ITR20403 Optik Kesici Veri Sayfası - Paket 4.0x3.0x2.0mm - İleri Voltaj 1.6V - Güç Tüketimi 75mW - Kızılötesi 940nm - Türkçe Teknik Doküman

1. Ürün Genel Bakışı

ITR20403, temasız sensör uygulamaları için tasarlanmış kompakt bir fotoelektrik kesici modülüdür. Küçük, siyah bir termoplastik muhafaza içinde bir kızılötesi yayıcı diyot (IRED) ve bir silikon fototransistör entegre eder. Cihazın ana işlevi, vericisi ve alıcısı arasındaki kızılötesi ışın huzmesinin kesilmesini tespit etmektir.

1.1 Temel Avantajlar ve Hedef Pazar

Cihaz, hassas uygulamalara uygun kılan bir dizi önemli avantaja sahiptir. Hızlı tepki süresi ve yüksek hassasiyeti, hızla hareket eden nesneleri güvenilir şekilde algılayabilir. İnce ve komut paketleme, tüketici elektroniği ve ofis otomasyon cihazlarında yaygın olan, alanı kısıtlı tasarımlara entegrasyonu kolaylaştırır. Önemli bir teknik özelliği, fototransistörün entegre kızılötesi LED'den gelen radyasyonu esas olarak almasını sağlayan muhafaza tasarımıdır, böylece ortam ışık kaynaklarının girişimi ve gürültüsü en aza indirilir. Başlıca hedef pazarlar arasında görüntüleme cihazları, belge işleme sistemleri ve kesin konum veya varlık algılama gerektiren çeşitli otomasyon kontrol cihazları bulunur.

2. Derinlemesine Teknik Parametre Analizi

Bu bölüm, spesifikasyon belgesinde tanımlanan cihazın elektriksel, optik ve termal özelliklerini detaylı ve objektif bir şekilde yorumlamaktadır.

2.1 Mutlak Maksimum Değerler

Mutlak maksimum değerler, cihazda kalıcı hasara yol açabilecek stres limitlerini tanımlar. Bunlar önerilen çalışma koşulları değildir.

• Giriş (IRED) Güç Tüketimi (Pd):Serbest hava sıcaklığı 25°C veya altında olduğunda maksimum değer 75 mW'dır. Bu sınırın aşılması LED çipinde termal hasara neden olabilir.
• Giriş Ters Gerilimi (VR):Maksimum 5 V. Daha yüksek bir ters gerilim uygulanması, jonksiyon delinmesine neden olabilir.
• Sürekli İleri Akım (IF):Maksimum 50 mA. Bu, IRED'in dayanabileceği en yüksek doğru akımdır.
• Çıkış (Fototransistör) Güç Tüketimi (Pd):Serbest hava sıcaklığı 25°C veya altında olduğunda, maksimum 75 mW'dır.
• Kollektör Akımı (IC):Fototransistör çıkışı maksimum 20 mA.
• Kollektör-Emitör Voltajı (BV_CEO):Maksimum 30 V. Bu, baz açıkken çökme voltajıdır.
• Çalışma sıcaklığı (T_opr):-25°C ila +80°C. Cihazın bu ortam sıcaklığı aralığında normal çalışmasını garanti eder.
• Depolama sıcaklığı (T_stg):-40°C ila +85°C.
• Bacak lehimleme sıcaklığı (T_sol):Paket gövdesinden 3mm uzaklıkta ölçüldüğünde, maksimum 260°C, 5 saniye süreyle. Bu, montaj işlemi kontrolü için kritik öneme sahiptir.

2.2 Optoelektronik Özellikler

Bu parametreler standart test koşullarında (Ta=25°C) ölçülmüş olup, cihazın tipik performansını temsil eder.

• İleri Yönlü Voltaj (V_F):Tipik değer 1.23V, I_F=20mA'de maksimum 1.6V. Bu parametre, IRED'in akım sınırlayıcı sürücü devresinin tasarımı için çok önemlidir.
• Tepe dalga boyu (λ_P):940 nm. Bu, yayılan kızılötesi ışığın nominal dalga boyudur ve alıcı fototransistörün tepe hassasiyeti ile eşleşir.
• Kollektör karanlık akımı (I_CEO):V_CE=20V ve ışık olmadığında, maksimum 100 nA. Bu sızıntı akımı, sensörün "kapalı" durumundaki gürültü tabanını belirler.
• Kollektör-emitter doyum voltajı (V_CE(sat)):I_C=2mA ve aydınlanma (E_e) 1 mW/cm² olduğunda, maksimum 0.4V. Dijital anahtarlama uygulamaları için düşük doyum voltajı idealdir.
• İletim kollektör akımı (I_C(on)):V_CE=5V ve I_F=20mA test koşullarında, minimum 0.2 mA'den maksimum 5.0 mA'ye kadar değişen bir aralık. Bu geniş aralık, cihazlar arasındaki akım transfer oranı (CTR) farklılıklarını gösterir ve devre tasarımında dikkate alınmalıdır.
• Yükselme/alçalma süresi (t_r, t_f):Belirtilen anahtarlama koşullarında genellikle her biri 15 μs'dir. Bu, cihazın ulaşabileceği maksimum anahtarlama frekansını tanımlar.

