دیتاشیت LTH-209-01 فوتواینتراپتر بازتابی - سنسور تشخیص شیء

1. مرور محصول

LTH-209-01 یک ماژول فوتواینتراپتر از نوع بازتابی است که برای کاربردهای سوئیچینگ غیرتماسی طراحی شده است. این قطعه الکترونیک نوری، یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IRED) و یک فوتوترانزیستور را در یک پکیج فشرده و یکپارچه ادغام کرده است. عملکرد اصلی آن تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء بازتابنده در فاصله حساسیت آن است. این ماژول برای نصب مستقیم روی بردهای مدار چاپی (PCB) یا استفاده با سوکت‌های دو ردیفه مهندسی شده و انعطاف‌پذیری در یکپارچه‌سازی سیستم را فراهم می‌کند. مزایای اصلی آن شامل عملکرد غیرتماسی (که سایش مکانیکی را حذف و قابلیت اطمینان بلندمدت را تضمین می‌کند) و سرعت سوئیچینگ سریع مناسب برای وظایف مختلف سنجش و شمارش است. بازار هدف شامل تجهیزات اتوماسیون، الکترونیک مصرفی، سیستم‌های امنیتی و کنترل‌های صنعتی است که در آن‌ها تشخیص دقیق و قابل اطمینان شیء مورد نیاز است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

کارکرد دستگاه فراتر از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود. پارامترهای کلیدی شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم پیوسته دیود مادون قرمز (I_F):حداکثر 50 میلی‌آمپر. این حد بالای جریان DC است که می‌تواند به طور پیوسته از LED مادون قرمز عبور کند.
• ولتاژ معکوس دیود مادون قرمز (V_R):حداکثر 5 ولت. تجاوز از این ولتاژ بایاس معکوس می‌تواند به پیوند LED آسیب برساند.
• جریان کلکتور فوتوترانزیستور (I_C):حداکثر 20 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان پیوسته‌ای است که ترانزیستور خروجی می‌تواند سینک کند.
• ولتاژ کلکتور-امیتر فوتوترانزیستور (V_CEO):حداکثر 30 ولت. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان بین پایه‌های کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور اعمال کرد.
• محدوده دمای عملیاتی:35- درجه سانتی‌گراد تا 65+ درجه سانتی‌گراد. عملکرد دستگاه در این محدوده دمای محیط و مطابق با مشخصات تضمین شده است.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه. این پارامتر برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو حیاتی است.

توجه به کاهش توان مجاز:حداکثر اتلاف توان برای هر دو دیود مادون قرمز (75 میلی‌وات) و فوتوترانزیستور (100 میلی‌وات) باید به صورت خطی با نرخ 1.33 میلی‌وات بر درجه سانتی‌گراد برای دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش یابد. این امر برای مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان بلندمدت ضروری است.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی و نوری

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

2.2.1 مشخصات دیود مادون قرمز ورودی

• ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.2 ولت تا 1.6 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. این پارامتر برای طراحی مدار درایور محدودکننده جریان LED حیاتی است.
• جریان معکوس (I_R):حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت. جریان معکوس پایین نشان‌دهنده کیفیت خوب پیوند است.

2.2.2 مشخصات فوتوترانزیستور خروجی

• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)CEO):حداقل 30 ولت در I_C=1 میلی‌آمپر. این ولتاژ شکست بالا امکان استفاده از ولتاژهای پول‌آپ بالاتر در مدار خروجی را فراهم می‌کند.
• جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO):حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت. این جریان نشتی زمانی است که دیود مادون قرمز خاموش است (بدون تابش). جریان تاریک پایین برای نسبت سیگنال به نویز خوب، به ویژه در کاربردهای کم‌نور یا با بهره بالا ضروری است.

2.2.3 مشخصات کوپلر (سیستم)

این پارامترها عملکرد سیستم سنسور کامل (LED مادون قرمز + فوتوترانزیستور) را توصیف می‌کنند.

• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):حداکثر 0.4 ولت در I_C=0.08 میلی‌آمپر و I_F=20 میلی‌آمپر. این ولتاژ اشباع پایین نشان می‌دهد که فوتوترانزیستور می‌تواند به عنوان یک سوئیچ کارآمد عمل کند و هنگام فعال شدن، خروجی را به زمین نزدیک کند.
• جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)):حداقل 0.16 میلی‌آمپر در V_CE=5 ولت و I_F=20 میلی‌آمپر.شرایط آزمایش:این پارامتر حیاتی با یک سطح بازتابنده استاندارد (کاغذ سفید با 90% بازتاب پخش‌شده) که در فاصله 3.81 میلی‌متر (0.15 اینچ) از سطح سنسور قرار داده شده، اندازه‌گیری می‌شود. این فاصله و سطح استاندارد، "فاصله حساسیت" و "حداقل بازتاب قابل تشخیص" را برای عملکرد مشخص شده دستگاه تعریف می‌کنند.

3. اطلاعات مکانیکی و پکیج

3.1 ابعاد پکیج

LTH-209-01 در یک محفظه استاندارد 4 پایه از نوع DIP (بسته دو ردیفه) ارائه می‌شود. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلورانس پیش‌فرض ±0.25 میلی‌متر ارائه شده است، مگر اینکه در نقشه ابعادی طور دیگری مشخص شده باشد. این پکیج برای نصب روی PCB از نوع سوراخ‌دار طراحی شده است. نقشه ابعادی دقیق، شامل طول، عرض، ارتفاع بدنه، فاصله پایه‌ها و قطر پایه، برای طراحی جای پایه PCB و یکپارچه‌سازی مکانیکی در محفظه محصول نهایی ضروری است.

3.2 پین‌اوت و شناسایی قطبیت

دستگاه چهار پایه دارد. معمولاً دو پایه برای آند و کاتد دیود ساطع‌کننده مادون قرمز و دو پایه دیگر برای کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور NPN هستند. شناسایی صحیح برای جلوگیری از آسیب حیاتی است. باید به نمودار پین‌اوت دیتاشیت مراجعه کرد. پکیج اغلب شامل یک شکاف، نقطه یا لبه اریب برای نشان‌دادن پایه 1 است. دیود مادون قرمز به قطبیت حساس است و کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور باید به درستی متصل شوند تا عملیات سوئیچینگ به درستی انجام شود.

4. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

لحیم‌کاری دستی:از یک هویه لحیم‌کاری با کنترل دما استفاده کنید. محدوده حداکثر مطلق مشخص می‌کند که پایه‌ها می‌توانند در دمای 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه، هنگامی که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پلاستیکی اندازه‌گیری می‌شوند، قرار گیرند. توصیه می‌شود برای ایجاد یک اتصال لحیم قابل اطمینان و به حداقل رساندن تنش حرارتی روی اجزای داخلی و محفظه پلاستیکی، از کمترین دما و کوتاه‌ترین زمان ممکن استفاده شود.

لحیم‌کاری موجی:امکان‌پذیر است، اما باید دقیقاً به همان پروفایل دما/زمان (260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه) پایبند بود. پیش‌گرمایش برای کاهش شوک حرارتی توصیه می‌شود.

تمیزکاری:در صورت نیاز به تمیزکاری پس از لحیم‌کاری، از روش‌ها و حلال‌های سازگار با مواد پلاستیکی دستگاه استفاده کنید تا از ترک خوردن یا کدر شدن پنجره نوری جلوگیری شود.

شرایط نگهداری:در محیطی با محدوده دمای نگهداری مشخص شده 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود. توصیه می‌شود قطعات تا زمان استفاده در کیسه‌های اصلی ضد رطوبت نگهداری شوند تا از آلودگی سطوح نوری جلوگیری شود.

