دیتاشیت فوتواینتراپتر LTH-872-N55H - نوع شکافی - ابعاد 4.0 میلی‌متر - ولتاژ 5 ولت - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-872-N55H یک فوتواینتراپتر از نوع شکافی است، یک قطعه اساسی نوری-الکترونیکی که برای کاربردهای حسگری و سوئیچینگ بدون تماس استفاده می‌شود. این قطعه یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (LED) و یک فوتوترانزیستور را در یک محفظه واحد ادغام کرده که توسط یک شکاف یا شیار فیزیکی از هم جدا شده‌اند. اصل عملکرد آن ساده است: هنگامی که یک جسم از داخل این شکاف عبور می‌کند، پرتو نور مادون قرمز منتشر شده از فرستنده به گیرنده را قطع می‌کند و باعث تغییر متناظر در وضعیت خروجی فوتوترانزیستور می‌شود. این مکانیسم ساده اما قابل اعتماد، آن را به یک راه‌حل ایده‌آل برای تشخیص حضور، عدم حضور، موقعیت یا سرعت اجسام بدون تماس فیزیکی تبدیل می‌کند.

این قطعه برای نصب مستقیم روی برد مدار چاپی (PCB) یا قرارگیری در یک سوکت استاندارد دو ردیفه طراحی شده است که انعطاف‌پذیری در مونتاژ و نمونه‌سازی اولیه را فراهم می‌کند. مزایای اصلی آن شامل قابلیت اطمینان بالا، سرعت سوئیچینگ سریع و طول عمر عملیاتی طولانی به دلیل عدم وجود کنتاکت‌های مکانیکی مستهلک‌شونده است. کاربردهای معمول آن طیف وسیعی از تجهیزات اتوماسیون اداری و صنعتی را در بر می‌گیرد، از جمله اما نه محدود به پرینترها، دستگاه‌های کپی، اسکنرها، دستگاه‌های فکس و سیستم‌های اتوماتیک مختلف که نیازمند تشخیص دقیق اجسام هستند.

1.1 ویژگی‌های اصلی

• سوئیچینگ بدون تماس:سایش و پارگی مکانیکی را حذف می‌کند و اطمینان از قابلیت اطمینان بالا و طول عمر عملیاتی طولانی را تضمین می‌نماید.
• نصب چندمنظوره:سازگار با لحیم‌کاری مستقیم روی PCB یا سوکت‌های استاندارد دو ردیفه، که ادغام آسان در طرح‌های مدار مختلف را تسهیل می‌کند.
• زمان پاسخ سریع:امکان تشخیص رویدادهای پرسرعت را فراهم می‌کند و برای کاربردهایی که نیازمند حسگری سریع هستند، مانند تشخیص تغذیه کاغذ در پرینترها یا سیستم‌های انکودر چرخشی، مناسب است.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی و عمیق

دیتاشیت پارامترهای حیاتی را ارائه می‌دهد که محدودیت‌های عملیاتی و عملکرد قطعه را تحت شرایط استاندارد تعریف می‌کنند. درک این پارامترها برای طراحی صحیح مدار و اطمینان از قابلیت اطمینان بلندمدت ضروری است.

2.1 مشخصات حداکثر مجاز مطلق

این مشخصات محدودیت‌های تنش را تعیین می‌کنند که در صورت تجاوز از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این‌ها شرایط عملیات عادی نیستند.

• LED ورودی:
  • اتلاف توان (P_D):حداکثر 75 میلی‌وات. این کل توانی است که LED می‌تواند به صورت حرارت به طور ایمن تلف کند.
  • جریان مستقیم پیوسته (I_F):حداکثر 50 میلی‌آمپر. LED نباید با جریان پیوسته‌ای بیش از این مقدار راه‌اندازی شود.
  • ولتاژ معکوس (V_R):حداکثر 5 ولت. اعمال ولتاژ معکوس بالاتر از این می‌تواند باعث شکست پیوند LED شود.
• فوتوترانزیستور خروجی:
  • اتلاف توان (P_D):حداکثر 100 میلی‌وات برای فوتوترانزیستور.
  • ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO):حداکثر 30 ولت. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان بین کلکتور و امیتر اعمال کرد هنگامی که بیس (ورودی نور) باز است.
  • ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO):حداکثر 5 ولت، که مشخصه ولتاژ معکوس برای پیوند کلکتور-امیتر است.
  • جریان کلکتور (I_C):حداکثر 20 میلی‌آمپر. جریان بار عبوری از فوتوترانزیستور باید زیر این حد باقی بماند.
• محیطی:
  • محدوده دمای عملیاتی (T_A):25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. عملکرد قطعه در این محدوده دمای محیطی و مطابق با مشخصات تضمین می‌شود.
  • محدوده دمای نگهداری (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد.
  • دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه، که برای حالتی که پایه به شکل 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) است، مشخص شده. این برای فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو یا موجی حیاتی است.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی و نوری

