دیتاشیت فنی فتواینتراپتر LTH-872-N55T1 - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTH-872-N55T1 یک فتواینتراپتر بازتابی است، نوعی قطعه الکترواپتیک که یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (LED) و یک فتوترانزیستور 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 نوری است که از شیء به سمت سنسور بازتاب می‌یابد. این قطعه برای کاربردهایی طراحی شده است که نیازمند تشخیص قابل اعتماد، سریع و غیرتهاجمی شیء یا حس‌کردن موقعیت هستند.

1.1 مزایای اصلی

مزایای کلیدی این فتواینتراپتر از اصل عملکرد و طراحی بنیادی آن نشأت می‌گیرد.سوئیچینگ بدون تماساز سایش و پارگی مکانیکی جلوگیری می‌کند و در مقایسه با سوئیچ‌های مکانیکی، طول عمر عملیاتی و قابلیت اطمینان را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. این امر در کاربردهای با چرخه کاری بالا حیاتی است. علاوه بر این، این قطعهسرعت سوئیچینگ سریعارائه می‌دهد، با زمان‌های صعود و نزول معمول در محدوده میکروثانیه، که آن را قادر می‌سازد تا اجسام متحرک سریع یا رویدادهای با فرکانس بالا را تشخیص دهد. پکیج یکپارچه، تراز دقیق بین فرستنده و گیرنده را تضمین می‌کند، مونتاژ را ساده کرده و یکنواختی را بهبود می‌بخشد.

1.2 بازار هدف و کاربرد

بازارهای هدف اصلی این قطعه، اتوماسیون اداری و ابزار دقیق هستند. کاربرد اصلی مستند شده آن دراسکنرها و پرینترهامی‌باشد. در این دستگاه‌ها، فتواینتراپترها معمولاً برای عملکردهایی مانند تشخیص وجود کاغذ (مثلاً حس کردن لبه ابتدایی یک برگ)، تشخیص گیرکردن کاغذ، حس‌کردن موقعیت کارت‌ریج یا هد پرینت و تشخیص موقعیت اولیه مکانیزم‌های متحرک استفاده می‌شوند. زمان پاسخ سریع برای حفظ توان عملیاتی بالا در تجهیزات مدرن اسکن و چاپ ضروری است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک مشخصات الکتریکی و نوری برای طراحی صحیح مدار و اطمینان از عملکرد قابل اعتماد در محدوده‌های مشخص شده قطعه، حیاتی است.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر، محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر برای عملکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند.

• LED ورودی:
  • توان تلف شده (P_D): حداکثر 75 میلی‌وات.
  • جریان مستقیم پیوسته (I_F): حداکثر 50 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان مطلق است که می‌تواند از LED عبور کند.
  • ولتاژ معکوس (V_R): حداکثر 5 ولت. تجاوز از این مقدار می‌تواند باعث شکست پیوند LED شود.
• فتوترانزیستور خروجی:
  • توان تلف شده (P_C): حداکثر 100 میلی‌وات.
  • ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO): حداکثر 30 ولت. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان در حالت بیس باز (شرایط تاریکی) بین کلکتور و امیتر فتوترانزیستور اعمال کرد.
  • ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO): حداکثر 5 ولت (مقدار ولتاژ معکوس).
  • جریان کلکتور (I_C): حداکثر 20 میلی‌آمپر.
• محیطی:
  • دمای عملیاتی (T_opr): 25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد.
  • دمای ذخیره‌سازی (T_stg): 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد.
  • دمای لحیم‌کاری پایه‌ها (T_sol): حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه (برای پایه‌هایی که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه هستند).

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند و عملکرد قطعه را در شرایط عملیاتی عادی تعریف می‌کنند.

