دیتاشیت سنسور فوتواینتراپتر LTH-309-08 - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-309-08 یک فوتواینتراپتر بازتابی است، نوعی سنسور نوری که یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (LED) و یک فوتوترانزیستور را در یک پکیج فشرده و واحد ترکیب می‌کند. عملکرد اصلی آن تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء بدون تماس فیزیکی، با حس کردن قطع شدن پرتو نور مادون قرمز بازتابیده از یک سطح است. این دستگاه برای نصب مستقیم روی PCB (برد مدار چاپی) یا قرارگیری در یک سوکت استاندارد دو ردیفه طراحی شده است که آن را برای فرآیندهای مونتاژ خودکار بسیار همه‌کاره می‌سازد.

مزیت اصلی این سنسور در قابلیت سوئیچینگ غیرتماسی آن نهفته است که سایش و پارگی مکانیکی را حذف کرده و قابلیت اطمینان بالا و عمر عملیاتی طولانی را تضمین می‌کند. این سنسور به‌ویژه برای کاربردهایی که نیاز به زمان پاسخ سریع و تشخیص دقیق شیء در فضاهای محدود دارند، مناسب است. بازارهای هدف متداول شامل تجهیزات اتوماسیون اداری (پرینترها، کپی‌برها)، اتوماسیون صنعتی (شمارنده‌های نوار نقاله، حسگر موقعیت)، الکترونیک مصرفی و دستگاه‌های ابزار دقیق مختلفی است که در آنها تشخیص قابل اطمینان شیء حیاتی است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

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

• LED ورودی:جریان مستقیم پیوسته نباید از 50 میلی‌آمپر تجاوز کند، با جریان مستقیم پیک 1 آمپر مجاز تحت شرایط پالسی (300 پالس بر ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه). حداکثر اتلاف توان برای LED برابر 75 میلی‌وات است. باید از ولتاژ معکوس بیشتر از 5 ولت اجتناب کرد.
• فوتوترانزیستور خروجی:جریان کلکتور به 20 میلی‌آمپر محدود شده است. ولتاژ کلکتور-امیتر می‌تواند تا 30 ولت را تحمل کند، در حالی که ولتاژ امیتر-کلکتور به 5 ولت محدود شده است. اتلاف توان فوتوترانزیستور نباید از 100 میلی‌وات تجاوز کند.
• محدودیت‌های محیطی:این دستگاه برای عملکرد در محدوده دمای محیطی 25- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس درجه‌بندی شده است. محدوده ذخیره‌سازی از 55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس است. برای لحیم‌کاری، پایه‌ها می‌توانند 260 درجه سلسیوس را به مدت 5 ثانیه، هنگامی که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج اندازه‌گیری می‌شوند، تحمل کنند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط (T_A) برابر 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند و عملکرد مورد انتظار تحت شرایط عملیاتی عادی را تعریف می‌کنند.

• ولتاژ مستقیم LED ورودی (V_F):معمولاً بین 1.2 ولت تا 1.6 ولت هنگامی که با جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر راه‌اندازی می‌شود. این پارامتر برای طراحی مقاومت محدودکننده جریان در مدار درایور بسیار مهم است.
• جریان تاریک فوتوترانزیستور خروجی (I_CEO):جریان نشتی هنگامی که نوری به سنسور نمی‌تابد، حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت مشخص شده است. یک جریان تاریک پایین برای نسبت سیگنال به نویز خوب، به‌ویژه در کاربردهای کم‌نور یا با بهره بالا، ضروری است.
• جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)):حداقل جریان کلکتور 0.5 میلی‌آمپر هنگامی است که LED با I_F=20 میلی‌آمپر و V_CE=5 ولت راه‌اندازی می‌شود. این پارامتر حساسیت فوتوترانزیستور را نشان می‌دهد.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):افت ولتاژ در دو سر فوتوترانزیستور هنگامی که کاملاً "روشن" است، معمولاً 0.4 ولت در I_C=0.25 میلی‌آمپر و I_F=20 میلی‌آمپر. یک ولتاژ اشباع پایین برای اتصال به مدارهای منطقی با ولتاژ پایین مطلوب است.
• زمان پاسخ:سرعت سوئیچینگ سنسور با زمان صعود (T_R) و زمان سقوط (T_F) مشخص می‌شود. مقادیر معمول برای زمان صعود 3-15 میکروثانیه و برای زمان سقوط 4-20 میکروثانیه تحت شرایط آزمایش V_CE=5 ولت، I_C=2 میلی‌آمپر و R_L=100 اهم است. این سوئیچینگ سریع امکان تشخیص اجسام متحرک سریع را فراهم می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمول اشاره می‌کند. در حالی که نمودارهای خاص در متن ارائه نشده‌اند، هدف کلی آنها و بینشی که ارائه می‌دهند قابل توضیح است.