5. پیشنهادات کاربردی

5.1 مدارهای کاربردی متداول

متداول‌ترین پیکربندی مدار، استفاده از LTH-209-01 به عنوان یک سوئیچ دیجیتال است. دیود مادون قرمز با یک منبع جریان ثابت یا یک مقاومت محدودکننده جریان از یک منبع ولتاژ (مثلاً 5 ولت) راه‌اندازی می‌شود. یک I_Fمعمول 20 میلی‌آمپر مطابق با شرایط آزمایش استفاده می‌شود. فوتوترانزیستور در پیکربندی امیتر مشترک متصل می‌شود: کلکتور از طریق یک مقاومت پول‌آپ (R_CC) به ولتاژ تغذیه (V_L, حداکثر 30 ولت) متصل می‌شود و امیتر به زمین متصل می‌شود. سیگنال خروجی از نود کلکتور گرفته می‌شود. هنگامی که هیچ شیء بازتابنده‌ای وجود ندارد، فوتوترانزیستور خاموش است (خروجی بالا). هنگامی که یک شیء بازتابنده وارد فاصله حساسیت می‌شود، نور مادون قرمز روی فوتوترانزیستور بازتاب می‌یابد، آن را روشن می‌کند و خروجی را پایین می‌کشد.

5.2 ملاحظات طراحی و بهترین روش‌ها

• انتخاب مقاومت پول‌آپ (R_L):مقدار R_Lجریان و دامنه ولتاژ خروجی را تعیین می‌کند. باید بر اساس I_C(ON)مورد نیاز و ویژگی‌های ورودی بار (مثلاً یک GPIO میکروکنترلر) انتخاب شود. یک R_Lکوچکتر، سوئیچینگ سریع‌تر و مصونیت بهتر در برابر نویز را فراهم می‌کند اما توان بیشتری مصرف می‌کند. اطمینان حاصل کنید که I_Cاز 20 میلی‌آمپر تجاوز نکند: R_L> (V_CC- V_CE(SAT)) / 20 میلی‌آمپر.
• کاهش نویز الکتریکی:یک خازن بای‌پس (مثلاً 0.1 میکروفاراد) را نزدیک به پایه‌های تغذیه دستگاه قرار دهید. مسیرهای سیگنال، به ویژه خط خروجی فوتوترانزیستور را کوتاه نگه دارید تا حساسیت به تداخل الکترومغناطیسی (EMI) کاهش یابد.
• ملاحظات نوری:عملکرد سنجش به بازتابندگی، رنگ و فاصله شیء هدف بستگی دارد. I_C(ON)مشخص شده برای یک سطح سفید با 90% بازتاب در فاصله 3.81 میلی‌متر است. اشیاء تیره‌تر یا دورتر، سیگنال خروجی کوچکتری تولید خواهند کرد. برای عملکرد یکنواخت، آستانه تشخیص سیستم (مثلاً ولتاژ مرجع مقایسه‌گر) را متناسب با آن طراحی کنید. از تابش مستقیم منابع نور محیطی (به ویژه نور خورشید یا لامپ‌های رشته‌ای غنی از مادون قرمز) به دهانه سنسور خودداری کنید، زیرا این امر می‌تواند باعث تحریک کاذب شود. یک سیگنال مادون قرمز مدوله‌شده و تشخیص همزمان می‌تواند در محیط‌های با نور محیطی بالا استفاده شود.
• هم‌راستایی مکانیکی:اطمینان حاصل کنید که مسیر شیء هدف ثابت است و در فاصله حساسیت بهینه (حدود 3.81 میلی‌متر مشخص شده) عبور می‌کند تا تشخیص قابل اطمینان باشد.

6. مقایسه و تمایز فنی

LTH-209-01 به عنوان یک فوتواینتراپتر بازتابی، با انواع دیگر سنسورهای نوری متفاوت است:

• در مقابل فوتواینتراپترهای عبوری (اپتوکوپلر شیاردار):انواع عبوری یک شکاف فیزیکی بین فرستنده و گیرنده دارند؛ یک شیء هنگامی تشخیص داده می‌شود که مسیر نور را مسدود کند. انواع بازتابی مانند LTH-209-01 هنگامی یک شیء را تشخیص می‌دهند که نور را بازتاب دهند. سنسورهای بازتابی اغلب نصب ساده‌تری دارند زیرا فقط از یک طرف نیاز به دسترسی دارند، اما عملکرد آن‌ها بیشتر به ویژگی‌های سطح شیء بستگی دارد.
• در مقابل سنسورهای فوتولوژیک:برخی فوتواینتراپترها شامل مدار منطقی داخلی (تریگر اشمیت، تقویت‌کننده) هستند تا یک خروجی دیجیتال تمیز ارائه دهند. LTH-209-01 یک خروجی آنالوگ ساده فوتوترانزیستور ارائه می‌دهد که انعطاف‌پذیری بیشتری فراهم می‌کند اما برای ایجاد یک سیگنال دیجیتال قوی در محیط‌های پرنویز نیاز به مدار خارجی (مانند یک مقایسه‌گر) دارد.
• مزایای کلیدی این مدل:ترکیب ولتاژ شکست کلکتور-امیتر نسبتاً بالا (30 ولت)، ولتاژ اشباع پایین و یک شرایط آزمایش استاندارد برای حساسیت، تعادل خوبی برای کاربردهای عمومی سنجش بازتابی فراهم می‌کند.

