دیتاشیت قطعۀ نوری شکافدار LTH-872-T55T1 - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-872-T55T1 یک قطعۀ نوری شکافدار است؛ یک قطعه الکترواپتیکال پایه‌ای که برای کاربردهای حسگری غیرتماسی طراحی شده است. این قطعه یک دیود ساطع‌کنندۀ نور مادون قرمز (LED) و یک فوتوترانزیستور را در یک محفظۀ واحد ادغام کرده که توسط یک شکاف یا فاصله فیزیکی از هم جدا شده‌اند. اصل عملکرد اصلی آن، قطع شدن پرتوی نور مادون قرمز منتشرشده از فرستنده به سمت گیرنده است. هنگامی که یک شیء مات از داخل این شکاف عبور می‌کند، مسیر نور را مسدود کرده و باعث تغییر قابل توجهی در جریان خروجی فوتوترانزیستور می‌شود. این تغییر به صورت الکترونیکی تشخیص داده می‌شود و یک سیگنال سوئیچینگ دیجیتال قابل اطمینان فراهم می‌کند. قطعۀ نوری شکافدار به دلیل قابلیت اطمینان بالا، دقت و مصونیت در برابر عوامل محیطی مانند گرد و غبار یا آلودگی سطحی در مقایسه با سوئیچ‌های مکانیکی، ترجیح داده می‌شود.

مزایای اصلی:مزایای اصلی این قطعه شامل سوئیچینگ واقعاً غیرتماسی است که سایش مکانیکی را حذف کرده و طول عمر عملیاتی طولانی را تضمین می‌کند. زمان پاسخ‌دهی سریعی ارائه می‌دهد که امکان تشخیص رویدادهای پرسرعت را فراهم می‌کند. طراحی آن برای نصب مستقیم روی PCB یا استفاده با سوکت دو ردیفه مناسب است و انعطاف‌پذیری در مونتاژ را فراهم می‌کند. ساختار آن محافظت ذاتی در برابر تداخل نور محیطی ایجاد می‌کند.

بازار هدف و کاربردها:این قطعه به طور گسترده در تجهیزات مختلف اتوماسیون اداری و الکترونیک مصرفی مورد استفاده قرار می‌گیرد. سناریوهای کاربردی معمول شامل تشخیص کاغذ در دستگاه‌های فکس، پرینتر و فتوکپی است که حضور یا عدم حضور کاغذ، گیرکردن کاغذ یا موقعیت هدهای چاپ و کالسکه را حس می‌کند. همچنین در اسکنرها، دستگاه‌های فروش خودکار، اتوماسیون صنعتی برای حسگری موقعیت و هر دستگاهی که نیازمند تشخیص دقیق و قابل اطمینان شیء بدون تماس فیزیکی است، یافت می‌شود.

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 قطعه وارد شود. عملکرد در این محدودیت‌ها یا زیر آن تضمین نمی‌شود.

• LED ورودی:
  • توان تلف شده (P_D):75 میلی‌وات. این حداکثر توانی است که تراشه LED می‌تواند در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد به صورت حرارت تلف کند. تجاوز از این مقدار می‌تواند منجر به فرار حرارتی و خرابی شود.
  • جریان مستقیم پیوسته (I_F):50 میلی‌آمپر. حداکثر جریان DC که می‌توان به طور پیوسته از LED عبور داد.
  • جریان مستقیم پیک:1 آمپر (عرض پالس = 10 میکروثانیه، 300 پالس در ثانیه). این مقدار امکان پالس‌های جریان بالا و کوتاه را فراهم می‌کند که برای راه‌اندازی LED با خروجی نوری لحظه‌ای بالاتر بدون تجاوز از ریتینگ توان متوسط مفید است.
  • ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. حداکثر ولتاژ بایاس معکوسی که می‌توان به دو سر LED اعمال کرد. تجاوز از این مقدار می‌تواند باعث شکست پیوندگاه شود.
• فوتوترانزیستور خروجی:
  • توان تلف شده (P_D):100 میلی‌وات.
  • ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO):30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین کلکتور و امیتر هنگامی که بیس (ورودی نور) باز است، اعمال کرد.
  • جریان کلکتور (I_C):20 میلی‌آمپر. حداکثر جریانی که می‌تواند از مسیر کلکتور-امیتر عبور کند.
• محدودیت‌های حرارتی:
  • محدودۀ دمای کاری:25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدودۀ دمای محیطی که قطعه برای عملکرد صحیح در آن مشخص شده است.
  • محدودۀ دمای ذخیره‌سازی:55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد.
  • دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه (در فاصلۀ 1.6 میلی‌متری از بدنه). این محدودیت پروفیل لحیم‌کاری ریفلو را برای جلوگیری از آسیب به پکیج پلاستیکی و اتصالات سیمی داخلی تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها تحت شرایط آزمایش استاندارد (T_A=25°C) اندازه‌گیری شده و عملکرد معمول قطعه را تعریف می‌کنند.

