دیتاشیت فوتوترانزیستور LTR-5888DHP1 - بسته‌بندی سبز تیره - Vce 30V - Pc 100mW - مستندات فنی فارسی

1. مرور محصول

LTR-5888DHP1 یک فوتوترانزیستور با حساسیت بالا است که برای کاربردهای آشکارسازی مادون قرمز (IR) طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تبدیل نور مادون قرمز تابیده شده به جریان الکتریکی است. یک ویژگی کلیدی، بسته‌بندی پلاستیکی سبز تیره ویژه آن است که برای تضعیف یا حذف طول‌موج‌های نور مرئی مهندسی شده است. این طراحی، تداخل ناشی از منابع نور مرئی محیطی را به حداقل می‌رساند و دستگاه را به‌ویژه برای کاربردهایی مناسب می‌سازد که سیگنال مورد نظر صرفاً در طیف مادون قرمز است، مانند حسگرهای مجاورتی، تشخیص شیء و گیرنده‌های کنترل از راه‌دور مادون قرمز.

این دستگاه محدوده کاری وسیعی برای جریان کلکتور ارائه می‌دهد و با زمان‌های سوئیچینگ سریع مشخص می‌شود که امکان پاسخ سریع به تغییرات تابش IR را فراهم می‌کند. این ترکیب از فیلتر نوری، حساسیت و سرعت، آن را به یک قطعه همه‌کاره برای سیستم‌های الکترونیکی مختلفی تبدیل می‌کند که نیازمند آشکارسازی قابل اعتماد IR هستند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• اتلاف توان (P_C):100 میلی‌وات. این حداکثر توانی است که دستگاه می‌تواند در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس به صورت گرما تلف کند. تجاوز از این حد خطر فرار حرارتی و خرابی را به همراه دارد.
• ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO):30 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان بین پایه‌های کلکتور و امیتر اعمال کرد در حالی که بیس (ناحیه حساس به نور) باز است.
• ولتاژ امیتر-کلکتور (V_ECO):5 ولت. حداکثر ولتاژ معکوس قابل اعمال بین امیتر و کلکتور.
• محدوده دمای کاری:40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. محدوده دمای محیطی که دستگاه برای عملکرد صحیح در آن طراحی شده است.
• محدوده دمای نگهداری:55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس. محدوده دمایی برای نگهداری در حالت غیرفعال.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه بسته‌بندی. این مشخصه، محدودیت پروفیل لحیم‌کاری ریفلو را برای جلوگیری از آسیب به بسته‌بندی تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در T_A=25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند و عملکرد معمول دستگاه را تعریف می‌کنند.

• ولتاژهای شکست: V_(BR)CEO(حداقل 30V) و V_(BR)ECO(حداقل 5V). این‌ها ولتاژهایی هستند که در آن‌ها پیوند تحت جریان‌های تست مشخص شده و بدون روشنایی (E_e= 0 mW/cm²) دچار شکست می‌شود.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):حداکثر 0.4V در I_C= 100µA و E_e= 1 mW/cm². این افت ولتاژ دو سر ترانزیستور است وقتی که تحت تابش نور کاملاً "روشن" (اشباع) است. یک V_CE(SAT) پایین‌تر برای سوئیچینگ کارآمد مطلوب است.
• زمان‌های سوئیچینگ:زمان صعود (T_r) معمولاً 15 µs و زمان افت (T_f) معمولاً 18 µs است، که تحت شرایط V_CC=5V، I_C=1mA و R_L=1kΩ اندازه‌گیری شده‌اند. این زمان‌ها تعیین می‌کنند که خروجی چقدر سریع می‌تواند به یک ورودی نور پالسی پاسخ دهد.
• جریان تاریک کلکتور (I_CEO):حداکثر 100 nA در V_CE=10V و بدون روشنایی. این جریان نشتی کوچکی است که وقتی دستگاه در تاریکی کامل است، جاری می‌شود. جریان تاریک پایین‌تر نشان‌دهنده نسبت سیگنال به نویز بهتر در آشکارسازی نور کم است.
• نسبت جریان کلکتور (R):0.8 تا 1.25. این پارامتر احتمالاً تطابق بین دو فوتوترانزیستور یا کانال را مشخص می‌کند که برای کاربردهای حسگری تفاضلی مهم است.

