دیتاشیت فوتوترانزیستور LTR-3208 - ابعاد پکیج - ولتاژ کلکتور-امیتر 30 ولت - اتلاف توان 100 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTR-3208 یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN است که برای کاربردهای تشخیص مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه در یک پکیج پلاستیکی کم‌هزینه قرار دارد که دارای یک لنز یکپارچه بهینه‌شده برای حساسیت بالا می‌باشد. این قطعه به گونه‌ای طراحی شده است که نور مادون قرمز فرودی را به جریان الکتریکی متناظر در پایه کلکتور خود تبدیل می‌کند و آن را برای سیستم‌های مختلف سنجش و تشخیص که نیازمند تشخیص نور قابل اعتماد و مقرون‌به‌صرفه هستند، مناسب می‌سازد.

1.1 مزایای اصلی

این قطعه چندین مزیت کلیدی برای طراحان ارائه می‌دهد. ویژگی اصلی آن، محدوده کاری گسترده جریان کلکتور است که انعطاف‌پذیری در طراحی مدار در سطوح سیگنال مختلف را فراهم می‌کند. ادغام یک لنز در داخل پکیج، حساسیت آن به تابش مادون قرمز ورودی را افزایش داده و نسبت سیگنال به نویز و برد تشخیص را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، استفاده از یک پکیج پلاستیکی استاندارد، منجر به کاهش هزینه کلی قطعه شده و آن را به گزینه‌ای جذاب برای کاربردهای با حجم تولید بالا یا حساس به هزینه تبدیل می‌کند.

1.2 بازار هدف و کاربردها

این فوتوترانزیستور، بازار گسترده اپتوالکترونیک را هدف قرار داده و کاربردهایی را که نیازمند سنجش غیرتماسی هستند، پشتیبانی می‌کند. موارد استفاده متداول شامل تشخیص شیء، سنجش موقعیت، قطع‌کننده‌های شکاف (مانند پرینترها و انکودرها)، سوئیچ‌های بدون تماس و سیستم‌های اتوماسیون صنعتی می‌شود. قابلیت اطمینان و رابط ساده آن (که معمولاً نیازمند یک مقاومت pull-up و یک ولتاژ تغذیه است)، آن را به انتخابی رایج برای هر دو حوزه الکترونیک مصرفی و سیستم‌های کنترل صنعتی تبدیل کرده است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

عملکرد الکتریکی و نوری LTR-3208 تحت شرایط دمای محیط استاندارد (25 درجه سانتی‌گراد) مشخص شده است. درک این پارامترها برای طراحی صحیح مدار و اطمینان از عملکرد قابل اعتماد در محدوده‌های مشخص شده قطعه، حیاتی است.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز 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 نزدیک به آن تضمین نمی‌شود. حداکثر اتلاف توان 100 میلی‌وات است که طراحی حرارتی کاربرد را دیکته می‌کند. ولتاژ مجاز کلکتور-امیتر (V_CEO) 30 ولت است، در حالی که ولتاژ مجاز امیتر-کلکتور (V_ECO) 5 ولت است که نشان‌دهنده عدم تقارن قطعه می‌باشد. محدوده دمای کاری از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است و می‌تواند در محیط‌های ذخیره‌سازی از 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد قرار گیرد. برای لحیم‌کاری، پایه‌ها می‌توانند دمای 260 درجه سانتی‌گراد را به مدت 5 ثانیه، هنگامی که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج اندازه‌گیری می‌شوند، تحمل کنند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

پارامترهای عملیاتی کلیدی، عملکرد قطعه را تحت شرایط آزمایش خاص تعریف می‌کنند. ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)CEO) به طور معمول در جریان کلکتور 1 میلی‌آمپر و بدون نوردهی، 30 ولت است. ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)) بسیار پایین است و از 0.1 ولت (حداقل) تا 0.4 ولت (حداکثر) متغیر است، هنگامی که قطعه با جریان کلکتور 100 میکروآمپر تحت تابش 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع راه‌اندازی می‌شود. این ولتاژ اشباع پایین برای کاربردهای سوئیچینگ مطلوب است. سرعت سوئیچینگ با زمان صعود (T_r) و زمان نزول (T_f) مشخص می‌شود که به ترتیب تحت شرایط آزمایش V_CC=5 ولت، I_C=1 میلی‌آمپر و R_L=1 کیلواهم، 10 میکروثانیه و 15 میکروثانیه تعیین شده است. جریان تاریک کلکتور (I_CEO) که جریان نشتی در عدم وجود نور است، حداکثر مقدار 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت را دارد.

