دیتاشیت فوتواینتراپتر LTH-306-01 - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-306-01 یک سوئیچ نوری فشرده و غیرتماسی است که برای تشخیص مطمئن شیء و سنجش موقعیت طراحی شده است. عملکرد اصلی آن بر اساس یک دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) جفت شده با یک فوتو ترانزیستور است که در یک پکیج واحد قرار گرفته‌اند. هنگامی که یک شیء از شکاف بین فرستنده و گیرنده عبور می‌کند، پرتو نور مادون قرمز را قطع می‌کند و باعث تغییر در وضعیت خروجی فوتو ترانزیستور می‌شود. این اصل امکان سوئیچینگ دقیق و بدون سایش را بدون تماس فیزیکی فراهم می‌کند.

این قطعه برای نصب مستقیم بر روی بردهای مدار چاپی (PCB) یا در سوکت‌های استاندارد دو ردیفه طراحی شده است که انعطاف‌پذیری طراحی قابل توجهی ارائه می‌دهد. مزایای اصلی آن شامل سرعت سوئیچینگ سریع، که برای کاربردهای شمارش و زمان‌بندی پرسرعت حیاتی است، و ماهیت غیرتماسی آن است که سایش مکانیکی را حذف کرده و قابلیت اطمینان بلندمدت را تضمین می‌کند. بازارهای هدف متداول شامل اتوماسیون صنعتی، الکترونیک مصرفی (مانند پرینترها، کپی‌برها)، سیستم‌های امنیتی و دستگاه‌های فروش خودکار است که در آنها به تشخیص شیء، حس کردن گیر کاغذ یا حس کردن شکاف نیاز است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آنها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود. محدودیت‌های کلیدی شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم پیوسته دیود مادون قرمز (I_F): 60 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور پیوسته به ال ای دی اعمال کرد.
• جریان مستقیم پیک دیود مادون قرمز: 1 آمپر برای پهنای پالس 10 میکروثانیه در 300 پالس بر ثانیه. این امکان پالس‌های کوتاه و با شدت بالا را برای تشخیص بهتر سیگنال فراهم می‌کند.
• ولتاژ کلکتور-امیتر فوتو ترانزیستور (V_CEO): 30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین پایه‌های کلکتور و امیتر اعمال کرد.
• محدوده دمای کاری: 25- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. محدوده دمای محیطی را برای عملکرد مطمئن مشخص می‌کند.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها: 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه. این پارامتر برای فرآیندهای مونتاژ PCB حیاتی است.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند و عملکرد معمول قطعه را تحت شرایط کاری نرمال تعریف می‌کنند.

2.2.1 مشخصات ورودی (ال ای دی مادون قرمز)

• ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً 1.2 ولت تا 1.6 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. از این مقدار برای محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریان در مدار درایور ال ای دی استفاده می‌شود.
• جریان معکوس (I_R): حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت. این نشان‌دهنده جریان نشتی ال ای دی در حالت بایاس معکوس است.

2.2.2 مشخصات خروجی (فوتو ترانزیستور)

• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)CEO): حداقل 30 ولت. اطمینان می‌دهد که ترانزیستور می‌تواند ولتاژ مشخص شده کلکتور-امیتر را تحمل کند.
• جریان تاریکی کلکتور-امیتر (I_CEO): حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت. این جریان نشتی هنگامی است که ال ای دی خاموش است (بدون نور)، که بر سطح سیگنال "حالت خاموش" تأثیر می‌گذارد.

2.2.3 مشخصات کوپلر (ترکیبی)

• جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)): حداقل 5.0 میلی‌آمپر در V_CE=5 ولت و I_F=20 میلی‌آمپر. این جریان خروجی فوتو ترانزیستور هنگامی است که ال ای دی به طور کامل روشن و بدون مانع است و حساسیت آن را نشان می‌دهد.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)): حداکثر 0.4 ولت در I_C=2.5 میلی‌آمپر و I_F=20 میلی‌آمپر. هنگامی که از فوتو ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ در حالت اشباع استفاده می‌شود، یک ولتاژ اشباع پایین مطلوب است تا افت ولتاژ به حداقل برسد.
• زمان پاسخ: زمان صعود (t_r) معمولاً 3-15 میکروثانیه و زمان افت (t_f) معمولاً 4-20 میکروثانیه تحت شرایط تست مشخص شده (V_CE=5 ولت، I_C=2 میلی‌آمپر، R_L=100 اهم) است. این پارامترها سرعت سوئیچینگ و پهنای باند قطعه را تعریف می‌کنند که برای تشخیص اجسام متحرک سریع حیاتی هستند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمول اشاره می‌کند. اگرچه نمودارهای خاص در متن ارائه نشده‌اند، منحنی‌های استاندارد برای چنین قطعاتی معمولاً شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (I_F-V_F) برای ال ای دی مادون قرمز: رابطه غیرخطی را نشان می‌دهد و به تعیین نقطه کاری کمک می‌کند.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (I_C-V_CE) برای فوتو ترانزیستور: در سطوح مختلف تابندگی (جریان ال ای دی)، این نمودار رفتار ترانزیستور خروجی را نشان می‌دهد، مشابه مشخصه‌های خروجی یک ترانزیستور دو قطبی.
• نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل جریان مستقیم: CTR نسبت جریان کلکتور فوتو ترانزیستور (I_C) به جریان مستقیم ال ای دی (I_F) است. این منحنی نشان می‌دهد که بازده چگونه با جریان درایو تغییر می‌کند.
• وابستگی دمایی جریان تاریکی (I_CEO) و جریان حالت روشن (I_C(ON)): نشان می‌دهد که عملکرد چگونه با تغییرات دمای محیط کاهش می‌یابد یا تغییر می‌کند، که برای طراحی سیستم‌های پایدار در محدوده کاری مشخص شده حیاتی است.

این منحنی‌ها برای طراحان ضروری هستند تا نقطه کاری را بهینه کنند، یکپارچگی سیگنال را در دماهای مختلف تضمین کنند و محدودیت‌های قطعه را درک کنند.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

LTH-306-01 برای نصب روی PCB یا سوکت طراحی شده است. ابعاد پکیج در دیتاشیت با تمام اندازه‌گیری‌ها بر حسب میلی‌متر (و اینچ) ارائه شده است. نکات مکانیکی کلیدی شامل موارد زیر است:

• تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر (±0.010 اینچ) اعمال می‌شود مگر اینکه در نقشه ابعادی به طور دیگری مشخص شده باشد.
• پکیج دارای بدنه قالب‌گیری شده با یک شکاف دقیق بین فرستنده مادون قرمز و فوتو ترانزیستور است. ابعاد دقیق این شکاف، ارتفاع کلی، عرض و طول، و فاصله پایه‌ها برای یکپارچه‌سازی مکانیکی در محصول نهایی حیاتی هستند.
• پایه‌ها معمولاً از یک ماده قابل لحیم‌کاری ساخته شده‌اند و برای نصب از طریق سوراخ شکل داده شده‌اند.

شناسایی قطبیت بسیار مهم است. قطعه دارای نشانه‌هایی (مانند نقطه، شکاف، یا طول‌های مختلف پایه) برای شناسایی آند و کاتد ال ای دی مادون قرمز و کلکتور و امیتر فوتو ترانزیستور خواهد بود. اتصال قطبیت نادرست می‌تواند به قطعات آسیب برساند.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقادیر مجاز مطلق دمای لحیم‌کاری پایه را 260 درجه سلسیوس برای حداکثر مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه پلاستیکی مشخص می‌کند. این یک پارامتر حیاتی برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا دستی است.

توصیه‌ها:

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

یک مدار کاربردی پایه شامل موارد زیر است:

1. مدار درایور ال ای دی: یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با ال ای دی مادون قرمز. مقدار مقاومت (R_limit) به صورت (ولتاژ تغذیه - V_F) / I_F محاسبه می‌شود. برای یک تغذیه 5 ولتی و I_F=20 میلی‌آمپر، با V_F~1.4 ولت، R_limit≈ (5-1.4)/0.02 = 180 اهم.
2. مدار خروجی فوتو ترانزیستور: فوتو ترانزیستور را می‌توان در دو پیکربندی متداول استفاده کرد:
   • حالت سوئیچ (اشباع): یک مقاومت pull-up از کلکتور به تغذیه مثبت (مثلاً 5 ولت) وصل کنید. امیتر به زمین متصل است. هنگامی که نور به ترانزیستور می‌رسد، به شدت روشن می‌شود (اشباع می‌شود) و ولتاژ کلکتور را پایین می‌کشد (نزدیک به V_CE(SAT)). هنگامی که نور مسدود می‌شود، ترانزیستور خاموش می‌شود و ولتاژ کلکتور توسط مقاومت بالا کشیده می‌شود. خروجی یک سیگنال دیجیتال است.
   • حالت خطی: از فوتو ترانزیستور در پیکربندی تقویت‌کننده امیتر مشترک با یک مقاومت کلکتور استفاده کنید. ولتاژ خروجی به صورت خطی با شدت نور دریافتی تغییر می‌کند که برای سنجش آنالوگ مفید است.