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط عملیاتی معمول در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد تعریف می‌کنند.

• ویژگی‌های LED ورودی:
  • ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.2 ولت، با حداکثر 1.6 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. از این پارامتر برای محاسبه مقدار مقاومت محدودکننده جریان در مدار راه‌انداز LED استفاده می‌شود: R = (V_CC- V_F) / I_F.
  • جریان معکوس (I_R):حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت، که نشان‌دهنده جریان نشتی LED هنگام بایاس معکوس است.
• ویژگی‌های فوتوترانزیستور خروجی:
  • جریان تاریک کلکتور-امیتر (I_CEO):حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE= 10 ولت. این جریان نشتی هنگامی است که LED خاموش است (هیچ نوری به فوتوترانزیستور نمی‌تابد). یک جریان تاریک پایین برای نسبت سیگنال به نویز خوب مطلوب است، به ویژه در کاربردهای کم‌نور یا با بهره بالا.
• ویژگی‌های کوپلر (سیستم):
  • ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):حداکثر 0.4 ولت هنگامی که فوتوترانزیستور کاملاً روشن است (I_C= 0.25 میلی‌آمپر، I_F= 20 میلی‌آمپر). یک ولتاژ اشباع پایین زمانی حیاتی است که خروجی برای راه‌اندازی ورودی‌های منطقی یا سایر مدارهای کم‌ولتاژ استفاده می‌شود، زیرا سطح منطقی \"LOW\" را تعریف می‌کند.
  • جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)):حداقل 2.0 میلی‌آمپر در V_CE= 5 ولت و I_F= 20 میلی‌آمپر. این حداقل جریان خروجی تضمین‌شده هنگامی است که LED با جریان معمول خود راه‌اندازی می‌شود و پرتو نور مسدود نیست. این پارامتر، که اغلب \"نسبت انتقال جریان\" (CTR) نامیده می‌شود هنگامی که به صورت نسبت I_C/I_Fبیان می‌شود، حساسیت کوپلر را تعریف می‌کند. در اینجا، حداقل CTR برابر است با (2.0 میلی‌آمپر / 20 میلی‌آمپر) = 0.1 یا 10%.
  • زمان پاسخ:
    • زمان صعود (T_r):معمولاً 3 میکروثانیه، حداکثر 15 میکروثانیه. این زمان لازم برای انتقال خروجی از 10% به 90% مقدار نهایی آن هنگامی است که LED ورودی روشن می‌شود.
    • زمان افت (T_f):معمولاً 4 میکروثانیه، حداکثر 20 میکروثانیه. این زمان لازم برای انتقال خروجی از 90% به 10% مقدار نهایی آن هنگامی است که LED ورودی خاموش می‌شود. این سرعت‌های سوئیچینگ سریع، تشخیص اجسام متحرک سریع را ممکن می‌سازد.

3. اطلاعات مکانیکی و پکیج

LTH-872-N55H دارای یک پکیج استاندارد سوراخ‌دار است که برای ادغام آسان روی PCB طراحی شده است.

3.1 ابعاد کلی

دیتاشیت یک نقشه مکانیکی دقیق ارائه می‌دهد. ابعاد کلیدی شامل عرض کلی شکاف، که اندازه جسم قابل تشخیص را تعریف می‌کند، و فاصله پایه‌ها برای چیدمان PCB است. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر (mm) با تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر مشخص شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. نقشه معمولاً نمای بالا، نمای جانبی و شناسایی پایه‌ها (آند فرستنده، کاتد فرستنده، کلکتور، امیتر) را نشان می‌دهد.