2.3 جریان کلکتور در حالت روشن و دسته‌بندی

یک پارامتر حیاتی، جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)) است که خروجی جریان هنگام نوردهی به قطعه می‌باشد. این پارامتر دسته‌بندی شده است، به این معنی که قطعات در گروه‌های عملکردی مرتب می‌شوند. شرایط آزمایش V_CE= 5 ولت با تابش 1 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع در طول موج 940 نانومتر است. دسته‌ها به شرح زیر هستند: دسته C: 0.8 تا 2.4 میلی‌آمپر؛ دسته D: 1.6 تا 4.8 میلی‌آمپر؛ دسته E: 3.2 تا 9.6 میلی‌آمپر؛ دسته F: 6.4 میلی‌آمپر (حداقل). این دسته‌بندی به طراحان اجازه می‌دهد قطعه‌ای با محدوده حساسیت مناسب برای کاربرد خاص خود انتخاب کنند و عملکرد یکنواخت سیستم را تضمین نمایند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد پارامترهای کلیدی چگونه با عوامل محیطی و عملیاتی تغییر می‌کنند. این نمودارها برای درک رفتار قطعه فراتر از مشخصات تک‌نقطه‌ای ارائه شده در جداول، ضروری هستند.

3.1 وابستگی به دما

شکل 1 رابطه بین جریان تاریک کلکتور (I_CEO) و دمای محیط (T_a) را نشان می‌دهد. جریان تاریک به صورت نمایی با دما افزایش می‌یابد که یک ویژگی ذاتی پیوندهای نیمه‌هادی است. طراحان باید این افزایش نشتی را در محیط‌های با دمای بالا در نظر بگیرند، زیرا می‌تواند بر سطح سیگنال در حالت خاموش و سطح نویز زمینه تأثیر بگذارد. شکل 2 کاهش مجاز حداکثر اتلاف توان کلکتور (P_C) را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. مقدار مجاز 100 میلی‌وات فقط در دمای 25 درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر معتبر است؛ بالاتر از این دما، حداکثر توان باید به صورت خطی کاهش یابد تا از تنش حرارتی بیش از حد جلوگیری شود.

3.2 مشخصات دینامیکی و پاسخگویی

شکل 3 نشان می‌دهد که زمان‌های صعود و نزول (T_r, T_f) چگونه تحت تأثیر مقاومت بار (R_L) قرار می‌گیرند. زمان‌های سوئیچینگ با مقاومت‌های بار بزرگ‌تر افزایش می‌یابند. این یک ملاحظه حیاتی برای طراحی مدارهای تشخیص سرعت بالا است، جایی که ممکن است یک مقاومت بار کوچک‌تر برای دستیابی به پهنای باند مورد نظر لازم باشد، اگرچه به بهای مصرف جریان بالاتر تمام می‌شود. شکل 4 جریان کلکتور نسبی را به عنوان تابعی از تابش (E_e) نشان می‌دهد. این رابطه در ناحیه کاری عموماً خطی است که تأیید می‌کند جریان خروجی مستقیماً با توان نور فرودی متناسب است، که برای کاربردهای سنجش آنالوگ ایده‌آل است.

