دیتاشیت LTH-301-27P1 فوتواینتراپتر - سوئیچینگ بدون تماس - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-301-27P1 یک فوتواینتراپتر بازتابی، نوعی سنسور الکترونوری است. عملکرد اصلی آن تشخیص حضور یا عدم حضور یک جسم بدون تماس فیزیکی است. این دستگاه با ترکیب یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) و یک فوتوترانزیستور در یک محفظه فشرده واحد به این هدف دست می‌یابد. هنگامی که یک جسم وارد شکاف بین فرستنده و گیرنده می‌شود، پرتو نور مادون قرمز را قطع می‌کند و باعث تغییر در وضعیت خروجی فوتوترانزیستور می‌شود. این ویژگی آن را برای کاربردهایی که نیازمند حسگر قابل اعتماد و غیرمکانیکی هستند، مانند تشخیص موقعیت، سوئیچینگ حدی و شمارش اشیا ایده‌آل می‌سازد.

این دستگاه برای نصب مستقیم روی بردهای مدار چاپی (PCB) یا در سوکت‌های استاندارد دو ردیفه طراحی شده است که ادغام آسان در مجموعه‌های الکترونیکی را تسهیل می‌کند. مزایای اصلی آن شامل مصونیت از نویز تماس، طول عمر عملیاتی طولانی به دلیل عدم وجود قطعات متحرک و سرعت سوئیچینگ سریع مناسب برای کاربردهای شمارش یا زمان‌بندی با سرعت بالا است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

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

• جریان مستقیم پیوسته دیود IR (I_F):50 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان حالت پایدار است که می‌توان به LED مادون قرمز اعمال کرد.
• ولتاژ معکوس دیود IR (V_R):5 ولت. تجاوز از این ولتاژ بایاس معکوس در سراسر LED می‌تواند باعث شکست شود.
• جریان کلکتور فوتوترانزیستور (I_C):40 میلی‌آمپر. حداکثر جریانی که کلکتور فوتوترانزیستور می‌تواند تحمل کند.
• ولتاژ کلکتور-امیتر فوتوترانزیستور (V_CEO):30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور اعمال کرد.
• محدوده دمای عملیاتی:35- درجه سانتی‌گراد تا 65+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیط برای عملکرد قابل اعتماد.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پلاستیکی. این نکته برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو برای جلوگیری از آسیب حرارتی حیاتی است.

نکته در مورد کاهش توان:هم اتلاف توان ترانزیستور (100 میلی‌وات) و هم اتلاف توان دیود (75 میلی‌وات) باید برای دمای محیط بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد به صورت خطی با نرخ 1.33 میلی‌وات/درجه سانتی‌گراد کاهش یابد. این بدان معناست که توان مجاز با افزایش دما کاهش می‌یابد تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شده و عملکرد معمول دستگاه را تحت شرایط آزمایش مشخص شده تعریف می‌کنند.

2.2.1 مشخصات LED مادون قرمز ورودی

• ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.6 ولت (حداکثر 1.6 ولت) در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. این مقدار برای محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریان استفاده می‌شود: R = (V_منبع- V_F) / I_F.
• جریان معکوس (I_R):حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت. این نشان‌دهنده جریان نشتی LED هنگام بایاس معکوس است.

2.2.2 مشخصات فوتوترانزیستور خروجی

• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)CEO):حداقل 30 ولت. این ولتاژی است که فوتوترانزیستور در آن شکست می‌خورد هنگامی که بیس باز است.
• جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO):حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت. این جریان نشتی هنگامی است که فوتوترانزیستور در حالت "خاموش" قرار دارد (هیچ نور فرودی وجود ندارد). مقدار کم برای نسبت سیگنال به نویز خوب مطلوب است.

2.2.3 مشخصات کوپلر (سیستم)

این پارامترها عملکرد جفت LED-فوتوترانزیستور ترکیب شده را توصیف می‌کنند.

• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):حداکثر 0.4 ولت هنگامی که فوتوترانزیستور به اشباع رانده می‌شود (I_C=0.25 میلی‌آمپر، I_F=20 میلی‌آمپر). ولتاژ اشباع پایین کلیدی برای ارتباط با مدارهای منطقی است.
• جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)):حداقل 1.5 میلی‌آمپر هنگامی که فوتوترانزیستور روشن است (V_CE=5 ولت، I_F=20 میلی‌آمپر). این جریان فوتویی تولید شده است و حساسیت سنسور را تعریف می‌کند. جریان واقعی بسته به بازتابندگی جسم قطع‌کننده و تراز می‌تواند بالاتر باشد.

3. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

LTH-301-27P1 در یک بسته‌بندی استاندارد 4 پایه دو ردیفه قرار دارد. ابعاد دقیق در نقشه بسته‌بندی داخل دیتاشیت ارائه شده است. نکات مکانیکی کلیدی شامل موارد زیر است:

• همه ابعاد بر حسب میلی‌متر است، با تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد.
• بسته‌بندی دارای یک شکاف یا فاصله بین فرستنده IR و آشکارساز نوری است. جسمی که باید تشخیص داده شود از این شکاف عبور می‌کند.
• قطبیت به وضوح مشخص شده است. پایه‌های آند و کاتد LED IR و همچنین پایه‌های کلکتور و امیتر فوتوترانزیستور شناسایی شده‌اند. جهت‌گیری صحیح در حین نصب روی PCB ضروری است.
• این دستگاه هم برای نصب روی PCB و هم برای نصب در سوکت مناسب است و انعطاف‌پذیری در مونتاژ و امکان تعویض در محل را فراهم می‌کند.

4. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح برای قابلیت اطمینان بسیار مهم است.

• لحیم‌کاری:پایه‌ها می‌توانند دمای 260 درجه سانتی‌گراد را حداکثر به مدت 5 ثانیه تحمل کنند، که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پلاستیکی اندازه‌گیری می‌شود. این راهنما برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی حیاتی است. برای لحیم‌کاری ریفلو، یک پروفایل استاندارد با حداکثر دمای زیر 260 درجه سانتی‌گراد توصیه می‌شود.
• تمیزکاری:از مواد تمیزکننده ملایم سازگار با محفظه پلاستیکی استفاده کنید. از تمیزکاری اولتراسونیک با قدرت بیش از حد خودداری کنید، زیرا ممکن است به اجزای داخلی آسیب برساند.
• ذخیره‌سازی:در محیطی در محدوده دمای ذخیره‌سازی مشخص شده 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد نگهداری کنید، ترجیحاً در شرایط رطوبت کم برای جلوگیری از جذب رطوبت.
• احتیاط‌های ESD:اگرچه به صراحت حساس اعلام نشده است، اما باید در حین مونتاژ، روش‌های استاندارد مدیریت ESD (تخلیه الکترواستاتیک) برای دستگاه‌های نیمه‌هادی رعایت شود.

5. پیشنهادات کاربردی

5.1 مدارهای کاربردی متداول

رایج‌ترین پیکربندی، اتصال LED IR به صورت سری با یک مقاومت محدودکننده جریان به یک منبع ولتاژ (مثلاً 5 ولت) است. فوتوترانزیستور معمولاً در پیکربندی امیتر مشترک متصل می‌شود: کلکتور از طریق یک مقاومت بار (R_L) به یک ولتاژ تغذیه (مثلاً 5 ولت) متصل می‌شود و امیتر به زمین متصل می‌شود. سیگنال خروجی از گره کلکتور گرفته می‌شود.

• هنگامی که پرتو مسدود نیست، نور روی فوتوترانزیستور می‌افتد و باعث می‌شود که هدایت کند و ولتاژ کلکتور را پایین بکشد (نزدیک به V_CE(SAT)).
• هنگامی که یک جسم پرتو را مسدود می‌کند، فوتوترانزیستور خاموش می‌شود و ولتاژ کلکتور توسط مقاومت بار بالا کشیده می‌شود.
• مقدار مقاومت بار (R_L) سرعت سوئیچینگ و مصرف جریان را تعیین می‌کند. یک R_Lکوچکتر اجازه سوئیچینگ سریع‌تر را می‌دهد اما هنگامی که ترانزیستور روشن است جریان بیشتری می‌کشد.