• مشخصات LED ورودی:
  • ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.2 ولت، حداکثر 1.6 ولت در I_F= 20 میلی‌آمپر. این پارامتر برای طراحی مقاومت محدودکنندۀ جریان در مدار راه‌انداز LED حیاتی است. یک طراحی معمول هدف I_F=20mA را با استفاده از V_F~1.2V برای محاسبه در نظر می‌گیرد.
  • جریان معکوس (I_R):حداکثر 100 میکروآمپر در V_R= 5V. این نشان‌دهندۀ کیفیت پیوندگاه PN LED تحت بایاس معکوس است.
• مشخصات فوتوترانزیستور خروجی:
  • ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)CEO):حداقل 30 ولت در I_C=1mA. این یک حاشیه ایمنی خوب برای مدارهای منطقی معمول 5V یا 12V تضمین می‌کند.
  • جریان تاریکی کلکتور-امیتر (I_CEO):حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10V. این جریان نشتی هنگامی است که LED خاموش است (بدون نور). یک مقدار کم برای حالت "خاموش" مشخص، به ویژه در مدارهای با بهره بالا، ضروری است.
• مشخصات کوپلر (سیستم):
  • جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)):حداقل 0.5 میلی‌آمپر هنگامی که V_CE= 5V و I_F= 20 میلی‌آمپر. این پارامتر حساسیت کلیدی است. حداقل جریان خروجی را هنگامی که شکاف مسدود نیست، تعریف می‌کند. طراحان باید مطمئن شوند که مقاومت بار (R_L) طوری انتخاب شود که این جریان یک نوسان ولتاژ قابل استفاده ایجاد کند.
  • ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):حداکثر 0.4 ولت در I_C= 0.25mA و I_F= 20mA. این ولتاژ اشباع پایین نشان‌دهندۀ عملکرد خوب هنگامی است که فوتوترانزیستور به اشباع (کاملاً روشن) رانده می‌شود و اجازه می‌دهد یک خط را به زمین بسیار نزدیک کند.
  • زمان پاسخ:
    • زمان صعود (T_r):معمولاً 3 میکروثانیه، حداکثر 15 میکروثانیه.
    • زمان افت (T_f):معمولاً 4 میکروثانیه، حداکثر 20 میکروثانیه.
    اندازه‌گیری شده تحت V_CC=5V، I_C=2mA، R_L=100Ω. این زمان‌ها حداکثر فرکانس سوئیچینگ را محدود می‌کنند. زمان‌های نامتقارن در فوتوترانزیستورها رایج است. برای یک طراحی محافظه‌کارانه، فرض کنید حداکثر فرکانس 1/(T_r+T_f) ~ 1/40µs = 25 کیلوهرتز است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های عملکرد معمول ارجاع می‌دهد. در حالی که نمودارهای خاص در متن ارائه نشده‌اند، تفسیرهای استاندارد آنها به شرح زیر است:

• جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (I_F-V_F):این منحنی رابطۀ نمایی معمول یک دیود را نشان می‌دهد. به درک تغییرات V_Fبا دما و جریان کمک می‌کند.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (I_C-V_CE):برای یک جریان LED معین (I_F)، این نمودار مشخصات خروجی فوتوترانزیستور را نشان می‌دهد، مشابه منحنی‌های خروجی ترانزیستور دوقطبی. انتقال از ناحیه فعال به اشباع را نشان می‌دهد.
• نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل جریان مستقیم:CTR نسبت I_C/ I_F(اغلب به صورت درصد بیان می‌شود) است. این یک پارامتر کارایی حیاتی برای کوپلر است. منحنی معمولاً نشان می‌دهد که CTR در یک I_Fخاص به اوج می‌رسد و در جریان‌های بالاتر به دلیل گرمایش یا اثرات دیگر کاهش می‌یابد.
• مشخصات دمایی:منحنی‌هایی که نشان می‌دهند پارامترهایی مانند I_C(ON)، V_F و CTR در محدودۀ دمای کاری (25- تا 85+ درجه سانتی‌گراد) چگونه تغییر می‌کنند. بهره فوتوترانزیستور عموماً با افزایش دما کاهش می‌یابد که باید در طراحی‌هایی که نیازمند عملکرد پایدار در دماهای مختلف هستند، در نظر گرفته شود.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی

این قطعه دارای یک پکیج استاندارد سوراخ‌دار با بدنه پلاستیکی قالب‌گیری‌شده حاوی شکاف است. نکات ابعادی کلیدی از دیتاشیت:

• همه ابعاد بر حسب میلی‌متر (mm) ارائه شده‌اند.
• تلرانس پیش‌فرض برای ابعاد نامشخص ±0.25 میلی‌متر است.
• عرض شکاف خاص، ارتفاع بدنه و فاصلۀ پایه‌ها در نقشۀ ابعادی تعریف شده است (در متن به طور کامل جزئیات داده نشده). این اطلاعات برای یکپارچه‌سازی مکانیکی حیاتی است و اطمینان می‌دهد که شیء مورد تشخیص از شکاف عبور می‌کند و برای طراحی جای پایه PCB.

4.2 شناسایی قطبیت و پایه‌ها

برای عملکرد صحیح، شناسایی صحیح پایه‌ها ضروری است. پکیج از یک آرایش پایه استاندارد برای قطعۀ نوری شکافدار استفاده می‌کند: یک جفت پایه برای LED مادون قرمز (آند و کاتد) و یک جفت دیگر برای فوتوترانزیستور (کلکتور و امیتر). نقشۀ دیتاشیت شماره پایه‌ها را مشخص می‌کند. معمولاً هنگام مشاهده قطعه از بالا (سمت شکاف)، پایه‌ها در جهت خلاف عقربه‌های ساعت شماره‌گذاری می‌شوند. طراح باید برای اتصال صحیح آند، کاتد، کلکتور و امیتر به نقشه مراجعه کند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

رعایت این دستورالعمل‌ها برای جلوگیری از آسیب در فرآیند تولید ضروری است.

• لحیم‌کاری ریفلو:مقدار حداکثر مطلق، لحیم‌کاری پایه در دمای 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه را مشخص می‌کند که در فاصلۀ 1.6 میلی‌متری از بدنه اندازه‌گیری شده است. این به یک پروفیل ریفلو استاندارد برای قطعات دارای پایه ترجمه می‌شود. پکیج پلاستیکی جرم حرارتی محدودی دارد، بنابراین باید از قرارگیری طولانی‌مدت در معرض دمای بالا برای جلوگیری از ترک خوردن یا آسیب داخلی اجتناب کرد.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، از هویۀ کنترل دمایی استفاده کنید. حرارت را به پایه/پین اعمال کنید، نه به بدنه پلاستیکی، و هر اتصال را در مدت 3 تا 5 ثانیه برای هر پایه کامل کنید.
• تمیزکاری:از حلال‌های تمیزکننده‌ای استفاده کنید که با مادۀ پلاستیکی قطعه سازگار هستند تا از ترک خوردن ناشی از تنش یا تخریب جلوگیری شود.
• شرایط ذخیره‌سازی:در محیطی در محدودۀ دمای ذخیره‌سازی مشخص شده (55- تا 100+ درجه سانتی‌گراد) و با رطوبت کم نگهداری کنید. قطعات حساس به رطوبت باید تا زمان استفاده در بسته‌بندی خشک و مهر و موم شده نگهداری شوند.

6. ملاحظات طراحی کاربردی

6.1 مدار کاربردی معمول

یک مدار رابط استاندارد شامل دو بخش اصلی است:

1. راه‌انداز LED:یک مقاومت محدودکنندۀ جریان (R_LIMIT) به صورت سری با LED متصل می‌شود. مقدار آن به صورت R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F محاسبه می‌شود. برای منبع تغذیه 5V، با V_F=1.2V و I_F=20mA، R_LIMIT= (5 - 1.2) / 0.02 = 190Ω خواهد بود. یک مقاومت 180Ω یا 200Ω مناسب خواهد بود.
2. خروجی فوتوترانزیستور:فوتوترانزیستور معمولاً به عنوان یک سوئیچ امیتر مشترک متصل می‌شود. یک مقاومت pull-up (R_L) بین کلکتور و منبع مثبت (V_CC) متصل می‌شود. امیتر به زمین متصل است. هنگامی که نور به ترانزیستور می‌تابد (شکاف باز)، روشن می‌شود و ولتاژ کلکتور را پایین می‌کشد (نزدیک به V_CE(SAT)). هنگامی که نور مسدود می‌شود، ترانزیستور خاموش می‌شود و ولتاژ کلکتور توسط R_L بالا کشیده می‌شود. مقدار R_Lدامنۀ نوسان ولتاژ خروجی و سرعت را تعیین می‌کند. یک R_Lکوچکتر پاسخ سریع‌تری ارائه می‌دهد اما جریان بیشتری می‌کشد. استفاده از شرایط آزمایش R_L=100Ω به عنوان نقطه شروع رایج است.