3.3 پاسخ طیفی

شکل‌های 5 و 6 مربوط به حساسیت طیفی قطعه هستند. شکل 5 یک نمودار قطبی است که وابستگی زاویه‌ای حساسیت را نشان می‌دهد و مشخص می‌کند که خروجی چگونه با زاویه نور فرودی نسبت به محور قطعه تغییر می‌کند. این برای هم‌ترازی در سیستم‌های نوری مهم است. شکل 6، منحنی توزیع طیفی، نشان می‌دهد که LTR-3208 بیشترین حساسیت را به نور مادون قرمز دارد، با اوج پاسخ‌دهی در یک طول موج خاص (که معمولاً در ناحیه مادون قرمز نزدیک برای فوتوترانزیستورهای سیلیکونی است). پاسخ آن به نور مرئی ناچیز است که در بسیاری موارد آن را در برابر نور محیطی اتاق مصون می‌سازد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد پکیج

LTR-3208 از یک پکیج پلاستیکی استاندارد با سه پایه استفاده می‌کند. پکیج شامل یک لنز قالب‌گیری شده در بالا برای متمرکز کردن نور ورودی بر روی ناحیه نیمه‌هادی حساس است. ابعاد حیاتی شامل اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج است که حداکثر 1.5 میلی‌متر مشخص شده است. فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای که پایه‌ها از بدنه پکیج خارج می‌شوند، اندازه‌گیری می‌شود. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر ارائه شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. طرح فیزیکی و ابعاد برای طراحی جایگاه PCB و اطمینان از نصب مناسب در مجموعه ضروری هستند.

4.2 شناسایی قطبیت و پین‌اوت

این قطعه سه پایه دارد: کلکتور، امیتر و بیس (که اغلب بدون اتصال رها می‌شود یا در برخی پیکربندی‌ها برای بایاس استفاده می‌شود). پین‌اوت معمول برای یک فوتوترانزیستور در این پکیج به این صورت است: هنگام مشاهده قطعه از بالا (سمت لنز) در حالی که سمت صاف یا فرورفتگی به جهت خاصی روبرو است، پایه‌ها از چپ به راست معمولاً امیتر، کلکتور و بیس هستند. با این حال، طراحان همیشه باید پین‌اوت را از نقشه مکانیکی در دیتاشیت تأیید کنند تا از خطاهای اتصال جلوگیری شود. پکیج ممکن است یک علامت یا فرورفتگی برای شناسایی پایه 1 نیز داشته باشد.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 پارامترهای لحیم‌کاری رفلو

اگرچه جزئیات مشخص پروفیل رفلو در این بخش ارائه نشده است، اما حداکثر مقادیر مجاز مطلق یک محدودیت حیاتی ارائه می‌دهند: پایه‌ها می‌توانند دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد را حداکثر به مدت 5 ثانیه، هنگامی که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج اندازه‌گیری می‌شوند، تحمل کنند. این بدان معناست که پروفیل‌های استاندارد لحیم‌کاری بدون سرب (که اغلب اوج دمایی حدود 245-260 درجه سانتی‌گراد دارند) قابل قبول هستند، اما زمان بالاتر از نقطه ذوب باید کنترل شود تا از آسیب به پکیج جلوگیری گردد. توصیه می‌شود استانداردهای JEDEC یا IPC برای لحیم‌کاری قطعات پلاستیکی محصورشده رعایت شود.

5.2 اقدامات احتیاطی در حمل‌ونقل و ذخیره‌سازی

این قطعه باید با رعایت احتیاط‌های استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) حمل شود، زیرا پیوند نیمه‌هادی می‌تواند توسط الکتریسیته ساکن آسیب ببیند. ذخیره‌سازی باید در محدوده دمای مشخص شده 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد در یک محیط کم‌رطوبت انجام شود. لنز باید تمیز و عاری از خراش، آلودگی یا نشت اپوکسی در طول مونتاژ نگه داشته شود، زیرا این موارد می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد نوری و حساسیت داشته باشند.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

متداول‌ترین پیکربندی مدار، حالت "سوئیچ" است. کلکتور فوتوترانزیستور از طریق یک مقاومت pull-up (R_CC) به ولتاژ تغذیه مثبت (V_L) متصل می‌شود. امیتر به زمین متصل است. سیگنال خروجی از نود کلکتور گرفته می‌شود. هنگامی که نور وجود ندارد، قطعه خاموش است و خروجی به سمت V_CC بالا کشیده می‌شود. هنگامی که نور مادون قرمز کافی به قطعه برخورد کند، روشن می‌شود و ولتاژ خروجی را به سمت V_CE(SAT) پایین می‌کشد. مقدار R_L دامنه نوسان خروجی، مصرف جریان و سرعت سوئیچینگ را تعیین می‌کند، همانطور که در منحنی‌های عملکرد نشان داده شده است.

