دیتاشیت فوتوترانزیستور LTR-306 - بسته‌بندی دید جانبی - جریان کلکتور تا ۲.۴ میلی‌آمپر - ولتاژ ۳۰ ولت - سند فنی فارسی

۱. مرور کلی محصول

LTR-306 یک فوتوترانزیستور سیلیکونی NPN است که در یک بسته پلاستیکی دید جانبی قرار گرفته است. این قطعه برای آشکارسازی تابش مادون قرمز طراحی شده و نور فرودی را به جریان الکتریکی در پایه کلکتور خود تبدیل می‌کند. عملکرد اصلی آن به عنوان سنسور نور در مدارهای الکترونیکی متنوع است، جایی که به عنوان یک کلید کنترل‌شده با نور یا یک سنسور آنالوگ شدت نور عمل می‌کند. جهت‌گیری بسته‌بندی دید جانبی یک ویژگی کلیدی است، به این معنی که ناحیه حساس به صورت عمود بر جهت پایه‌ها قرار دارد که برای کاربردهایی که منبع نور در کنار PCB قرار می‌گیرد، بهینه است.

مزایای اصلی این قطعه شامل محدوده کاری گسترده جریان کلکتور آن است که انعطاف‌پذیری طراحی را برای نیازهای حساسیت مختلف فراهم می‌کند. لنز یکپارچه آن برای افزایش حساسیت با متمرکز کردن نور مادون قرمز ورودی بر روی ناحیه نیمه‌هادی فعال طراحی شده است. علاوه بر این، استفاده از بسته پلاستیکی کم‌هزینه، آن را به انتخابی مقرون‌به‌صرفه برای کاربردهای مصرفی و صنعتی با حجم بالا تبدیل می‌کند که در آن‌ها مقرون‌به‌صرفه بودن بدون قربانی کردن پارامترهای عملکردی ضروری، حائز اهمیت است.

بازار هدف LTR-306 طیف گسترده‌ای از کاربردهای نیازمند آشکارسازی مادون قرمز قابل اعتماد را در بر می‌گیرد. این شامل، اما نه محدود به، سیستم‌های تشخیص و شمارش اشیاء، سنسورهای شکاف (مانند پرینترها و دستگاه‌های فروش خودکار)، سنسورهای انتهای نوار، حسگری مجاورتی و تجهیزات اتوماسیون صنعتی می‌شود. طراحی مستحکم و عملکرد مشخص شده آن، آن را برای ادغام در سیستم‌های الکترونیکی ساده و پیچیده مناسب می‌سازد.

۲. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

۲.۱. مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود. حداکثر اتلاف توان ۱۰۰ میلی‌وات در دمای محیط (T_A) ۲۵ درجه سلسیوس است. ولتاژ کلکتور-امیتر (V_CE) نباید از ۳۰ ولت تجاوز کند، در حالی که ولتاژ معکوس امیتر-کلکتور (V_EC) به ۵ ولت محدود شده است. این قطعه برای کار در محدوده دمای محیطی ۴۰- تا ۸۵+ درجه سلسیوس درجه‌بندی شده و می‌تواند در دمای ۵۵- تا ۱۰۰+ درجه سلسیوس نگهداری شود. برای لحیم‌کاری، پایه‌ها می‌توانند دمای ۲۶۰ درجه سلسیوس را به مدت ۵ ثانیه، هنگامی که در فاصله ۱.۶ میلی‌متری از بدنه بسته اندازه‌گیری می‌شوند، تحمل کنند که یک نیاز استاندارد برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو است.

۲.۲. ویژگی‌های الکتریکی و نوری

تمام پارامترهای الکتریکی و نوری در T_A=۲۵ درجه سلسیوس مشخص شده‌اند که یک خط پایه برای مقایسه عملکرد فراهم می‌کند.

