه‌اندازی پالسی با جریان بالا مورد نیاز باشد.
2. مدار خروجی فوتوترانزیستور:فوتوترانزیستور می‌تواند در دو پیکربندی رایج استفاده شود:
   • حالت سوئیچ (خروجی دیجیتال):یک مقاومت Pull-Up از کلکتور به V_CC وصل کنید. امیتر به زمین متصل است. هنگامی که نور به ترانزیستور می‌تابد، روشن شده و ولتاژ کلکتور را پایین می‌کشد (نزدیک به V_CE(sat)). هنگامی که پرتو قطع می‌شود، ترانزیستور خاموش می‌شود و مقاومت Pull-Up ولتاژ کلکتور را بالا می‌برد. مقدار مقاومت Pull-Up سرعت سوئیچینگ و مصرف جریان را تعیین می‌کند.
   • حالت خطی (خروجی آنالوگ):با استفاده از فوتوترانزیستور در پیکربندی امیتر مشترک با یک مقاومت کلکتور، ولتاژ در کلکتور تقریباً به صورت خطی با مقدار نور دریافتی تغییر می‌کند که برای حس‌گری موقعیت آنالوگ مفید است.

7.2 ملاحظات نوری

• هم‌ترازی:هم‌ترازی مکانیکی دقیق مسیر جسم با شکاف سنسور برای عملکرد یکنواخت حیاتی است.
• نور محیط:در حالی که فیلتر 940 نانومتری و سنسور منطبق، حذف خوبی از نور مرئی ارائه می‌دهند، منابع قوی نور مادون‌قرمز (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند باعث تداخل شوند. استفاده از سیگنال IR مدوله شده و تشخیص همزمان می‌تواند مصونیت در برابر نور محیط را به شدت بهبود بخشد.
• مشخصات جسم:سنسور قطع شدن پرتو را تشخیص می‌دهد. جسم باید برای نور مادون‌قرمز 940 نانومتری مات باشد. مواد نیمه‌شفاف ممکن است به طور قابل اعتماد تشخیص داده نشوند.

8. مقایسه و تمایز فنی

ITR9909 نمایانگر یک راه‌حل استاندارد و قابل اعتماد در بازار قطع‌کننده‌های نوری است. تمایزهای کلیدی آن، ترکیب خاص یک IRED با طول موج 940 نانومتر با یک فوتوترانزیستور سیلیکونی در یک بسته‌بندی فشرده و دید جانبی است. در مقایسه با سنسورهای بازتابی، قطع‌کننده‌ها یک سیگنال قطعی‌تر \"روشن/خاموش\" ارائه می‌دهند زیرا کمتر در معرض تغییرات در بازتابندگی یا رنگ جسم هستند. زمان پاسخ سریع مشخص شده (معمولاً 15 میکروثانیه) آن را برای کاربردهای حس‌گری سرعت یا انکودینگ مناسب می‌کند، در حالی که حساسیت بالا حتی با جریان‌های راه‌انداز پایین‌تر یا در محیط‌های پر گرد و غبار نیز یک سیگنال خوب را تضمین می‌کند. انطباق محیطی (RoHS، بدون هالوژن) یک عامل حیاتی برای تولید الکترونیک مدرن است.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

9.1 حداکثر سرعت یا فرکانس حس‌گری چقدر است؟

حداکثر فرکانس سوئیچینگ توسط زمان‌های صعود و سقوط (t_r, t_f) محدود می‌شود که معمولاً هر کدام 15 میکروثانیه است. یک تخمین محافظه‌کارانه برای یک چرخه کامل روشن-خاموش حدود 4 تا 5 برابر مجموع این زمان‌ها است که نشان‌دهنده حداکثر فرکانس عملی در محدوده 10-15 کیلوهرتز است. این برای اکثر کاربردهای انکودینگ مکانیکی مناسب است.

9.2 چگونه مقدار مقاومت محدودکننده جریان IRED را انتخاب کنم؟

از فرمول R = (ولتاژ تغذیه - V_F) / I_F استفاده کنید. برای یک منبع تغذیه 5 ولت و راه‌اندازی در شرایط آزمایش معمول 20mA، با V_F~1.2 ولت، R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 اهم. یک مقاومت استاندارد 180 یا 200 اهم مناسب خواهد بود. همیشه اطمینان حاصل کنید که اتلاف توان محاسبه شده در مقاومت در محدوده رتبه آن است.