5.2 ملاحظات طراحی

• تراز:تراز مکانیکی دقیق مسیر جسم با شکاف سنسور برای عملکرد قابل اعتماد حیاتی است.
• نور محیط:از آنجایی که سنسور از نور مادون قرمز استفاده می‌کند، می‌تواند در برابر تداخل از منابع قوی IR محیطی (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) آسیب‌پذیر باشد. استفاده از یک سیگنال IR مدوله شده و یک مدار آشکارساز همگام‌سازی شده می‌تواند مصونیت را به میزان زیادی بهبود بخشد.
• ویژگی‌های جسم:کارایی سنسور به توانایی جسم در بازتاب یا جذب پرتو IR بستگی دارد. اشیاء تیره و غیربازتابنده ممکن است به اندازه اشیاء روشن قابل اعتماد تشخیص داده نشوند. آزمایش با ماده هدف واقعی توصیه می‌شود.
• حذف نویز تماس:اگرچه خود سنسور نویز تماس ندارد، اما خروجی الکتریکی ممکن است هنوز نویز داشته باشد. ممکن است برای سیگنال‌های دیجیتال تمیز، حذف نویز نرم‌افزاری یا سخت‌افزاری (مانند یک فیلتر RC ساده یا ورودی تریگر اشمیت) ضروری باشد.

6. اصل عملکرد

فوتواینتراپتر بر اساس اصل قطع پرتو نوری عمل می‌کند. در داخل، یک LED مادون قرمز نور را در طول موجی معمولاً حدود 940 نانومتر ساطع می‌کند که برای چشم انسان نامرئی است. درست در مقابل، یک فوتوترانزیستور سیلیکونی قرار دارد تا این نور را دریافت کند. فوتوترانزیستور به عنوان یک سوئیچ کنترل‌شده با نور عمل می‌کند. هنگامی که فوتون‌های LED IR به ناحیه بیس آن برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند که به نوبه خود اجازه می‌دهند جریان کلکتور بسیار بزرگتری جریان یابد - این اثر فوتوالکتریک است. بزرگی این جریان کلکتور متناسب با شدت نور فرودی است. هنگامی که یک جسم مات وارد شکاف بین LED و فوتوترانزیستور می‌شود، مسیر نور مسدود می‌شود. شدت نور روی فوتوترانزیستور به شدت کاهش می‌یابد و باعث می‌شود جریان کلکتور آن به مقدار بسیار کمی (اساساً جریان تاریک) کاهش یابد. این تغییر شدید در جریان (یا تغییر ولتاژ متناظر در سراسر یک مقاومت بار) توسط مدار خارجی تشخیص داده می‌شود و به عنوان یک رویداد سوئیچینگ تفسیر می‌شود.

7. منحنی‌های عملکرد و تحلیل

دیتاشیت شامل منحنی‌های مشخصه معمول است که بینش‌های ارزشمندی فراتر از مقادیر حداقل/معمول/حداکثر جدول‌بندی شده ارائه می‌دهد.

• مشخصات انتقال (I_Cدر مقابل I_F):این منحنی نشان می‌دهد که چگونه جریان خروجی فوتوترانزیستور (I_C) با جریان ورودی LED (I_F) در یک ولتاژ کلکتور-امیتر ثابت تغییر می‌کند. این رابطه خطی بین درایو ورودی و پاسخ خروجی را تحت شرایط خاص نشان می‌دهد و به بهینه‌سازی جریان درایو LED برای حساسیت مورد نظر کمک می‌کند.
• مشخصات خروجی (I_Cدر مقابل V_CE):این منحنی‌ها، که برای سطوح مختلف نور فرودی (یا I_Fمختلف) رسم شده‌اند، نشان می‌دهند که فوتوترانزیستور چگونه مانند یک منبع جریان رفتار می‌کند. جریان کلکتور در محدوده‌ای از V_CEنسبتاً ثابت می‌ماند تا زمانی که به اشباع برسد.
• وابستگی دمایی:منحنی‌هایی که تغییر پارامترهایی مانند ولتاژ مستقیم (V_F) یا جریان تاریک کلکتور (I_CEO) را با دما نشان می‌دهند، برای طراحی سیستم‌هایی که در کل محدوده دمایی مشخص شده کار می‌کنند، حیاتی هستند. به عنوان مثال، V_Fمعمولاً با افزایش دما کاهش می‌یابد، که اگر توسط یک منبع ولتاژ ثابت تغذیه شود، می‌تواند کمی بر خروجی نور LED تأثیر بگذارد.

8. پرسش‌ها و پاسخ‌های متداول

س: زمان پاسخ معمول این سنسور چقدر است؟

ج: اگرچه در داده‌های ارائه شده به صراحت ذکر نشده است، فوتواینتراپترهایی مانند این معمولاً زمان پاسخ در محدوده میکروثانیه دارند و آن‌ها را برای شمارش با سرعت بالا مناسب می‌سازد. سرعت واقعی توسط زمان صعود/سقوط فوتوترانزیستور و ثابت زمانی RC مدار خارجی محدود می‌شود.

