دیتاشیت کامل سنسور نوری ITR20403 - بسته‌بندی 4.0x3.0x2.0mm - ولتاژ مستقیم 1.6V - اتلاف توان 75mW - مادون قرمز 940nm - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

ITR20403 یک ماژول شکست‌دهنده نوری فشرده است که برای کاربردهای حسگری بدون تماس طراحی شده است. این قطعه یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IRED) و یک ترانزیستور نوری سیلیکونی را درون یک محفظه سیاه ترموپلاستیکی با فرم‌فاکتور کوچک یکپارچه کرده است. عملکرد اصلی دستگاه، تشخیص قطع شدن پرتو نور مادون قرمز بین اجزای فرستنده و گیرنده آن است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

این دستگاه چندین مزیت کلیدی ارائه می‌دهد که آن را برای کاربردهای دقیق مناسب می‌سازد. زمان پاسخ سریع و حساسیت بالا، تشخیص قابل اطمینان حرکات سریع اجسام را ممکن می‌سازد. بسته‌بندی نازک و کوچک، ادغاج آن را در طراحی‌های با محدودیت فضا که معمولاً در لوازم الکترونیکی مصرفی و تجهیزات اتوماسیون اداری یافت می‌شود، تسهیل می‌کند. یک ویژگی فنی مهم، طراحی محفظه است که به ترانزیستور نوری اجازه می‌دهد تابش را عمدتاً از LED مادون قرمز داخلی دریافت کند، در نتیجه تداخل و نویز از منابع نور محیطی به حداقل می‌رسد. بازارهای هدف اصلی شامل دستگاه‌های تصویربرداری، سیستم‌های مدیریت اسناد و کنترل‌های اتوماسیون مختلفی است که نیاز به تشخیص دقیق موقعیت یا حضور دارند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی از مشخصات الکتریکی، نوری و حرارتی دستگاه را همانطور که در دیتاشیت تعریف شده است، ارائه می‌دهد.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

مقادیر حداکثر مطلق، محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. اینها شرایط کاری توصیه شده نیستند.

• اتلاف توان ورودی (IRED) (Pd):حداکثر 75 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر. تجاوز از این حد، خطر آسیب حرارتی به چیپ LED را به همراه دارد.
• ولتاژ معکوس ورودی (VR):حداکثر 5 ولت. اعمال ولتاژ معکوس بالاتر می‌تواند باعث شکست پیوند شود.
• جریان مستقیم پیوسته (IF):حداکثر 50 میلی‌آمپر. این بالاترین جریان DC است که IRED می‌تواند تحمل کند.
• اتلاف توان خروجی (ترانزیستور نوری) (Pd):حداکثر 75 میلی‌وات در دمای 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر.
• جریان کلکتور (IC):حداکثر 20 میلی‌آمپر برای خروجی ترانزیستور نوری.
• ولتاژ کلکتور-امیتر (BV_CEO):حداکثر 30 ولت. این ولتاژ شکست با بیس باز است.
• دمای کاری (T_opr):از 25- درجه سانتی‌گراد تا 80+ درجه سانتی‌گراد. عملکرد دستگاه در این محدوده دمای محیطی تضمین شده است.
• دمای نگهداری (T_stg):از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها (T_sol):حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 3 میلی‌متری از بدنه بسته. این برای کنترل فرآیند مونتاژ حیاتی است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها تحت شرایط آزمایش استاندارد (Ta=25°C) اندازه‌گیری شده و نمایانگر عملکرد معمول دستگاه هستند.

• ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.23 ولت، با حداکثر 1.6 ولت در I_F=20mA. این پارامتر برای طراحی مدار درایور محدودکننده جریان برای IRED ضروری است.
• طول موج پیک (λ_P):940 نانومتر. این طول موج اسمی نور مادون قرمز ساطع شده است که با حساسیت پیک ترانزیستور نوری گیرنده مطابقت دارد.
• جریان تاریک کلکتور (I_CEO):حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=20V و بدون نور. این جریان نشتی، سطح نویز سنسور در حالت "خاموش" را تعیین می‌کند.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(sat)):حداکثر 0.4 ولت در I_C=2mA و تابش (E_e) برابر 1 mW/cm². یک ولتاژ اشباع پایین برای کاربردهای سوئیچینگ دیجیتال مطلوب است.
• جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(on)):از حداقل 0.2 میلی‌آمپر تا حداکثر 5.0 میلی‌آمپر تحت شرایط آزمایش V_CE=5V و I_F=20mA متغیر است. این محدوده وسیع نشان‌دهنده تغییرات نسبت انتقال جریان (CTR) بین دستگاه‌ها است که باید در طراحی مدار در نظر گرفته شود.
• زمان صعود/سقوط (t_r, t_f):معمولاً هر کدام 15 میکروثانیه تحت شرایط سوئیچینگ مشخص شده. این حداکثر فرکانس سوئیچینگ قابل دستیابی برای دستگاه را تعریف می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل منحنی‌های مشخصه معمول است که بینشی از رفتار دستگاه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهد.

3.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

این منحنی کاهش ضروری جریان مستقیم IRED را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. برای جلوگیری از تجاوز از حداکثر دمای پیوند و اطمینان از قابلیت اطمینان بلندمدت، جریان کاری باید زمانی که دستگاه در محیط‌های با دمای بالا استفاده می‌شود، کاهش یابد. طراحان باید برای تعیین جریان کاری ایمن برای حداکثر دمای محیطی کاربرد خاص خود، به این نمودار مراجعه کنند.

3.2 حساسیت طیفی

منحنی‌های حساسیت طیفی جداگانه برای هر دو فرستنده مادون قرمز و ترانزیستور نوری ارائه شده است. منحنی IRED شدت تابشی نسبی در مقابل طول موج را نشان می‌دهد که در 940 نانومتر به پیک می‌رسد. منحنی ترانزیستور نوری پاسخ نسبی آن در مقابل طول موج نور فرودی را نشان می‌دهد که پیک آن برای هم‌راستایی با خروجی فرستنده طراحی شده است. پاسخ باریک و منطبق، حساسیت به نور محیطی مرئی را به حداقل می‌رساند که یک ویژگی کلیدی برای عملکرد پایدار در شرایط نوری متغیر است.

3.3 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم

این منحنی IV برای IRED رابطه غیرخطی بین ولتاژ مستقیم و جریان را نشان می‌دهد. این برای انتخاب یک طرح محدودکننده جریان مناسب (مثلاً مقاومت، منبع جریان ثابت) برای اطمینان از خروجی مادون قرمز پایدار در محدوده دمای کاری و در تغییرات تولید، حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

دستگاه در یک بسته فشرده قرار دارد. ابعاد کلیدی شامل عرض بدنه تقریباً 4.0 میلی‌متر، عمق 3.0 میلی‌متر و ارتفاع 2.0 میلی‌متر است. فاصله پایه‌ها 2.54 میلی‌متر (0.1 اینچ) است که یک گام استاندارد برای نصب PCB از نوع سوراخ‌دار است. تمام تلرانس‌های ابعادی ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. پایه‌ها در جایی که از بدنه بسته خارج می‌شوند، اندازه‌گیری می‌شوند.

4.2 شناسایی قطبیت و نصب

این قطعه دارای چهار پایه است. قرارداد استاندارد برای چنین شکست‌دهنده‌های نوری این است که دو پایه در یک سمت متعلق به فرستنده مادون قرمز (آند و کاتد) و دو پایه در سمت مقابل متعلق به ترانزیستور نوری (امیتر و کلکتور) است. پین‌اوت دقیق باید از نمودار بسته تأیید شود. هنگام نصب، سوراخ‌های PCB باید دقیقاً با موقعیت پایه‌ها هم‌راستا باشند تا از اعمال تنش مکانیکی بر بدنه اپوکسی در هنگام قرارگیری جلوگیری شود، که می‌تواند عملکرد را کاهش دهد یا باعث خرابی شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح برای حفظ یکپارچگی و عملکرد دستگاه حیاتی است.