9.3 چرا سیگنال خروجی ناپایدار یا پرنویز است؟

علل احتمالی شامل موارد زیر است: 1) جریان راه‌انداز ناکافی به IRED، منجر به سیگنال ضعیف. 2) سطوح بالای نور مادون‌قرمز محیط. 3) جریان تاریکی فوتوترانزیستور (که با دما افزایش می‌یابد) نسبت به جریان فوتویی قابل توجه می‌شود. 4) نویز الکتریکی روی خطوط تغذیه. راه‌حل‌ها شامل افزایش I_F(در محدوده مجاز)، افزودن محافظ نوری، پیاده‌سازی مدولاسیون سیگنال، استفاده از یک مقاومت Pull-Up با مقدار کمتر برای پاسخ سریع‌تر و اطمینان از جداسازی مناسب منبع تغذیه است.

9.4 آیا می‌توانم از این سنسور در فضای باز استفاده کنم؟

نور مستقیم خورشید حاوی مقدار قابل توجهی تابش مادون‌قرمز در 940 نانومتر است که می‌تواند فوتوترانزیستور را اشباع کرده و از عملکرد صحیح جلوگیری کند. برای استفاده در فضای باز، فیلتر نوری دقیق، طراحی محفظه برای مسدود کردن نور مستقیم خورشید و استفاده از سیگنال‌های IR مدوله شده به شدت توصیه می‌شود.

10. اصل عملکرد و روندهای فناوری

10.1 اصل کار

ITR9909 بر اساس اصل قطع نور منتقل شده عمل می‌کند. یک جریان الکتریکی که از دیود نورگسیل مادون‌قرمز (IRED) عبور می‌کند باعث می‌شود که در طول موج پیک 940 نانومتر فوتون ساطع کند. این فوتون‌ها از یک شکاف هوای کوچک عبور کرده و به ناحیه بیس فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN برخورد می‌کنند. فوتون‌ها در اتصال بیس-کلکتور جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند که به طور مؤثر به عنوان یک فوتودیود عمل می‌کند. این جریان فوتویی سپس توسط عمل ترانزیستوری دستگاه تقویت شده و منجر به جریان کلکتور بسیار بزرگتری می‌شود که به راحتی توسط مدارات خارجی قابل اندازه‌گیری است. هنگامی که یک جسم به طور فیزیکی مسیر بین فرستنده و آشکارساز را مسدود می‌کند، شار فوتونی متوقف می‌شود، جریان فوتویی تقریباً به صفر می‌رسد و ترانزیستور خاموش می‌شود که نشان‌دهنده حضور جسم است.

10.2 زمینه و روندهای فناوری

قطع‌کننده‌های نوری مانند ITR9909 قطعاتی بالغ و به خوبی درک شده هستند. روندهای فعلی در این زمینه بر چند حوزه متمرکز است:

• کوچک‌سازی:توسعه بسته‌بندی‌های Surface-Mount (SMD) کوچکتر برای صرفه‌جویی در فضای برد در الکترونیک مصرفی مدرن.
• ادغام:گنجاندن مدارات اضافی روی تراشه، مانند تریگر اشمیت برای خروجی دیجیتال، تقویت‌کننده‌ها برای خروجی آنالوگ، یا حتی رابط‌های کامل سطح منطقی (مانند خروجی Open-Drain).
• افزایش عملکرد:بهبود سرعت برای انکودرهای با وضوح بالاتر، کاهش مصرف توان برای دستگاه‌های باتری‌خور و افزایش حساسیت برای امکان استفاده از جریان‌های راه‌انداز کوچکتر یا شکاف‌های حس‌گری بزرگتر.
• تخصصی‌سازی:ایجاد انواع مختلف با عرض شکاف‌های متفاوت، شکل‌های دیافراگم یا پاسخ‌های طیفی برای بخش‌های خاص بازار مانند خودرو، اتوماسیون صنعتی یا دستگاه‌های پزشکی.

اصل پایه قطع نوری همچنان یک روش قوی و مقرون‌به‌صرفه برای حس‌گری بدون تماس باقی می‌ماند و تضمین می‌کند که در طیف گسترده‌ای از سیستم‌های الکترومکانیکی مرتبط باقی بماند.