دیتاشیت فوتواینتراپتر LTH-301-23 - ابعاد 4.0x3.2x2.5mm - ولتاژ مستقیم 1.6V - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

LTH-301-23 یک ماژول فوتواینتراپتر فشرده و از نوع تِرُ-هول است که برای کاربردهای سوئیچینگ غیرتماسی طراحی شده است. این قطعه یک دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) و یک فوتوترانزیستور را درون یک پکیج واحد ادغام کرده که توسط یک شکاف فیزیکی از هم جدا شده‌اند. اصل عملکرد اصلی بر اساس قطع شدن پرتو نور مادون قرمز بین فرستنده و گیرنده است که باعث تغییر متناظر در وضعیت خروجی فوتوترانزیستور می‌شود. این ویژگی آن را برای کاربردهای نیازمند سنجش موقعیت، تشخیص شیء یا سوئیچینگ حدی بدون تماس فیزیکی ایده‌آل می‌سازد و در نتیجه از سایش مکانیکی جلوگیری کرده و قابلیت اطمینان بالا و سرعت سوئیچینگ سریع را ممکن می‌کند.

مزایای اصلی آن شامل عملکرد غیرتماسی (که طول عمر عملیاتی طولانی را فراهم می‌کند)، زمان پاسخگویی سریع مناسب برای شمارش یا تشخیص سرعت، و طراحی سازگار با نصب مستقیم روی PCB یا سوکت استاندارد دو ردیفه برای یکپارچه‌سازی آسان است. بازارها و کاربردهای هدف گسترده هستند و تجهیزات اتوماسیون اداری (پرینترها، کپی‌برها)، اتوماسیون صنعتی (تشخیص شیء روی نوار نقاله، سنجش موقعیت)، الکترونیک مصرفی و سیستم‌های مختلف ابزار دقیق و کنترل را در بر می‌گیرند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مطلق مجاز

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. محدودیت‌های کلیدی شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم پیوسته دیود مادون قرمز (I_F)): 60 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان حالت پایدار قابل عبور از LED مادون قرمز است.
• جریان مستقیم پیک دیود مادون قرمز): 1 آمپر برای پالس‌هایی به عرض 10 میکروثانیه با نرخ 300 پالس در ثانیه. این امکان پالس‌های کوتاه و با شدت بالا را برای کاربردهای نیازمند سیگنال‌های قوی‌تر فراهم می‌کند.
• ولتاژ کلکتور-امیتر فوتوترانزیستور (V_CEO)): 30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین کلکتور و امیتر ترانزیستور خروجی اعمال کرد.
• محدوده دمای عملیاتی): 25- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. این محدوده دمای محیطی برای عملکرد قابل اطمینان قطعه را تعریف می‌کند.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها): 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه در فاصله 1.6 میلی‌متر از بدنه. این پارامتر برای کنترل فرآیند مونتاژ جهت جلوگیری از آسیب حرارتی حیاتی است.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

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

2.2.1 مشخصات ورودی (IR LED)

• ولتاژ مستقیم (V_F)): معمولاً 1.2 ولت تا 1.6 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. از این مقدار برای محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریان در مدار درایور LED استفاده می‌شود.
• جریان معکوس (I_R)): حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت. این نشان‌دهنده جریان نشتی LED در حالت بایاس معکوس است که بسیار کم است.

2.2.2 مشخصات خروجی (فوتوترانزیستور)

• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)CEO)): حداقل 30 ولت. این اطمینان می‌دهد که ترانزیستور می‌تواند ولتاژهای معمول مدار را تحمل کند.
• جریان تاریکی کلکتور-امیتر (I_CEO)): حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت. این جریان نشتی زمانی است که LED خاموش است (بدون نور) و سطح سیگنال "حالت خاموش" را تعیین می‌کند.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT))): حداکثر 0.4 ولت در I_C=0.2 میلی‌آمپر و I_F=20 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ دو سر ترانزیستور زمانی است که کاملاً "روشن" است و برای ارتباط با سطح منطقی مهم است.
• جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON))): حداقل 0.4 میلی‌آمپر در V_CE=5 ولت و I_F=20 میلی‌آمپر. این حداقل جریان خروجی موجود را هنگامی که پرتو مسدود نیست مشخص می‌کند و حساسیت سنسور را تعریف می‌نماید.