این منحنی‌ها معمولاً پارامترهای کلیدی را در مقابل متغیرهایی مانند دما یا جریان درایو ترسیم می‌کنند. به عنوان مثال، یک منحنی که I_C(ON)را در مقابل I_F(جریان مستقیم LED) نشان می‌دهد، به طراح کمک می‌کند تا رابطه بین توان ورودی و قدرت سیگنال خروجی را درک کند و بهینه‌سازی درایو LED را برای حساسیت و مصرف توان مورد نظر ممکن می‌سازد. یک منحنی متداول دیگر، I_C(ON)در مقابل دمای محیط است که برای درک چگونگی تخریب یا تغییر عملکرد سنسور در دمای شدید بسیار مهم است و عملکرد قابل اطمینان در محدوده مشخص شده 25- تا 85+ درجه سلسیوس را تضمین می‌کند. این نمودارها برای طراحی سیستم مقاوم فراتر از مشخصات نقطه اسمی 25 درجه سلسیوس ضروری هستند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

LTH-309-08 برای یکپارچه‌سازی فشرده طراحی شده است. ابعاد پکیج در دیتاشیت با تمام اندازه‌گیری‌ها بر حسب میلی‌متر (و اینچ در پرانتز) ارائه شده است. نکات مکانیکی کلیدی شامل موارد زیر است:

• یک تلرانس عمومی ±0.25 میلی‌متر (±0.010 اینچ) اعمال می‌شود مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد.
• فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بدنه پلاستیکی پکیج خارج می‌شوند، که برای طراحی ردپای PCB حیاتی است.
• پکیج از نوع استاندارد سوراخ‌دار است که فرآیندهای لحیم‌کاری دستی و موجی را تسهیل می‌کند.

شناسایی قطبیت صحیح توسط پین‌اوت استاندارد برای چنین دستگاه‌هایی القا می‌شود: آند و کاتد LED در یک سمت، و کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور در سمت دیگر قرار دارند. طراحان باید برای تأیید آرایش دقیق پین‌ها و جهت‌گیری برای چیدمان صحیح PCB به نقشه ابعادی مراجعه کنند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

دیتاشیت حد دمای لحیم‌کاری پایه را 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه پکیج، مشخص می‌کند. این یک پارامتر حیاتی برای کنترل فرآیند در طول لحیم‌کاری موجی یا دستی است.

• لحیم‌کاری ریفلو:در حالی که این دستگاه عمدتاً یک دستگاه سوراخ‌دار است، اگر در یک برد با فناوری ترکیبی استفاده شود، در طول ریفلو باید نهایت دقت به عمل آید. پکیج پلاستیکی تحمل حرارتی کمتری نسبت به قطعات نصب سطحی دارد. به طور کلی برای پروفایل‌های ریفلو مادون قرمز یا جابجایی استاندارد توصیه نمی‌شود مگر اینکه به طور خاص تأیید صلاحیت شده باشد.
• لحیم‌کاری دستی:از یک هویه کنترل دمایی استفاده کنید. حرارت را به محل اتصال پایه/پد به سرعت و کارآمد اعمال کنید تا انتقال حرارت به دی نیمه‌هادی حساس داخل پکیج به حداقل برسد. برای مدت طولانی لحیم را مستقیماً به نوک هویه روی پایه قطعه اعمال نکنید.
• تمیزکاری:تشخیص موقعیت خانه یک کالسکه متحرک (مانند اسکنر یا پلاتر) یا حالت باز/بسته بودن در یا درپوش.
• شرایط نگهداری:در یک محیط خشک و ضد استاتیک در محدوده دمای مشخص شده 55- تا 100+ درجه سلسیوس نگهداری شود تا از جذب رطوبت (که می‌تواند باعث "پاپ کورن شدن" در طول لحیم‌کاری شود) و آسیب تخلیه الکترواستاتیک جلوگیری شود.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 سناریوهای کاربردی متداول

• تشخیص کاغذ در پرینترها/کپی‌برها:تشخیص گیرکردن کاغذ، شرایط خالی بودن سینی، یا حضور کاغذ در نقاط خاصی در طول مسیر کاغذ.
• شمارش اشیاء روی نوار نقاله:شمارش محصولات، بطری‌ها یا قطعات هنگام عبور از یک نقطه ثابت.
• حسگر موقعیت:Detecting the home position of a moving carriage (like in a scanner or plotter) or the open/closed state of a door or lid.
• حسگر دیسک انکودر چرخشی:در کنار یک چرخ شیاردار برای ایجاد یک انکودر نوری با وضوح پایین برای فیدبک سرعت یا موقعیت استفاده می‌شود.