7. پرسش‌های متداول (سوالات پرتکرار)

سوال 1: فاصله بهینه برای سنجش یک شیء چقدر است؟

پاسخ 1: دیتاشیت جریان در حالت روشن (I_C(ON)) را با هدف در فاصله 3.81 میلی‌متر (0.15 اینچ) مشخص می‌کند. این فاصله آزمایش استاندارد است. فاصله بهینه واقعی به بازتابندگی هدف بستگی دارد. برای یک هدف با بازتابندگی بالا، تشخیص ممکن است در فاصله‌های کمی بیشتر نیز کار کند. برای طراحی قابل اطمینان، از 3.81 میلی‌متر به عنوان نقطه کار اسمی استفاده کنید.

سوال 2: آیا می‌توانم LED مادون قرمز را مستقیماً با یک منبع ولتاژ راه‌اندازی کنم؟

پاسخ 2: خیر. یک LED مادون قرمز، مانند همه دیودها، باید با جریان راه‌اندازی شود. اتصال مستقیم آن به یک منبع ولتاژ باعث جریان بیش از حد شده و به طور بالقوه دستگاه را از بین می‌برد. همیشه از یک مقاومت سری محدودکننده جریان استفاده کنید. مقدار مقاومت را به صورت R = (V_{منبع تغذیه}- V_F) / I_Fمحاسبه کنید. برای منبع تغذیه 5 ولت، V_F=1.4 ولت و I_F=20 میلی‌آمپر: R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 اهم.

سوال 3: چرا سیگنال خروجی من ناپایدار یا پرنویز است؟

پاسخ 3: دلایل متداول شامل موارد زیر است: 1) مقدار مقاومت پول‌آپ ناکافی منجر به زمان صعود آهسته می‌شود، 2) دریافت نویز الکتریکی روی مسیرهای خروجی طولانی (از یک خازن بای‌پس و مسیریابی کوتاه‌تر استفاده کنید)، 3) تداخل نور مادون قرمز محیطی (سنسور را محافظت کنید یا از مدولاسیون استفاده کنید)، 4) شیء هدف بازتابندگی متغیر دارد یا در فاصله نامنظمی قرار دارد.

سوال 4: یادداشت "کاهش خطی 1.33 میلی‌وات بر درجه سانتی‌گراد" به چه معناست؟

پاسخ 4: این یک قانون کاهش توان حرارتی است. حداکثر اتلاف توان مجاز (75 میلی‌وات برای دیود، 100 میلی‌وات برای ترانزیستور) در دمای 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده است. برای هر درجه سانتی‌گراد افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد، باید حداکثر توان مجاز را 1.33 میلی‌وات کاهش دهید. به عنوان مثال، در دمای 65 درجه سانتی‌گراد (40 درجه بالاتر از 25 درجه)، حداکثر توان کاهش‌یافته برای ترانزیستور برابر است با 100 میلی‌وات - (40 * 1.33 میلی‌وات) = 100 - 53.2 = 46.8 میلی‌وات.

8. مطالعه موردی کاربردی

سناریو: تشخیص کاغذ در یک پرینتر.

