دیتاشیت فوتواینتراپتر LTH-306-09S - جایگزین سوئیچ مکانیکی - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-306-09S یک فوتواینتراپتر است، نوعی قطعه اپتوالکترونیک که برای تشخیص قطع شدن پرتو نور طراحی شده است. این قطعه به عنوان جایگزینی مستقیم و حالت جامد برای سوئیچ‌های مکانیکی سنتی در کاربردهای مختلف سنجش عمل می‌کند. مزیت اصلی آن در عملکرد بدون تماس است که مشکلات مربوط به سایش مکانیکی، نوسان کنتاکت و تخریب فیزیکی در طول زمان را حذف می‌کند. این امر آن را برای کاربردهایی که نیاز به تحریک مکرر یا عملکرد در محیط‌هایی که گرد و غبار، رطوبت یا لرزش می‌تواند به کنتاکت‌های مکانیکی آسیب برساند، بسیار قابل اعتماد می‌سازد. این قطعه برای بازار گسترده‌ای از جمله اتوماسیون صنعتی (سنجش موقعیت، سوئیچ‌های محدودیت)، الکترونیک مصرفی (تشخیص کاغذ پرینتر، سنجش سینی دیسک) و سیستم‌های ایمنی (تشخیص قفل درب) مناسب است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

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

• ال‌ای‌دی ورودی:
  • اتلاف توان:75 میلی‌وات. این حداکثر توان پیوسته‌ای است که ال‌ای‌دی در دمای محیط مشخص شده می‌تواند تحمل کند.
  • جریان مستقیم پیک:1 آمپر (در شرایط پالسی: 300 پالس بر ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه). این ریتینگ برای راه‌اندازی ال‌ای‌دی با پالس‌های کوتاه و با شدت بالا حیاتی است.
  • جریان مستقیم پیوسته:50 میلی‌آمپر. حداکثر جریان DC برای عملکرد قابل اعتماد بلندمدت.
  • ولتاژ معکوس:5 ولت. تجاوز از این مقدار می‌تواند به پیوند ال‌ای‌دی آسیب برساند.
• فتوترانزیستور خروجی:
  • اتلاف توان:100 میلی‌وات.
  • ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CE):30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین کلکتور و امیتر اعمال کرد.
  • ولتاژ امیتر-کلکتور:5 ولت.
  • جریان کلکتور:20 میلی‌آمپر. حداکثر جریانی که خروجی فوتوترانزیستور می‌تواند سینک کند.
• محیطی:
  • محدوده دمای کاری:25- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. محدوده دمای محیط برای عملکرد نرمال قطعه.
  • محدوده دمای ذخیره‌سازی:40- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس.
  • دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه (برای پایه‌ها در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه). این محدودیت پروفیل لحیم‌کاری ریفلو را تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

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

• مشخصات ال‌ای‌دی ورودی:
  • ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.2 ولت تا 1.6 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. از این برای محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریان مورد نیاز استفاده می‌شود: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • جریان معکوس (I_R):حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس 5 ولت.
• مشخصات فوتوترانزیستور خروجی:
  • جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO):حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت. این جریان نشتی زمانی است که ال‌ای‌دی خاموش است (بدون نور). مقدار پایین برای نسبت سیگنال به نویز خوب مطلوب است.
  • ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):معمولاً 0.4 ولت در I_C=0.25 میلی‌آمپر و I_F=20 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ در دو سر فوتوترانزیستور زمانی است که کاملاً "روشن" است.
  • جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)):حداقل 0.5 میلی‌آمپر در V_CE=5 ولت و I_F=20 میلی‌آمپر. این حداقل جریان خروجی را زمانی که مسیر نور مسدود نیست مشخص می‌کند.
• مشخصات کوپلر:
  • زاویه عملکرد:8 درجه تا 14 درجه. این یک پارامتر حیاتی است که جابجایی زاویه‌ای جسم قطع‌کننده (مثلاً یک بازوی اهرم) مورد نیاز برای تغییر قابل اعتماد حالت خروجی را تعریف می‌کند. زاویه کوچکتر نشان‌دهنده حساسیت بالاتر به حرکت است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمول اشاره می‌کند. در حالی که نمودارهای خاص در متن ارائه نشده‌اند، هدف استاندارد آن‌ها در زیر تحلیل شده است.

• جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I_F-V_F):این نمودار رابطه غیرخطی بین جریان و ولتاژ ال‌ای‌دی را نشان می‌دهد. به طراحان کمک می‌کند تا مقاومت دینامیکی ال‌ای‌دی را درک کرده و راه‌اندازی جریان پایدار را تضمین کنند.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (منحنی‌های I_C-V_CE):این منحنی‌ها که برای جریان‌های راه‌اندازی مختلف ال‌ای‌دی (I_F) رسم شده‌اند، مشخصات خروجی فوتوترانزیستور را نشان می‌دهند. آن‌ها ناحیه اشباع (جایی که I_Cنسبتاً ثابت است) و ناحیه خطی/فعال را نشان می‌دهند که برای کاربردهای سنجش آنالوگ مهم است.
• نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل جریان مستقیم:CTR نسبت جریان کلکتور فوتوترانزیستور (I_C) به جریان مستقیم ال‌ای‌دی (I_F) است که معمولاً به صورت درصد بیان می‌شود. این منحنی نشان می‌دهد که بازده چگونه با جریان راه‌اندازی تغییر می‌کند و برای بهینه‌سازی مدار راه‌اندازی برای نوسان خروجی مطلوب کلیدی است.
• منحنی‌های وابستگی به دما:نمودارهایی که نشان می‌دهند پارامترهایی مانند V_F, I_C(ON)و جریان تاریک چگونه با دمای محیط تغییر می‌کنند، برای طراحی سیستم‌های مقاوم که در محدوده دمای مشخص شده کار می‌کنند ضروری هستند.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

دیتاشیت شامل نقشه ابعاد پکیج (که اینجا بازتولید نشده) است. ملاحظات مکانیکی کلیدی شامل موارد زیر است:

• ابعاد شکاف:فاصله حیاتی که جسم قطع‌کننده از آن عبور می‌کند. عرض و عمق آن سازگاری با جسم هدف را تعیین می‌کند.
• فاصله و فرم پایه‌ها:چیدمان پایه‌ها (احتمالاً پیکربندی استاندارد 4 پایه: آند، کاتد برای ال‌ای‌دی؛ کلکتور، امیتر برای فوتوترانزیستور) و فاصله آن‌ها برای طراحی جایگاه PCB حیاتی است.
• اندازه کلی پکیج:طول، عرض و ارتفاع خارجی قرارگیری قطعه در یک مجموعه را محدود می‌کند.
• شناسایی قطبیت:پکیج دارای نشانه‌هایی (مانند یک نقطه یا لبه اریب) برای شناسایی پایه 1 خواهد بود که باید به درستی با جایگاه PCB تراز شود.
• بازوهای اهرم سفارشی:یک ویژگی قابل توجه، قابلیت طراحی بازوهای اهرم سفارشی است که به جسم قطع‌کننده متصل می‌شوند و به سنسور اجازه می‌دهند برای حرکات مکانیکی خاص سازگار شده و انعطاف‌پذیری کاربرد آن افزایش یابد.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح برای قابلیت اطمینان حیاتی است.