3.2 شناسایی قطبیت و پین‌اوت

قطبیت صحیح برای عملکرد قطعه ضروری است. پکیج دارای یک علامت یا شکل خاص پایه (اغلب یک طرف صاف یا یک فرورفتگی) برای شناسایی پایه 1 است. پین‌اوت استاندارد برای یک فوتواینتراپتر 4 پایه به این صورت است: پایه 1 - آند LED مادون قرمز، پایه 2 - کاتد LED مادون قرمز، پایه 3 - امیتر فوتوترانزیستور، پایه 4 - کلکتور فوتوترانزیستور. همیشه قبل از طراحی فوتپرینت PCB، برای تأیید تخصیص دقیق پایه‌ها برای LTH-872-N55H به نمودار دیتاشیت مراجعه کنید.

4. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

4.1 فرآیند لحیم‌کاری

این قطعه برای حداکثر دمای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه درجه‌بندی شده است. این مشخصه برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو حیاتی است. تجاوز از این دما یا زمان می‌تواند به پیوندهای نیمه‌هادی داخلی یا محفظه پلاستیکی آسیب برساند. توصیه می‌شود از دستورالعمل‌های استاندارد IPC برای لحیم‌کاری قطعات سوراخ‌دار پیروی شود.

4.2 جابجایی و نگهداری

اگرچه در متن ارائه شده به طور صریح جزئیات داده نشده است، اما بهترین روش‌های کلی اعمال می‌شود: قطعات را در یک محیط خشک و ضد استاتیک و در محدوده دمای نگهداری مشخص شده (40- تا 100+ درجه سانتی‌گراد) نگهداری کنید. از قرار دادن قطعه در معرض رطوبت بیش از حد قبل از لحیم‌کاری خودداری کنید تا از \"پاپ کورن شدن\" در حین ریفلو جلوگیری شود، اگرچه این موضوع برای قطعات نصب سطحی حیاتی‌تر است.

5. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

5.1 مدارهای کاربردی معمول

رایج‌ترین پیکربندی استفاده از فوتواینتراپتر به عنوان یک سوئیچ دیجیتال است. یک مدار ساده شامل موارد زیر است:
1. راه‌انداز LED:یک مقاومت محدودکننده جریان را به صورت سری با LED مادون قرمز به یک منبع ولتاژ (مثلاً 5 ولت) وصل کنید. مقدار مقاومت را برای دستیابی به I_Fمطلوب (مثلاً 20 میلی‌آمپر) تنظیم کنید. مثال: R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω (از یک مقاومت استاندارد 200Ω استفاده کنید).
2. خروجی فوتوترانزیستور:یک مقاومت pull-up (R_L) را از کلکتور فوتوترانزیستور به یک منبع ولتاژ (مثلاً 5 ولت) وصل کنید. امیتر به زمین متصل است. هنگامی که مسیر نور باز است، فوتوترانزیستور هدایت می‌کند و ولتاژ کلکتور (خروجی) را به سطح LOW می‌کشد. هنگامی که پرتو مسدود می‌شود، فوتوترانزیستور خاموش می‌شود و مقاومت pull-up خروجی را به سطح HIGH می‌کشد. مقدار R_Lبر سرعت سوئیچینگ و مصرف جریان تأثیر می‌گذارد؛ مقدار کمتر سرعت بیشتری می‌دهد اما اتلاف توان بالاتری دارد. شرایط تست در دیتاشیت از R_L= 100Ω استفاده می‌کند.

