برگه داده فوتواینتراپتر LTH-301-19 - سوئیچینگ بدون تماس - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

LTH-301-19 یک دستگاه سوئیچینگ بدون تماس و فشرده است که برای کاربردهای نیازمند تشخیص قابل اعتماد شی یا حس‌گری موقعیت طراحی شده است. این قطعه بر اساس اصل کار یک دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) جفت شده با یک فوتوترانزیستور عمل می‌کند. هنگامی که یک شیء پرتو مادون قرمز بین فرستنده و گیرنده را قطع می‌کند، حالت خروجی فوتوترانزیستور تغییر می‌کند و یک سیگنال سوئیچینگ فراهم می‌سازد. این دستگاه برای نصب مستقیم روی PCB یا استفاده با سوکت‌های دو ردیفه مناسب است و راه‌حلی سریع و قابل اعتماد برای کاربردهای متنوع صنعتی و الکترونیک مصرفی ارائه می‌دهد.

2. تفسیر عمیق و عینی پارامترهای فنی

2.1 رتبه‌بندی‌های حداکثر مطلق

این رتبه‌بندی‌ها محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. دیود IR می‌تواند جریان مستقیم پیوسته‌ای معادل 60 میلی‌آمپر و ولتاژ معکوس 5 ولت را تحمل کند. جریان کلکتور فوتوترانزیستور به 20 میلی‌آمپر با اتلاف توان 100 میلی‌وات محدود شده است. برای دیود IR، جریان مستقیم پیک 1 آمپر تحت شرایط پالسی (عرض پالس 10 میکروثانیه، 300 پالس بر ثانیه) مجاز است. محدوده دمای کاری دستگاه 25- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس و محدوده دمای نگهداری 40- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس درجه‌بندی شده است. دمای لحیم‌کاری پایه‌ها نباید از 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه، هنگامی که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه اندازه‌گیری می‌شود، تجاوز کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این بخش عملکرد دستگاه را تحت شرایط کاری متداول در دمای محیط 25 درجه سلسیوس به تفصیل شرح می‌دهد.

2.2.1 مشخصات LED ورودی

ولتاژ مستقیم (VF) LED مادون قرمز به طور معمول در جریان مستقیم (IF) برابر با 20mA، 1.6 ولت است که حداکثر آن 1.6 ولت می‌باشد. جریان معکوس (IR) حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (VR) برابر با 5 ولت است.

2.2.2 مشخصات فوتوترانزیستور خروجی

ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V(BR)CEO) حداقل 30 ولت است. ولتاژ شکست امیتر-کلکتور (V(BR)ECO) حداقل 5 ولت است. جریان تاریک کلکتور-امیتر (ICEO) حداکثر 100 نانوآمپر در VCE=10V است که نشان‌دهنده جریان نشتی هنگامی که LED خاموش است می‌باشد.

2.2.3 مشخصات کوپلر

ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (VCE(SAT)) حداکثر 0.4 ولت است هنگامی که فوتوترانزیستور به حالت اشباع رانده می‌شود (IC=70μA, IF=1.4mA). جریان کلکتور در حالت روشن (IC(ON)) به طور معمول در VCE=3.3V و IF=1.4mA برابر با 70 میکروآمپر است و می‌تواند در VCE=5V و IF=20mA به 10 میلی‌آمپر برسد که حساسیت و قابلیت خروجی دستگاه را تحت شرایط رانش مختلف نشان می‌دهد.

2.2.4 زمان پاسخ

سرعت سوئیچینگ با زمان صعود (tr) و زمان نزول (tf) مشخص می‌شود. زمان صعود معمولی 3 میکروثانیه (حداکثر 15 میکروثانیه) و زمان نزول معمولی 4 میکروثانیه (حداکثر 20 میکروثانیه) است که تحت شرایط آزمایش خاص (VCE=5V, Ic=2mA, RL=100Ω) اندازه‌گیری شده است. این امر قابلیت دستگاه برای تشخیص با سرعت بالا را تعریف می‌کند.

3. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

3.1 ابعاد بسته‌بندی

دستگاه دارای یک بسته‌بندی استاندارد از نوع سوراخ‌دار (Through-Hole) است. تمامی ابعاد بر حسب میلی‌متر مشخص شده‌اند و تلرانس پیش‌فرض ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. نقشه دقیق ابعادی در برگه داده ارائه شده است که اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و ردپای کلی برای چیدمان PCB را به تفصیل شرح می‌دهد.

3.2 شناسایی قطبیت

جهت‌دهی صحیح حیاتی است. برگه داده شامل یک نمودار است که به وضوح آند و کاتد LED مادون قرمز و کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور را علامت‌گذاری کرده است. نصب نادرست دستگاه می‌تواند منجر به عملکرد نادرست یا آسیب شود.

4. تحلیل منحنی عملکرد

برگه داده شامل منحنی‌های مشخصه الکتریکی و نوری معمولی است که در دمای محیط 25 درجه سلسیوس ترسیم شده‌اند مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. این نمودارها برای درک رفتار دستگاه فراتر از مقادیر حداقل، معمولی و حداکثر جدول‌بندی شده ضروری هستند.

4.1 مشخصات انتقال

منحنی‌ها به احتمال زیاد رابطه بین جریان مستقیم LED ورودی (IF) و جریان کلکتور فوتوترانزیستور خروجی (IC) را در ولتاژهای مختلف کلکتور-امیتر (VCE) نشان می‌دهند. این امر نسبت انتقال جریان (CTR) را که یک پارامتر کلیدی برای بهره است، نشان می‌دهد.

4.2 مشخصات اشباع خروجی

نمودارهای به تصویر کشنده VCE(SAT) در مقابل IC برای سطوح مختلف IF به طراحان کمک می‌کند تا سطوح ولتاژ خروجی را هنگامی که فوتوترانزیستور کاملاً روشن است درک کنند، که برای ارتباط با مدارهای منطقی مهم است.

4.3 وابستگی دمایی

در حالی که داده اولیه در 25 درجه سلسیوس است، منحنی‌های مشخصه ممکن است نشان دهند که چگونه پارامترهایی مانند جریان تاریک (ICEO) و جریان خروجی با دما تغییر می‌کنند، که برای طراحی سیستم‌های پایدار در محدوده کاری مشخص شده بسیار مهم است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 پارامترهای لحیم‌کاری

رتبه‌بندی حداکثر مطلق مشخص می‌کند که پایه‌ها می‌توانند در دمای 260 درجه سلسیوس به مدت حداکثر 5 ثانیه لحیم شوند، در حالی که دما در فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از محفظه پلاستیکی اندازه‌گیری می‌شود. این امر برای جلوگیری از آسیب حرارتی به اجزای داخلی و بسته‌بندی پلاستیکی حیاتی است.

5.2 جابجایی و نگهداری

دستگاه باید در محدوده دمای مشخص شده 40- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس نگهداری شود. احتیاط‌های استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) باید در طول جابجایی و مونتاژ رعایت شود تا از آسیب به پیوندهای نیمه‌هادی جلوگیری گردد.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 سناریوهای کاربردی متداول

LTH-301-19 برای حس‌گری بدون تماس در چاپگرها (تشخیص گیرکردن کاغذ، سطح تونر)، دستگاه‌های کپی، دستگاه‌های فروش خودکار (تشخیص سکه/شی)، اتوماسیون صنعتی (حس‌گری موقعیت، سوئیچ‌های محدودیت) و الکترونیک مصرفی ایده‌آل است. سرعت سوئیچینگ سریع آن، آن را برای کاربردهای شمارش یا اندازه‌گیری سرعت مناسب می‌سازد.