2.2.3 مشخصات کوپلر (سیستم)

• زمان صعود (t_r)): 3 میکروثانیه (معمول) تا 15 میکروثانیه (حداکثر) تحت شرایط تست V_CE=5 ولت، I_C=2 میلی‌آمپر و R_L=100 اهم.
• زمان نزول (t_f)): 4 میکروثانیه (معمول) تا 20 میکروثانیه (حداکثر) تحت شرایط یکسان.

این زمان‌های پاسخگویی تعیین می‌کنند که خروجی با چه سرعتی می‌تواند از خاموش به روشن (صعود) و از روشن به خاموش (نزول) سوئیچ کند. سرعت سوئیچینگ سریع (در محدوده میکروثانیه) امکان تشخیص اجسام متحرک سریع یا کاربردهای شمارش با سرعت بالا را فراهم می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمول اشاره می‌کند. اگرچه نمودارهای خاص در متن ارائه شده جزئیات ندارند، اما منحنی‌های استاندارد برای چنین قطعه‌ای معمولاً شامل موارد زیر می‌شود:

• جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (I_F-V_F) برای IR LED: رابطه غیرخطی را نشان می‌دهد که برای طراحی مدار درایور حیاتی است.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (I_C-V_CE) برای فوتوترانزیستور: در سطوح مختلف تابش (جریان LED)، این منحنی‌های خروجی نواحی عملیاتی ترانزیستور (قطع، فعال، اشباع) را نشان می‌دهند.
• نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل جریان مستقیم: CTR نسبت جریان کلکتور فوتوترانزیستور (I_C) به جریان مستقیم LED (I_F) است. این منحنی بازدهی کوپلینگ نوری و نحوه تغییر آن با جریان درایو را نشان می‌دهد.
• وابستگی دمایی جریان تاریکی (I_CEO) و جریان حالت روشن (I_C(ON)): این منحنی‌ها نشان می‌دهند که عملکرد در دمای شدید چگونه کاهش می‌یابد که برای طراحی سیستم‌های مقاوم جهت کار در محدوده دمایی مشخص شده حیاتی است.

این منحنی‌ها به طراحان اجازه می‌دهد تا نقاط عملیاتی را بهینه‌سازی کنند، مصالحه‌های عملکرد را درک نمایند و عملکرد قابل اطمینان تحت تمام شرایط مشخص شده را تضمین کنند.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

LTH-301-23 در یک پکیج استاندارد تِرُ-هول قرار دارد. نکات ابعادی کلیدی از دیتاشیت:

• تمامی ابعاد بر حسب میلی‌متر ارائه شده‌اند و اینچ در پرانتز آمده است.
• تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر (±0.010 اینچ) است مگر اینکه یادداشت ویژگی خاصی خلاف آن را بیان کند.
• پکیج برای نصب مستقیم روی PCB یا قرارگیری در سوکت استاندارد دو ردیفه طراحی شده است که انعطاف‌پذیری در مونتاژ و نمونه‌سازی اولیه را فراهم می‌کند.

شکاف فیزیکی بین فرستنده و گیرنده درون بدنه ثابت است و شکافی را که جسم قطع‌کننده از آن عبور می‌کند تعریف می‌نماید. عرض دقیق این شکاف یک مشخصه مکانیکی حیاتی است که در نقشه ابعادی یافت می‌شود.

4.2 شناسایی قطبیت و پین‌اوت

برای عملکرد صحیح، شناسایی درست پایه‌ها ضروری است. این قطعه چهار پایه دارد. معمولاً دو پایه در یک سمت متعلق به LED مادون قرمز (آند و کاتد) و دو پایه در سمت دیگر متعلق به فوتوترانزیستور (کلکتور و امیتر) است. نقشه پکیج در دیتاشیت به وضوح پین 1 را نشان می‌دهد که اغلب با یک شکاف، نقطه یا لبه اریب روی بدنه مشخص شده است. جدول مشخصات الکتریکی تأیید می‌کند که آند برای LED مثبت است و کلکتور برای فوتوترانزیستور NPN در پیکربندی امیتر مشترک مثبت است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقادیر مطلق مجاز دستورالعمل کلیدی برای لحیم‌کاری را ارائه می‌دهند: دمای لحیم‌کاری پایه‌ها نباید از 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه تجاوز کند، که در نقطه‌ای به فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه پلاستیکی اندازه‌گیری می‌شود. این یک اقدام احتیاطی استاندارد برای جلوگیری از آسیب دیدن اپوکسی داخلی یا تراشه‌های نیمه‌هادی توسط حرارت بیش از حد در فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا دستی است.