• ولتاژ شکست کلکتور-امیتر (V_(BR)ECO):حداقل ۳۰ ولت (I_C= ۱ میلی‌آمپر، E_e=۰). این ولتاژی است که در آن پیوند در غیاب نور دچار شکست می‌شود.
• ولتاژ شکست امیتر-کلکتور (V_(BR)ECO):حداقل ۵ ولت (I_E= ۱۰۰ میکروآمپر، E_e=۰). این پارامتر برای شرایط بایاس معکوس مهم است.
• ولتاژ اشباع کلکتور-امیتر (V_CE(SAT)):معمولاً ۰.۱ ولت، با حداکثر ۰.۴ ولت (I_C= ۱۰۰ میکروآمپر، E_e=۱ میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع). این ولتاژ پایین نشان‌دهنده عملکرد سوئیچینگ خوب هنگامی که ترانزیستور کاملاً روشن است می‌باشد.
• زمان صعود (T_r) و زمان فرود (T_f):حداکثر هر کدام ۲۰ میکروثانیه (V_CC=۵ ولت، I_C=۱ میلی‌آمپر، R_L=۱ کیلواهم). این پارامترها سرعت سوئیچینگ فوتوترانزیستور در پاسخ به یک پالس نور را تعریف می‌کنند.
• جریان تاریک کلکتور (I_CEO):حداکثر ۱۰۰ نانوآمپر (V_CE= ۱۰ ولت، E_e=۰). این جریان نشتی در هنگام عدم وجود نور است، یک پارامتر حیاتی برای حساسیت در نور کم و نسبت سیگنال به نویز.

۳. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

LTR-306 از یک سیستم دسته‌بندی برای پارامتر کلیدی خود، یعنی جریان کلکتور در حالت روشن (I_C(ON)) استفاده می‌کند. دسته‌بندی یک فرآیند کنترل کیفیت و مرتب‌سازی است که قطعات را بر اساس عملکرد اندازه‌گیری شده در محدوده‌های مشخص شده گروه‌بندی می‌کند. این امر ثبات را برای کاربر نهایی تضمین می‌کند. قطعه تحت شرایط استاندارد (V_CE= ۵ ولت، E_e= ۱ میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع، λ=۹۴۰ نانومتر) آزمایش می‌شود.

دسته‌ها با حروف A تا F برچسب‌گذاری شده‌اند که هر کدام نشان‌دهنده یک محدوده خاص از I_C(ON):

• دسته A:۰.۲۰ میلی‌آمپر تا ۰.۶۰ میلی‌آمپر
• دسته B:۰.۴۰ میلی‌آمپر تا ۱.۰۸ میلی‌آمپر
• دسته C:۰.۷۲ میلی‌آمپر تا ۱.۵۶ میلی‌آمپر
• دسته D:۱.۰۴ میلی‌آمپر تا ۱.۸۰ میلی‌آمپر
• دسته E:۱.۲۰ میلی‌آمپر تا ۲.۴۰ میلی‌آمپر
• دسته F:حداقل ۱.۶۰ میلی‌آمپر (حداکثر در داده‌های ارائه شده مشخص نشده است)

این سیستم به طراحان اجازه می‌دهد تا دسته‌ای را انتخاب کنند که با حساسیت مورد نیاز مدارشان مطابقت دارد. به عنوان مثال، مداری که به جریان خروجی بالا برای راه‌اندازی مستقیم رله یا LED نیاز دارد ممکن است دسته E یا F را مشخص کند، در حالی که یک مدار حسگری کم‌مصرف ممکن است از دسته A یا B برای به حداقل رساندن مصرف توان استفاده کند.

۴. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین منحنی مشخصه معمول است که نشان می‌دهد پارامترهای کلیدی چگونه با شرایط کاری تغییر می‌کنند. این منحنی‌ها برای درک رفتار قطعه فراتر از مشخصات تک نقطه‌ای ضروری هستند.

