دیتاشیت قطعۀ نوری LTH-301-05 - کلیدزنی بدون تماس - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-301-05 یک قطعۀ نوری از نوع بازتابی است که یک نوع قطعه الکترواپتیکال بوده و یک دیود ساطع‌کنندۀ نور مادون قرمز (IR LED) و یک فتوترانزیستور را در یک بستۀ فشرده و واحد ترکیب می‌کند. عملکرد اصلی آن تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء بدون تماس فیزیکی است که آن را به یک کلید بدون تماس تبدیل می‌کند. مزیت اصلی این دستگاه در قابلیت اطمینان و طول عمر آن نهفته است، زیرا سایش و پارگی مکانیکی مرتبط با کلیدهای سنتی را حذف می‌کند. این قطعه برای نصب مستقیم روی برد مدار چاپی (PCB) یا استفاده با سوکت دو ردیفه طراحی شده است که انعطاف‌پذیری در مونتاژ را فراهم می‌کند. سرعت کلیدزنی سریع آن را برای کاربردهایی که نیاز به تشخیص سریع دارند، مانند پرینترها، دستگاه‌های کپی، دستگاه‌های فروش خودکار و تجهیزات اتوماسیون صنعتی که در آنها حس‌کردن موقعیت، شمارش اشیاء یا تشخیص لبه مورد نیاز است، مناسب می‌سازد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آنها ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این مقادیر برای کارکرد مداوم نیستند. پارامترهای کلیدی شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم پیوسته دیود مادون قرمز (I_F)): 60 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان حالت پایدار است که می‌تواند از LED عبور کند.
• جریان مستقیم پیک دیود مادون قرمز: 1 آمپر (برای پالس‌هایی با عرض 10 میکروثانیه و 300 پالس در ثانیه). این امکان پالس‌های کوتاه و با شدت بالا را برای بهبود تشخیص سیگنال فراهم می‌کند.
• جریان کلکتور فتوترانزیستور (I_C)): 20 میلی‌آمپر. حداکثر جریانی که ترانزیستور خروجی می‌تواند تحمل کند.
• ولتاژ کلکتور-امیتر فتوترانزیستور (V_CEO)): 30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین کلکتور و امیتر فتوترانزیستور اعمال کرد.
• محدودۀ دمای عملیاتی: 25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. این محدودۀ دمای محیطی برای عملکرد مطمئن را تعریف می‌کند.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها: 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه در فاصلۀ 1.6 میلی‌متر از بدنه. این برای مونتاژ جهت جلوگیری از آسیب حرارتی بسیار مهم است.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

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

2.2.1 مشخصات ورودی (LED مادون قرمز)

• ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً 1.2 ولت تا 1.6 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ روی LED هنگام روشن شدن است.
• جریان معکوس (I_R): حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت. این نشان‌دهندۀ جریان نشتی کوچک هنگام بایاس معکوس LED است.

2.2.2 مشخصات خروجی (فتوترانزیستور)

• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)CEO): حداقل 30 ولت. ولتاژی که در آن ترانزیستور در حالت بیس باز دچار شکست می‌شود.
• جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO): حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت. این جریان نشتی فتوترانزیستور در زمانی است که نوری به آن نمی‌تابد (یعنی جریان حالت "خاموش"). مقدار پایین برای کنتراست خوب بین حالت‌های روشن و خاموش مطلوب است.

2.2.3 مشخصات کوپلر (ترکیبی)

این پارامترها رفتار LED و فتوترانزیستور را در حین کار با هم توصیف می‌کنند.

• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)): حداکثر 0.4 ولت هنگامی که فتوترانزیستور کاملاً روشن است (I_C=0.25 میلی‌آمپر، I_F=20 میلی‌آمپر). ولتاژ اشباع پایین برای واسط‌سازی با منطق دیجیتال مناسب است.
• جریان کلکتور حالت روشن (I_C(ON)): حداقل 0.5 میلی‌آمپر هنگامی که LED راه‌اندازی می‌شود (I_F=20 میلی‌آمپر) و V_CE=5 ولت. این جریان نوری تولید شده است که قدرت سیگنال خروجی را تعیین می‌کند.
• زمان پاسخ: این مشخص می‌کند که خروجی چقدر سریع به تغییر نور ورودی واکنش نشان می‌دهد.
  • زمان صعود (t_r): معمولاً 3 میکروثانیه، حداکثر 15 میکروثانیه. زمان لازم برای افزایش جریان خروجی از 10% به 90% مقدار نهایی آن هنگام روشن شدن LED.
  • زمان افت (t_f): معمولاً 4 میکروثانیه، حداکثر 20 میکروثانیه. زمان لازم برای کاهش جریان خروجی از 90% به 10% مقدار اولیه آن هنگام خاموش شدن LED.

3. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

3.1 ابعاد بسته

این دستگاه دارای یک بستۀ استاندارد سوراخ‌دار با چهار پایه است. ابعاد دقیق در نقشه‌های دیتاشیت ارائه شده است. نکات کلیدی شامل موارد زیر است:

• همه ابعاد بر حسب میلی‌متر است و اینچ در پرانتز آورده شده است.
• تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر (±0.010 اینچ) است مگر اینکه یادداشت خاصی خلاف آن را بیان کند.
• بسته برای پایداری در طی فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا دستی طراحی شده است.

3.2 شناسایی قطبیت

جهت‌دهی صحیح بسیار مهم است. نمودار دیتاشیت به وضوح پایه‌های آند و کاتد برای LED مادون قرمز و پایه‌های کلکتور و امیتر برای فتوترانزیستور را نشان می‌دهد. نصب نادرست دستگاه می‌تواند منجر به عدم عملکرد یا آسیب دائمی شود.

4. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح، قابلیت اطمینان و طول عمر دستگاه را تضمین می‌کند.

• لحیم‌کاری: پایه‌ها را می‌توان در حداکثر دمای 260 درجه سانتی‌گراد لحیم کرد، اما این حرارت باید حداکثر به مدت 5 ثانیه اعمال شود. حفظ فاصلۀ مشخص شده (1.6 میلی‌متر / 0.063 اینچ) از بدنۀ پلاستیکی بسته برای جلوگیری از ذوب یا تغییر شکل بسته بسیار مهم است.
• تمیزکاری: از حلال‌های مناسب که با مادۀ پلاستیکی دستگاه سازگار هستند استفاده کنید. از تمیزکاری اولتراسونیک با فرکانس‌های خاصی که ممکن است باعث تنش داخلی یا ترک خوردگی شود، خودداری کنید.
• شرایط نگهداری: برای حفظ عملکرد، دستگاه‌ها را در محیطی با محدودۀ دمایی 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد و رطوبت کم نگهداری کنید، ترجیحاً در بسته‌بندی ضد استاتیک برای جلوگیری از آسیب تخلیۀ الکترواستاتیک (ESD).

5. پیشنهادات کاربردی

5.1 سناریوهای کاربردی متداول

• تشخیص کاغذ در پرینترها/دستگاه‌های کپی: تشخیص گیرکردن کاغذ، پایان کاغذ یا شرایط تغذیۀ چندتایی.
• شمارش اشیاء: شمارش اقلام روی نوار نقاله یا از طریق یک شیار.
• حس‌کردن موقعیت/سرعت: تشخیص شکاف‌ها در چرخ انکودر برای تعیین موقعیت چرخشی یا سرعت یک موتور.
• دستگاه‌های فروش خودکار: تأیید عبور سکه یا تحویل محصول.
• سیستم‌های امنیتی: به عنوان بخشی از یک سنسور قطع پرتو برای تشخیص نفوذ.

5.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان LED: همیشه از یک مقاومت سری با LED مادون قرمز برای محدود کردن جریان مستقیم (I_F) به یک مقدار ایمن استفاده کنید، معمولاً بین 10 میلی‌آمپر و 20 میلی‌آمپر برای تعادل بین قدرت سیگنال خروجی و طول عمر دستگاه. مقدار مقاومت را می‌توان با استفاده از R = (V_CC- V_F) / I_F.
• محاسبه کرد.بایاس فتوترانزیستور_CC: معمولاً یک مقاومت pull-up بین کلکتور فتوترانزیستور و ولتاژ تغذیۀ مثبت (V
• ) متصل می‌شود. امیتر به زمین متصل است. مقدار این مقاومت (اغلب بین 1 کیلواهم و 10 کیلواهم) و ولتاژ تغذیه، نوسان ولتاژ خروجی و سرعت پاسخ را تعیین می‌کنند. یک مقاومت کوچکتر پاسخ سریع‌تر اما نوسان ولتاژ خروجی کمتر (و مصرف توان بیشتر در حالت روشن) می‌دهد.مصونیت در برابر نور محیط
• : از آنجایی که دستگاه از نور مادون قرمز استفاده می‌کند، تا حدودی در برابر نور محیطی مرئی مصون است. با این حال، منابع قوی تابش مادون قرمز (مانند نور خورشید یا لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند باعث تحریک کاذب شوند. استفاده از یک سیگنال مادون قرمز مدوله شده و یک مدار دمودولاتور می‌تواند مصونیت در برابر نویز را به شدت بهبود بخشد.فاصله و بازتابندگی

: فاصلۀ حس‌کردن و قدرت سیگنال به بازتابندگی شیء هدف و عرض فاصلۀ بین سنسور و شیء بستگی دارد. اشیاء تیره و غیربازتابنده سیگنال ضعیف‌تری تولید می‌کنند.