• مشخصات LED ورودی:
  • ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً 1.2 ولت تا 1.6 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ دو سر LED در حالت روشن است.
  • جریان معکوس (I_R): حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت. این جریان نشتی کوچک زمانی است که LED در بایاس معکوس قرار دارد.
• مشخصات فتوترانزیستور خروجی:
  • جریان تاریکی کلکتور-امیتر (I_CEO): حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت. این جریان نشتی زمانی است که فتوترانزیستور در تاریکی کامل قرار دارد (بدون نور از LED). مقدار پایین برای نسبت سیگنال به نویز خوب مطلوب است.
  • ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)): حداکثر 0.4 ولت در I_C=0.25 میلی‌آمپر و I_F=20 میلی‌آمپر. این ولتاژ دو سر ترانزیستور زمانی است که کاملاً "روشن" (اشباع) است. ولتاژ اشباع پایین، تلفات توان در المان سوئیچینگ را به حداقل می‌رساند.
  • جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)): حداقل 0.5 میلی‌آمپر در V_CE=5 ولت و I_F=20 میلی‌آمپر. این حداقل جریان خروجی را زمانی مشخص می‌کند که LED روشن است و شیء پرتو را قطع نمی‌کند (فرض بر حالت بازتابی است).
• زمان پاسخ کوپلر (سیستم):
  • زمان صعود (T_R): 3 میکروثانیه (معمول) تا 15 میکروثانیه (حداکثر). این زمان لازم برای افزایش خروجی فتوترانزیستور از 10% به 90% مقدار نهایی آن، هنگام روشن شدن LED است.
  • زمان نزول (T_F): 4 میکروثانیه (معمول) تا 20 میکروثانیه (حداکثر). این زمان لازم برای کاهش خروجی از 90% به 10% هنگام خاموش شدن LED است. این زمان‌های سریع برای ویژگی "سرعت سوئیچینگ سریع" ذکر شده حیاتی هستند.
  • شرایط تست: V_CE=5 ولت، I_C=2 میلی‌آمپر، R_L=100 اهم.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکتریکی/نوری معمول اشاره می‌کند. اگرچه نمودارهای خاص در متن ارائه نشده‌اند، هدف آنها نشان دادن رابطه بین پارامترهای کلیدی در شرایط مختلف است که برای طراحی مستحکم ضروری است.

3.1 اطلاعات استنباط شده از منحنی‌ها

بر اساس روش استاندارد برای چنین قطعاتی، منحنی‌های معمول احتمالاً شامل موارد زیر می‌شوند:

• جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (I_F-V_F):این منحنی رابطه غیرخطی بین جریان عبوری از LED و ولتاژ دو سر آن را نشان می‌دهد. این منحنی به تعیین مقدار مقاومت سری مورد نیاز برای دستیابی به جریان راه‌اندازی مطلوب از یک ولتاژ تغذیه معین کمک می‌کند.
• جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر (I_C-V_CE):برای فتوترانزیستور، این خانواده منحنی‌ها برای سطوح مختلف نور تابیده (یا جریان‌های راه‌اندازی مختلف LED، I_F) ترسیم می‌شود. این منحنی‌ها نواحی عملیاتی ترانزیستور (قطع، فعال، اشباع) را در شرایط روشنایی تعریف می‌کنند.
• نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل جریان مستقیم:CTR نسبت جریان کلکتور خروجی فتوترانزیستور (I_C) به جریان مستقیم ورودی LED (I_F) است که معمولاً به صورت درصد بیان می‌شود. این منحنی نشان می‌دهد که بازده چگونه با جریان راه‌اندازی تغییر می‌کند و برای طراحی مدار واسط به منظور اطمینان از نوسان سیگنال خروجی کافی، حیاتی است.
• وابستگی دمایی:منحنی‌هایی که نشان می‌دهند پارامترهایی مانند ولتاژ مستقیم (V_F)، جریان تاریکی (I_CEO) و CTR چگونه با دمای محیط تغییر می‌کنند. این برای اطمینان از عملکرد پایدار در کل محدوده دمایی مشخص شده (25- تا 85+ درجه سانتی‌گراد) حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