5.2 ملاحظات طراحی

• مصونیت در برابر نور محیط:از آنجایی که قطعه از نور مادون قرمز استفاده می‌کند، تا حدودی در برابر نور محیط مرئی مصون است. با این حال، منابع قوی مادون قرمز (نور خورشید، برخی لامپ‌ها) می‌توانند باعث تداخل شوند. استفاده از یک سیگنال LED مدوله‌شده و یک مدار دمدولاسیون متناظر می‌تواند مصونیت در برابر نویز را به شدت افزایش دهد.
• تراز:فرستنده و گیرنده باید به طور دقیق در دو طرف شکاف تراز شوند. محفظه مکانیکی این تراز را تضمین می‌کند، اما طراحی PCB باید قطعه را به درستی قرار دهد.
• ویژگی‌های جسم:جسمی که پرتو را قطع می‌کند باید برای نور مادون قرمز کدر باشد. مواد شفاف یا بسیار بازتابنده ممکن است به طور قابل اطمینانی تشخیص داده نشوند.
• حذف نویز مکانیکی (Debouncing):در سیستم‌های مکانیکی (مثلاً تشخیص یک چرخ انقطاع‌کننده)، سیگنال خروجی ممکن است هنگامی که یک جسم وارد شکاف می‌شود یا از آن خارج می‌شود، نوسان کند. برای سیگنال‌های دیجیتال تمیز باید از تکنیک‌های حذف نویز مکانیکی نرم‌افزاری یا سخت‌افزاری استفاده شود.

6. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به \"منحنی‌های ویژگی‌های الکتریکی/نوری معمول\" اشاره می‌کند. اگرچه منحنی‌های خاص در متن ارائه نشده است، اما نمودارهای معمول برای چنین قطعاتی شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (I_F-V_F):رابطه غیرخطی برای LED مادون قرمز را نشان می‌دهد که برای طراحی راه‌انداز مهم است.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (I_C-V_CE):خانواده‌ای از منحنی‌ها با شدت نور تابیده (یا I_F) به عنوان پارامتر، مشابه ویژگی‌های خروجی یک ترانزیستور.
• نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل جریان مستقیم (I_F):نشان می‌دهد که حساسیت چگونه با جریان راه‌اندازی LED تغییر می‌کند.
• نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل دمای محیط:یک منحنی حیاتی که نشان می‌دهد CTR معمولاً با افزایش دما کاهش می‌یابد. طراحان باید در بالاترین دمای عملیاتی حاشیه کافی را برای تضمین حداقل I_C(ON).
• مورد نیاز در نظر بگیرند._Lزمان پاسخ در مقابل مقاومت بار (R):

مبادله بین سرعت سوئیچینگ و مصرف توان را نشان می‌دهد.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با میکروسوئیچ‌های مکانیکی، LTH-872-N55H به دلیل عملکرد بدون تماس، عمر مفید و قابلیت اطمینان برتری ارائه می‌دهد. این قطعه در برابر نویز تماسی (Bounce) مصون است. در مقایسه با سنسورهای بازتابی، فوتواینتراپترهای نوع شکافی تشخیص دقیق‌تر و یکنواخت‌تری ارائه می‌دهند زیرا نسبت به رنگ، بافت یا بازتابندگی جسم هدف حساسیت کمتری دارند؛ آن‌ها به سادگی قطع فیزیکی یک پرتو را تشخیص می‌دهند. عامل تمایز کلیدی بین خود فوتواینتراپترها اغلب ابعاد شکاف، حساسیت (CTR)، سرعت پاسخ و نوع پکیج (سوراخ‌دار در مقابل نصب سطحی) است.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)
س: اگر LED را با بیش از 50 میلی‌آمپر راه‌اندازی کنم چه اتفاقی می‌افتد؟

پ: تجاوز از مشخصه حداکثر مجاز مطلق برای جریان مستقیم پیوسته می‌تواند باعث گرمایش بیش از حد شود که منجر به تخریب سریع‌تر خروجی نور LED یا خرابی فاجعه‌بار می‌شود. همیشه از یک مقاومت محدودکننده جریان استفاده کنید.
س: سیگنال خروجی من نویزی است. علت احتمالی چیست؟

پ: علل احتمالی شامل نویز الکتریکی روی خطوط تغذیه، تداخل نوری محیط (به ویژه لامپ‌های فلورسنت با فرکانس 50/60 هرتز)، یا مقدار مقاومت بار بسیار بالا است که نود را با امپدانس بالا و مستعد نویز می‌کند. از پایداری منبع تغذیه اطمینان حاصل کنید، محافظت در نظر بگیرید، از مقاومت pull-up پایین‌تر استفاده کنید یا مدولاسیون/دمدولاسیون سیگنال را پیاده‌سازی کنید.
س: قطعه در دمای اتاق کار می‌کند اما وقتی سیستم من گرم می‌شود از کار می‌افتد. چرا؟_{پ: حساسیت فوتوترانزیستور (CTR) با افزایش دما کاهش می‌یابد. ممکن است شما در دمای 25 درجه سانتی‌گراد با حداقل حاشیه عملیاتی کار کنید. طراحی خود را با استفاده از حداقل مشخصه I}C(ON)