3. توضیح سیستم باینینگ

LTR-5888DHP1 از یک سیستم باینینگ جامع بر اساس جریان کلکتور حالت روشن (I_C(ON)) استفاده می‌کند. باینینگ یک فرآیند کنترل کیفیت است که قطعات با ویژگی‌های عملکردی مشابه را گروه‌بندی می‌کند. دو جدول باینینگ ارائه شده است: یکی برای محدوده تنظیم تولید و دیگری برای محدوده تضمینی نهایی.

پارامتر I_C(ON)به عنوان میانگین جریان کلکتور تحت شرایط استاندارد (V_CE= 5V، E_e= 1 mW/cm²) تعریف می‌شود. دستگاه‌ها در سطل‌هایی با برچسب A تا H مرتب می‌شوند که هر کدام محدوده I_C(ON)خاصی دارند (مثلاً سطل A: 0.20mA تا 0.26mA برای تنظیم تولید). هر سطل با یک علامت‌گذاری رنگی متمایز (قرمز، مشکی، سبز، آبی، سفید، بنفش، زرد، نارنجی) مرتبط است. این به طراحان اجازه می‌دهد تا دستگاه‌هایی با حساسیت کنترل شده دقیق را برای نیازهای مدار خاص خود انتخاب کنند و عملکرد یکنواخت سیستم را تضمین کنند. به عنوان مثال، یک کاربرد که نیازمند آستانه راه‌اندازی دقیق است، از استفاده دستگاه‌های یک سطل واحد و باریک سود می‌برد.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین منحنی مشخصه معمول است که بینش بصری از رفتار دستگاه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهد.

• شکل 1: جریان تاریک کلکتور در مقابل دمای محیط:این نمودار نشان می‌دهد که چگونه I_CEOبا افزایش دما به صورت نمایی افزایش می‌یابد. این یک ملاحظه حیاتی برای کاربردهای دمای بالا است، زیرا جریان تاریک فزاینده می‌تواند سیگنال‌های نوری ضعیف را پنهان کند.
• شکل 2: اتلاف توان کلکتور در مقابل دمای محیط:این منحنی کاهش رتبه نشان می‌دهد که حداکثر اتلاف توان مجاز (P_C) با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. در دمای 85 درجه سلسیوس، حداکثر توانی که دستگاه می‌تواند تحمل کند به طور قابل توجهی کمتر از رتبه 100mW در 25 درجه سلسیوس است. طراحان باید از این منحنی برای اطمینان از عملکرد حرارتی ایمن استفاده کنند.
• شکل 3: زمان صعود و افت در مقابل مقاومت بار:این نمودار نشان می‌دهد که زمان‌های سوئیچینگ (T_rو T_f) با مقاومت بار بالاتر (R_L) افزایش می‌یابند. برای کاربردهایی که نیازمند حداکثر سرعت هستند، باید مقدار کمتری از R_Lانتخاب شود، اگرچه این بر دامنه ولتاژ خروجی تأثیر خواهد گذاشت.
• شکل 4: جریان کلکتور نسبی در مقابل تابندگی:این تابع انتقال اساسی فوتوترانزیستور است. نشان می‌دهد که جریان کلکتور در یک محدوده خاص به صورت خطی با تابندگی مادون قرمز تابیده شده (E_e) افزایش می‌یابد. شیب این خط نشان‌دهنده پاسخ‌دهی یا حساسیت دستگاه است.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

دستگاه از یک بسته‌بندی پلاستیکی سبز تیره ویژه استفاده می‌کند. ابعاد بسته‌بندی در دیتاشیت با تمام اندازه‌گیری‌ها بر حسب میلی‌متر ارائه شده است. نکات ابعادی کلیدی شامل موارد زیر است: تلرانس ±0.25mm مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد، حداکثر بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج 1.5mm و فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بسته‌بندی خارج می‌شوند. ماده سبز تیره به دلیل خواص فیلتر نوری آن حیاتی است و نور مرئی را مسدود می‌کند تا عملکرد خاص IR را بهبود بخشد.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