• لحیم‌کاری ریفلو:حد مشخص شده 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه است که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج اندازه‌گیری می‌شود. این با پروفیل‌های ریفلو بدون سرب معمول همسو است. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که پروفیل حرارتی کوره ریفلو آن‌ها از این حد تجاوز نمی‌کند تا از آسیب به اپوکسی داخلی یا پیوندهای نیمه‌هادی جلوگیری شود.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، باید از هویه کنترل دمایی استفاده شود و زمان لحیم‌کاری هر پایه به حداقل برسد (معمولاً < 3 ثانیه).
• تمیزکاری:از مواد تمیزکننده مناسب و غیرخورنده که با پکیج پلاستیکی قطعه سازگار هستند استفاده کنید.
• شرایط ذخیره‌سازی:در یک محیط خشک و ضد استاتیک در محدوده مشخص شده 40- تا 100+ درجه سلسیوس نگهداری کنید تا از جذب رطوبت (که می‌تواند باعث "پاپ کورن شدن" در حین ریفلو شود) و آسیب تخلیه الکترواستاتیک (ESD) جلوگیری شود.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

متداول‌ترین پیکربندی یک سوئیچ دیجیتال است. ال‌ای‌دی با یک جریان ثابت راه‌اندازی می‌شود (مثلاً 20 میلی‌آمپر از طریق یک مقاومت سری). کلکتور فوتوترانزیستور به یک مقاومت پول‌آپ (R_pull-up) به ولتاژ تغذیه منطقی (مثلاً 5 ولت) متصل می‌شود و امیتر به زمین وصل می‌شود. سیگنال خروجی از نود کلکتور گرفته می‌شود.

• پرتو بدون وقفه (جسم غایب):نور به بیس فوتوترانزیستور می‌تابد و باعث هدایت آن می‌شود. ولتاژ کلکتور به پایین کشیده می‌شود (نزدیک به V_CE(SAT)).
• پرتو قطع شده (جسم حاضر):فتوترانزیستور خاموش می‌شود. مقاومت پول‌آپ ولتاژ کلکتور را بالا می‌کشد (به ولتاژ تغذیه).

مقدار R_pull-upیک مصالحه است: مقدار کمتر زمان‌های صعود سریع‌تر و مصونیت نویز بهتری فراهم می‌کند اما زمانی که خروجی پایین است جریان بیشتری می‌کشد. باید بر اساس سرعت سوئیچینگ مورد نیاز و مشخصات ورودی مرحله منطقی بعدی انتخاب شود.

6.2 ملاحظات طراحی

• انتخاب جریان ال‌ای‌دی:کار در جریان معمول 20 میلی‌آمپر جریان خروجی خوبی فراهم می‌کند. جریان‌های پایین‌تر توان کمتری مصرف می‌کنند اما I_C(ON)و حاشیه نویز را کاهش می‌دهند. از ریتینگ جریان مستقیم پیوسته تجاوز نکنید.
• مصونیت در برابر نور محیط:قطعه به طول موج خاص ال‌ای‌دی داخلی خود حساس است. با این حال، در محیط‌هایی با نور محیط قوی (به ویژه نور خورشید حاوی مادون قرمز)، یک سیگنال راه‌اندازی ال‌ای‌دی مدوله شده (پالسی) با تشخیص همزمان در مدار گیرنده می‌تواند مصونیت را به شدت بهبود بخشد.
• زمان پاسخ:سرعت سوئیچینگ (زمان صعود/سقوط) توسط ظرفیت فوتوترانزیستور و مقدار مقاومت پول‌آپ محدود می‌شود. برای کاربردهای پرسرعت، در صورت موجود بودن، به نمودارهای مشخصه دینامیکی خاص مراجعه کنید.
• مشخصات جسم:کدری، ضخامت و رنگ جسم قطع‌کننده بر میزان نور مسدود شده تأثیر می‌گذارد. برای عملکرد قابل اعتماد، جسم باید به اندازه کافی کدر باشد تا جریان فوتوترانزیستور را زیر آستانه آن برای حالت "خاموش" کاهش دهد.
• تراز:تراز مکانیکی دقیق جسم درون شکاف سنسور برای عملکرد یکنواخت ضروری است، به ویژه با توجه به زاویه عملکرد تعریف شده.