۴.۱. جریان تاریک کلکتور در مقابل دمای محیط (شکل ۱)

این منحنی نشان می‌دهد که جریان تاریک کلکتور (I_CEO) به صورت نمایی با افزایش دمای محیط افزایش می‌یابد. در دمای ۴۰- درجه سلسیوس، در محدوده پیکوآمپر است، اما می‌تواند در دمای ۱۲۰ درجه سلسیوس به حدود ۱۰۰ میکروآمپر برسد. این مشخصه برای کاربردهای دمای بالا حیاتی است، زیرا جریان تاریک افزایش‌یافته به عنوان یک آفست یا منبع نویز عمل می‌کند و به طور بالقوه حساسیت مؤثر و دینامیک رنج سنسور را کاهش می‌دهد.

۴.۲. اتلاف توان کلکتور در مقابل دمای محیط (شکل ۲)

این نمودار کاهش حداکثر اتلاف توان مجاز را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. در حالی که قطعه می‌تواند در دمای ۲۵ درجه سلسیوس ۱۰۰ میلی‌وات اتلاف کند، این درجه‌بندی باید در دماهای بالاتر به صورت خطی کاهش یابد تا از فرار حرارتی جلوگیری شده و قابلیت اطمینان تضمین شود. منحنی داده‌های لازم برای مدیریت حرارتی در طراحی کاربرد را فراهم می‌کند.

۴.۳. زمان صعود و فرود در مقابل مقاومت بار (شکل ۳)

این نمودار مبادله بین سرعت سوئیچینگ و مقاومت بار را آشکار می‌سازد. زمان‌های صعود و فرود (T_r, T_f) به طور قابل توجهی با افزایش مقدار مقاومت بار (R_L) افزایش می‌یابند. برای یک بار ۱ کیلواهمی، زمان حدود ۲۰ میکروثانیه است، اما برای یک بار ۱۰ کیلواهمی می‌تواند از ۱۵۰ میکروثانیه فراتر رود. طراحان باید R_Lرا برای متعادل کردن نیاز به زمان پاسخ سریع در مقابل دامنه ولتاژ خروجی یا سطح جریان مورد نظر انتخاب کنند.

۴.۴. جریان کلکتور نسبی در مقابل تابندگی (شکل ۴)

این یک مشخصه انتقال بنیادی است. نشان می‌دهد که جریان کلکتور در محدوده پایین‌تر (۰-۲ میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) هنگامی که V_eدر ۵ ولت ثابت نگه داشته می‌شود، نسبتاً خطی با تابندگی نور فرودی (E_CE) است. این ناحیه خطی جایی است که قطعه می‌تواند برای اندازه‌گیری آنالوگ نور استفاده شود. در سطوح تابندگی بالاتر، پاسخ ممکن است شروع به اشباع کند.

۴.۵. نمودار حساسیت (شکل ۵)

این نمودار قطبی حساسیت زاویه‌ای فوتوترانزیستور را نشان می‌دهد. حساسیت نسبی در مقابل زاویه نور فرودی ترسیم شده است. نشان می‌دهد که قطعه یک زاویه دید خاص دارد که در آن حساسیت حداکثر است (معمولاً روی محور، ۰ درجه). حساسیت با حرکت منبع نور از محور کاهش می‌یابد. این نمودار برای همترازی مکانیکی در کاربرد نهایی جهت اطمینان از کوپلینگ بهینه بین منبع نور و سنسور حیاتی است.

۵. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

LTR-306 از یک بسته پلاستیکی دید جانبی استفاده می‌کند. ابعاد در دیتاشیت با تمام اندازه‌گیری‌ها بر حسب میلی‌متر (اینچ در پرانتز) ارائه شده است. تلرانس‌های ابعادی کلیدی معمولاً ±۰.۲۵ میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای که پایه‌ها از بدنه بسته خارج می‌شوند اندازه‌گیری می‌شود که برای طراحی ردپای PCB حیاتی است. بسته شامل یک لنز قالب‌گیری شده در پلاستیک برای افزایش راندمان جمع‌آوری نوری است. جهت‌گیری دید جانبی به این معنی است که ناحیه حسگر فعال در کنار قطعه قرار دارد، نه در بالای آن. شناسایی قطبیت واضح (پایه‌های امیتر و کلکتور) در نقشه بسته ارائه شده است که برای مونتاژ صحیح برد مدار ضروری است.