5.1 شکل‌دهی پایه‌ها

اگر خم کردن پایه‌ها لازم باشد، بایدقبل ازلحیم‌کاری انجام شود. خم باید در فاصله‌ای بیش از 3 میلی‌متر از پایین بدنه بسته اپوکسی ایجاد شود. قاب پایه باید در حین خم شدن به طور ایمن نگه داشته شود تا از انتقال تنش به حباب اپوکسی شکننده جلوگیری شود، که می‌تواند باعث ترک خوردگی یا آسیب داخلی شود. برش پایه‌ها باید در دمای اتاق انجام شود.

5.2 فرآیند لحیم‌کاری

حداقل فاصله 3 میلی‌متر باید بین اتصال لحیم و حباب اپوکسی حفظ شود. شرایط توصیه شده عبارتند از:

• لحیم‌کاری دستی:حداکثر دمای نوک هویه 300 درجه سانتی‌گراد (برای هویه 30 وات)، حداکثر زمان لحیم‌کاری 3 ثانیه برای هر پایه.
• لحیم‌کاری موجی/غوطه‌وری:حداکثر دمای پیش‌گرم 100 درجه سانتی‌گراد تا 60 ثانیه. حداکثر دمای حمام لحیم 260 درجه سانتی‌گراد با زمان ماند حداکثر 5 ثانیه.

از اعمال هرگونه تنش مکانیکی به پایه‌ها در زمانی که دستگاه در دمای بالا است، خودداری کنید. لحیم‌کاری غوطه‌وری یا دستی نباید بیش از یک بار انجام شود. پس از لحیم‌کاری، دستگاه باید از ضربه یا لرزش مکانیکی محافظت شود تا زمانی که به دمای اتاق بازگردد. فرآیندهای خنک‌سازی سریع توصیه نمی‌شود.

5.3 تمیزکاری و نگهداری

تمیزکاری اولتراسونیک ممنوع است، زیرا ارتعاشات فرکانس بالا می‌تواند به اجزای داخلی یا درز اپوکسی آسیب برساند. برای نگهداری، دستگاه‌ها باید تا 3 ماه پس از حمل در دمای 10-30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 70% یا کمتر نگهداری شوند. برای نگهداری طولانی‌تر (تا یک سال)، یک ظرف دربسته با اتمسفر نیتروژن در دمای 10-25 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 20-60% توصیه می‌شود. پس از باز کردن بسته‌بندی حساس به رطوبت، دستگاه‌ها باید ظرف 24 ساعت یا در اسرع وقت استفاده شوند و هر قطعه باقی‌مانده بلافاصله دوباره مهر و موم شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

مشخصات بسته‌بندی استاندارد 120 قطعه در هر تیوب، 96 تیوب در هر جعبه و 2 جعبه در هر کارتن است. برچسب روی بسته‌بندی شامل فیلدهای شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره قطعه سازنده (P/N)، تعداد بسته‌بندی (QTY)، مرجع (REF) و شماره لات (LOT No.) می‌باشد.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

• تشخیص کاغذ در پرینترها/کپی‌ها/اسکنرها:تشخیص وجود کاغذ، گیرکردن کاغذ یا لبه جلو/عقب یک سند.
• تشخیص موقعیت درپوش لنز یا فیلتر در دوربین‌ها:تشخیص اینکه آیا درپوش لنز روی لنز است یا چرخ فیلتر در موقعیت صحیح قرار دارد.
• سنسور انتهایی بدون تماس:در اسکنرها، پلاترها یا استیج‌های اتوماتیک برای تشخیص موقعیت خانه یا محدودیت بدون تماس فیزیکی استفاده می‌شود.
• شمارش یا مرتب‌سازی اشیاء:تشخیص اشیاء روی نوار نقاله در حین قطع کردن پرتو مادون قرمز.
• سنسینگ دیسک انکودر چرخشی:خواندن شکاف‌ها در یک دیسک چرخان برای اندازه‌گیری سرعت یا موقعیت (اگرچه ماژول‌های انکودر اختصاصی اغلب برای کارهای با وضوح بالا مناسب‌تر هستند).