ابعاد پکیج مورد اشاره قرار گرفته اما در متن ارائه شده به تفصیل شرح داده نشده است. توضیحات مشخص می‌کنند که تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر (با اینچ در پرانتز) هستند و تلرانس عمومی ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. شماره قطعه LTH-872-N55T1 نشان‌دهنده یک سبک پکیج خاص رایج در فتواینتراپترهای بازتابی است که معمولاً دارای بدنه پلاستیکی قالب‌گیری شده با یک شکاف است. فرستنده و گیرنده در دو طرف این شکاف رو به یک جهت قرار دارند و این امکان را فراهم می‌کنند تا شیئی را که نور ساطع شده را به سمت سنسور بازتاب می‌دهد، تشخیص دهند.

4.1 شناسایی قطبیت و پین‌اوت

اگرچه پین‌اوت دقیق فهرست نشده است، پکیج‌های استاندارد فتواینتراپتر دارای 4 پایه هستند: دو پایه برای آند و کاتد LED مادون قرمز، و دو پایه برای کلکتور و امیتر فتوترانزیستور NPN. دیتاشیت معمولاً شامل یک نمودار است که نمای از بالا و شماره‌گذاری پایه‌ها را نشان می‌دهد (مثلاً 1: آند، 2: کاتد، 3: کلکتور، 4: امیتر). اتصال صحیح قطبیت برای LED برای جلوگیری از آسیب الزامی است.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

دیتاشیت یک پارامتر حیاتی برای مونتاژ ارائه می‌دهد: حداکثر دمای لحیم‌کاری پایه‌ها. برای پایه‌هایی که در فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه پلاستیکی قرار دارند، دما نباید از260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیهتجاوز کند. این یک رتبه‌بندی استاندارد برای لحیم‌کاری موجی یا دستی است. برای لحیم‌کاری ریفلو، قطعه باید با پروفیل ریفلو خاص مورد استفاده سازگار باشد که معمولاً دمای اوجی حدود 240-250 درجه سانتی‌گراد دارد. تجاوز از این محدودیت‌های حرارتی می‌تواند باعث آسیب داخلی به پیوندهای نیمه‌هادی یا تغییر شکل پکیج پلاستیکی شود که بر تراز نوری و عملکرد تأثیر می‌گذارد.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدار کاربردی معمول

یک مدار واسط پایه شامل دو بخش اصلی است:

1. درایور LED:یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با LED متصل می‌شود. مقدار مقاومت (R_series) به صورت زیر محاسبه می‌شود: R_series= (V_CC- V_F) / I_F. با استفاده از V_Fمعمول 1.4 ولت و I_Fمطلوب 20 میلی‌آمپر با منبع تغذیه 5 ولت، مقدار R_series= (5 - 1.4) / 0.02 = 180 اهم می‌شود. یک مقاومت استاندارد 180 اهم یا 220 اهم مناسب خواهد بود. راه‌اندازی LED با جریان ثابت، به جای ولتاژ ثابت، خروجی نور پایدارتری فراهم می‌کند.
2. خروجی فتوترانزیستور:فتوترانزیستور معمولاً در پیکربندی امیتر مشترک استفاده می‌شود. یک مقاومت بار (R_L) بین کلکتور و منبع تغذیه مثبت (V_CC) متصل می‌شود. امیتر به زمین متصل است. هنگامی که نور به ترانزیستور می‌تابد، روشن می‌شود و ولتاژ کلکتور را پایین می‌کشد (به سمت V_CE(SAT)). در تاریکی، ترانزیستور خاموش است و ولتاژ کلکتور توسط R_CCبه V_Lکشیده می‌شود. مقدار R_Lدامنه نوسان ولتاژ خروجی و سرعت را تعیین می‌کند؛ یک R_Lکوچکتر پاسخ سریع‌تری می‌دهد اما دامنه نوسان کوچکتری دارد. دیتاشیت با R_L=100 اهم تست شده است.