توصیه‌ها:

• از هویه کنترل دمایی استفاده کنید.
• زمان تماس بین هویه و پایه را به حداقل برسانید.
• برای لحیم‌کاری موجی، اطمینان حاصل کنید که پروفیل (پیش‌گرم، خیساندن، دمای پیک، زمان بالاتر از نقطه ذوب) کنترل شده تا این نیاز را برآورده کند.
• از اعمال تنش مکانیکی به پایه‌ها در حین یا پس از لحیم‌کاری خودداری کنید.

شرایط نگهداری:قطعه باید در محدوده دمای نگهداری مشخص شده 40- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس نگهداری شود، ترجیحاً در یک محیط خشک و ضد استاتیک تا از جذب رطوبت (که می‌تواند باعث "پاپ کورن شدن" در حین ریفلو شود) و آسیب تخلیه الکترواستاتیک جلوگیری شود.

6. پیشنهادات کاربرد

6.1 مدارهای کاربرد معمول

متداول‌ترین پیکربندی یکسوئیچ امیتر مشترکاست. IR LED از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان (R_limit) که به یک منبع ولتاژ متصل است، راه‌اندازی می‌شود. مقدار آن به صورت R_limit= (V_CC- V_F) / I_Fمحاسبه می‌شود. کلکتور فوتوترانزیستور به یک مقاومت بالاکش (R_pull-up) و ولتاژ تغذیه متصل است، در حالی که امیتر به زمین وصل می‌شود. سیگنال خروجی از نود کلکتور گرفته می‌شود. هنگامی که پرتو قطع نشده باشد، ترانزیستور روشن می‌شود و ولتاژ خروجی را پایین می‌کشد (نزدیک به V_CE(SAT)). هنگامی که پرتو مسدود شود، ترانزیستور خاموش می‌شود و مقاومت بالاکش ولتاژ خروجی را بالا می‌کشد (به V_CC).

6.2 ملاحظات طراحی

• تنظیم جریان: I_Fرا بر اساس حساسیت مورد نیاز و مصرف توان انتخاب کنید. I_Fبالاتر، I_C(ON)بالاتری می‌دهد اما اتلاف توان را افزایش می‌دهد.
• مقاومت بار خروجی (R_pull-up)): مقدار آن بر سرعت سوئیچینگ و قابلیت جریان خروجی تأثیر می‌گذارد. یک مقاومت کوچکتر زمان‌های صعود سریع‌تری (ثابت زمانی RC کوتاه‌تر) و جریان سینک بالاتری فراهم می‌کند اما هنگامی که ترانزیستور روشن است توان بیشتری مصرف می‌کند.
• مصونیت در برابر نور محیط: از آنجایی که از نور مادون قرمز مدوله شده استفاده می‌کند، در برابر بیشتر نورهای مرئی محیطی مصونیت خوبی دارد. با این حال، منابع قوی نور مادون قرمز (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند باعث تحریک کاذب شوند. استفاده از سیگنال درایو LED مدوله شده و یک مدار آشکارساز همگام‌سازی شده می‌تواند مصونیت نویز را به میزان زیادی افزایش دهد.
• ویژگی‌های شیء: سنسور هر جسمی را که برای طول موج مادون قرمز کدر باشد تشخیص می‌دهد. اندازه، سرعت و جنس شیء بر یکپارچگی سیگنال تأثیر خواهد گذاشت.
• هم‌راستایی: هم‌راستایی مکانیکی دقیق جسم قطع‌کننده با شکاف سنسور برای عملکرد قابل اطمینان ضروری است.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با میکروسوئیچ‌های مکانیکی، LTH-301-23 طول عمر برتری (میلیون‌ها در مقابل هزاران چرخه)، پاسخ سریع‌تر و عملکرد بی‌صدا ارائه می‌دهد. در مقایسه با سنسورهای نوری بازتابی، فوتواینتراپترهای عبوری مانند این قطعه عموماً قابل اطمینان‌تر و کمتر حساس به تغییرات رنگ یا بازتابندگی جسم هدف هستند، زیرا به قطع پرتو متکی هستند نه بازتاب. تمایزدهنده‌های کلیدی آن در دسته فوتواینتراپترها، ترکیب خاص اندازه پکیج، عرض شکاف، حساسیت الکتریکی (I_C(ON)) و سرعت سوئیچینگ سریع آن است که آن را برای کاربردهای پرسرعت با محدودیت فضا مناسب می‌سازد.

