دیتاشیت سنسور نوری بازتابی ITR8307/F43 - LED مادون قرمز و فوتوترانزیستور - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

ITR8307/F43 یک سنسور نوری بازتابی فشرده و نصب‌سطحی است که برای تشخیص اشیاء در فاصله کوتاه طراحی شده است. این قطعه یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR-LED) و یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN با حساسیت بالا را در یک پکیج پلاستیکی واحد ادغام می‌کند. عملکرد اصلی آن، تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء با انتشار نور مادون قرمز از LED و اندازه‌گیری میزان نوری است که به فوتوترانزیستور بازتاب می‌یابد.

مزایای اصلی این دستگاه شامل زمان پاسخگویی سریع، حساسیت بالا به نور مادون قرمز و توانایی آن در فیلتر کردن تداخل نور مرئی است که عملکرد مطمئنی را تضمین می‌کند. فرم‌فاکتور نازک و فشرده آن، آن را برای کاربردهای با محدودیت فضا در الکترونیک مصرفی و تجهیزات کنترل‌شده با ریزپردازنده مناسب می‌سازد.

این دستگاه به صورت بدون سرب (Pb-free) تولید شده، با مقررات REACH اتحادیه اروپا مطابقت دارد و از استانداردهای بدون هالوژن پیروی می‌کند (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). همچنین طراحی آن به گونه‌ای است که در محدوده مشخصات دستورالعمل RoHS باقی می‌ماند.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

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

• اتلاف توان ورودی (IR-LED) (Pd):75 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر. تجاوز از این مقدار می‌تواند باعث گرمای بیش از حد پیوند LED شود.
• ولتاژ معکوس LED (VR):5 ولت. اعمال ولتاژ معکوس بالاتر می‌تواند باعث شکست شود.
• جریان مستقیم LED (IF):50 میلی‌آمپر پیوسته. جریان مستقیم پیک (IFP) برای پالس‌هایی با عرض 100 میکروثانیه در دوره 10 میلی‌ثانیه، 1 آمپر است.
• اتلاف توان کلکتور خروجی (فوتوترانزیستور) (PC):75 میلی‌وات.
• جریان کلکتور (IC):حداکثر 50 میلی‌آمپر.
• ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CEO):30 ولت. این حداکثر ولتاژی است که می‌توان با بیس باز بین کلکتور و امیتر اعمال کرد.
• دمای عملیاتی (T_opr):از 25- درجه سانتی‌گراد تا +85 درجه سانتی‌گراد. دستگاه در این محدوده دمای محیطی عملکردی است.
• دمای نگهداری (T_stg):از 30- درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه. این پارامتر برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو بسیار حیاتی است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکال

این پارامترها در دمای Ta=25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شده و عملکرد معمول دستگاه را تعریف می‌کنند.

• ولتاژ مستقیم LED (V_F):معمولاً 1.2 ولت، با حداکثر 1.6 ولت در جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر. این پارامتر برای طراحی مدار درایور محدودکننده جریان مهم است.
• طول موج پیک LED (λ_P):940 نانومتر. این طول‌موجی است که LED مادون قرمز بیشترین توان نوری را در آن ساطع می‌کند و با حساسیت پیک فوتوترانزیستور سیلیکونی مطابقت دارد.
• جریان تاریک فوتوترانزیستور (I_CEO):حداکثر 100 نانوآمپر در V_CE=10 ولت و بدون تابش (E_e=0). این جریان نشتی زمانی است که سنسور در حالت 'خاموش' است و برای نسبت سیگنال به نویز خوب باید به حداقل برسد.
• جریان کلکتور (I_C(ON)):حداقل 0.1 میلی‌آمپر تحت شرایط تست V_CE=5 ولت و I_F=20 میلی‌آمپر. این جریان فوتویی است که وقتی LED فعال است و یک شیء در محدوده تشخیص قرار دارد، تولید می‌شود.
• زمان صعود/سقوط (t_r, t_f):معمولاً هر کدام 20 میکروثانیه. این پارامتر سرعت سوئیچینگ فوتوترانزیستور را تعریف می‌کند که برای تشخیص اشیاء متحرک سریع یا انتقال داده پرسرعت در برخی کاربردها حیاتی است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین منحنی مشخصه است که درک عمیق‌تری از رفتار دستگاه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهد. اگرچه نمودارهای خاص در اینجا بازتولید نشده‌اند، اما مفاهیم معمول آنها توضیح داده شده است.