6.2 ملاحظات طراحی

• مصونیت در برابر نور محیط:به عنوان یک سنسور بازتابی، می‌تواند در برابر نور محیط (به ویژه نور خورشید یا نور داخلی روشن حاوی مادون قرمز) حساس باشد. استفاده از سیگنال راه‌اندازی مدوله شده برای LED و تشخیص همزمان در مدار گیرنده می‌تواند به طور قابل توجهی مصونیت در برابر چنین تداخلی را بهبود بخشد.
• بازتابندگی شیء:فاصله حس‌کردن مؤثر و قدرت سیگنال به شدت به بازتابندگی شیء هدف بستگی دارد. سطوح با بازتابندگی بالا (مانند کاغذ سفید) بهترین عملکرد را دارند، در حالی که سطوح تیره یا مات ممکن است نور کافی را بازتاب ندهند.
• تراز و فاصله:فاصله حس‌کردن بهینه (فاصله بین سنسور و شیء بازتابنده) معمولاً در دیتاشیت کامل مشخص می‌شود. طراحی مکانیکی باید اطمینان حاصل کند که این فاصله به طور مداوم حفظ می‌شود.
• نویز الکتریکی:برای مسیرهای کابلی طولانی یا محیط‌های پرنویز، ممکن است محافظت و فیلتر کردن مناسب سیگنال خروجی ضروری باشد، زیرا خروجی فتوترانزیستور در حالت خاموش یک گره با امپدانس بالا است و می‌تواند نسبت به نویز القایی حساس باشد.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با سایر فناوری‌های حس‌گری، این فتواینتراپتر مزایای خاصی ارائه می‌دهد:

• در مقابل سوئیچ‌های مکانیکی:بدون نوسان تماس، طول عمر بسیار بیشتر (میلیون‌ها در مقابل هزاران چرخه)، پاسخ سریع‌تر و عملکرد بی‌صدا.
• در مقابل فتواینتراپترهای عبوری (اپتوکوپلرهای شکاف‌دار):انواع بازتابی مانند LTH-872-N55T1 نیازی ندارند که شیء از داخل یک شکاف عبور کند؛ آن‌ها می‌توانند اجسام را از فاصله حس کنند. این امر طراحی مکانیکی را برای کاربردهایی مانند تشخیص کاغذ که در آن کاغذ روی یک سطح حرکت می‌کند، ساده می‌کند.
• در مقابل سنسورهای مدرن (مانند اثر هال، اولتراسونیک):فتواینتراپترها برای تشخیص ساده حضور/عدم حضور عموماً ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر هستند. آن‌ها نیازی به آهنربا (مانند سنسورهای هال) ندارند و نسبت به سنسورهای اولتراسونیک پیچیدگی کمتری دارند، اگرچه ممکن است در مورد اهداف غیربازتابنده کارایی کمتری داشته باشند.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف از مشخصه جریان تاریکی (I_CEO) چیست؟

ج: جریان تاریکی، جریان نشتی کوچکی است که از فتوترانزیستور در زمانی که کاملاً تاریک است (بدون نور از LED و بدون نور محیط) عبور می‌کند. در حالت "خاموش"، این جریان که از مقاومت بار (R_L) عبور می‌کند، یک افت ولتاژ کوچک ایجاد می‌کند. جریان تاریکی بالا می‌تواند منجر به ولتاژ خروجی شود که کاملاً در سطح منطقی "بالا" نیست و ممکن است باعث تفسیر نادرست توسط مدار بعدی شود. مقدار حداکثر مشخص شده 100 نانوآمپر بسیار کم است و سیگنال حالت خاموش تمیزی را تضمین می‌کند.