بازبینی کنید و منحنی معمول CTR در مقابل دما را در نظر بگیرید. ممکن است نیاز به افزایش جریان راه‌اندازی LED (در محدوده مجاز) یا استفاده از فوتوترانزیستوری با CTR تضمین‌شده بالاتر در دماهای بالا داشته باشید.
س: آیا می‌توانم از این برای تشخیص یک جسم شفاف استفاده کنم؟

پ: به طور کلی، خیر. فوتواینتراپترهای استاندارد مادون قرمز نیاز دارند که جسم برای طول موج مادون قرمز منتشر شده (معمولاً حدود 940 نانومتر) کدر باشد. پلاستیک‌ها یا شیشه‌های شفاف ممکن است اجازه عبور نور مادون قرمز کافی را بدهند و از تشخیص قابل اطمینان جلوگیری کنند. برای مواد شفاف به سنسورهای خاص با طول‌موج‌های مختلف یا اصول تشخیص متفاوت نیاز است.

9. مثال موردی کاربردیکاربرد:
تشخیص گیرکردن کاغذ در یک پرینتر رومیزی.پیاده‌سازی:

LTH-872-N55H در مسیر کاغذ نصب می‌شود به طوری که کاغذ از شکاف آن عبور می‌کند. یک پین GPIO میکروکنترلر LED را از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان راه‌اندازی می‌کند. یک پین GPIO دیگر، که با یک مقاومت pull-up داخلی پیکربندی شده است، وضعیت کلکتور فوتوترانزیستور را می‌خواند. در حین عملیات عادی، کاغذ پرتو را قطع می‌کند و خروجی در یک حالت منطقی (مثلاً HIGH) قرار دارد. اگر گیرکردن کاغذ رخ دهد، کاغذ یا گیر کرده باقی می‌ماند (پرتو قطع شده باقی می‌ماند) یا به سنسور نمی‌رسد (پرتو قطع نشده باقی می‌ماند)، که باعث می‌شود خروجی برای مدت طولانی در وضعیت غیرمنتظره‌ای قرار گیرد. فریم‌ور میکروکنترلر این سیگنال را نظارت می‌کند و در صورت نقض توالی زمانی مورد انتظار، یک پیام خطای \"گیرکردن کاغذ\" را فعال می‌کند. زمان پاسخ سریع سنسور اطمینان می‌دهد که حتی فاصله‌های کوچک بین ورق‌های کاغذ نیز می‌توانند برای نظارت دقیق بر تغذیه کاغذ تشخیص داده شوند.

10. معرفی اصل عملکرد

یک فوتواینتراپتر بر اساس اصل تبدیل نوری-الکترونیکی و قطع عمل می‌کند. در داخل، دو قطعه مجزا را در تراز با هم جای داده است: یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) و یک فوتوترانزیستور سیلیکونی. IR LED به عنوان منبع نور عمل می‌کند. هنگامی که توسط یک جریان خارجی بایاس مستقیم می‌شود، فوتون‌های نامرئی مادون قرمز ساطع می‌کند. فوتوترانزیستور به عنوان آشکارساز نور عمل می‌کند. ناحیه بیس آن به نور حساس است. هنگامی که فوتون‌های LED به بیس برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند که به عنوان جریان بیس عمل کرده و ترانزیستور را روشن می‌کنند و اجازه می‌دهند جریان کلکتور بسیار بزرگتری جاری شود. این جریان کلکتور متناسب با شدت نور تابیده است. شکاف این دو عنصر را به طور فیزیکی از هم جدا می‌کند. جسمی که در شکاف قرار می‌گیرد مسیر نور را مسدود می‌کند و به شدت نور تابیده به فوتوترانزیستور را کاهش می‌دهد، که به نوبه خود آن را خاموش می‌کند (یا جریان آن را کاهش می‌دهد). این تغییر در جریان/ولتاژ خروجی توسط مدار خارجی تشخیص داده می‌شود تا یک \"قطع\" ثبت شود.

11. روندها و تحولات صنعت