3.1 ویژگی‌های LED مادون قرمز

منحنی‌های برای ساطع‌کننده مادون قرمز معمولاً رابطه بین ولتاژ مستقیم و جریان مستقیم (منحنی I-V) را نشان می‌دهند که غیرخطی است. همچنین شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم را نشان می‌دهند که چگونگی افزایش خروجی نوری با جریان درایو را نشان می‌دهد و تأثیر دمای محیط بر این خروجی را که عموماً با افزایش دما کاهش می‌یابد.

3.2 ویژگی‌های فوتوترانزیستور

منحنی‌های برای گیرنده معمولاً جریان کلکتور در مقابل ولتاژ کلکتور-امیتر را برای سطوح مختلف تابندگی (توان نوری ورودی) به تصویر می‌کشند. این خانواده منحنی‌ها شبیه به مشخصات خروجی یک ترانزیستور دوقطبی است، با این تفاوت که تابندگی مانند جریان بیس عمل می‌کند. منحنی‌های دیگر ممکن است جریان کلکتور در مقابل فاصله تا یک سطح بازتابنده یا در مقابل جریان درایو LED را نشان دهند که تابع انتقال سنسور را تعریف می‌کنند.

3.3 ویژگی‌های ترکیبی سنسور

این منحنی‌ها عملکرد مجموعه کامل سنسور را نشان می‌دهند. یک نمودار کلیدی، جریان کلکتور در مقابل فاصله تا یک سطح بازتابنده استاندارد (اغلب یک کارت سفید) برای یک جریان LED ثابت است. این منحنی محدوده حسگری مؤثر و پاسخ غیرخطی بر اساس فاصله را تعریف می‌کند که برای طراحی تشخیص آستانه حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

دستگاه در یک پکیج فشرده و نصب‌سطحی عرضه می‌شود. ابعاد دقیق در نقشه پکیج دیتاشیت ارائه شده است. نکات کلیدی نقشه مشخص می‌کند که تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر است و تلرانس عمومی ±0.15 میلی‌متر می‌باشد مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. قرارگیری کنار هم LED مادون قرمز و فوتوترانزیستور برای حسگری بازتابی بهینه شده است. پکیج شامل نشانه‌های قطبی‌بندی است تا جهت‌دهی صحیح در حین مونتاژ PCB تضمین شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

ریتینگ حداکثر مطلق برای دمای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه است. این پارامتر باید در طول فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو یا موجی به شدت رعایت شود تا از آسیب به پکیج پلاستیکی یا اتصالات سیمی داخلی جلوگیری شود. پروفایل‌های استاندارد IPC/JEDEC J-STD-020 برای لحیم‌کاری بدون سرب عموماً قابل اعمال هستند، اما دمای پیک و زمان بالاتر از نقطه ذوب باید کنترل شود. قرارگیری طولانی‌مدت در معرض رطوبت بالا قبل از لحیم‌کاری باید اجتناب شود و رویه‌های استاندارد مدیریت سطح حساسیت به رطوبت (MSL) توصیه می‌شود، اگرچه طبقه‌بندی MSL خاص در محتوای ارائه شده ذکر نشده است.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

بسته‌بندی استاندارد به شرح زیر است:

1. 160 قطعه در هر تیوب.
2. 18 تیوب در هر کارتن داخلی.
3. 12 کارتن داخلی در هر کارتن اصلی (خارجی).

برچسب روی بسته‌بندی شامل فیلدهایی برای شماره تولید مشتری (CPN)، شماره قطعه (P/N)، تعداد بسته‌بندی (QTY)، رتبه‌ها (CAT)، طول موج پیک (HUE)، مرجع (REF)، شماره لات (LOT No.) و محل تولید است.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

دیتاشیت چندین کاربرد کلاسیک را فهرست می‌کند: دوربین‌ها (مثلاً برای تشخیص حضور فیلم یا نوار)، دستگاه‌های VCR، درایوهای فلاپی دیسک، ضبط‌کننده‌های نوار کاست و تجهیزات کنترل ریزپردازنده متنوع. کاربردهای مدرن شامل تشخیص کاغذ در پرینترها، تشخیص سکه در دستگاه‌های فروش خودکار، حسگری لبه، شمارش اشیاء و حسگری مجاورت در دستگاه‌های مصرفی که نیاز به تشخیص غیرتماسی دارند می‌شود.