از LTH-209-01 می‌توان برای تشخیص لبه جلویی کاغذ در حین تغذیه از طریق مکانیزم پرینتر استفاده کرد. سنسور روی برد اصلی نصب می‌شود و سطح حساسیت آن به سمت مسیر کاغذ جهت‌گیری می‌شود. یک نوار بازتابنده یا خود کاغذ (در صورت بازتابندگی کافی) به عنوان هدف عمل می‌کند. هنگامی که کاغذ وجود ندارد، خروجی بالا است. هنگامی که لبه کاغذ از زیر سنسور عبور می‌کند، نور مادون قرمز بازتاب‌یافته، فوتوترانزیستور را فعال می‌کند و خروجی را پایین می‌کشد. این سیگنال دیجیتال، میکروکنترلر پرینتر را از موقعیت کاغذ مطلع می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا زمان‌بندی چاپ را به دقت کنترل کند. نکات کلیدی طراحی در اینجا شامل انتخاب یک مقاومت پول‌آپ برای اتصال تمیز با منطق 3.3 ولت یا 5 ولت MCU، اطمینان از ثبات مکانیکی مسیر کاغذ برای حفظ فاصله حساسیت صحیح و احتمالاً افزودن یک فیلتر RC ساده روی خروجی برای حذف نوسانات ناشی از بافت کاغذ است.

9. اصل عملکرد

LTH-209-01 بر اساس اصل بازتاب نور مدوله‌شده و تبدیل فوتوالکتریک عمل می‌کند. در داخل، یک دیود نورگسیل مادون قرمز (IRED) نوری با طول موج معمولاً حدود 940 نانومتر ساطع می‌کند که برای چشم انسان نامرئی است. این نور از جلوی دستگاه تابش می‌یابد. هنگامی که یک شیء بازتابنده مناسب وارد میدان دید شده و در محدوده مؤثر قرار می‌گیرد، بخشی از تابش مادون قرمز ساطع‌شده از سطح شیء بازتابیده و به سمت دستگاه بازمی‌گردد. یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN که در کنار IRED در داخل همان پکیج قرار دارد، این نور بازتابیده را دریافت می‌کند. فوتون‌های فرودی بر ناحیه بیس فوتوترانزیستور، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند و به طور مؤثر یک جریان بیس تولید می‌کنند. این جریان بیس فوتوژنریک توسط بهره ترانزیستور تقویت می‌شود و منجر به یک جریان کلکتور بسیار بزرگتر می‌شود که می‌تواند به صورت خارجی اندازه‌گیری شود. این تغییر در جریان کلکتور (از یک جریان تاریک بسیار پایین به I_C(ON)مشخص شده) مکانیزم تشخیص اساسی است. بنابراین دستگاه یک رویداد نوری (حضور یک شیء بازتابنده) را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند.

10. روندها و زمینه صنعت

فوتواینتراپترهای بازتابی مانند LTH-209-01 نمایانگر یک فناوری بالغ و قابل اطمینان در بازار گسترده‌تر سنسورهای الکترونیک نوری هستند. روند کلی در این زمینه به سمت مینیاتوری‌سازی، یکپارچه‌سازی بیشتر و افزایش قابلیت‌ها است. دستگاه‌های جدیدتر ممکن است دارای پکیج‌های نصب سطحی (SMD) برای مونتاژ خودکار، مصرف توان کمتر و مدارهای مجتمع یکپارچه‌سازی سیگنال داخلی باشند که خروجی‌های دیجیتال (I2C, PWM) یا خروجی‌های آنالوگ با خطی‌بودن بهبودیافته ارائه می‌دهند. همچنین حرکتی به سمت استفاده از طول‌موج‌های خاص یا گنجاندن فیلترهای نوری برای بهبود مصونیت در برابر نور محیطی وجود دارد. علاوه بر این، توسعه مواد و تکنیک‌های بسته‌بندی همچنان به بهبود محدوده دمایی، مقاومت در برابر رطوبت و پایداری بلندمدت این قطعات ادامه می‌دهد. در حالی که جایگزین‌های پیشرفته‌ای وجود دارند، سنسور بازتابی خروجی فوتوترانزیستور گسسته و سوراخ‌دار، همچنان یک راه‌حل مقرون‌به‌صرفه و بسیار همه‌کاره برای کاربردهای بی‌شماری تشخیص غیرتماسی است که در آن‌ها سادگی، استحکام و عملکرد اثبات‌شده از اهمیت بالایی برخوردار است.