دستورالعمل اصلی ارائه شده مربوط به تنش حرارتی لحیم‌کاری است. پایه‌ها می‌توانند در معرض دمای 260 درجه سلسیوس برای حداکثر مدت 5 ثانیه قرار گیرند، که در نقطه‌ای در فاصله 1.6mm (0.063 اینچ) از بدنه بسته‌بندی اندازه‌گیری می‌شود. این مشخصه برای تعریف یک پروفیل لحیم‌کاری ریفلو ایمن حیاتی است. تجاوز از این محدودیت زمان-دما می‌تواند باعث آسیب داخلی به تراشه نیمه‌هادی، اتصالات سیمی یا خود بسته‌بندی پلاستیکی شود که منجر به خرابی فوری یا کاهش قابلیت اطمینان بلندمدت می‌شود. همچنین باید از روش‌های استاندارد صنعتی برای مدیریت دستگاه‌های حساس به رطوبت (MSL) پیروی شود مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

7. توصیه‌های کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

• گیرنده‌های کنترل از راه‌دور مادون قرمز:تشخیص سیگنال‌های IR مدوله شده از ریموت تلویزیون، کولر گازی و غیره.
• تشخیص مجاورت و شیء:استفاده در شیرهای آب اتوماتیک، خشک‌کن‌های دست، دستگاه‌های دستمال کاغذی و رباتیک برای حس کردن حضور یک شیء.
• شمارش و مرتب‌سازی صنعتی:تشخیص اجسام روی نوار نقاله هنگامی که با یک فرستنده IR جفت شده است.
• انکودرهای نوری:حس کردن شکاف‌ها یا نشانه‌ها روی یک دیسک چرخان برای اندازه‌گیری موقعیت یا سرعت.
• دتکتورهای دود:در برخی طراحی‌های محفظه نوری، برای تشخیص نور پراکنده شده توسط ذرات دود.

7.2 ملاحظات طراحی

• بایاس:فوتوترانزیستور می‌تواند در حالت سوئیچ (اشباع) یا حالت خطی (فعال) استفاده شود. در حالت سوئیچ (پیکربندی امیتر مشترک با مقاومت pull-up)، یک خروجی دیجیتال ارائه می‌دهد. در حالت خطی (اغلب با یک تقویت‌کننده عملیاتی)، یک خروجی آنالوگ متناسب با شدت نور ارائه می‌دهد.
• مقاومت بار (R_L):مقدار R_Lدر مدار کلکتور یک انتخاب طراحی کلیدی است. یک R_Lکوچکتر، سوئیچینگ سریع‌تری فراهم می‌کند (شکل 3 را ببینید) اما منجر به دامنه ولتاژ خروجی کوچکتر برای یک جریان نوری معین می‌شود. یک R_Lبزرگتر، دامنه ولتاژ بزرگتری می‌دهد اما پاسخ کندتر است.
• رد نور محیطی:در حالی که بسته‌بندی سبز تیره کمک می‌کند، برای محیط‌هایی با IR محیطی قوی (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای)، ممکن است فیلتر الکتریکی اضافی لازم باشد. استفاده از یک منبع IR مدوله شده و یک مدار گیرنده دمودولاتور یک تکنیک بسیار مؤثر است.
• مدیریت حرارتی:به شکل 2 (منحنی کاهش رتبه) مراجعه کنید تا اطمینان حاصل شود که اتلاف توان دستگاه در حداکثر دمای محیط کاری مورد انتظار در محدوده ایمن باقی می‌ماند.
• انتخاب باینینگ:سطل حساسیت مناسب (A-H) را بر اساس سطح سیگنال مورد نیاز و شدت منبع IR مورد انتظار انتخاب کنید تا عملکرد و یکنواختی مدار بهینه شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

