دیتاشیت سنسور نوری ITR9707 - ابعاد 7.0x4.0x3.0 میلی‌متر - ولتاژ مستقیم 1.2 ولت - طول موج پیک 940 نانومتر - مستندات فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

ITR9707 یک ماژول سنسور نوری فشرده است که با نام‌های سنسور نوری یا سنسور شکاف نیز شناخته می‌شود. این قطعه یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IRED) و یک فوتوترانزیستور سیلیکونی را درون یک محفظه ترموپلاستیک سیاه یکپارچه کرده است. اجزا به صورت کنار هم بر روی محورهای نوری همگرا قرار گرفته‌اند. اصل عملکرد اساسی بر اساس قطع شدن پرتو نور مادون قرمز است. در حالت عادی، فوتوترانزیستور تابش ساطع شده از LED مادون قرمز هم‌مکان را دریافت می‌کند. هنگامی که یک جسم کدر از شکاف بین فرستنده و گیرنده عبور می‌کند، مسیر نور مسدود شده و باعث تغییر حالت خروجی فوتوترانزیستور می‌شود. این روشی قابل اعتماد و بدون تماس برای تشخیص حضور، عدم حضور یا موقعیت یک جسم فراهم می‌کند.

1.1 ویژگی‌ها و مزایای اصلی

• زمان پاسخ سریع:امکان تشخیص رویدادهای پرسرعت با زمان‌های افزایش و کاهش معمولی 15 میکروثانیه را فراهم می‌کند.
• حساسیت بالا:فوتوترانزیستور سیلیکونی پاسخ الکتریکی قوی به تابش مادون قرمز ارائه می‌دهد.
• طول موج مشخص:از یک LED مادون قرمز با طول موج تابش پیک (λp) 940 نانومتر استفاده می‌کند که خارج از طیف مرئی است و تداخل نور محیط را کاهش می‌دهد.
• انطباق محیطی:محصول بدون سرب، مطابق با دستورالعمل RoHS و منطبق بر مقررات REACH اتحادیه اروپا است.

1.2 کاربردهای هدف

این دستگاه برای انواع کاربردهای حس‌گری و سوئیچینگ بدون تماس طراحی شده است، از جمله اما نه محدود به: حس‌گری موقعیت در ماوس کامپیوتر و دستگاه‌های کپی، تشخیص لبه در اسکنرها و درایوهای فلاپی دیسک، سوئیچینگ بدون تماس عمومی، و نصب مستقیم بر روی برد در مونتاژهای الکترونیکی مختلف.

2. مشخصات فنی و تفسیر عمیق

2.1 حداکثر مقادیر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• ورودی (LED مادون قرمز):حداکثر جریان مستقیم پیوسته (IF) 50 میلی‌آمپر است. حداکثر ولتاژ معکوس (VR) 5 ولت است. اتلاف توان (Pd) در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر، 75 میلی‌وات است.
• خروجی (فوتوترانزیستور):حداکثر جریان کلکتور (IC) 20 میلی‌آمپر است. ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (BVCEO) 30 ولت است. اتلاف توان (Pd) 75 میلی‌وات است.
• حرارتی:محدوده دمای عملیاتی (Topr) 25- تا 85+ درجه سانتی‌گراد است. محدوده دمای نگهداری (Tstg) 40- تا 85+ درجه سانتی‌گراد است.
• لحیم‌کاری:دمای لحیم‌کاری پایه‌ها (Tsol) نباید بیش از 260 درجه سانتی‌گراد و برای مدت 5 ثانیه یا کمتر باشد که در فاصله 3 میلی‌متری از بدنه بسته اندازه‌گیری می‌شود.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

اینها پارامترهای عملکرد معمولی هستند که در دمای محیط Ta=25°C اندازه‌گیری شده‌اند و رفتار عملیاتی دستگاه را تعریف می‌کنند.

• مشخصات ورودی:ولتاژ مستقیم (VF) LED مادون قرمز معمولاً در جریان راه‌اندازی (IF) 20mA برابر 1.2V و حداکثر 1.5V است. جریان معکوس (IR) حداکثر 10 µA در VR=5V است.
• مشخصات خروجی:جریان تاریک کلکتور (ICEO) که جریان نشتی بدون تابش است، حداکثر 100 nA در VCE=20V است. ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (VCE(sat)) حداکثر 0.4V است هنگامی که فوتوترانزیستور به اشباع برده می‌شود (IC=2mA, Ee=1mW/cm²).
• مشخصات انتقال:این رابطه بین ورودی و خروجی را تعریف می‌کند. جریان کلکتور در حالت روشن (IC(on)) تضمین می‌شود که حداقل 0.5mA باشد هنگامی که LED مادون قرمز با IF=20mA راه‌اندازی می‌شود و فوتوترانزیستور با VCE=5V بایاس می‌شود. این پارامتر که به عنوان نسبت انتقال جریان (CTR) شناخته می‌شود، برای طراحی مدار رابط بسیار مهم است.
• پاسخ دینامیکی:هم زمان افزایش (tr) و هم زمان کاهش (tf) تحت شرایط تست مشخص شده (VCE=5V, IC=1mA, RL=1kΩ) معمولاً 15 µs است. این حداکثر فرکانس سوئیچینگ را تعیین می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