7.2 ملاحظات طراحی و رابط مدار

هنگام طراحی با ITR20403، چندین عامل باید در نظر گرفته شود:

1. محدودکننده جریان برای IRED:یک مقاومت سری باید بر اساس ولتاژ تغذیه (V_CC)، جریان مستقیم مورد نظر (I_F، معمولاً 20mA برای خروجی نامی) و افت ولتاژ مستقیم (V_F~1.23V) محاسبه شود. R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. مدار رابط خروجی:ترانزیستور نوری می‌تواند در دو پیکربندی متداول استفاده شود:
   • حالت سوئیچ:یک مقاومت pull-up (مثلاً 1kΩ تا 10kΩ) از کلکتور به V_CCمتصل کنید. امیتر به زمین متصل است. خروجی در کلکتور زمانی که پرتو مسدود نشده است (ترانزیستور روشن) پایین (نزدیک V_CE(sat)) و زمانی که پرتو مسدود شده است (ترانزیستور خاموش) بالا (V_CC) خواهد بود.
   • حالت آنالوگ:ترانزیستور نوری می‌تواند در پیکربندی امیتر مشترک با یک مقاومت کلکتور برای تولید ولتاژی متناسب با شدت نور استفاده شود. با این حال، پاسخ غیرخطی و وابستگی به دما، آن را در مقایسه با فوتودیودها با مدارهای آپ‌آمپ، برای اندازه‌گیری‌های آنالوگ دقیق کمتر ایده‌آل می‌سازد.
3. مصونیت در برابر نویز:اگرچه در برابر نور محیط مقاوم است، مدار ممکن است هنوز نویز الکتریکی را دریافت کند. خازن‌های بای‌پس (0.1 میکروفاراد) نزدیک پایه‌های تغذیه دستگاه و چیدمان دقیق PCB توصیه می‌شود. برای کابل‌کشی‌های طولانی یا محیط‌های پرنویز، محافظ‌گذاری یا استفاده از خروجی برای راه‌اندازی ورودی تریگر اشمیت می‌تواند قابلیت اطمینان را بهبود بخشد.
4. طراحی دیافراگم و شکاف:شیء قطع‌کننده پرتو باید برای مادون قرمز کدر باشد. دقت و تکرارپذیری تشخیص به عرض شیء نسبت به عرض شکاف در محفظه دستگاه بستگی دارد. برای تشخیص لبه، یک پره یا پرچم با لبه تیز، دقیق‌ترین زمان‌بندی را فراهم می‌کند.

8. مقایسه و تمایز فنی

ITR20403 عمدتاً از طریق فرم‌فاکتور فشرده و نازک خود متمایز می‌شود که در الکترونیک مصرفی مینیاتوری مزیت دارد. زمان پاسخ سریع 15 میکروثانیه‌ای آن برای تشخیص رویدادهای با سرعت نسبتاً بالا مناسب است. محفظه یکپارچه‌ای که فرستنده و گیرنده را از نظر طیفی منطبق می‌کند، حذف ذاتی نور محیط را فراهم می‌کند، ویژگی‌ای که طراحی را در مقایسه با استفاده از قطعات مجزا ساده می‌سازد. در مقایسه با سنسورهای اشیاء بازتابی، شکست‌دهنده‌ها دقت موقعیتی بالاتری ارائه می‌دهند و به رنگ یا بازتابندگی شیء هدف حساسیت کمتری دارند. در مقایسه با سوئیچ‌های نوری شکاف‌دار با فاصله‌های وسیع‌تر، شکاف باریک این دستگاه امکان تشخیص اجسام کوچک‌تر یا تشخیص لبه دقیق‌تر را فراهم می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