7.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان:باید از یک مقاومت سری با LED مادون قرمز استفاده شود تا جریان مستقیم (I_F) را به یک مقدار ایمن محدود کند، که برای عملکرد استاندارد معمولاً 20 میلی‌آمپر است و با استفاده از ولتاژ تغذیه و ولتاژ مستقیم LED (V_F) محاسبه می‌شود.
• مقاومت بار:خروجی فوتوترانزیستور نیاز به یک مقاومت pull-up یا بار (R_L) دارد که بین کلکتور و تغذیه مثبت متصل می‌شود. مقدار آن دامنه نوسان ولتاژ خروجی و سرعت پاسخ را تعیین می‌کند. یک مقاومت کوچکتر پاسخ سریع‌تر اما حساسیت کمتر (تغییر ولتاژ کوچکتر) فراهم می‌کند.
• مصونیت در برابر نور محیط:در حالی که دستگاه نور مرئی را قطع می‌کند، منابع قوی مادون قرمز محیطی (نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند بر عملکرد تأثیر بگذارند. محافظ مکانیکی، فیلترهای نوری یا تکنیک‌های مدولاسیون/دمدولاسیون (پالس دادن به LED و خواندن همزمان خروجی) می‌توانند قابلیت اطمینان را بهبود بخشند.
• بازتابندگی:محدوده تشخیص و قدرت سیگنال به شدت به بازتابندگی، رنگ و بافت سطح شیء هدف وابسته است. ممکن است کالیبراسیون یا آستانه‌های قابل تنظیم ضروری باشد.

8. مقایسه فنی

ITR8307/F43 مجموعه خاصی از ویژگی‌ها را ارائه می‌دهد. در مقایسه با فوتوترانزیستورها یا فوتودیودهای ساده‌تر، یک راه‌حل یکپارچه و تراز شده برای حسگری بازتابی فراهم می‌کند. در مقایسه با سنسورهای خروجی دیجیتال مدرن با منطق داخلی، این یک قطعه آنالوگ است که برای شکل‌دهی سیگنال به مدار خارجی نیاز دارد و انعطاف‌پذیری طراحی بیشتری اما پیچیدگی بیشتری ارائه می‌دهد. تمایزهای کلیدی آن اندازه فشرده، زمان پاسخ سریع (20 میکروثانیه) و انطباق با مقررات زیست‌محیطی (RoHS, REACH, Halogen-Free) است.

9. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: فاصله حسگری معمول چقدر است؟

پ: دیتاشیت حداکثر فاصله را مشخص نمی‌کند زیرا به شدت به بازتابندگی هدف و جریان درایو LED بستگی دارد. شرایط تست برای I_C(ON)از یک فاصله 1 میلی‌متری استفاده می‌کند که نشان می‌دهد برای تشخیص در محدوده بسیار کوتاه بهینه شده است. محدوده‌های عملی معمولاً چند میلی‌متر تا چند سانتی‌متر است.

س: آیا می‌توانم LED را مستقیماً با یک منبع ولتاژ راه‌اندازی کنم؟

پ: خیر. LED باید با یک منبع محدودکننده جریان راه‌اندازی شود که تقریباً همیشه با یک مقاومت سری پیاده‌سازی می‌شود تا از فرار حرارتی و تخریب ناشی از جریان بیش از حد جلوگیری شود.

س: چگونه خروجی را به یک میکروکنترلر متصل کنم؟

پ: خروجی کلکتور فوتوترانزیستور یک ولتاژ آنالوگ است که با نور بازتابیده تغییر می‌کند. می‌توان آن را به پایه مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یک میکروکنترلر برای اندازه‌گیری دقیق متصل کرد، یا از طریق یک مدار مقایسه‌گر برای ایجاد یک سیگنال دیجیتال روشن/خاموش برای یک پایه GPIO استفاده کرد.

س: هدف از ویژگی 'قطع طول موج مرئی' چیست؟

پ: فوتوترانزیستور طوری طراحی شده است که عمدتاً به نور مادون قرمز 940 نانومتری از LED جفت شده خود حساس باشد و حساسیت کمتری به نور مرئی داشته باشد. این امر باعث کاهش تحریک کاذب ناشی از تغییرات نور محیط اتاق می‌شود.