3.1 مشخصات LED مادون قرمز

دیتاشیت منحنی‌های معمولی برای جزء تابنده مادون قرمز را ارائه می‌دهد. نمودارجریان مستقیم در مقابل دمای محیطنشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان مستقیم مجاز با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد که برای مدیریت حرارتی حیاتی است. منحنیجریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیمویژگی IV دیود را نشان می‌دهد که برای انتخاب مقاومت محدودکننده جریان ضروری است. نمودارحساسیت طیفیتابش پیک در 940 نانومتر و پهنای باند تابش را تأیید می‌کند.

3.2 مشخصات فوتوترانزیستور

منحنیحساسیت طیفیبرای فوتوترانزیستور پاسخ‌دهی آن را در طول‌موج‌های مختلف نشان می‌دهد. این حساسیت در ناحیه مادون قرمز نزدیک به اوج می‌رسد که به خوبی با خروجی 940 نانومتری LED مادون قرمز جفت شده مطابقت دارد. این تطابق طیفی حساسیت را به حداکثر می‌رساند و پاسخ به منابع نور محیطی ناخواسته را به حداقل می‌رساند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته

ITR9707 در یک بسته استاندارد و فشرده قرار دارد. ابعاد کلیدی شامل عرض کلی بدنه تقریباً 7.0 میلی‌متر، ارتفاع 4.0 میلی‌متر و عمق 3.0 میلی‌متر است. عرض شکاف، که اندازه جسم قابل تشخیص را تعیین می‌کند، یک بعد حیاتی است. فاصله پایه‌ها برای نصب PCB از نوع سوراخ‌دار استاندارد شده است. تمام تلرانس‌های ابعادی معمولاً ±0.3 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

4.2 شناسایی قطبیت و نصب

قطعه دارای یک پین‌اوت استاندارد است که آند و کاتد LED مادون قرمز در یک سمت و امیتر و کلکتور فوتوترانزیستور در سمت دیگر قرار دارند. محفظه سیاه و طول‌های خاص پایه‌ها یا نشانه‌های روی بسته معمولاً جهت را نشان می‌دهند. قطبیت صحیح باید در هنگام طراحی PCB و مونتاژ رعایت شود.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 احتیاط‌های مربوط به فرم‌دهی پایه‌ها

اگر پایه‌ها برای نصب نیاز به خم شدن دارند، این کار بایدقبل ازلحیم‌کاری انجام شود. خم شدن نباید نزدیک‌تر از 3 میلی‌متر از پایه بدنه اپوکسی انجام شود تا از انتقال تنشی که می‌تواند باعث ترک خوردن محفظه یا آسیب به تراشه داخلی شود، جلوگیری گردد. پایه‌ها در حین خم شدن باید محکم نگه داشته شوند و عملیات باید در دمای اتاق انجام شود.

5.2 پارامترهای توصیه شده لحیم‌کاری

• لحیم‌کاری دستی:دمای نوک هویه نباید از 300 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند (حداکثر برای هویه 30 وات). زمان لحیم‌کاری برای هر پایه باید 3 ثانیه یا کمتر باشد. اتصال لحیم باید حداقل 3 میلی‌متر از پیازک اپوکسی فاصله داشته باشد.
• لحیم‌کاری موجی/غوطه‌وری:دمای پیش‌گرم حداکثر 100 درجه سانتی‌گراد و تا 60 ثانیه باشد. دمای حمام لحیم نباید از 260 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند و زمان ماند در موج 5 ثانیه یا کمتر باشد. مجدداً، حداقل فاصله 3 میلی‌متری از بسته حفظ شود.

یک پروفیل دمایی لحیم‌کاری توصیه می‌شود که بر افزایش کنترل‌شده دما، یک فلات دمای پیک و یک خنک‌سازی کنترل‌شده برای جلوگیری از شوک حرارتی تأکید دارد.