9.1 جریان کاری معمول LED مادون قرمز چقدر است؟

مشخصات الکترواپتیکی در I_F= 20 میلی‌آمپر آزمایش شده است، که یک نقطه کاری متداول و توصیه شده برای دستیابی به جریان کلکتور حالت روشن مشخص شده است. مدار باید طوری طراحی شود که از مقدار حداکثر مطلق 50 میلی‌آمپر تجاوز نکند.

9.2 چرا محدوده جریان کلکتور در حالت روشن (0.2mA تا 5.0mA) اینقدر وسیع است؟

این محدوده نشان‌دهنده تغییرات دستگاه به دستگاه در نسبت انتقال جریان (CTR) است که نسبت جریان خروجی ترانزیستور نوری (I_C) به جریان ورودی IRED (I_F) می‌باشد. این تغییرات ذاتی در فرآیند تولید اپتوکوپلرها و شکست‌دهنده‌ها است. مدار باید طوری طراحی شود که با حداقل I_C(on)مشخص شده (0.2mA) به درستی کار کند تا قابلیت اطمینان در تمام واحدهای تولیدی تضمین شود.

9.3 آیا می‌توان از این سنسور در فضای باز استفاده کرد؟

اگرچه محفظه حذف خوبی از نور محیط ارائه می‌دهد، نور مستقیم خورشید حاوی تابش مادون قرمز قابل توجهی است که می‌تواند سنسور را اشباع کند. برای استفاده در فضای باز، فیلترگذاری نوری اضافی، محافظ‌گذاری یا کارکرد پالسی با تشخیص همزمان برای عملکرد قابل اطمینان ضروری خواهد بود. محدوده دمای کاری (25- تا 80+ درجه سانتی‌گراد) نیز کاربرد در محیط‌های بسیار شدید را محدود می‌کند.

9.4 یک جسم چقدر باید نزدیک باشد تا پرتو را قطع کند؟

دستگاه دارای یک شکاف باریک و متمرکز است. یک جسم باید به صورت فیزیکی از شکاف بین فرستنده و آشکارساز عبور کند. هیچ قابلیت "مجاورتی" وجود ندارد؛ پرتو باید به طور کامل مسدود شود تا حالت خروجی به طور قابل اطمینان تغییر کند.

10. مطالعه موردی طراحی و استفاده

سناریو: سنسور اتمام کاغذ در یک پرینتر رومیزی.

پیاده‌سازی:ITR20403 بر روی مسیر تغذیه کاغذ پرینتر نصب می‌شود. یک اهرم یا پرچم، متصل به یک فنر، زمانی که کاغذی وجود ندارد، در شکاف سنسور قرار می‌گیرد. هنگامی که یک ورق کاغذ تغذیه می‌شود، پرچم را از شکاف خارج می‌کند، اجازه می‌دهد پرتو مادون قرمز عبور کند و ترانزیستور نوری را روشن می‌کند.

طراحی مدار:IRED با 20 میلی‌آمپر از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان از منبع منطقی 5 ولت پرینتر راه‌اندازی می‌شود. کلکتور ترانزیستور نوری از طریق یک مقاومت pull-up 4.7kΩ به یک پایه ورودی میکروکنترلر 3.3 ولت متصل می‌شود. امیتر به زمین متصل است.