متمایزکننده اصلی LTR-5888DHP1، بسته‌بندی سبز تیره اختصاصی آن برای سرکوب نور مرئی است. در مقایسه با فوتوترانزیستورهای شفاف یا بدون فیلتر، عملکرد بهتری در محیط‌هایی با نور مرئی محیطی بالا ارائه می‌دهد، زیرا احتمال راه‌اندازی اشتباه آن کمتر است. ترکیب آن از V_CEOنسبتاً بالا (30V)، سرعت سوئیچینگ سریع (محدوده µs) و یک سیستم باینینگ دقیق برای حساسیت، آن را به انتخابی قوی و مناسب برای طراحی برای طیف وسیعی از وظایف حسگری IR تبدیل می‌کند. باینینگ جامع امکان تطابق دقیق در کاربردهایی که نیازمند چندین سنسور یا نقاط راه‌اندازی بسیار یکنواخت هستند را فراهم می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف از بسته‌بندی سبز تیره چیست؟

ج: به عنوان یک فیلتر نور مرئی عمل می‌کند. نور در طیف مرئی (تقریباً 700-400 نانومتر) را تضعیف می‌کند در حالی که اجازه می‌دهد طول‌موج‌های مادون قرمز (معمولاً >700 نانومتر) به تراشه نیمه‌هادی عبور کنند. این امر نسبت سیگنال به نویز را در کاربردهای صرفاً IR بهبود می‌بخشد.

س: چگونه دو جدول باینینگ مختلف را تفسیر کنم؟

ج: جدول "تنظیم تولید" محدوده‌های داخلی تنگ‌تری را نشان می‌دهد که در طول تولید برای مرتب‌سازی دستگاه‌ها استفاده می‌شود. جدول "محدوده حالت روشن" محدوده وسیع‌تر و تضمینی مشخصات را نشان می‌دهد که مشتری می‌تواند به آن اتکا کند. دستگاه‌های یک سطل تولید واحد، عملکرد یکنواخت‌تری نسبت به دستگاه‌هایی که صرفاً محدوده تضمینی وسیع‌تر را برآورده می‌کنند، خواهند داشت.

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

ج: در حالی که بسته‌بندی نور مرئی را فیلتر می‌کند، نور خورشید حاوی مقدار قابل توجهی تابش مادون قرمز است. این می‌تواند سنسور را اشباع کند. برای استفاده در فضای باز یا در IR محیطی قوی، محافظ نوری، فیلتر الکتریکی یا استفاده از یک سیستم منبع IR مدوله شده به شدت توصیه می‌شود.

س: اگر از دمای/زمان لحیم‌کاری پایه تجاوز کنم چه اتفاقی می‌افتد؟

ج: می‌تواند باعث آسیب غیرقابل برگشت شود: ذوب شدن بسته‌بندی، شکستن اتصالات سیمی داخلی یا تخریب خواص نیمه‌هادی. همیشه به دستورالعمل 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه در فاصله 1.6mm از بدنه پایبند باشید.

10. مطالعه موردی طراحی عملی

سناریو: طراحی یک سنسور مجاورتی برای یک دستگاه اتوماتیک توزیع صابون.

هدف تشخیص دستی است که در فاصله حدود 10-5 سانتی‌متری زیر یک نازل قرار گرفته است. یک فرستنده LED IR در مقابل آشکارساز LTR-5888DHP1 قرار می‌گیرد، هر دو به سمت ناحیه تشخیص هستند.

مراحل طراحی:

1. پیکربندی مدار:از فوتوترانزیستور در حالت سوئیچ امیتر مشترک استفاده کنید. امیتر را به زمین، کلکتور را به یک مقاومت pull-up (R_L) متصل کنید که به یک ولتاژ تغذیه (مثلاً 5V) وصل شده است. سیگنال خروجی از نود کلکتور گرفته می‌شود.

2. انتخاب قطعات:یک LED IR با طول‌موج منطبق بر حساسیت اوج فوتوترانزیستور انتخاب کنید. یک مقدار R_L(مثلاً 10kΩ) که دامنه ولتاژ خوبی فراهم می‌کند، انتخاب کنید. بر اساس شدت IR بازتابی مورد انتظار، یک فوتوترانزیستور از سطل D یا E برای حساسیت متوسط انتخاب کنید.