6.2 ملاحظات طراحی

مقاومت محدودکننده جریان:باید از یک مقاومت خارجی به صورت سری با LED مادون قرمز استفاده شود تا جریان مستقیم آن (IF) را به یک مقدار ایمن، معمولاً بین شرایط آزمایش 1.4mA و حداکثر مطلق 60mA محدود کند و بین روشنایی و طول عمر تعادل برقرار سازد.
مقاومت بار:مقدار مقاومت بار (RL) متصل به کلکتور فوتوترانزیستور بر هر دو نوسان ولتاژ خروجی و زمان پاسخ تأثیر می‌گذارد. یک RL کوچکتر سوئیچینگ سریع‌تری فراهم می‌کند اما نوسان ولتاژ خروجی کوچکتری دارد.
نور محیط:به عنوان یک دستگاه مادون قرمز، کمتر در معرض تداخل نور محیطی مرئی قرار دارد. با این حال، برای کاربردهای حیاتی، می‌توان از محافظ‌های مکانیکی یا تکنیک‌های مدولاسیون/دمدولاسیون برای افزایش مصونیت در برابر نویز استفاده کرد.
هم‌راستایی:هم‌راستایی مکانیکی دقیق بین شکاف‌های فرستنده و گیرنده برای عملکرد بهینه و حداکثر فاصله حس‌گری ضروری است.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با سوئیچ‌های مکانیکی، LTH-301-19 مزیت کلیدی عملیات بدون تماس را ارائه می‌دهد که منجر به عدم سایش، طول عمر بیشتر، عملکرد بی‌صدا و سرعت‌های سوئیچینگ بالقوه بالاتر می‌شود. در مقایسه با سایر سنسورهای نوری، بسته‌بندی شکافی یکپارچه آن یک مسیر نوری داخلی فراهم می‌کند که طراحی مکانیکی را ساده کرده و قابلیت اطمینان هم‌راستایی را در مقابل اجزای جداگانه فرستنده و گیرنده بهبود می‌بخشد. ولتاژ اشباع مشخص شده (VCE(SAT)<0.4V) سازگاری خوبی با مدارهای منطقی کم‌ولتاژ تضمین می‌کند.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف پارامتر جریان تاریک (ICEO) چیست؟
پ: جریان تاریک، جریان نشتی کوچکی است که از فوتوترانزیستور عبور می‌کند هنگامی که هیچ نوری از LED مادون قرمز به آن نمی‌تابد (یعنی پرتو مسدود شده یا LED خاموش است). یک جریان تاریک پایین (حداکثر 100 نانوآمپر) مطلوب است زیرا جریان "حالت خاموش" را به حداقل می‌رساند و منجر به تمایز واضح‌تری بین حالت‌های روشن و خاموش سوئیچ می‌شود.

س: چگونه مقدار مقاومت محدودکننده جریان LED را انتخاب کنم؟
پ: از قانون اهم استفاده کنید: R = (Vcc - VF) / IF. Vcc ولتاژ تغذیه شماست، VF ولتاژ مستقیم LED است (برای حاشیه طراحی از 1.6 ولت استفاده کنید) و IF جریان کاری مورد نظر شماست (مثلاً 20mA برای خروجی کامل). اطمینان حاصل کنید که اتلاف توان محاسبه شده در مقاومت در محدوده درجه‌بندی آن باشد.

س: آیا می‌توان از این سنسور در فضای باز استفاده کرد؟
پ: محدوده دمای کاری 25- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس است که بسیاری از محیط‌ها را پوشش می‌دهد. با این حال، نور مستقیم خورشید حاوی تابش مادون قرمز قوی است که می‌تواند سنسور را اشباع کند. آب‌بندی محیطی در برابر گرد و غبار و رطوبت بخشی از مشخصات بسته‌بندی نیست و باید به طور جداگانه در نظر گرفته شود.