س: چگونه جریان راه‌اندازی مناسب LED (I_F) را انتخاب کنم؟

ج: جریان راه‌اندازی بر خروجی نور تأثیر می‌گذارد که مستقیماً بر جریان خروجی فتوترانزیستور (I_C(ON)) و حساسیت قطعه تأثیر می‌گذارد. کار در شرایط تست معمول 20 میلی‌آمپر نقطه شروع خوبی است. اگر کاربرد بازتابندگی بالا و فاصله کوتاه دارد، می‌توانید جریان را برای صرفه‌جویی در توان کاهش دهید. افزایش جریان ممکن است قدرت سیگنال را برای اهداف دشوار بهبود بخشد اما تلفات توان را افزایش می‌دهد و باید زیر حداکثر مطلق 50 میلی‌آمپر باقی بماند. برای راهنمایی به منحنی معمول CTR در مقابل I_Fمراجعه کنید.

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

ج: محدوده دمای عملیاتی (25- تا 85+ درجه سانتی‌گراد) امکان استفاده در بسیاری از محیط‌ها را فراهم می‌کند. با این حال، نور مستقیم خورشید حاوی تابش مادون قرمز قوی است که می‌تواند فتوترانزیستور را اشباع کند و باعث تشخیص مداوم "روشن" شود. برای استفاده در فضای باز، فیلتر نوری (یک فیلتر عبوردهنده IR که نور مرئی را مسدود می‌کند اما طول موج LED را عبور می‌دهد) و/یا تکنیک‌های مدولاسیون سیگنال به شدت توصیه می‌شود تا نور مادون قرمز محیطی حذف شود.

9. اصل عملکرد

LTH-872-N55T1 بر اساس اصل مدولاسیون بازتاب داخلی عمل می‌کند. یک LED مادون قرمز نور ساطع می‌کند. در غیاب یک هدف بازتابنده در میدان حس‌گری، بیشتر این نور پراکنده می‌شود. هنگامی که یک شیء با بازتابندگی مناسب وارد میدان می‌شود، بخشی از نور ساطع شده به سمت دستگاه بازتاب می‌یابد. فتوترانزیستور یکپارچه، که به همان طول موج مادون قرمز حساس است، این نور بازتابیده را تشخیص می‌دهد. فوتون‌های تابیده شده در ناحیه بیس فتوترانزیستور جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند و به طور مؤثر جریان بیس را فراهم می‌کنند. این باعث می‌شود ترانزیستور روشن شود و جریان کلکتوری (I_C) متناسب با شدت نور بازتابیده جاری شود. این تغییر در جریان/ولتاژ خروجی سپس توسط مدار خارجی برای نشان دادن حضور شیء استفاده می‌شود.

10. روندهای صنعت

در حالی که فناوری پایه فتواینتراپتر بالغ است، روندها بر کوچک‌سازی، یکپارچه‌سازی و افزایش قابلیت‌ها متمرکز هستند. دستگاه‌های جدیدتر ممکن است دارای ویژگی‌های زیر باشند:

- پکیج‌های نصب سطحی (SMD):ابعاد کوچک‌تر برای مونتاژ PCB با چگالی بالا.

- ICهای یکپارچه:برخی از فتواینتراپترهای مدرن شامل تقویت‌کننده، تریگر اشمیت برای هیسترزیس و حتی خروجی دیجیتال (مانند I2C) روی تراشه هستند که طراحی واسط را ساده می‌کنند.

- سرعت بالاتر:توسعه برای دستیابی به زمان‌های پاسخ حتی سریع‌تر برای همگام شدن با افزایش سرعت ماشین‌آلات ادامه دارد.

- مصونیت بهبودیافته در برابر نور محیط:طرح‌های نوری پیشرفته و طرح‌های مدولاسیون به کار گرفته می‌شوند تا سنسورها در محیط‌های نوری چالش‌برانگیز مستحکم‌تر شوند. اصل حس‌گری بازتابی هسته، همان‌طور که در قطعاتی مانند LTH-872-N55T1 تجسم یافته است، برای طیف گسترده‌ای از وظایف تشخیص بدون تماس، یک راه‌حل قابل اعتماد و مقرون‌به‌صرفه باقی می‌ماند.