6.2 ملاحظات طراحی

• درایو جریان LED:از یک منبع جریان ثابت یا یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با LED استفاده کنید تا یک I_Fپایدار، معمولاً حدود 20 میلی‌آمپر مطابق با شرایط آزمایش، برای خروجی یکنواخت حفظ شود. پالس دادن به LED با جریان بالاتر می‌تواند فاصله حسگری را افزایش دهد اما باید در محدوده حداکثر مطلق باقی بماند.
• بایاس فوتوترانزیستور:یک مقاومت پول‌آپ (R_L) بین کلکتور و ولتاژ تغذیه (V_CC) متصل می‌شود. مقدار R_Lهم بر روی نوسان ولتاژ خروجی و هم بر زمان پاسخ تأثیر می‌گذارد. یک R_Lکوچکتر پاسخ سریع‌تری می‌دهد اما تغییر ولتاژ خروجی کوچکتری دارد. امیتر معمولاً به زمین متصل می‌شود.
• رابط خروجی:خروجی فوتوترانزیستور می‌تواند مستقیماً به ورودی اشمیت تریگر یک میکروکنترلر برای حسگری دیجیتال، یا به یک ورودی آنالوگ برای اندازه‌گیری شدت نور بازتابیده تغذیه شود. برای محیط‌های پرنویز، افزودن یک خازن کوچک در دو سر کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور می‌تواند به فیلتر کردن نویز فرکانس بالا کمک کند.
• سطح هدف:عملکرد حسگری بازتابی به شدت به بازتابندگی، رنگ و فاصله هدف بستگی دارد. برای عملکرد یکنواخت، آستانه تشخیص را بر اساس ماده هدف خاص کالیبره کنید. شکاف حسگری باید برای بهترین قدرت سیگنال به حداقل برسد.
• مصونیت در برابر نور محیط:از آنجایی که سنسور از نور مادون قرمز استفاده می‌کند، تا حدودی در برابر نور محیط مرئی مصون است. با این حال، منابع قوی نور مادون قرمز (مانند نور خورشید یا لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند باعث راه‌اندازی کاذب شوند. استفاده از یک سیگنال LED مدوله شده و تشخیص همزمان در مدار گیرنده می‌تواند مصونیت در برابر نور محیط را به میزان زیادی افزایش دهد.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با سوئیچ‌های حد مکانیکی، LTH-309-08 مزایای واضحی ارائه می‌دهد: بدون قطعات متحرک، قابلیت اطمینان بالاتر، پاسخ سریع‌تر و عملکرد بی‌صدا. در دسته فوتواینتراپترها، تمایزدهنده‌های کلیدی آن از پارامترهای مشخص شده آن نشأت می‌گیرد. سرعت سوئیچینگ سریع (زمان صعود 3-15 میکروثانیه) آن را برای کاربردهای با سرعت بالاتر نسبت به فوتوترانزیستورهای کندتر مناسب می‌سازد. ولتاژ اشباع نسبتاً پایین (0.4 ولت) امکان سازگاری بهتر با سیستم‌های منطقی مدرن 3.3 ولتی را نسبت به دستگاه‌های با V_CE(SAT)بالاتر فراهم می‌کند. پکیج استاندارد سوراخ‌دار DIP استحکام و سهولت نمونه‌سازی اولیه را ارائه می‌دهد، اگرچه فضای برد بیشتری نسبت به جایگزین‌های نصب سطحی اشغال می‌کند. طراحان این قطعه را برای کاربردهایی که نیاز به تعادل سرعت، حساسیت و قابلیت اطمینان اثبات شده در یک فرمت پکیج استاندارد دارند، انتخاب می‌کنند.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

• س: آیا می‌توانم LED را با منطق 3.3 ولت راه‌اندازی کنم؟پ: بله، اما باید مقاومت سری را با دقت محاسبه کنید. با V_Fمعمولی 1.6 ولت در 20 میلی‌آمپر، مقدار مقاومت (3.3V - 1.6V) / 0.02A = 85Ω خواهد بود. برای طراحی ایمن از حداکثر V_Fاز دیتاشیت استفاده کنید.
• س: حداکثر فاصله حسگری چقدر است؟پ: دیتاشیت فاصله را مشخص نمی‌کند. این به جریان درایو LED، بازتابندگی هدف و I_C(ON)مورد نیاز بستگی دارد. بهتر است برای هدف خاص شما به صورت تجربی تعیین شود. به طور کلی، سنسورهای بازتابی در فواصل کوتاه (چند میلی‌متر) بهترین عملکرد را دارند.
• س: چگونه فوتوترانزیستور را در برابر اسپایک‌های ولتاژ محافظت کنم؟پ: اگرچه دارای V_(BR)CEO30 ولت است، برای قابلیت اطمینان در محیط‌های القایی، می‌توان یک دیود سرکوب‌کننده ولتاژ گذرا (TVS) کوچک یا یک دیود معمولی در بایاس معکوس در دو سر کلکتور-امیتر اضافه کرد.
• س: آیا می‌توانم از این در یک محیط پرگرد و غبار استفاده کنم؟پ: تجمع گرد و غبار روی لنز پرتو نور را تضعیف می‌کند، حساسیت را کاهش می‌دهد و به طور بالقوه باعث خرابی می‌شود. دستگاه آب‌بندی نشده است. برای محیط‌های خشن، دستگاهی با شکاف آب‌بندی شده را در نظر بگیرید یا محافظت خارجی فراهم کنید.