6.2 ملاحظات طراحی

• مصونیت در برابر نور محیط: قطعه از نور مادون قرمز مدوله شده استفاده می‌کند، اما منابع قوی مادون قرمز محیطی (نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند باعث تحریک کاذب شوند. استفاده از درایور پالسی برای ال ای دی و تشخیص همزمان، یا افزودن فیلتر نوری می‌تواند مصونیت را بهبود بخشد.
• مشخصات شیء: قابلیت اطمینان تشخیص به کدر بودن شیء نسبت به طول موج مادون قرمز بستگی دارد. مواد بسیار نازک یا نیمه شفاف ممکن است به طور کامل پرتو را قطع نکنند.
• همترازی: همترازی مکانیکی دقیق مسیر شیء با شکاف سنسور برای عملکرد یکنواخت ضروری است.
• سرعت: اطمینان حاصل کنید که سرعت شیء و زمان پاسخ مورد نیاز سیستم با زمان‌های صعود/افت قطعه (محدوده میکروثانیه) سازگار است.
• نویز الکتریکی: در محیط‌های پرنویز، مسیرهای سیگنال را کوتاه نگه دارید، از خازن‌های بای‌پس نزدیک به قطعه استفاده کنید و محافظت را در نظر بگیرید.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با میکروسوئیچ‌های مکانیکی، LTH-306-01 مزایای واضحی ارائه می‌دهد: بدون نوسان تماس، بدون سایش مکانیکی، سرعت سوئیچینگ سریع‌تر و قابلیت اطمینان بالاتر در میلیون‌ها چرخه. در مقایسه با سایر سنسورهای نوری مانند سنسورهای بازتابی، فوتواینتراپترهای عبوری (کوپلر شکافی) عموماً در برابر تغییرات در بازتاب‌پذیری سطح و رنگ شیء مصونیت بیشتری دارند و یک سیگنال روشن/خاموش یکنواخت‌تر را صرفاً بر اساس قطع پرتو ارائه می‌دهند.

متمایزکننده‌های کلیدی آن در دسته فوتواینتراپترها، اندازه خاص پکیج آن (امکان طراحی‌های فشرده)، مشخصات الکتریکی آن (حساسیت تعریف شده توسط I_C(ON), سرعت تعریف شده توسط t_r/t_f) و مشخصات قوی آن برای لحیم‌کاری و دمای کاری خواهد بود.

8. پرسش‌های متداول (سوالات پرتکرار)

س: طول عمر معمول این قطعه چقدر است؟

ج: به عنوان یک قطعه حالت جامد بدون قطعات متحرک، طول عمر آن عمدتاً توسط کاهش تدریجی خروجی ال ای دی تعیین می‌شود. هنگامی که در محدوده مشخصات کار می‌کند، معمولاً بسیار فراتر از عمر سوئیچ‌های مکانیکی است که اغلب برای صدها هزار تا میلیون‌ها عملیات درجه‌بندی شده‌اند.

س: آیا می‌توانم ال ای دی را مستقیماً با یک منبع ولتاژ راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. یک ال ای دی باید با یک منبع محدودکننده جریان راه‌اندازی شود. اتصال مستقیم آن به یک منبع ولتاژ که از ولتاژ مستقیم آن بیشتر است، باعث جریان بیش از حد شده و ممکن است آن را از بین ببرد. همیشه از یک مقاومت محدودکننده جریان سری یا یک درایور جریان ثابت استفاده کنید.

س: چگونه مقدار حداقل "جریان کلکتور در حالت روشن" (I_C(ON)) را تفسیر کنم؟

ج: این یک حداقل جریان خروجی تضمین شده تحت شرایط تست مشخص شده (V_CE=5 ولت، I_F=20 میلی‌آمپر) است. در طراحی خود، باید اطمینان حاصل کنید که مدار شما (مثلاً مقدار مقاومت pull-up شما) می‌تواند با این حداقل جریان به طور قابل اطمینان کار کند تا هنگامی که پرتو مسدود نیست، یک ولتاژ منطقی پایین معتبر تولید کند.

س: زمان پاسخ در میکروثانیه است. آیا این برای کاربرد من به اندازه کافی سریع است؟

ج: برای اکثر کاربردهای شمارش شیء، سنجش موقعیت و تشخیص کاغذ، پاسخ میکروثانیه‌ای بیش از حد کافی است. به عنوان مثال، برای تشخیص یک شیء که با سرعت 1 متر بر ثانیه از یک شکاف 1 میلی‌متری عبور می‌کند، زمان قطع 1 میلی‌ثانیه (1000 میکروثانیه) است که بسیار طولانی‌تر از زمان سوئیچینگ قطعه است. برای کاربردهای با سرعت بسیار بالا، زمان‌بندی مورد نیاز را تأیید کنید.