5.3 رسیدگی پس از لحیم‌کاری

از اعمال تنش مکانیکی یا لرزش به دستگاه در حالی که هنوز از لحیم‌کاری داغ است خودداری کنید. اجازه دهید به طور طبیعی تا دمای اتاق خنک شود. لحیم‌کاری غوطه‌وری یا دستی نباید بیش از یک بار تکرار شود. تمیزکاری اولتراسونیک برای این دستگاه توصیه نمی‌شود.

6. نگهداری و رسیدگی

برای نگهداری بلندمدت بیش از عمر مفید استاندارد 3 ماهه از زمان حمل، دستگاه‌ها باید در یک ظرف دربسته با اتمسفر نیتروژن در دمای 10 تا 25 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 20 تا 60 درصد نگهداری شوند. پس از باز کردن بسته‌بندی حساس به رطوبت، قطعات باید در عرض 24 ساعت یا در اسرع وقت استفاده شوند. تغییرات سریع دما در محیط‌های با رطوبت بالا باید اجتناب شود تا از تشکیل میعان جلوگیری گردد که می‌تواند منجر به خوردگی یا سایر آسیب‌ها در طول لحیم‌کاری بعدی شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

پیکربندی استاندارد بسته‌بندی 78 قطعه در هر تیوب است. چهل و دو تیوب در یک جعبه بسته‌بندی می‌شوند و چهار جعبه در یک کارتن اصلی قرار می‌گیرند. برچسب روی بسته‌بندی شامل فیلدهایی برای شماره قطعه مشتری (CPN)، شماره قطعه سازنده (P/N)، تعداد (QTY)، شناسه‌های مرجع (REF) و شماره سری ساخت (LOT No) برای ردیابی است.

8. ملاحظات طراحی کاربردی

8.1 پیکربندی مدار معمولی

یک مدار کاربردی معمولی شامل یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با آند LED مادون قرمز است. مقدار آن بر اساس ولتاژ تغذیه (Vcc)، ولتاژ مستقیم LED (VF ~1.2V) و جریان مستقیم مورد نظر (IF، مثلاً 20mA) محاسبه می‌شود. فوتوترانزیستور معمولاً در حالت سوئیچ استفاده می‌شود، به عنوان یک دستگاه پول‌داون با اتصال کلکتور آن به Vcc (در صورت نیاز از طریق یک مقاومت پول‌آپ) و امیتر آن به زمین متصل می‌شود. ولتاژ در نود کلکتور هنگامی که پرتو قطع نشده باشد (ترانزیستور روشن) پایین و هنگامی که پرتو مسدود شده باشد (ترانزیستور خاموش) بالا خواهد بود.

8.2 عوامل طراحی

• تشخیص جسم:دستگاه اجسام کدری را که به طور کامل پرتو مادون قرمز را درون شکاف قطع می‌کنند، تشخیص می‌دهد. مواد بازتابنده یا نیمه‌شفاف ممکن است باعث تغییر حالت قابل اعتمادی نشوند.
• مصونیت در برابر نور محیط:طول موج 940 نانومتری و پاسخ طیفی منطبق شده، رد خوبی در برابر نور محیط مرئی رایج ارائه می‌دهد. با این حال، منابع قوی نور مادون قرمز (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند به طور بالقوه باعث تداخل شوند و ممکن است برای کاربردهای حیاتی نیاز به محافظ نوری یا تکنیک‌های مدولاسیون/دمدولاسیون داشته باشند.
• سرعت پاسخ:زمان پاسخ 15 میکروثانیه امکان تشخیص اجسام متحرک با سرعت نسبتاً بالا را فراهم می‌کند که برای انکودرها و سنسورهای سرعت مناسب است.
• تراز:اپتیک همگرای داخلی تراز را ساده می‌کند، اما PCB باید طوری طراحی شود که پایه‌ها بدون تنش وارد شوند و شکاف باید بدون مانع باقی بماند.

9. مقایسه و موقعیت‌یابی فنی

ITR9707 نمایانگر یک راه‌حل استاندارد و مقرون‌به‌صرفه برای نصب از نوع سوراخ‌دار است. تمایزهای کلیدی آن طول موج خاص 940 نانومتری آن، که یک استاندارد صنعتی رایج است، و ساختار مستحکم آن می‌باشد. در مقایسه با سنسورهای بازتابی، سنسورهای شکاف تشخیص قابل اعتمادتر و یکنواخت‌تری ارائه می‌دهند زیرا کمتر مستعد تغییرات در بازتابندگی سطح هدف هستند. در مقایسه با دستگاه‌های نصب سطحی مدرن، بسته سوراخ‌دار استحکام مکانیکی را در کاربردهای مستعد لرزش یا جایی که مونتاژ دستی استفاده می‌شود، ارائه می‌دهد.

10. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: فاصله یا شکاف عملیاتی معمول چیست؟

ج: "شکاف" عملیاتی، شکاف فیزیکی درون بدنه بسته خود است. دستگاه هر جسم کدری را که وارد این شکاف داخلی شده و آن را مسدود کند، تشخیص می‌دهد. برای حس‌گری اجسام در فاصله خارج از بسته استفاده نمی‌شود.

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

ج: خیر. LED یک دستگاه جریان‌محور است. یک مقاومت محدودکننده جریان سری برای جلوگیری از جریان بیش از حد که LED را از بین می‌برد، الزامی است، حتی اگر ولتاژ تغذیه کم به نظر برسد.

س: چگونه مقدار حداقل IC(on) برابر 0.5mA را تفسیر کنم؟

ج: این حداقل جریان خروجی تضمین شده هنگامی است که ورودی تحت شرایط تست استاندارد (IF=20mA, VCE=5V) راه‌اندازی می‌شود. طراحی مدار شما باید حتی اگر دستگاه واقعی در این حداقل مشخصه باشد نیز به درستی عمل کند، که استحکام در برابر تغییرات تولید را تضمین می‌کند.

س: آیا این سنسور در برابر نور خورشید مصون است؟

ج: در حالی که فیلتر 940 نانومتری کمک می‌کند، نور مستقیم خورشید حاوی مقدار قابل توجهی تابش مادون قرمز است و می‌تواند سنسور را اشباع کند. برای استفاده در فضای باز یا در محیط‌های داخلی بسیار روشن، محافظ نوری اضافی یا فیلتر الکترونیکی (مانند نور مدوله شده) توصیه می‌شود.

11. مثال‌های کاربردی عملی

مثال 1: تشخیص گیر کاغذ در پرینتر.سنسور شکاف طوری نصب می‌شود که یک پرچم کاغذ یا خود کاغذ از شکاف آن عبور کند. هنگامی که کاغذ وجود دارد، پرتو مسدود شده و فوتوترانزیستور خاموش است. یک وضعیت گیر کاغذ یا اتمام کاغذ (بدون انسداد) باعث روشن شدن ترانزیستور شده و به میکروکنترلر سیگنال می‌دهد.

مثال 2: انکودر چرخشی برای سرعت موتور.یک دیسک شکاف‌دار متصل به شفت موتور بین بازوهای سنسور شکاف می‌چرخد. با عبور هر شکاف، پرتو به طور متناوب قطع شده و اجازه عبور می‌یابد و یک قطار پالس موج مربعی تولید می‌کند. فرکانس این سیگنال مستقیماً با سرعت چرخشی موتور متناسب است.

12. اصل عملکرد

ITR9707 بر اساس اصل قطع نور منتقل شده عمل می‌کند. یک پرتو نور مادون قرمز توسط LED GaAlAs تولید می‌شود. این پرتو در عرض یک شکاف هوای کوچک درون محفظه دستگاه حرکت کرده و بر روی ناحیه حساس فوتوترانزیستور NPN سیلیکونی متمرکز می‌شود. فوتوترانزیستور به عنوان یک منبع جریان عمل می‌کند؛ فوتون‌های فرودی در ناحیه بیس آن جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند که یک جریان بیس القا می‌کند و سپس توسط بهره ترانزیستور تقویت شده و منجر به یک جریان کلکتور بسیار بزرگتر می‌شود. هنگامی که یک جسم پرتو را مسدود می‌کند، شار فوتون به صفر می‌رسد، جریان بیس متوقف می‌شود و جریان کلکتور به سطح بسیار پایین جریان تاریک خود می‌رسد. این تغییر شدید در جریان خروجی به عنوان یک سیگنال دیجیتال نشان‌دهنده حضور جسم استفاده می‌شود.

13. روندهای فناوری

سنسورهای نوری شکاف همچنان جزء اساسی در حس‌گری موقعیت و حرکت هستند. روندهای فعلی شامل توسعه نسخه‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) برای مونتاژ خودکار است که فضای اشغالی کوچکتر و پروفایل پایین‌تری ارائه می‌دهند. همچنین حرکتی به سوی یکپارچه‌سازی مدارهای اضافی روی تراشه وجود دارد، مانند تریگر اشمیت برای خروجی دیجیتال با هیسترزیس، تقویت‌کننده‌ها برای خروجی آنالوگ، یا حتی منطق انکودر کامل. علاوه بر این، پیشرفت‌ها در مواد بسته‌بندی با هدف بهبود عملکرد حرارتی و مقاومت در برابر فرآیندهای شستشوی برد است. با این حال، اصل اساسی قطع نوری به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و ماهیت بدون تماس آن همچنان ارزشمند است.