6. اصل عملکرد

LTH-301-05 بر اساس یک اصل نوری ساده عمل می‌کند. LED مادون قرمز داخلی یک پرتو نور مادون قرمز ساطع می‌کند. در مقابل LED یک فتوترانزیستور قرار دارد. در حالت "بدون مانع"، این پرتو نور از یک شکاف کوچک عبور کرده و به فتوترانزیستور برخورد می‌کند و باعث می‌شود که آن هدایت کند (روشن شود). هنگامی که یک شیء در این شکاف قرار می‌گیرد، نور مادون قرمز را مسدود می‌کند. با عدم تابش نور به فتوترانزیستور، آن از هدایت کردن بازمی‌ایستد (خاموش می‌شود). این تغییر در حالت الکتریکی فتوترانزیستور (از هادی به غیرهادی یا برعکس) توسط مدار خارجی تشخیص داده می‌شود و حضور شیء را ثبت می‌کند. فتوترانزیستور اساساً به عنوان یک منبع جریان کنترل شده توسط شدت نور عمل می‌کند.

7. تحلیل منحنی‌های عملکرد

• دیتاشیت شامل منحنی‌های مشخصۀ معمول است که برای تحلیل طراحی دقیق بسیار ارزشمند هستند. در حالی که نمودارهای خاص در متن بازتولید نشده‌اند، آنها معمولاً روابط زیر را نشان می‌دهند:_Fجریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (I_F-V) برای LED
• : رابطۀ غیرخطی را نشان می‌دهد و به تعیین دقیق افت ولتاژ در جریان‌های عملیاتی مختلف کمک می‌کند._Cجریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (I_CE-V) برای فتوترانزیستور
• : در سطوح مختلف نور تابیده شده (یا جریان‌های راه‌اندازی مختلف LED)، این منحنی‌ها مشخصات خروجی ترانزیستور را نشان می‌دهند، مشابه منحنی‌های خروجی یک ترانزیستور دوقطبی._Cجریان کلکتور در مقابل جریان مستقیم (I_F)-I_C: این منحنی مشخصۀ انتقال بسیار مهم است. نشان می‌دهد که جریان نوری خروجی (I_F) چگونه با جریان LED ورودی (I
• ) تغییر می‌کند. نسبت انتقال جریان (CTR) را تعریف می‌کند که یک پارامتر کلیدی بازده برای کوپلر است.وابستگی به دما_F: منحنی‌ها اغلب نشان می‌دهند که پارامترهایی مانند ولتاژ مستقیم (V_CEO)، جریان تاریک (I_{) و جریان حالت روشن (I}C(ON)

) چگونه با دمای محیط تغییر می‌کنند. این برای طراحی سیستم‌هایی که در محدودۀ دمایی وسیعی کار می‌کنند بسیار مهم است.

1. 8. پرسش‌های متداول بر اساس پارامترهای فنیس: فاصلۀ حس‌کردن معمول چقدر است؟_Fج: فاصلۀ حس‌کردن در دیتاشیت یک مقدار ثابت واحد نیست. این فاصله به طراحی مکانیکی خاص شکاف، جریان راه‌اندازی LED (I_{)، حساسیت مدار گیرنده و بازتابندگی شیء قطع‌کننده بستگی دارد. طراح باید این را بر اساس پارامتر I}C(ON)
2. و تنظیمات کاربردی تعیین کند.س: آیا می‌توانم LED را مستقیماً از یک پایۀ میکروکنترلر راه‌اندازی کنم؟_Fج: احتمالاً بله، اما باید دو چیز را بررسی کنید: الف) قابلیت تأمین حداکثر جریان پایۀ میکروکنترلر باید بیشتر از I
3. مورد نظر شما باشد (مثلاً 20 میلی‌آمپر). ب) شما حتماً باید یک مقاومت محدودکنندۀ جریان را به صورت سری همانطور که در ملاحظات طراحی توضیح داده شد، قرار دهید. هرگز یک LED را مستقیماً به یک منبع ولتاژ وصل نکنید.س: چگونه خروجی را با یک ورودی دیجیتال واسط می‌کنم؟_{ج: ساده‌ترین روش استفاده از یک مقاومت pull-up روی کلکتور است. هنگامی که مسیر نور باز است، فتوترانزیستور روشن است و ولتاژ کلکتور را پایین می‌کشد (نزدیک به V}CE(SAT)_CC). هنگامی که نور مسدود می‌شود، ترانزیستور خاموش است و مقاومت pull-up ولتاژ کلکتور را بالا می‌کشد (به V
4. ). این یک سیگنال منطقی تمیز را فراهم می‌کند.س: چرا زمان پاسخ مهم است؟
5. ج: زمان‌های پاسخ سریع (میکروثانیه‌ای) به سنسور اجازه می‌دهد تا اشیاء بسیار سریع‌الحرکت یا رویدادهای سریع متوالی را بدون از دست دادن شمارش تشخیص دهد. این در ماشین‌آلات پرسرعت، کاربردهای انکودر یا سیستم‌های ارتباطی که از نور پالسی استفاده می‌کنند ضروری است.س: اگر مقادیر حداکثر مطلق را فراتر ببرم چه اتفاقی می‌افتد؟