۶. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعه برای فرآیندهای استاندارد مونتاژ PCB مناسب است. مقدار حداکثر مطلق مشخص می‌کند که پایه‌ها می‌توانند دمای لحیم‌کاری ۲۶۰ درجه سلسیوس را به مدت ۵ ثانیه، هنگامی که در فاصله ۱.۶ میلی‌متر (۰.۰۶۳ اینچ) از بدنه بسته اندازه‌گیری می‌شوند، تحمل کنند. این درجه‌بندی با پروفایل‌های معمول لحیم‌کاری موجی و ریفلو سازگار است. توصیه می‌شود در صورت لزوم، دستورالعمل‌های استاندارد JEDEC یا IPC برای مدیریت حساسیت رطوبت دنبال شود، اگرچه بسته پلاستیکی عموماً مستحکم است. در طول لحیم‌کاری، باید مراقبت شود تا از تنش حرارتی بیش از حد روی بسته جلوگیری شود. پس از مونتاژ، تمیزکاری باید با حلال‌های سازگار با ماده پلاستیکی انجام شود. برای نگهداری، محدوده مشخص شده ۵۵- تا ۱۰۰+ درجه سلسیوس باید رعایت شود و قطعات معمولاً در کیسه‌های ضد رطوبت با ماده خشک‌کن عرضه می‌شوند.

۷. توصیه‌های کاربردی

۷.۱. سناریوهای کاربردی متداول

• تشخیص/قطع شیء:به صورت جفتی با یک LED مادون قرمز برای تشخیص حضور یا عدم حضور شیئی که پرتو را قطع می‌کند استفاده می‌شود. معمول در پرینترها، کپی‌برها، دستگاه‌های فروش خودکار و شمارنده‌های صنعتی.
• حسگری مجاورتی:تشخیص بازتاب نور مادون قرمز از یک شیء نزدیک.
• موانع نوری/سنسورهای شکاف:تشخیص لبه نوار، کاغذ یا مواد دیگر.
• انکودرها:در انکودرهای نوری چرخشی یا خطی برای خواندن الگوها روی چرخ یا نوار کد استفاده می‌شود.
• گیرنده‌های ساده کنترل از راه دور:برای تشخیص دستورات مادون قرمز پایه (اگرچه ماژول‌های گیرنده اختصاصی برای پروتکل‌های پیچیده رایج‌تر هستند).

۷.۲. ملاحظات طراحی

• بایاس:فوتوترانزیستور می‌تواند در دو پیکربندی متداول استفاده شود: حالت سوئیچ (با یک مقاومت pull-up) یا حالت آنالوگ (در پیکربندی تقویت‌کننده امیتر مشترک). مقدار مقاومت بار (R_L) به طور حیاتی بر هر دو ولتاژ/جریان خروجی و سرعت پاسخ تأثیر می‌گذارد (شکل ۳ را ببینید).
• مصونیت در برابر نور محیط:برای عملکرد قابل اعتماد در محیط‌های با نور محیط متغیر (مانند نور خورشید، نور اتاق)، مدولاسیون منبع مادون قرمز و فیلتر کردن یا دمودولاسیون متناظر سیگنال فوتوترانزیستور اغلب ضروری است.
• لنز و همترازی:همترازی مکانیکی مناسب بین تابنده مادون قرمز و فوتوترانزیستور، با در نظر گرفتن جهت‌گیری دید جانبی و الگوی حساسیت زاویه‌ای آن (شکل ۵)، برای به حداکثر رساندن قدرت سیگنال و قابلیت اطمینان ضروری است.
• اثرات دما:طراحی باید تغییرات جریان تاریک (شکل ۱) و حساسیت با دما را، به ویژه در محیط‌های بیرونی یا خشن، در نظر بگیرد.
• نویز الکتریکی:در مدارهای آنالوگ حساس، ممکن است شیلدینگ و زمین‌سازی مناسب برای جلوگیری از دریافت نویز روی نود امپدانس بالای فوتوترانزیستور مورد نیاز باشد.

