دیتاشیت فوتواینتراپتور LTH-1650-01 - فاصله کانونی 3 میلی‌متر - نوع قطع مادون قرمز - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-1650-01 یک ماژول فوتواینتراپتور فشرده از نوع ترانسمیسیو (عبوری) است. عملکرد اصلی آن تشخیص قطع شدن پرتو نور مادون قرمز بین دیود ساطع‌کننده نور (LED) مادون قرمز یکپارچه و یک فوتوترانزیستور سیلیکونی است. مزیت طراحی اولیه آن، فاصله کانونی یکپارچه 3 میلی‌متری است که حساسیت را برای تشخیص شیء در آن فاصله خاص بهینه می‌کند. به عنوان یک دستگاه از نوع قطع مادون قرمز، طراحی شده تا تداخل ناشی از نور محیطی مرئی را به حداقل برساند و قابلیت اطمینان را در کاربردهای مختلف سنجش افزایش دهد. بازار هدف عمدتاً شامل تجهیزات اتوماسیون اداری، سیستم‌های کنترل صنعتی و الکترونیک مصرفی است که نیازمند تشخیص موقعیت یا شیء به صورت غیرتماسی هستند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این پارامترها محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این مقادیر برای عملکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند.

• اتلاف توان LED ورودی (P_D):حداکثر 75 میلی‌وات. این مقدار، بار حرارتی ترکیبی ناشی از جریان مستقیم و افت ولتاژ را محدود می‌کند.
• جریان مستقیم پیک LED (I_CP):1 آمپر در شرایط پالسی (300 پالس بر ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه). این امکان پالس‌های کوتاه با شدت بالا را برای بهبود تشخیص سیگنال فراهم می‌کند.
• جریان مستقیم پیوسته LED (I_F):حداکثر 60 میلی‌آمپر DC. این حد مجاز برای کارکرد مداوم است.
• ولتاژ معکوس LED (V_R):5 ولت. تجاوز از این مقدار می‌تواند به پیوند LED آسیب برساند.
• اتلاف توان فوتوترانزیستور (P_C):حداکثر 100 میلی‌وات، که توسط جریان کلکتور و ولتاژ کلکتور-امیتر تعیین می‌شود.
• ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO):حداکثر 30 ولت برای فوتوترانزیستور.
• جریان کلکتور (I_C):حداکثر 20 میلی‌آمپر برای ترانزیستور خروجی.
• دمای کارکرد (T_opr):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. دستگاه برای طیف وسیعی از محیط‌های صنعتی و تجاری مناسب است.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها (T_S):260 درجه سانتی‌گراد به مدت حداکثر 5 ثانیه، برای پایه‌هایی در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه مشخص شده است. این پارامتر برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو حیاتی است.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده و عملکرد دستگاه را در شرایط کارکرد عادی تعریف می‌کنند.

• ولتاژ مستقیم LED (V_F):معمولاً 1.2 ولت تا 1.6 ولت در I_F= 20 میلی‌آمپر. از این مقدار برای محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریان مورد نیاز استفاده می‌شود.
• جریان معکوس LED (I_R):حداکثر 100 میکروآمپر در V_R=5 ولت، که نشان‌دهنده جریان نشتی هنگام بایاس معکوس LED است.
• جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO):حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت بدون ورود نور. این جریان نشتی فوتوترانزیستور است که بر سطح سیگنال "حالت خاموش" تأثیر می‌گذارد.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):معمولاً 0.4 ولت در I_C=0.05 میلی‌آمپر و I_F=20 میلی‌آمپر. این ولتاژ دو سر ترانزیستور هنگامی است که کاملاً "روشن" است و برای ارتباط با سطح منطقی مهم است.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

این دستگاه دارای یک سیستم دسته‌بندی عملکرد بر اساس جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)) است که تحت شرایط استاندارد (V_CE=5 ولت، I_F=20 میلی‌آمپر، فاصله d=3.0 میلی‌متر) اندازه‌گیری می‌شود. این جریان مستقیماً با حساسیت کوپلر مرتبط است.

• دسته A: I_C(ON)محدوده 100 میکروآمپر تا 300 میکروآمپر. این درجه حساسیت استاندارد است.
• دسته B: I_C(ON)محدوده 260 میکروآمپر تا 650 میکروآمپر. این دسته حساسیت بالاتری ارائه می‌دهد.
• دسته C: I_C(ON)محدوده 400 میکروآمپر تا 1200 میکروآمپر. این بالاترین درجه حساسیت موجود است.