س: چه عواملی بر فاصله یا شکاف حس‌گری تأثیر می‌گذارند؟
پ: شکاف حس‌گری تحت تأثیر جریان رانش LED (IF)، حساسیت فوتوترانزیستور، هم‌راستایی و کدری شیء قطع‌کننده پرتو قرار دارد. برگه داده حداکثر شکاف را مشخص نمی‌کند؛ باید به صورت تجربی برای یک شیء خاص و حاشیه سیگنال مورد نیاز تعیین شود.

9. مورد استفاده عملی

مورد: تشخیص کاغذ در یک چاپگر رومیزی.LTH-301-19 می‌تواند طوری نصب شود که مسیر کاغذ از شکاف آن عبور کند. یک پین GPIO میکروکنترلر، که با یک مقاومت pull-up پیکربندی شده است، کلکتور فوتوترانزیستور را نظارت می‌کند. هنگامی که کاغذ وجود ندارد، پرتو IR به آشکارساز می‌رسد، فوتوترانزیستور را روشن می‌کند و ولتاژ کلکتور را پایین می‌کشد (نزدیک به VCE(SAT)). هنگامی که کاغذ وارد شکاف می‌شود، پرتو را مسدود می‌کند، فوتوترانزیستور را خاموش می‌کند و اجازه می‌دهد مقاومت pull-up ولتاژ کلکتور را به Vcc بالا بکشد. میکروکنترلر این انتقال ولتاژ را برای تأیید وجود کاغذ یا فعال کردن هشدار اتمام کاغذ تشخیص می‌دهد. زمان پاسخ سریع حتی برای کاغذی که با سرعت بالا حرکت می‌کند نیز تشخیص را تضمین می‌کند.

10. معرفی اصل عملکرد

LTH-301-19 یک سنسور نوری از نوع عبوری است که در یک بسته‌بندی پلاستیکی U شکل قرار دارد. در یک سمت، یک دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) نور را در طول موجی معمولاً حدود 940 نانومتر منتشر می‌کند. درست در مقابل، در سمت دیگر شکاف، یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN به عنوان گیرنده عمل می‌کند. فوتوترانزیستور طوری طراحی شده است که نور فرودی بر ناحیه بیس آن جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کند که به عنوان جریان بیس عمل می‌کنند و در نتیجه یک جریان کلکتور-امیتر بسیار بزرگتر را کنترل می‌کنند. هنگامی که شیئی در شکاف وجود ندارد، نور از LED مادون قرمز به فوتوترانزیستور برخورد می‌کند و باعث می‌شود که هدایت کند (حالت روشن). هنگامی که یک شیء وارد شکاف می‌شود، مسیر نور را مسدود می‌کند و نور روی فوتوترانزیستور را به شدت کاهش می‌دهد و باعث می‌شود که از هدایت بازایستد (حالت خاموش). این تغییر در جریان/ولتاژ خروجی به عنوان یک سیگنال سوئیچینگ استفاده می‌شود.

11. روندهای فناوری

فوتواینتراپترهایی مانند LTH-301-19 نمایانگر یک فناوری بالغ و قابل اعتماد هستند. روندهای فعلی در این زمینه شامل کوچک‌سازی بسته‌بندی برای نصب PCB با چگالی بالاتر، توسعه نسخه‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) برای تسهیل مونتاژ خودکار، و یکپارچه‌سازی مدارهای اضافی مانند تریگر اشمیت یا تقویت‌کننده‌ها در داخل بسته‌بندی برای ارائه یک سیگنال خروجی دیجیتال تمیز و بهبود مصونیت در برابر نویز است. همچنین تمرکز بر کاهش مصرف توان، به ویژه برای کاربردهای با باتری، با بهینه‌سازی بازده LED و حساسیت فوتوترانزیستور وجود دارد. علاوه بر این، برخی از انواع پیشرفته چندین فرستنده یا آشکارساز را در یک بسته‌بندی واحد برای حس‌گری موقعیت کدگذاری شده یا ارائه افزونگی (Redundancy) ادغام می‌کنند.