3. مدولاسیون (اختیاری اما توصیه شده):برای رد نور محیطی، LED IR را با یک جریان پالسی (مثلاً 38kHz) راه‌اندازی کنید. خروجی فوتوترانزیستور را با یک فیلتر میان‌گذر یا یک IC گیرنده IR اختصاصی تنظیم شده بر روی همان فرکانس دنبال کنید. این کار سیستم را در برابر IR محیطی ثابت مصون می‌سازد.

4. تشخیص آستانه:ولتاژ خروجی در کلکتور زمانی که دست نور IR را به سمت آشکارساز منعکس می‌کند، افت خواهد کرد. می‌توان از یک مقایسه‌گر یا ADC میکروکنترلر برای تشخیص این تغییر ولتاژ و راه‌اندازی پمپ صابون استفاده کرد.

5. ملاحظات:هنگام تنظیم آستانه تشخیص، افزایش جریان تاریک با دما (شکل 1) را در نظر بگیرید. اطمینان حاصل کنید که اتلاف توان دستگاه طبق شکل 2 در محدوده مجاز است.

11. اصل عملکرد

یک فوتوترانزیستور اساساً یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) است که در آن ناحیه بیس در معرض نور قرار دارد و به یک پایانه الکتریکی متصل نیست. فوتون‌های تابیده شده با انرژی بیشتر از گاف نواری نیمه‌هادی در ناحیه پیوند بیس-کلکتور جذب می‌شوند. این جذب، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کند. میدان الکتریکی در پیوند بیس-کلکتور با بایاس معکوس، این حامل‌های بار را جارو می‌کند و یک جریان نوری تولید می‌کند. این جریان نوری به عنوان جریان بیس ترانزیستور عمل می‌کند. به دلیل بهره جریان ترانزیستور (β یا h_FE)، جریان کلکتور حاصل، حاصل ضرب جریان نوری در بهره است (I_C≈ β * I_photo). این تقویت داخلی چیزی است که به فوتوترانزیستور حساسیت بسیار بالاتری نسبت به یک فوتودیود ساده می‌دهد. ماده بسته‌بندی سبز تیره بیشتر فوتون‌های نور مرئی را جذب می‌کند، در حالی که فوتون‌های مادون قرمز می‌توانند عبور کنند و توسط سیلیکون جذب شوند تا جریان سیگنال را تولید کنند.

12. روندهای فناوری

حوزه اپتوالکترونیک برای حسگری همچنان در حال تکامل است. روندهای مرتبط با دستگاه‌هایی مانند LTR-5888DHP1 شامل موارد زیر است:

یکپارچه‌سازی:حرکت به سمت راه‌حل‌های یکپارچه‌ای که آشکارساز نوری، تقویت‌کننده و منطق دیجیتال (مانند تریگر اشمیت یا مدولاتور/دمودولاتور) را در یک بسته‌بندی واحد ترکیب می‌کنند (مانند ماژول‌های گیرنده IR).

کوچک‌سازی:توسعه فوتوترانزیستورها در بسته‌بندی‌های نصب سطحی کوچکتر برای پاسخگویی به نیازهای الکترونیک مصرفی فشرده.

استفاده از فیلترهای تداخل پیچیده‌تری که مستقیماً روی تراشه یا بسته‌بندی رسوب داده می‌شوند تا انتخاب‌پذیری طول‌موج تیزتری ارائه دهند و رد منابع نور محیطی ناخواسته را بهبود بخشند.بهینه‌سازی خاص کاربرد:

دستگاه‌ها به طور فزاینده‌ای برای کاربردهای بسیار خاص (مانند تشخیص پالس خاص برای ارتباطات داده، جریان تاریک بسیار کم برای اندازه‌گیری دقیق) مشخص و باینینگ می‌شوند، نه به عنوان قطعات همه‌کاره.Devices are increasingly being characterized and binned for very specific applications (e.g., specific pulse detection for data communication, very low dark current for precision measurement), rather than as general-purpose components.