6.2 ملاحظات طراحی

عوامل کلیدی طراحی شامل موارد زیر است:بایاس:اطمینان حاصل کنید که V_CE کاری در محدوده حداکثر مجاز (30 ولت) باشد.انتخاب مقاومت بار:R_L را بر اساس سرعت سوئیچینگ مورد نیاز (نگاه کنید به شکل 3)، دامنه نوسان ولتاژ خروجی و مصرف توان انتخاب کنید. یک R_L کوچک‌تر سرعت بالاتر اما جریان بیشتری می‌دهد.هم‌ترازی نوری:نمودار حساسیت زاویه‌ای (شکل 5) را هنگام طراحی مسیر نوری بین فرستنده و گیرنده مادون قرمز در نظر بگیرید.مصونیت در برابر نور محیط:اگرچه قطعه عمدتاً به IR حساس است، منابع قوی IR محیطی (مانند نور خورشید یا لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند باعث تحریک کاذب شوند. استفاده از سیگنال IR مدوله‌شده و تشخیص همزمان می‌تواند مصونیت در برابر نویز را به شدت بهبود بخشد.اثرات دما:افزایش جریان تاریک با دما را در نظر بگیرید، که ممکن است نیاز به تنظیم آستانه در مدار تشخیص داشته باشد.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با یک فوتودیود ساده، یک فوتوترانزیستور بهره داخلی ارائه می‌دهد که منجر به جریان خروجی بسیار بزرگ‌تری برای همان نور ورودی می‌شود و اغلب نیاز به مرحله تقویت کننده اضافی را مرتفع می‌سازد. در مقایسه با سایر فوتوترانزیستورها، تمایز LTR-3208 در ترکیب خاص پکیج آن (با لنز یکپارچه برای حساسیت بالاتر)، دسته‌بندی جریان تعریف شده آن که امکان انتخاب حساسیت را فراهم می‌کند و رتبه‌بندی الکتریکی متعادل آن (30 ولت V_CEO, 100 میلی‌وات P_D) نهفته است. V_CE(SAT) پایین نیز یک ویژگی مطلوب برای سوئیچینگ دیجیتال تمیز است.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف از دسته‌های مختلف (C, D, E, F) برای I_C(ON)?

چیست؟ ج: دسته‌بندی، قطعات را بر اساس حساسیت آن‌ها مرتب می‌کند. قطعات دسته F بالاترین حداقل جریان خروجی (حساس‌ترین) را دارند، در حالی که قطعات دسته C کمترین را دارند. این به شما امکان می‌دهد قطعه‌ای را انتخاب کنید که با سطح سیگنال مورد نیاز سیستم شما مطابقت دارد، یکنواختی را تضمین می‌کند و با ارائه یک محدوده سیگنال قابل پیش‌بینی، طراحی مدار را به طور بالقوه ساده می‌سازد.

س: آیا می‌توانم از این سنسور در نور خورشید استفاده کنم؟

ج: نور مستقیم خورشید حاوی مقدار قابل توجهی تابش مادون قرمز است و به احتمال زیاد سنسور را اشباع می‌کند و باعث حالت "روشن" دائمی می‌شود. برای استفاده در فضای باز یا در محیط‌های با نور روشن، به شدت توصیه می‌شود از فیلتر نوری (یک فیلتر عبور IR که نور مرئی را مسدود می‌کند) و/یا تکنیک‌های مدولاسیون سیگنال برای تمایز سیگنال IR مورد نظر از نویز IR محیطی استفاده شود.