9. مورد کاربردی عملی

سناریو: تشخیص گیر کاغذ در یک پرینتر

LTH-306-01 را می‌توان در طول مسیر کاغذ قرار داد. یک ورق کاغذ که از شکاف عبور می‌کند، اجازه می‌دهد پرتو مادون قرمز به فوتو ترانزیستور برسد و خروجی آن را در یک حالت نگه می‌دارد (مثلاً پایین). اگر گیر رخ دهد، کاغذ در شکاف متوقف می‌شود، پرتو را مسدود می‌کند و حالت خروجی را تغییر می‌دهد (مثلاً بالا). این سیگنال به میکروکنترلر پرینتر ارسال می‌شود که سپس می‌تواند عملیات را متوقف کرده و به کاربر هشدار دهد. سنجش غیرتماسی، عدم سایش روی کاغذ یا سنسور را تضمین می‌کند و زمان پاسخ سریع امکان تشخیص را حتی در صورت حرکت سریع کاغذ فراهم می‌کند.

10. اصل عملکرد

LTH-306-01 یک سنسور نوری عبوری است. این قطعه شامل دو جزء اصلی در بازوهای مقابل یک پکیج U شکل است: یک دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) و یک فوتو ترانزیستور سیلیکونی NPN. ال ای دی مادون قرمز هنگامی که با یک جریان مناسب بایاس مستقیم می‌شود، نور مادون قرمز نامرئی ساطع می‌کند. فوتو ترانزیستور طوری طراحی شده است که به این طول موج خاص مادون قرمز حساس باشد. هنگامی که هیچ شیئی در شکاف بین آنها وجود ندارد، نور مادون قرمز مستقیماً به ناحیه بیس فوتو ترانزیستور می‌تابد. این نور فرودی جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کند که به عنوان جریان بیس عمل می‌کنند، ترانزیستور را روشن می‌کنند و اجازه می‌دهند یک جریان کلکتور قابل توجه (I_C) جاری شود. هنگامی که یک شیء کدر وارد شکاف می‌شود، مسیر نور را مسدود می‌کند. فوتو ترانزیستور هیچ (یا بسیار کاهش یافته) نوری دریافت نمی‌کند، جریان بیس مؤثر به نزدیک صفر کاهش می‌یابد و ترانزیستور خاموش می‌شود و جریان کلکتور را به یک سطح نشتی بسیار پایین (I_CEO) کاهش می‌دهد. این تغییر در جریان/ولتاژ خروجی توسط مدار خارجی تشخیص داده می‌شود تا یک رویداد "وجود شیء" ثبت شود.

11. روندهای فناوری

حوزه قطعات اپتوالکترونیکی مانند فوتواینتراپترها همچنان در حال تکامل است. روندهای کلی قابل مشاهده در صنعت شامل موارد زیر است:

• کوچک‌سازی: توسعه ردپای پکیج حتی کوچک‌تر و پروفایل پایین‌تر برای قرارگیری در دستگاه‌های مصرفی و صنعتی به طور فزاینده فشرده.
• یکپارچه‌سازی پیشرفته: گنجاندن مدارهای اضافی روی تراشه، مانند تریگر اشمیت برای هیسترزیس، مقاومت‌های محدودکننده جریان داخلی، یا حتی رابط‌های دیجیتال (I2C)، که طراحی خارجی را ساده می‌کند.
• عملکرد بهبود یافته: حساسیت بالاتر (امکان استفاده از جریان درایو ال ای دی پایین‌تر برای صرفه‌جویی در توان)، زمان پاسخ سریع‌تر برای اتوماسیون پرسرعت و پایداری دمایی بهتر.
• تمرکز بر بازده توان: طراحی‌هایی که امکان کار پالسی با چرخه وظیفه بسیار پایین را برای به حداقل رساندن مصرف توان متوسط فراهم می‌کنند، که برای کاربردهای مبتنی بر باتری حیاتی است.
• استحکام: مقاومت بهبود یافته در برابر عوامل محیطی مانند گرد و غبار، رطوبت و ضربه مکانیکی.

این روندها هدف دارند تا راه‌حل‌های سنجش نوری را قابل اطمینان‌تر، پیاده‌سازی آسان‌تر و مناسب برای طیف وسیع‌تری از کاربردها کنند.