ج: فراتر رفتن از این محدودیت‌ها، حتی به طور مختصر، می‌تواند باعث آسیب فوری یا نهفته به دستگاه شود. این می‌تواند شامل تخریب خروجی نور LED، افزایش جریان تاریک در فتوترانزیستور یا خرابی کامل (اتصال باز یا اتصال کوتاه) باشد. همیشه با حاشیه ایمنی طراحی کنید.

9. مورد عملی طراحی و استفاده

مورد: اندازه‌گیری دور در دقیقه (RPM) یک موتور DC کوچک

یک طراح نیاز به اندازه‌گیری سرعت چرخشی شفت موتور دارد. آنها یک دیسک کوچک شیاردار را به شفت متصل می‌کنند. LTH-301-05 طوری نصب می‌شود که دیسک از شکاف حس‌گری آن بچرخد. هر بار که یک شیار از شکاف عبور می‌کند، نور به فتوترانزیستور می‌رسد و باعث ایجاد یک پالس در خروجی می‌شود. LED با جریان ثابت 15 میلی‌آمپر از طریق یک مقاومت راه‌اندازی می‌شود. کلکتور فتوترانزیستور از طریق یک مقاومت pull-up 4.7 کیلواهم به منبع تغذیۀ 5 ولت و همچنین به یک پایۀ ورودی قابلیت وقفه میکروکنترلر متصل می‌شود.

فریم‌ور میکروکنترلر برنامه‌ریزی شده است تا تعداد پالس‌های (لبه‌های صعودی یا نزولی) دریافت شده در یک پنجرۀ زمانی ثابت (مثلاً یک ثانیه) را بشمارد. از آنجایی که دیسک، برای مثال، 20 شیار دارد، تعداد پالس در ثانیه تقسیم بر 20، دور در ثانیه را می‌دهد که به راحتی به RPM تبدیل می‌شود. زمان‌های صعود و افت سریع سنسور اطمینان حاصل می‌کند که حتی در سرعت‌های بالای موتور، پالس‌ها تمیز و به طور دقیق شمارش می‌شوند، بدون از دست دادن لبه‌ها به دلیل پاسخ آهستۀ سنسور.

10. روندهای توسعه

• قطعۀ نوری‌هایی مانند LTH-301-05 نمایانگر یک فناوری بالغ و قابل اطمینان هستند. روندهای فعلی در حوزۀ گستردۀ سنسورهای الکترواپتیکال بر موارد زیر متمرکز است:کوچک‌سازی
• : توسعۀ بسته‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) حتی کوچک‌تر برای صرفه‌جویی در فضای برد در الکترونیک مدرن.:
  • یکپارچه‌سازی
  • یکپارچه کردن مقاومت محدودکنندۀ جریان برای LED در داخل بسته.
  • شامل کردن یک تریگر اشمیت یا مقایسه‌گر در بسته برای ارائه مستقیم یک خروجی دیجیتال تمیز، ساده‌سازی مدار واسط.
• افزودن مدارهای حذف نور محیط یا منطق مدولاسیون/دمودولاسیون روی تراشه برای مصونیت برتر در برابر نویز.عملکرد بهبودیافته
• : بهبود نسبت انتقال جریان (CTR) برای مصرف توان کمتر یا فواصل حس‌کردن طولانی‌تر، و کاهش بیشتر زمان‌های پاسخ برای کاربردهای فوق‌سریع.تخصصی‌سازی

: ایجاد انواع مختلف با شکاف‌های بسیار باریک برای تشخیص لبه دقیق، یا با طول‌موج‌های مختلف برای تشخیص مواد خاص (مانند حس‌کردن فیلم‌های شفاف).