7. مقایسه فنی و مزایا

در مقایسه با میکروسوئیچ‌های مکانیکی، فوتواینتراپتر LTH-306-09S چندین مزیت کلیدی ارائه می‌دهد:

• طول عمر و قابلیت اطمینان:هیچ کنتاکت متحرکی برای ساییده شدن، قوس زدن یا اکسید شدن وجود ندارد. طول عمر معمولاً چندین مرتبه قدر بیشتر است.
• عملکرد پرسرعت:می‌تواند بسیار سریع‌تر از سوئیچ‌های مکانیکی سوئیچ کند که توسط نوسان کنتاکت و اینرسی مکانیکی محدود شده‌اند.
• عملکرد یکنواخت:مقاومت کنتاکت یک عامل نیست. مشخصات خروجی با گذشت زمان پایدار می‌ماند.
• آب‌بندی محیطی:پکیج پلاستیکی را می‌توان در مقایسه با یک سوئیچ مکانیکی با عملگر خارجی، به راحتی در برابر گرد و غبار و رطوبت آب‌بندی کرد.
• عملکرد بی‌صدا:کاملاً بی‌صدا، برخلاف کلیک قابل شنیدن یک سوئیچ مکانیکی.

مصالحه آن نیاز به الکترونیک پشتیبانی (یک منبع جریان برای ال‌ای‌دی و یک مقاومت پول‌آپ) و حساسیت بالقوه به نور محیط شدید یا آلودگی مسیر نوری است.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

• س: آیا می‌توانم ال‌ای‌دی را مستقیماً از پایه میکروکنترلر 5 ولت راه‌اندازی کنم؟ج: خیر. شما باید از یک مقاومت محدودکننده جریان استفاده کنید. به عنوان مثال، با V_CC=5 ولت، V_F~1.4 ولت و I_Fمطلوب=20 میلی‌آمپر: R = (5V - 1.4V) / 0.02A = 180Ω. یک مقاومت 180Ω یا 220Ω معمول است.
• س: "زاویه عملکرد" 8-14 درجه برای طراحی من چه معنایی دارد؟ج: به این معنی است که اهرم فیزیکی یا پرچمی که پرتو را قطع می‌کند، هنگام عبور از شکاف باید حداقل 8 درجه (و معمولاً تا 14 درجه) بچرخد یا حرکت کند تا یک سوئیچ قابل اعتماد از حالت "روشن" به "خاموش" تضمین شود. طراحی مکانیکی شما باید این حرکت زاویه‌ای را تضمین کند.
• س: جریان کلکتور خروجی (I_C(ON)) فقط حداقل 0.5 میلی‌آمپر است. آیا این برای راه‌اندازی یک ورودی منطقی کافی است؟ج: بله، برای ورودی‌های منطقی استاندارد CMOS یا TTL که امپدانس ورودی بسیار بالایی دارند (فقط به میکروآمپر نیاز دارند)، قابلیت سینک 0.5 میلی‌آمپر بیش از حد کافی است. سطح ولتاژ (پایین = ~0.4 ولت) پارامتر حیاتی است.
• س: چگونه قطعه را در برابر اسپایک‌های ولتاژ روی خطوط تغذیه محافظت کنم؟ج: از خازن‌های دکاپلینگ سطح برد استاندارد (مثلاً سرامیکی 100 نانوفاراد) نزدیک به قطعه استفاده کنید. برای محیط‌های خشن، ممکن است دیودهای اضافی سرکوب ولتاژ گذرا (TVS) روی ریل تغذیه در نظر گرفته شود.