این دسته‌بندی به طراحان اجازه می‌دهد تا دستگاهی با حساسیت یکنواخت برای کاربرد خود انتخاب کنند و آستانه‌های راه‌اندازی قابل اطمینان را در بین دسته‌های تولیدی تضمین کنند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه معمولی اشاره می‌کند که بینش گرافیکی از رفتار دستگاه در شرایط مختلف ارائه می‌دهد. اگرچه نمودارهای خاصی در متن به تفصیل شرح داده نشده‌اند، اما منحنی‌های استاندارد برای چنین دستگاهی معمولاً شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (I_F-V_F):رابطه غیرخطی LED مادون قرمز را نشان می‌دهد که برای طراحی مدار درایور حیاتی است.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (I_C-V_CE):خانواده‌ای از منحنی‌ها با پارامر جریان مستقیم LED (I_F)، که مشخصات خروجی فوتوترانزیستور را نشان می‌دهد.
• جریان کلکتور در حالت روشن در مقابل جریان مستقیم (I_C(ON)-I_F):مشخصه انتقال و خطی بودن کوپلینگ نوری را نشان می‌دهد.
• جریان کلکتور در حالت روشن در مقابل دمای محیط (I_C(ON)-T_A):نشان می‌دهد که حساسیت چگونه با افزایش دما کاهش می‌یابد، عاملی حیاتی برای مدیریت حرارتی در طراحی‌ها.
• مشخصات زمان پاسخ:دیتاشیت زمان صعود (T_R) 3-15 میکروثانیه و زمان افت (T_F) 4-20 میکروثانیه را تحت شرایط تست (V_CE=5 ولت، I_C=2 میلی‌آمپر، R_L=100 اهم) مشخص می‌کند. این مقادیر حداکثر سرعت سوئیچینگ سنسور را تعریف می‌کنند.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

بسته‌بندی از نوع استاندارد ترو-هول (سوراخ‌دار) است. نکات کلیدی ابعادی از دیتاشیت شامل موارد زیر است:

• تمامی ابعاد بر حسب میلی‌متر ارائه شده‌اند، با اینچ در پرانتز.
• تلرانس پیش‌فرض ±0.25 میلی‌متر (±0.010 اینچ) است، مگر اینکه یک ویژگی خاص مشخصه متفاوتی داشته باشد.
• فاصله کانونی (فاصله بهینه بین پنجره‌های فرستنده و گیرنده برای حداکثر حساسیت) 3 میلی‌متر مشخص شده است.
• بسته‌بندی شامل شکاف‌ها یا ویژگی‌های قالب‌گیری شده‌ای است که به نصب و تراز دقیق روی PCB کمک می‌کنند.
• قطبیت به وضوح روی بدنه بسته‌بندی مشخص شده است، معمولاً با یک نقطه یا گوشه پخ‌خورده نزدیک پایه آند LED (یا پایه کلکتور فوتوترانزیستور). جهت‌گیری صحیح برای عملکرد مدار ضروری است.

6. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

برای حفظ یکپارچگی دستگاه، نیاز به رسیدگی مناسب است.

• لحیم‌کاری:حداکثر مقدار مجاز مطلق برای دمای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه است، که در فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه پلاستیکی اندازه‌گیری می‌شود. این راهنما به جلوگیری از آسیب حرارتی به اتصالات داخلی تراشه و محفظه پلاستیکی در طول لحیم‌کاری موجی یا دستی کمک می‌کند.
• تمیزکاری:از حلال‌های استاندارد تمیزکننده PCB استفاده کنید که با مواد پلاستیکی دستگاه سازگار باشند. از تمیزکاری اولتراسونیک با توان بیش از حد یا قرار گرفتن طولانی مدت خودداری کنید.
• ذخیره‌سازی:دستگاه‌ها باید در شرایطی در محدوده دمای ذخیره‌سازی (T_stg) 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد و در محیطی با رطوبت کم و ضد الکتریسیته ساکن نگهداری شوند تا از جذب رطوبت و آسیب تخلیه الکترواستاتیک (ESD) جلوگیری شود.

7. توصیه‌های کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

همانطور که در دیتاشیت اشاره شده، کاربردهای اولیه شامل موارد زیر است:

• پرینترها و دستگاه‌های فکس:برای تشخیص اتمام کاغذ، تشخیص گیرکردن کاغذ، تشخیص باز بودن درب و سنجش موقعیت هد.
• سوئیچ‌های الکترواپتیکال:استفاده در دستگاه‌های فروش خودکار، اتوماسیون صنعتی برای شمارش، سوئیچینگ حدی و سنجش دیسک انکودر چرخشی.
• الکترونیک مصرفی:سنسورهای شکاف در درایوهای دیسک، دک‌های نوار یا سایر سیستم‌های مدیریت رسانه.