6.2 چالش‌های طراحی و راه‌حل‌ها

• مصونیت در برابر نور محیط:در حالی که طراحی شکافدار مقداری محافظت ارائه می‌دهد، نور محیطی قوی (به ویژه مادون قرمز) می‌تواند بر فوتوترانزیستور تأثیر بگذارد. استفاده از سیگنال راه‌اندازی مدوله‌شده برای LED و تشخیص همزمان در مدار گیرنده می‌تواند مصونیت را به شدت افزایش دهد. به طور متناوب، اطمینان از پوشیده بودن شکاف می‌تواند کمک کند.
• جبران دمایی:از آنجایی که بهره فوتوترانزیستور با دما کاهش می‌یابد، I_C(ON)کاهش خواهد یافت. برای کاربردهای حیاتی، مدار را طوری طراحی کنید که در بالاترین دمای کاری حاشیه کافی داشته باشد، یا به جای رابط ساده مقاومت pull-up از یک مقایسه‌گر با آستانه قابل تنظیم استفاده کنید.
• مشخصات شیء:شیئی که پرتو را قطع می‌کند باید برای طول موج مادون قرمز منتشرشده (~940 نانومتر) مات باشد. مواد نازک یا نیمه‌شفاف ممکن است به طور قابل اطمینانی تشخیص داده نشوند. اندازه شیء باید به اندازه‌ای باشد که پرتو را به طور کامل در داخل شکاف مسدود کند.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با سایر فناوری‌های حسگری:

• در مقابل میکروسوئیچ‌های مکانیکی:قطعۀ نوری شکافدار قابلیت اطمینان برتر (بدون قطعات متحرک برای ساییدگی)، پاسخ سریع‌تر و عملکرد بی‌صدا ارائه می‌دهد. در برابر نوسان تماس مصون هستند.
• در مقابل سنسورهای نوری بازتابی:انواع شکافدار عموماً برای تشخیص لبه یا حسگری موقعیت دقیق قابل اطمینان‌تر هستند زیرا کمتر در برابر تغییرات بازتابندگی یا رنگ شیء هدف حساس هستند. پرتو یا کاملاً مسدود می‌شود یا باز می‌ماند.
• در مقابل سنسورهای اثر هال:سنسورهای هال میدان‌های مغناطیسی را تشخیص می‌دهند، نه قطع نور. آنها برای پدیده‌های فیزیکی متفاوت (مثلاً تشخیص آهنربا) استفاده می‌شوند. قطعۀ نوری شکافدار برای تشخیص هر شیء مات است.
• در میان قطعۀ نوری شکافدارها:تمایز خاص LTH-872-T55T1 در ترکیب ریتینگ‌های الکتریکی آن (مانند V_CEO=30V، I_C(ON)حداقل=0.5mA)، ابعاد پکیج و مقرون‌به‌صرفه بودن برای کاربردهای اتوماسیون اداری با حجم بالا نهفته است.

8. پرسش‌های متداول (FAQ)