س: آیا می‌توانم از این سنسور در فضای باز استفاده کنم؟

ج: با احتیاط. نور مستقیم خورشید حاوی اجزای قوی مادون قرمز است که می‌تواند فوتوترانزیستور را اشباع کند و باعث تحریک کاذب شود. یک محافظ یا محفظه فیزیکی برای مسدود کردن نور محیط، همراه با تکنیک‌های فیلتر نوری یا مدولاسیون سیگنال، برای استفاده قابل اعتماد در فضای باز ضروری است.

س: چگونه مقدار مقاومت محدودکننده جریان LED را انتخاب کنم؟

ج: از فرمول استفاده کنید: R = (V_CC- V_F) / I_F. به عنوان مثال، با یک منبع تغذیه 5 ولت (V_CC)، یک V_Fمعمولی 1.6 ولت و یک I_Fمورد نظر 20 میلی‌آمپر: R = (5 - 1.6) / 0.02 = 170 اهم. یک مقاومت استاندارد 180 اهم مناسب خواهد بود که منجر به I_F≈ 18.9 میلی‌آمپر می‌شود.

س: هدف از رتبه‌بندی ولتاژ شکست امیتر-کلکتور (V_(BR)ECO) چیست؟

ج: این رتبه‌بندی (5 ولت) در صورتی مرتبط است که فوتوترانزیستور در یک پیکربندی معکوس متصل شده باشد (امیتر در پتانسیل بالاتر از کلکتور)، که غیرمعمول است. این اطمینان می‌دهد که دستگاه می‌تواند یک ولتاژ معکوس کوچک در سراسر اتصال C-E را بدون آسیب تحمل کند.

9. مثال کاربردی عملی

کاربرد: تشخیص کاغذ در پرینتر

LTH-301-27P1 می‌تواند برای تشخیص لبه جلویی کاغذ در یک پرینتر یا دستگاه کپی استفاده شود. سنسور طوری نصب می‌شود که کاغذ از شکاف آن عبور کند. یک پرچم بازتابنده یا خود کاغذ پرتو را قطع می‌کند. هنگامی که پرتو مسدود نیست (بدون کاغذ)، فوتوترانزیستور روشن است و یک ولتاژ پایین خروجی می‌دهد. هنگامی که کاغذ وارد شکاف می‌شود، پرتو مسدود می‌شود، فوتوترانزیستور خاموش می‌شود و ولتاژ خروجی بالا می‌رود. این سیگنال لبه صعودی می‌تواند به یک میکروکنترلر تغذیه شود تا یک توالی چاپ را آغاز کند، حضور کاغذ را تأیید کند یا صفحات را بشمارد. ماهیت بدون تماس، عدم سایش روی کاغذ یا سنسور را تضمین می‌کند و پاسخ سریع اجازه تشخیص حتی در سرعت‌های بالای تغذیه کاغذ را می‌دهد. ملاحظات طراحی شامل اطمینان از تراز دقیق مسیر کاغذ با شکاف سنسور و انتخاب یک مقاومت بار است که یک نوسان ولتاژ تمیز و سریع برای پین ورودی میکروکنترلر فراهم می‌کند.

10. روندهای فناوری

فوتواینتراپترها به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و هزینه کم، یک فناوری حسگر اساسی باقی مانده‌اند. روندهای فعلی بر کوچک‌سازی متمرکز است که منجر به بسته‌بندی‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) می‌شود که فضای برد را در الکترونیک مدرن ذخیره می‌کند. همچنین ادغام مدارهای اضافی، مانند تریگرهای اشمیت داخلی برای هیسترزیس و خروجی دیجیتال تمیز، یا حتی راه‌حل‌های کاملاً یکپارچه با یک درایور IR مدوله شده و یک IC آشکارساز همگام‌سازی شده روی یک تراشه واحد برای رد نور محیط برتر وجود دارد. علاوه بر این، پیشرفت‌ها در مواد و بسته‌بندی، محدوده‌های دمای عملیاتی را گسترش می‌دهد و قابلیت اطمینان بلندمدت را برای کاربردهای خودرویی و صنعتی بهبود می‌بخشد. در حالی که فناوری‌های جدیدتر مانند سنسورهای زمان پرواز (ToF) اندازه‌گیری فاصله را ارائه می‌دهند، نقش فوتواینتراپتر پایه برای تشخیص حضور ساده و باینری در کاربردهای حساس به هزینه همچنان به طور محکمی تثبیت شده است.