7.2 ملاحظات طراحی

• مقاومت محدودکننده جریان (برای LED):باید بر اساس ولتاژ تغذیه (V_CC)، ولتاژ مستقیم LED (V_F~1.4 ولت معمولی) و جریان مستقیم مورد نظر (I_F) محاسبه شود. از تجاوز از رتبه جریان پیوسته I_F معادل 60 میلی‌آمپر خودداری کنید. نقطه کارکرد معمولی 20 میلی‌آمپر است.
• مقاومت بار (برای فوتوترانزیستور):مقدار مقاومت پول-آپ (R_L) متصل به کلکتور، نوسان ولتاژ خروجی را تعیین می‌کند و بر سرعت سوئیچینگ تأثیر می‌گذارد. یک R_L کوچکتر زمان افت سریع‌تری می‌دهد اما دامنه ولتاژ خروجی را کاهش می‌دهد. شرایط تست از R_L=100 اهم استفاده می‌کند.
• مصونیت در برابر نویز الکتریکی:برای مسیرهای سیم بلند یا محیط‌های پرنویز، در نظر بگیرید که یک خازن بای‌پس کوچک (مثلاً 0.1 میکروفاراد) در سراسر پایه‌های منبع تغذیه نزدیک دستگاه اضافه کنید و از کابل‌های شیلددار استفاده کنید.
• ملاحظات نوری:مسیر نوری (شکاف 3 میلی‌متری) را عاری از گرد و غبار، کثیفی یا میعان نگه دارید. فیلتر قطع مادون قرمز کمک می‌کند، اما منابع قوی مادون قرمز محیطی (مانند نور خورشید یا لامپ‌های رشته‌ای) نزدیک به سنسور می‌توانند باعث راه‌اندازی اشتباه شوند.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتوترانزیستورها یا فوتودیودهای پایه، این فوتواینتراپتور یکپارچه مزایای کلیدی زیر را ارائه می‌دهد:

• اپتیک‌های تراز شده:فرستنده و گیرنده از پیش در یک بسته‌بندی ثابت و محکم تراز شده‌اند، که نیاز به تراز مکانیکی دقیق در حین مونتاژ را از بین می‌برد. این یک مزیت قابل توجه نسبت به قطعات مجزا است.
• شکاف بهینه شده:فاصله کانونی 3 میلی‌متری در کارخانه برای حداکثر حساسیت در آن فاصله هوایی خاص تنظیم شده است.
• رد نور محیط:فیلتر قطع مادون قرمز روی فوتوترانزیستور، حساسیت به نور مرئی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد و نسبت سیگنال به نویز را در شرایط روشنایی معمولی داخلی بهبود می‌بخشد.
• فرم فاکتور فشرده:یک راه‌حل کامل سوئیچ نوری را در یک بسته‌بندی کوچک و واحد ارائه می‌دهد.

9. پرسش‌های متداول (سوالات پرتکرار)

س: هدف از دسته‌های مختلف (A، B، C) چیست؟

ج: دسته‌ها دستگاه‌ها را بر اساس حساسیت آن‌ها (I_C(ON)) دسته‌بندی می‌کنند. برای کاربردهایی که نیازمند تشخیص اشیاء با کنتراست پایین‌تر، عمر طولانی‌تر (زیرا خروجی LED با گذشت زمان کاهش می‌یابد) یا کارکرد با سطوح بالاتر گرد و غبار هستند، یک دسته بالاتر (B یا C) را انتخاب کنید. دسته A برای کاربردهای استاندارد کافی است.

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

ج: خیر. LED یک دستگاه جریان‌محور است. شما باید از یک مقاومت سری محدودکننده جریان برای تنظیم جریان مستقیم (I_F) به یک مقدار ایمن و یکنواخت استفاده کنید، همانطور که در تمام مدارهای کاربردی نشان داده شده است.

س: چگونه خروجی را با یک میکروکنترلر ارتباط دهم؟

ج: فوتوترانزیستور به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند. امیتر آن را به زمین، و کلکتور آن را از طریق یک مقاومت پول-آپ (مثلاً 10 کیلواهم) به یک پایه ورودی دیجیتال متصل کنید. هنگامی که پرتو قطع نشده باشد، ترانزیستور روشن است و پایه را به سطح پایین می‌کشد. هنگامی که قطع شود، ترانزیستور خاموش است و مقاومت پول-آپ پایه را به سطح بالا می‌کشد. اطمینان حاصل کنید که سطوح منطقی ورودی میکروکنترلر با نوسان ولتاژ خروجی سازگار است (نزدیک 0 ولت برای "روشن"، نزدیک V_CCبرای "خاموش").