۸. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با یک فوتودیود استاندارد، یک فوتوترانزیستور مانند LTR-306 بهره داخلی ارائه می‌دهد که منجر به جریان خروجی بسیار بالاتر برای همان ورودی نور می‌شود. این امر نیاز به یک تقویت‌کننده ترانسمپدانس خارجی را در بسیاری از مدارهای تشخیص ساده حذف می‌کند و تعداد قطعات و هزینه را کاهش می‌دهد. در مقایسه با سایر فوتوترانزیستورها، مزایای خاص LTR-306 دربسته‌بندی دید جانبیآن نهفته است که یک فرم فاکتور مکانیکی متمایز مناسب برای مسیرهای نوری خاص است، دردسته‌بندی گسترده جریان کلکتورآن که انعطاف‌پذیری ارائه می‌دهد، و درلنز یکپارچه آن برای افزایش حساسیتاست. زمان‌های صعود/فرود و درجه‌بندی ولتاژ مشخص شده آن، آن را به یک قطعه همه‌کاره مستحکم برای کاربردهای با سرعت متوسط تبدیل می‌کند.

۹. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: کد دسته (A, B, C و غیره) برای طراحی من چه معنایی دارد؟

ج: کد دسته نشان‌دهنده محدوده تضمین شده جریان کلکتوری است که قطعه تحت شرایط آزمایش استاندارد تولید خواهد کرد. دسته‌ای را انتخاب کنید که جریان سیگنال کافی برای مدارهای پایین‌دست شما (مانند مقایسه‌گر، ADC میکروکنترلر) فراهم کند و در عین حال مصرف توان را در نظر بگیرد. دسته‌های بالاتر (E, F) جریان بیشتری می‌دهند اما ممکن است جریان تاریک کمی بالاتری داشته باشند.

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

ج: نور مستقیم خورشید حاوی مقدار قابل توجهی تابش مادون قرمز است که سنسور را اشباع کرده و آن را برای تشخیص یک منبع IR جداگانه غیرقابل استفاده می‌کند. برای استفاده در فضای باز، فیلتر نوری (یک فیلتر عبور IR که نور مرئی را مسدود می‌کند) و/یا منابع نور مدوله شده با تشخیص همزمان اجباری هستند.

س: چرا زمان صعود/فرود به مقاومت بار وابسته است؟

ج: سرعت فوتوترانزیستور توسط ثابت زمانی RC تشکیل شده از خازن پیوند آن و مقاومت بار (R_L) محدود می‌شود. یک R_Lبزرگ‌تر یک ثابت زمانی بزرگ‌تر ایجاد می‌کند، که نوسان ولتاژ در کلکتور را کند کرده و در نتیجه زمان‌های صعود و فرود را افزایش می‌دهد. برای پاسخ سریع‌تر، از یک R_Lکوچک‌تر استفاده کنید، اما این کار دامنه نوسان ولتاژ خروجی را نیز کاهش می‌دهد.

س: چگونه نمودار حساسیت را تفسیر کنم؟

ج: نمودار پاسخ نسبی سنسور به نور حاصل از زوایای مختلف را نشان می‌دهد. مقدار ۱.۰ (یا ۱۰۰٪) معمولاً در ۰ درجه (مستقیم به لنز) است. منحنی نشان می‌دهد که اگر منبع نور ناهمتراز باشد، سیگنال چقدر کاهش می‌یابد. از این برای طراحی محفظه مکانیکی و ویژگی‌های همترازی در محصول خود استفاده کنید.

۱۰. مثال عملی طراحی

سناریو: طراحی یک سنسور حضور کاغذ برای یک پرینتر.یک LED مادون قرمز در یک طرف مسیر کاغذ قرار می‌گیرد و LTR-306 دقیقاً در مقابل آن قرار می‌گیرد و یک پرتو ایجاد می‌کند. هنگامی که کاغذ وجود ندارد، نور IR به فوتوترانزیستور برخورد می‌کند، آن را روشن کرده و ولتاژ کلکتور آن را پایین می‌کشد. هنگامی که کاغذ عبور می‌کند، پرتو را مسدود می‌کند، فوتوترانزیستور خاموش می‌شود و ولتاژ کلکتور آن بالا می‌رود (از طریق یک مقاومت pull-up). این انتقال ولتاژ توسط یک میکروکنترلر تشخیص داده می‌شود.