9. مطالعه موردی کاربردی عملی

سناریو: سنسور اتمام کاغذ در یک پرینتر رومیزی.LTH-309-08 روی PCB اصلی نزدیک سینی تغذیه کاغذ نصب شده است. یک پرچم پلاستیکی سفید، که به مکانیسم سینی کاغذ متصل است، هنگامی که پشته کاغذ تمام می‌شود، وارد شکاف تشخیص سنسور می‌شود. در حالت "کاغذ موجود"، پرچم خارج از شکاف است و اجازه می‌دهد نور مادون قرمز از LED از یک سطح ثابت داخل پرینتر به فوتوترانزیستور بازتابیده شود و یک I_C(ON)بالا و یک خروجی منطقی LOW در کلکتور (با یک مقاومت پول‌آپ) تولید کند. هنگامی که کاغذ تمام می‌شود، پرچم وارد شکاف می‌شود و مسیر نور را مسدود می‌کند. فوتوترانزیستور خاموش می‌شود و باعث می‌شود ولتاژ کلکتور توسط مقاومت به HIGH کشیده شود. میکروکنترلر پرینتر این سیگنال HIGH را تشخیص می‌دهد و هشدار "کاغذ تمام" را روی نمایشگر فعال می‌کند. زمان پاسخ سریع تشخیص فوری را تضمین می‌کند، در حالی که ماهیت غیرتماسی تضمین می‌کند که سنسور در طول عمر پرینتر فرسوده نخواهد شد.

10. معرفی اصل عملکرد

یک فوتواینتراپتر بر اساس اصل تشخیص نور مدوله شده عمل می‌کند. LED مادون قرمز داخلی هنگامی که در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد نور ساطع می‌کند. در مقابل LED یک فوتوترانزیستور قرار دارد. در نوع بازتابی مانند LTH-309-08، هر دو المان به یک جهت روبرو هستند. نور ساطع شده از پکیج خارج می‌شود، به یک سطح هدف برخورد می‌کند و بخشی از آن به داخل پکیج بازتابیده می‌شود و روی فوتوترانزیستور می‌تابد. فوتوترانزیستور به عنوان یک سوئیچ کنترل‌شده با نور عمل می‌کند. هنگامی که فوتون‌ها به ناحیه بیس آن برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند و به طور مؤثر جریان بیس را فراهم می‌کنند. این باعث می‌شود ترانزیستور "روشن" شود و اجازه می‌دهد یک جریان کلکتور (I_C) متناسب با شدت نور دریافتی جریان یابد. هنگامی که مسیر نور مسدود می‌شود (مثلاً توسط یک شیء)، فوتوترانزیستور "خاموش" می‌شود و فقط یک جریان تاریک کوچک جریان می‌یابد. این تغییر روشن/خاموش در جریان کلکتور برای تولید یک سیگنال دیجیتال که نشان‌دهنده حضور یا عدم حضور شیء قطع‌کننده مسیر نور است، استفاده می‌شود.

11. روندهای فناوری

روند در سنسورهای نوری مانند فوتواینتراپترها به سمت مینیاتوری‌سازی، یکپارچه‌سازی بالاتر و عملکرد بهبودیافته است. پکیج‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) در حال تبدیل شدن به هنجار هستند تا فضای PCB صرفه‌جویی شود و مونتاژ خودکار Pick-and-Place را ممکن سازند. همچنین حرکتی به سمت یکپارچه‌سازی سنسور با مدارهای تنظیم سیگنال (تقویت‌کننده‌ها، اشمیت تریگرها، خروجی‌های منطقی) روی یک تراشه واحد وجود دارد که سنسورهای خروجی دیجیتالی ایجاد می‌کند که اتصال مستقیم با میکروکنترلرها را آسان‌تر می‌سازد. علاوه بر این، پیشرفت‌هایی در بهبود رد نور محیط از طریق فیلتراسیون نوری و تکنیک‌های مدولاسیون هوشمندتر در حال انجام است. در حالی که اصل اساسی بدون تغییر باقی می‌ماند، این روندها بر کوچکتر، هوشمندتر، قابل اطمینان‌تر و آسان‌تر برای پیاده‌سازی در طراحی‌های الکترونیکی مدرن متمرکز هستند.