س: چگونه زمان‌های صعود و نزول را تفسیر کنم؟

ج: این مقادیر سرعتی را مشخص می‌کنند که خروجی می‌تواند حالت خود را تغییر دهد. زمان صعود 10 میکروثانیه به این معنی است که تقریباً 10 میکروثانیه طول می‌کشد تا خروجی از 10% به 90% مقدار نهایی خود برسد هنگامی که نور اعمال می‌شود. این فرکانس حداکثر نور مدوله‌شده‌ای که می‌تواند به طور دقیق تشخیص داده شود را محدود می‌کند. برای تشخیص ساده شیء، این سرعت بیش از حد کافی است. برای ارتباطات پرسرعت، ممکن است یک عامل محدودکننده باشد.

9. مثال موردی عملی

سناریو: تشخیص کاغذ در یک پرینتر.یک LTR-3208 (از یک دسته حساسیت مناسب) و یک LED مادون قرمز در دو طرف مسیر کاغذ قرار می‌گیرند، به گونه‌ای هم‌تراز شده‌اند که کاغذ پرتو را قطع کند. فوتوترانزیستور در یک مدار سوئیچ با یک مقاومت pull-up 10 کیلواهم به 5 ولت پیکربندی شده است. هنگامی که کاغذ وجود ندارد، نور IR به سنسور برخورد می‌کند، آن را روشن می‌کند و پایه خروجی را به یک ولتاژ پایین (~0.2 ولت) می‌کشد. هنگامی که کاغذ عبور می‌کند، نور را مسدود می‌کند، فوتوترانزیستور را خاموش می‌کند و اجازه می‌دهد پایه خروجی به سمت 5 ولت بالا کشیده شود. این سیگنال دیجیتال به یک میکروکنترلر تغذیه می‌شود تا حضور کاغذ و تشخیص لبه را ردیابی کند. لنز روی LTR-3208 به متمرکز کردن پرتو IR کمک می‌کند، قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشد و اجازه می‌دهد فاصله کمی بیشتر بین فرستنده و گیرنده وجود داشته باشد.

10. اصل عملکرد

یک فوتوترانزیستور یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی است که ناحیه بیس آن در معرض نور قرار دارد. فوتون‌های فرودی با انرژی بیشتر از گاف نواری نیمه‌هادی، جفت‌های الکترون-حفره را در پیوند بیس-کلکتور تولید می‌کنند. این حامل‌های فوتوژنریک معادل یک جریان بیس هستند. به دلیل تقویت جریان ترانزیستور (بتا یا h_FE)، این جریان فوتوی کوچک ضرب می‌شود و منجر به جریان کلکتور بسیار بزرگ‌تری می‌گردد. این قطعه اساساً تشخیص نور یک فوتودیود را با بهره جریان یک ترانزیستور در یک پکیج واحد ترکیب می‌کند. لنز یکپارچه برای متمرکز کردن نور بیشتر بر روی ناحیه نیمه‌هادی فعال عمل می‌کند، "جریان بیس" مؤثر و در نتیجه سیگنال خروجی را افزایش می‌دهد.

11. روندهای فناوری

روند کلی در قطعات اپتوالکترونیک گسسته مانند فوتوترانزیستورها، به سمت مینیاتوری‌سازی، یکپارچگی بالاتر و بهبود عملکرد است. این شامل توسعه پکیج‌های نصب سطحی با جایگاه کوچک‌تر و ارتفاع کمتر برای پاسخگویی به نیازهای طراحی‌های مدرن و متراکم PCB می‌شود. همچنین حرکتی به سمت قطعاتی با پارامترهای عملکردی بهتر تعریف شده و یکنواخت‌تر وجود دارد که نیاز به کالیبراسیون در کاربردهای نهایی را کاهش می‌دهد. در برخی کاربردهای پیشرفته، فوتوترانزیستورها با مدارهای تقویت و تنظیم سیگنال روی تراشه ادغام می‌شوند تا راه‌حل‌های کامل‌تری از نوع "سنسور در یک پکیج" ایجاد کنند، اگرچه قطعات گسسته مانند LTR-3208 به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و مقرون‌به‌صرفه بودن در طیف وسیعی از وظایف سنجش استاندارد، همچنان بسیار مرتبط هستند.