مراحل طراحی:

۱. یک دسته مناسب انتخاب کنید (مثلاً دسته C) تا اطمینان حاصل شود که تغییر جریان به اندازه کافی قوی است تا مقاومت pull-up انتخاب شده را در محدوده دمای کاری مورد انتظار به طور قابل اعتماد راه‌اندازی کند.

۲. یک مقاومت بار/pull-up (R_L) انتخاب کنید. یک مقاومت ۴.۷ کیلواهمی با منبع تغذیه ۵ ولت، یک نوسان ولتاژ خوب ایجاد می‌کند. به شکل ۳ مراجعه کنید تا مطمئن شوید زمان پاسخ حاصل (~۱۰۰ میکروثانیه) برای سرعت کاغذ به اندازه کافی سریع است.

۳. نگهدارنده را به گونه‌ای طراحی مکانیکی کنید که LED و LTR-306 مطابق با محور ۰ درجه در نمودار حساسیت (شکل ۵) همتراز شوند. بسته دید جانبی این کار را ساده می‌کند زیرا هر دو قطعه می‌توانند به صورت تخت روی PCB و روبروی هم نصب شوند.

۴. درایور LED مادون قرمز را با مدولاسیون (مثلاً یک موج مربعی ۱ کیلوهرتز) پیاده‌سازی کنید تا سنسور در برابر نور محیطی IR ثابت مصون شود. میکروکنترلر سپس سیگنال سنسور را به صورت همزمان با این مدولاسیون می‌خواند.

۱۱. اصل عملکرد

یک فوتوترانزیستور یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی است که ناحیه بیس آن در معرض نور قرار دارد. در LTR-306 (نوع NPN)، فوتون‌های فرودی با انرژی کافی (نور مادون قرمز در حدود ۹۴۰ نانومتر) در پیوند بیس-کلکتور جذب شده و جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. این حامل‌های فوتوژنریک شده توسط میدان الکتریکی در پیوند بیاس معکوس بیس-کلکتور جدا می‌شوند. جریان فوتوی حاصل به عنوان جریان بیس برای ترانزیستور عمل می‌کند. به دلیل بهره جریان ترانزیستور (بتا/h_FE)، این جریان فوتوی کوچک تقویت شده و یک جریان کلکتور بسیار بزرگ‌تر تولید می‌کند. این تقویت داخلی تفاوت کلیدی با یک فوتودیود است. جریان کلکتور عمدتاً متناسب با شدت نور فرودی و بهره قطعه است.

۱۲. روندهای فناوری

فوتوترانزیستورهایی مانند LTR-306 نمایانگر یک فناوری بالغ و مقرون‌به‌صرفه برای حسگری نور ساده هستند. روندهای فعلی در اپتوالکترونیک شامل ادغام فوتوترانزیستورها با مدارهای تقویت و شکل‌دهی سیگنال روی تراشه برای ایجاد سنسورهای خروجی دیجیتال یا سنسورهای آنالوگ با خطی‌سازی و جبران دمایی بهبودیافته است. همچنین حرکتی به سوی مینیاتوری‌سازی و بسته‌های نصب سطحی با ردپای حتی کوچک‌تر وجود دارد. برای کاربردهای با سرعت بالاتر و دقیق‌تر، فوتودیودها با تقویت‌کننده‌های ترانسمپدانس خارجی یا ICهای نوری اختصاصی اغلب ترجیح داده می‌شوند. با این حال، برای وظایف تشخیص پایه، کم‌هزینه و با سرعت متوسط، فوتوترانزیستورهای گسسته به دلیل سادگی، استحکام و تعداد قطعات کم همچنان بسیار مرتبط هستند.