8. پرسش‌های متداول (FAQ)

سوال 1: جریان عملیاتی معمول برای IR LED چقدر است؟

پاسخ 1: دیتاشیت از I_F= 20 میلی‌آمپر برای بیشتر شرایط تست استفاده می‌کند که یک نقطه عملیاتی رایج و قابل اطمینان است. می‌توان آن را پایین‌تر برای صرفه‌جویی در توان یا به طور مختصر بالاتر (در محدوده مقادیر مطلق مجاز) برای افزایش قدرت سیگنال راه‌اندازی کرد.

سوال 2: چگونه خروجی را با یک میکروکنترلر ارتباط دهم؟

پاسخ 2: خروجی دیجیتال (پایین هنگامی که پرتو وجود دارد، بالا هنگامی که مسدود است) می‌تواند مستقیماً به پین ورودی دیجیتال یک میکروکنترلر متصل شود. اطمینان حاصل کنید که سطوح ولتاژ خروجی (V_CCبرای بالا، V_CE(SAT)برای پایین) با سطوح منطقی MCU سازگار هستند. معمولاً یک مقاومت بالاکش مورد نیاز است.

سوال 3: آیا می‌تواند اجسام شفاف را تشخیص دهد؟

پاسخ 3: فوتواینتراپترهای استاندارد با استفاده از نور مادون قرمز ممکن است به طور قابل اطمینانی اجسامی را که برای طول‌موج‌های مادون قرمز شفاف هستند (مانند برخی پلاستیک‌ها) تشخیص ندهند. برای چنین کاربردهایی، ممکن است به یک سنسور با طول موج متفاوت یا اصل سنجش متفاوت نیاز باشد.

سوال 4: اهمیت زمان‌های صعود و نزول چیست؟

پاسخ 4: این زمان‌ها حداکثر فرکانس سوئیچینگ را محدود می‌کنند. حداکثر فرکانس نظری تقریباً 1/(t_r+ t_f) است. با زمان‌های معمول 3 میکروثانیه و 4 میکروثانیه، قطعه می‌تواند فرکانس‌هایی تا ده‌ها کیلوهرتز را مدیریت کند که برای شمارش با سرعت بالا یا کاربردهای انکودر مناسب است.

9. اصل عملکرد

یک فوتواینتراپتر یک قطعه اپتوالکترونیک عبوری است. این قطعه شامل یک منبع نور مادون قرمز (یک LED) و یک آشکارساز نور (یک فوتوترانزیستور) است که درون یک بدنه رو به روی یکدیگر قرار گرفته‌اند و یک شکاف دقیق بین آن‌ها وجود دارد. هنگامی که جریان الکتریکی از LED عبور می‌کند، نور مادون قرمز ساطع می‌کند. این نور از عرض شکاف عبور 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 کرده، ترانزیستور را روشن می‌کند و اجازه می‌دهد جریان کلکتور جاری شود. هنگامی که یک جسم کدر وارد شکاف می‌شود، مسیر نور را مسدود می‌کند. جریان بیس فوتوژنریک متوقف می‌شود، ترانزیستور خاموش می‌شود و جریان کلکتور به مقدار بسیار کمی (جریان تاریکی) کاهش می‌یابد. این تغییر روشن/خاموش در جریان خروجی به عنوان سیگنال سوئیچینگ استفاده می‌شود.

10. روندهای صنعت

روند در سنجش اپتوالکترونیک به سمت مینیاتوری‌سازی، یکپارچه‌سازی بالاتر و بهبود عملکرد است. نسخه‌های قطعات نصب سطحی (SMD) برای مونتاژ خودکار و صرفه‌جویی در فضا محبوبیت فزاینده‌ای پیدا کرده‌اند. همچنین حرکتی به سمت قطعات با سیگنال کاندیشنینگ داخلی، مانند تریگر اشمیت برای خروجی‌های دیجیتال تمیز، یا تقویت‌کننده‌های آنالوگ برای سنجش فاصله/مجاورت وجود دارد. علاوه بر این، تأکید فزاینده‌ای بر دستیابی به مصونیت بالاتر در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و نور محیط، و همچنین گسترش محدوده دمای عملیاتی برای کاربردهای خودرویی و صنعتی وجود دارد. در حالی که قطعات پایه‌ای مانند LTH-301-23 به دلیل سادگی و مقرون‌به‌صرفه بودن همچنان به طور گسترده استفاده می‌شوند، طراحی‌های جدیدتر اغلب این ویژگی‌های پیشرفته را برای کاربردهای سخت‌گیرانه‌تر در خود جای می‌دهند.