• س: جریان کاری معمول برای LED چیست؟ج: شرایط آزمایش استاندارد و یک نقطۀ کاری رایج I_F= 20 میلی‌آمپر است. این تعادل خوبی بین خروجی نوری، مصرف توان و طول عمر ایجاد می‌کند.
• س: آیا می‌توانم LED را مستقیماً از یک پایه میکروکنترلر راه‌اندازی کنم؟ج: اکثر پایه‌های GPIO میکروکنترلر نمی‌توانند به طور پیوسته 20 میلی‌آمپر را تأمین یا جذب کنند. توصیه می‌شود از یک مدار راه‌انداز ترانزیستور ساده یا MOSFET، یا یک IC راه‌انداز LED اختصاصی برای تأمین جریان لازم استفاده کنید.
• س: چگونه خروجی را به یک ورودی دیجیتال متصل کنم؟ج: کلکتور فوتوترانزیستور (با مقاومت pull-up) می‌تواند مستقیماً به یک ورودی منطقی CMOS یا TTL استاندارد متصل شود. هنگامی که شکاف باز است، ورودی LOW خوانده می‌شود. هنگامی که مسدود است، HIGH خوانده می‌شود. اطمینان حاصل کنید که ولتاژ pull-up با خانواده منطقی سازگار است (مثلاً 5V برای منطق 5V، 3.3V برای منطق 3.3V).
• س: چرا خروجی من هنگامی که مسدود است، به طور کامل به ریل تغذیه سوئیچ نمی‌کند؟ج: این احتمالاً به دلیل جریان تاریکی (I_CEO) است که از مقاومت pull-up عبور می‌کند. با یک مقاومت pull-up بسیار بزرگ (مثلاً 100kΩ)، حتی 100nA نشتی می‌تواند افت ولتاژ قابل توجهی ایجاد کند. از یک مقاومت pull-up کوچکتر (مثلاً 1kΩ تا 10kΩ) استفاده کنید تا سطح HIGH محکمی تضمین شود و بین مصرف جریان و سرعت تعادل برقرار شود.
• س: روش توصیه‌شدۀ چیدمان PCB چیست؟ج: مسیرهای راه‌انداز LED و مسیرهای خروجی فوتوترانزیستور را جدا نگه دارید تا کوپلینگ نویز به حداقل برسد. مقاومت‌های محدودکنندۀ جریان و pull-up را نزدیک به قطعه قرار دهید. اطمینان حاصل کنید که ناحیۀ شکاف روی PCB از ماسک لحیم یا قطعاتی که می‌توانند مسیر پرتو مادون قرمز را مسدود کنند، خالی باشد.

9. اصل عملکرد

قطعۀ نوری شکافدار بر اساس اصل کوپلینگ نوری مستقیم که توسط یک شیء فیزیکی قطع می‌شود، عمل می‌کند. یک LED مادون قرمز نور را در طول موجی معمولاً حدود 940 نانومتر منتشر می‌کند که برای چشم انسان نامرئی است. درست در مقابل، یک فوتوترانزیستور سیلیکونی به این طول موج حساس است. در حالت بدون مانع، نور مادون قرمز به ناحیۀ بیس فوتوترانزیستور برخورد کرده و جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کند. این جریان نوری به عنوان جریان بیس عمل کرده و باعث می‌شود ترانزیستور روشن شده و یک جریان کلکتور بسیار بزرگتر (I_C(ON)) را هدایت کند. هنگامی که یک شیء مات وارد شکاف می‌شود، مسیر نور را کاملاً مسدود می‌کند. جریان نوری متوقف می‌شود، جریان بیس مؤثر به صفر می‌رسد و فوتوترانزیستور خاموش می‌شود و فقط اجازۀ عبور یک جریان نشتی کوچک (I_CEO) را می‌دهد. این تضاد شدید بین حالت‌های روشن و خاموش، یک سیگنال دیجیتال تمیز و قابل اطمینان ارائه می‌دهد که نشان‌دهندۀ حضور یا عدم حضور شیء است.

10. روندهای صنعت

قطعۀ نوری شکافدار به دلیل سادگی، استحکام و هزینه کم، یک فناوری بالغ و پرکاربرد باقی مانده است. روندهای فعلی در صنعت بر چند حوزه متمرکز است:

• کوچک‌سازی:توسعۀ اندازه‌های پکیج کوچکتر (مانند قطعات نصب سطحی با شکاف‌های بسیار باریک) برای جایگیری در الکترونیک مصرفی و دستگاه‌های همراه فشرده‌تر.
• افزایش عملکرد:بهبود پارامترهایی مانند سرعت بالاتر برای ماشین‌آلات سریع‌تر، مصرف توان کمتر برای دستگاه‌های باتری‌خور و پایداری دمایی بهتر.
• یکپارچه‌سازی:گنجاندن مدارهای اضافی در داخل پکیج، مانند تریگر اشمیت برای هیسترزیس، تقویت‌کننده‌ها برای سیگنال‌های ضعیف‌تر یا حتی رابط‌های دیجیتال (I2C)، که "سنسورهای هوشمند" ایجاد می‌کنند و طراحی سیستم را ساده می‌کنند.
• پیشرفت‌های مواد:استفاده از پلاستیک‌های پیشرفته و طراحی لنز برای بهبود موازی‌سازی نور، افزایش کارایی کوپلینگ و افزایش مقاومت در برابر عوامل محیطی مانند دمای بالا و رطوبت.

علیرغم ظهور فناوری‌های جدیدتر مانند سنسورهای زمان پرواز (ToF) یا سیستم‌های بینایی، قطعۀ نوری شکافدار پایه همچنان راه‌حل بهینه برای کاربردهای بی‌شمار تشخیص حضور ساده، قابل اطمینان و حساس به هزینه باقی می‌ماند.