9. مثال‌های کاربردی عملی

• تشخیص کاغذ پرینتر:یک پرچم متصل به اهرم سینی کاغذ از طریق شکاف فوتواینتراپتر می‌چرخد. وقتی کاغذ موجود است، پرچم در یک موقعیت است (پرتو بدون وقفه)؛ وقتی خالی است، به موقعیت دیگر حرکت می‌کند (پرتو قطع شده) و به سیستم کنترل سیگنال می‌دهد.
• شمارش اشیاء روی نوار نقاله صنعتی:اشیاء روی نوار نقاله از یک دروازه مجهز به فوتواینتراپتر عبور می‌کنند. هر شیء پرتو را قطع می‌کند و یک پالس ایجاد می‌کند که توسط یک PLC یا میکروکنترلر شمارش می‌شود.
• قفل ایمنی درب:فوتواینتراپتر روی قاب درب نصب می‌شود و یک زبانه روی درب نصب می‌شود. وقتی درب به درستی بسته است، زبانه وارد شکاف می‌شود، اجازه می‌دهد پرتو عبور کند و وضعیت "ایمن" را سیگنال می‌دهد. اگر درب باز باشد، پرتو مسدود می‌شود و وضعیت "ناایمن" را سیگنال می‌دهد که می‌تواند ماشین‌آلات را غیرفعال کند.
• سنجش دیسک انکودر چرخشی:یک دیسک شکاف‌دار متصل به شفت موتور بین فرستنده و گیرنده می‌چرخد. سری پالس‌های نوری تولید شده هنگام عبور شکاف‌ها برای تعیین سرعت و موقعیت استفاده می‌شود.

10. اصل عملکرد

یک فوتواینتراپتر یک اپتوکوپلر با یک فاصله فیزیکی بین فرستنده و گیرنده آن است. این قطعه شامل یک دیود نورافشان مادون قرمز (ال‌ای‌دی) در یک طرف و یک فوتوترانزیستور سیلیکونی در طرف مقابل است که در دو طرف یک شکاف باز تراز شده‌اند. هنگامی که یک جریان الکتریکی به ال‌ای‌دی اعمال می‌شود، نور مادون قرمز ساطع می‌کند. این نور در عرض شکاف حرکت کرده و به ناحیه بیس فوتوترانزیستور برخورد می‌کند. فوتون‌ها در بیس جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند که به طور مؤثر به عنوان جریان بیس عمل می‌کنند. این جریان فوتوژنریک سپس توسط بهره ترانزیستور تقویت می‌شود و اجازه می‌دهد جریان کلکتور بسیار بزرگتری جریان یابد. هنگامی که یک جسم کدر وارد شکاف می‌شود، مسیر نور را مسدود می‌کند. جریان بیس فوتوژنریک متوقف می‌شود، فوتوترانزیستور را خاموش کرده و جریان کلکتور را متوقف می‌کند. بنابراین، حضور یا عدم حضور یک جسم در شکاف، هدایت فوتوترانزیستور خروجی را به صورت دیجیتال کنترل می‌کند.

11. روندهای فناوری

فناوری اساسی فوتواینتراپترها بالغ است. روندهای فعلی بر یکپارچه‌سازی و کوچک‌سازی متمرکز هستند. قطعات در حال کوچک‌تر شدن در اندازه پکیج (انواع SMD) هستند در حالی که عملکرد را حفظ یا بهبود می‌بخشند. همچنین روندی به سمت یکپارچه‌سازی مدارهای اضافی روی تراشه وجود دارد، مانند تریگر اشمیت برای هیسترزیس (برای ارائه سوئیچینگ دیجیتال تمیز بدون قطعات خارجی)، تقویت‌کننده‌ها برای خروجی آنالوگ، یا حتی رابط‌های دیجیتال کامل (I2C). این تعداد قطعات خارجی را کاهش داده و طراحی را ساده می‌کند. علاوه بر این، قطعات با حساسیت بالاتر اجازه می‌دهند با جریان‌های ال‌ای‌دی پایین‌تر کار کنند که مصرف توان کلی سیستم را کاهش می‌دهد که برای کاربردهای مبتنی بر باتری حیاتی است. توسعه مواد برای مسیر نوری (لنزها، فیلترها) نیز همچنان به بهبود رد نور محیط و دقت سنجش ادامه می‌دهد.