10. مورد کاربردی عملی

مورد: تشخیص پایان کاغذ در یک پرینتر رومیزی

سنسور در داخل پرینتر نصب شده و به سمت مسیر کاغذ قرار دارد. یک پرچم بازتابنده یا خود کاغذ به عنوان هدف عمل می‌کند. وقتی کاغذ وجود دارد، نور مادون قرمز به فوتوترانزیستور بازتاب می‌یابد و یک جریان کلکتور بالا و یک ولتاژ خروجی پایین تولید می‌کند (اگر از مقاومت pull-up استفاده شود). وقتی کاغذ تمام می‌شود، بازتاب متوقف می‌شود، فوتوترانزیستور خاموش می‌شود و ولتاژ خروجی بالا می‌رود. این انتقال ولتاژ توسط منطق کنترل پرینتر تشخیص داده می‌شود و یک هشدار "کاغذ تمام" را برای کاربر فعال می‌کند. زمان پاسخ سریع، تشخیص حتی در سرعت‌های بالای تغذیه کاغذ را تضمین می‌کند.

11. اصل عملکرد

ITR8307/F43 بر اساس اصل بازتاب نور مدوله شده عمل می‌کند. LED مادون قرمز داخلی GaAs جریان الکتریکی را به نور مادون قرمز (940 نانومتر) تبدیل می‌کند. این نور به سمت یک ناحیه هدف ساطع می‌شود. اگر یک شیء در میدان تشخیص وجود داشته باشد، بخشی از این نور بازتاب می‌یابد. فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN یکپارچه به عنوان گیرنده عمل می‌کند. وقتی فوتون‌های نور مادون قرمز بازتابیده به پیوند بیس-کلکتور فوتوترانزیستور برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. این جریان فوتوژنریک شده مانند یک جریان بیس عمل می‌کند که سپس توسط بهره ترانزیستور تقویت می‌شود و منجر به یک جریان کلکتور بسیار بزرگتر (I_C) می‌شود. بزرگی این جریان کلکتور متناسب با شدت نور مادون قرمز بازتابیده است که به نوبه خود به فاصله و بازتابندگی شیء بستگی دارد. با اندازه‌گیری این جریان خروجی (یا ولتاژ دو سر یک مقاومت بار)، می‌توان حضور، عدم حضور یا حتی فاصله تقریبی یک شیء را تعیین کرد.

12. روندهای فناوری

سنسورهای نوری بازتابی مانند ITR8307/F43 نمایانگر یک فناوری بالغ و قابل اطمینان هستند. روندهای فعلی در این زمینه شامل کوچک‌سازی بیشتر پکیج‌ها، ادغام سنسور با مدارهای فرانت‌اند آنالوگ (تقویت‌کننده‌ها، ADC) و منطق دیجیتال (رابط‌های I2C/SPI) در راه‌حل‌های تک‌تراشه‌ای برای کاهش تعداد قطعات خارجی است. همچنین تمرکز بر مصرف توان کمتر برای دستگاه‌های باتری‌خور و الگوریتم‌های پیشرفته برای حذف نور پس‌زمینه و اندازه‌گیری فاصله وجود دارد. تقاضا برای قطعات سازگار با محیط زیست (سبز) که این دستگاه به آن می‌پردازد، همچنان یک محرک قوی در صنعت الکترونیک است.

13. سلب مسئولیت و نکات مهم

بر اساس محتوای دیتاشیت، سلب مسئولیت‌ها و نکات زیر برای کاربران حیاتی است:

1. تولیدکننده حق تنظیم ترکیب مواد محصول را برای خود محفوظ می‌دارد.
2. محصول به مدت 12 ماه از تاریخ حمل، مشخصات منتشر شده خود را برآورده می‌کند.
3. نمودارها و مقادیر معمول صرفاً برای مرجع هستند و نشان‌دهنده حداقل یا حداکثر محدوده تضمین شده نیستند.
4. کاربر مسئولیت عملکرد دستگاه در محدوده ریتینگ‌های حداکثر مطلق آن را بر عهده دارد. تولیدکننده هیچ مسئولیتی در قبال خسارات ناشی از استفاده نادرست نمی‌پذیرد.
5. محتوای دیتاشیت دارای حق کپی‌رایت است؛ بازتولید آن نیاز به رضایت قبلی دارد.
6. هشدار حیاتی:این محصولبرای استفاده درکاربردهای حیاتی ایمنی از جمله تجهیزات نظامی، هواپیما، خودرو، پزشکی، حیات‌بخش یا نجات‌بخش طراحی نشده است. برای چنین کاربردهایی، باید مجوز صریح اخذ شود.