س: چه عواملی بر زمان پاسخ تأثیر می‌گذارند؟

ج: سرعت ذاتی فوتوترانزیستور، مقدار مقاومت بار (R_L) و ظرفیت مسیرهای مدار. برای سوئیچینگ سریع‌تر، از یک R_L کوچکتر استفاده کنید، تا جایی که سطوح جریان و ولتاژ خروجی مورد نظر اجازه می‌دهد.

10. مثال موردی عملی

سناریو: سنسور اتمام کاغذ در یک پرینتر رومیزی.

فوتواینتراپتور روی قاب پرینتر نصب می‌شود به طوری که پشته کاغذ در سینی درون شکاف نوری 3 میلی‌متری قرار گیرد و پرتو مادون قرمز را مسدود کند. ممکن است از یک اهرم یا نشانگر متصل به دنباله‌کننده سینی کاغذ استفاده شود. هنگامی که کاغذ موجود است، پرتو مسدود می‌شود، فوتوترانزیستور خاموش است و خروجی آن در سطح بالا است. هنگامی که آخرین برگ کاغذ تغذیه می‌شود، دنباله‌کننده حرکت می‌کند و پرتو را آزاد می‌کند. فوتوترانزیستور روشن می‌شود و خروجی را به سطح پایین می‌کشد. این انتقال منطقی توسط کنترلر اصلی پرینتر تشخیص داده می‌شود که سپس هشدار "اتمام کاغذ" را در رابط کاربری فعال می‌کند. فیلتر قطع مادون قرمز از راه‌اندازی اشتباه ناشی از نور داخلی پرینتر یا نور اتاق جلوگیری می‌کند.

11. اصل عملکرد

دستگاه بر اساس اصل کوپلینگ نوری مدوله شده عمل می‌کند. یک LED مادون قرمز داخلی هنگامی که با جریان مناسب بایاس مستقیم شود، نور ساطع می‌کند. درست در مقابل، درون همان بسته‌بندی، یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN قرار دارد. ناحیه بیس فوتوترانزیستور در معرض نور است. هنگامی که فوتون‌های مادون قرمز از LED به پیوند بیس-کلکتور 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 (I_C) را هدایت کند که متناسب با شدت نور است. یک شیء که از شکاف 3 میلی‌متری بین آن‌ها عبور می‌کند، این پرتو نور را قطع می‌کند و باعث خاموش شدن فوتوترانزیستور می‌شود. این یک سیگنال سوئیچینگ تمیز و ایزوله شده الکتریکی بر اساس یک رویداد فیزیکی ارائه می‌دهد.

12. روندهای فناوری

فوتواینتراپتورها همچنان اجزای اساسی در سنجش موقعیت هستند. روندهای فعلی در این زمینه شامل موارد زیر است:

• مینیاتوری‌سازی:توسعه بسته‌بندی‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) حتی کوچکتر برای صرفه‌جویی در فضای PCB در الکترونیک مصرفی فشرده.
• یکپارچه‌سازی:گنجاندن مدارهای اضافی روی تراشه، مانند تریگر اشمیت برای هیسترزیس، تقویت‌کننده‌ها برای سیگنال‌های ضعیف‌تر، یا حتی رابط‌های دیجیتال (مانند I2C) برای ارائه یک خروجی دیجیتال پردازش شده و تمیز، که ارتباط با میکروکنترلر را ساده می‌کند.
• عملکرد بهبود یافته:بهبود در بازدهی LED و حساسیت آشکارساز نوری، امکان کارکرد در جریان‌های پایین‌تر را فراهم می‌کند که مصرف توان و تولید گرما را کاهش می‌دهد.
• انواع تخصصی:دستگاه‌هایی با چرخ‌های شیاردار برای انکودینگ چرخشی، یا انواع بازتابی که در آن فرستنده و گیرنده در یک جهت قرار دارند تا علائم بازتابی را حس کنند.

اصل اساسی قطع نوری به دلیل ماهیت غیرتماسی، قابلیت اطمینان و سادگی آن، همچنان قوی باقی مانده و تضمین می‌کند که در طراحی سیستم‌های مکاترونیک همچنان مرتبط خواهد بود.