منطق نرم‌افزار:پایه میکروکنترلر به عنوان ورودی دیجیتال پیکربندی شده است. خوانش LOW نشان می‌دهد پرتو مسدود نشده است (پرچم خارج، کاغذ موجود). خوانش HIGH نشان می‌دهد پرتو مسدود شده است (پرچم داخل، کاغذ موجود نیست)، که باعث فعال شدن هشدار "اتمام کاغذ" برای کاربر می‌شود. منطق حذف نویز (مثلاً در نرم‌افزار) برای نادیده گرفتن لرزش‌های مکانیکی پرچم اضافه می‌شود.

ملاحظات کلیدی برای این مورد:مکانیزم پرچم باید طوری طراحی شود که به طور قابل اطمینان و کامل وارد شکاف سنسور شود. فنر باید نیروی کافی برای بازگشت مثبت فراهم کند اما نه آنقدر زیاد که به کاغذ آسیب برساند یا باعث سایش سنسور شود. موقعیت سنسور باید به طور ایمن ثابت شود تا هم‌راستایی حفظ شود.

11. اصل عملکرد

ITR20403 بر اساس اصل انتقال و تشخیص نور مدوله شده عمل می‌کند. یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IRED) با یک جریان ثابت بایاس مستقیم می‌شود و باعث می‌شود فوتون‌هایی در طول موج پیک 940 نانومتر ساطع کند. درست در مقابل، درون همان محفظه، یک ترانزیستور نوری سیلیکونی NPN قرار دارد. هنگامی که پرتو مادون قرمز بدون مانع از شکاف عبور می‌کند، به ناحیه بیس ترانزیستور نوری برخورد می‌کند. فوتون‌های جذب شده جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند که به عنوان جریان بیس عمل می‌کنند، ترانزیستور را روشن می‌کنند و اجازه می‌دهند یک جریان کلکتور (I_C) متناسب با شدت نور جاری شود. هنگامی که یک جسم کدر وارد شکاف می‌شود، پرتو را مسدود می‌کند، جریان بیس فوتوژنیک متوقف می‌شود و ترانزیستور خاموش می‌شود. مدار خروجی این تغییر حالت روشن/خاموش را به یک سیگنال الکتریکی قابل استفاده تبدیل می‌کند. محفظه ترموپلاستیکی سیاه برای محصور کردن مسیر نور، جلوگیری از کراستاک نوری و مسدود کردن بیشتر نور مرئی محیطی عمل می‌کند، که فوتون‌های آن عموماً انرژی کافی برای جذب توسط شکاف باند ترانزیستور نوری سیلیکونی را ندارند، بنابراین فیلترگذاری نوری ذاتی را فراهم می‌کند.

12. روندهای فناوری

شکست‌دهنده‌های نوری مانند ITR20403 نمایانگر یک فناوری بالغ و قابل اطمینان هستند. روندهای فعلی در این زمینه بر چند حوزه متمرکز است: مینیاتوری‌سازی بیشتر برای امکان ادغاج در دستگاه‌های قابل حمل و پوشیدنی کوچک‌تر؛ توسعه نسخه‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) با سازگاری بهبود یافته لحیم‌کاری ریفلو برای مونتاژ خودکار؛ افزایش سرعت سوئیچینگ برای پشتیبانی از نرخ داده بالاتر در کاربردهای انکودر یا ماشین‌آلات سریع‌تر؛ و افزایش استحکام در برابر عوامل محیطی مانند دمای بالاتر، رطوبت و آلودگی. همچنین روندی به سمت یکپارچه‌سازی قابلیت‌های اضافی، مانند تریگرهای اشمیت داخلی روی خروجی برای هیسترزیس یا حتی رابط‌های دیجیتال (I2C, SPI) برای ماژول‌های سنسور هوشمندتر و آدرس‌پذیر وجود دارد. با این حال، طراحی قطعه مجزا و سوراخ‌دار پایه، همانطور که در ITR20403 مشاهده می‌شود، همچنان بسیار مقرون‌به‌صرفه است و به طور گسترده در کاربردهایی که عملکرد و فرم‌فاکتور آن کافی است، استفاده می‌شود.