3. Performans Eğrisi Analizi

Veri sayfası, cihazın farklı koşullar altındaki davranışını anlamaya yardımcı olan tipik karakteristik eğrileri içerir.

3.1 İleri Yön Akımı ile Ortam Sıcaklığı İlişkisi

Bu eğri, ortam sıcaklığı arttıkça IRED ileri akımı için gerekli olan düşürme oranını göstermektedir. Maksimum bağlantı sıcaklığının aşılmasını önlemek ve uzun vadeli güvenilirliği sağlamak için, cihaz yüksek sıcaklık ortamlarında kullanıldığında çalışma akımının düşürülmesi zorunludur. Tasarımcılar, belirli uygulamaları için maksimum ortam sıcaklığındaki güvenli çalışma akımını belirlemek üzere bu grafiğe başvurmalıdır.

3.2 Spektral Hassasiyet

Kızılötesi verici ve fototransistör için ayrı ayrı spektral duyarlılık eğrileri sağlanmıştır. IRED eğrisi, 940 nm'de zirve yapan bağıl ışınım şiddetinin dalga boyuyla ilişkisini göstermektedir. Fototransistör eğrisi, vericinin çıkışıyla hizalanacak şekilde tasarlanmış zirvesiyle, bağıl tepkisinin gelen ışığın dalga boyuyla ilişkisini göstermektedir. Bu dar ve eşleşen tepki, değişen ışık koşullarında kararlı çalışma için kritik bir özellik olan görünür ortam ışığına duyarlılığı en aza indirir.

3.3 İleri Akım ile İleri Voltaj İlişkisi

IRED'in bu IV eğrisi, ileri yönlü gerilim ile akım arasındaki doğrusal olmayan ilişkiyi göstermektedir. Bu, çalışma sıcaklığı aralığında ve üretim farklılıkları altında kararlı bir kızılötesi çıkış sağlamak için uygun akım sınırlama yönteminin (örneğin direnç, sabit akım kaynağı) seçilmesinde çok önemlidir.

4. Mekanik ve Paketleme Bilgileri

4.1 Paket Boyutu

Cihaz kompakt bir kasa içinde paketlenmiştir. Temel boyutlar yaklaşık 4.0 mm gövde genişliği, 3.0 mm derinlik ve 2.0 mm yükseklik içerir. Bacak aralığı, delikli PCB montajı için standart aralık olan 2.54 mm'dir (0.1 inç). Aksi belirtilmedikçe, tüm boyut toleransları ±0.25 mm'dir. Bacak boyutları, paket gövdesinden çıkıntı yaptığı noktada ölçülür.

4.2 Polarite Tanımlama ve Montaj

Bu bileşenin dört pini vardır. Bu tür optik kesicilerde standart uygulama, bir taraftaki iki pinin kızılötesi vericiye (anot ve katot), diğer taraftaki iki pinin ise fototransistöre (emitör ve kollektör) ait olmasıdır. Kesin pin düzeni paketleme diyagramından doğrulanmalıdır. Montaj sırasında, PCB delikleri, epoksi gövdeye mekanik stres uygulanarak performans düşüşüne veya arızaya yol açmamak için, pin konumlarıyla tam olarak hizalanmalıdır.

5. Kaynak ve Montaj Kılavuzu

Doğru işleme, cihazın bütünlüğünü ve performansını korumak için çok önemlidir.

5.1 Bacak Şekillendirme

Eğer pimler bükülmesi gerekiyorsa, bu işlemlehimlemeden önceyapılmalıdır. Bükülme noktası, epoksi kılıf gövdesinin tabanından 3 mm'den daha uzakta olmalıdır. Bükme işlemi sırasında, gerilimin kırılgan epoksi kabuğa iletilmesini ve çatlamaya veya iç hasara yol açmasını önlemek için leadframe sağlam bir şekilde sabitlenmelidir. Pim kesimi oda sıcaklığında yapılmalıdır.

5.2 Lehimleme İşlemi

Kaynak noktası ile epoksi kabuk arasında en az 3 mm mesafe bırakılmalıdır. Önerilen koşullar aşağıdaki gibidir:

• El ile kaynak:Havya ucu sıcaklığı maksimum 300°C (30W havya için), her pimin lehimleme süresi en fazla 3 saniye.
• Dalga lehimleme/Daldırma lehimleme:Ön ısıtma sıcaklığı maksimum 100°C, en fazla 60 saniye. Lehim havuzu sıcaklığı maksimum 260°C, havuzda kalma süresi en fazla 5 saniye.

Cihaz yüksek sıcaklıktayken pinlerine herhangi bir mekanik stres uygulamaktan kaçının. Daldırma lehimleme veya elle lehimleme işlemi tekrarlanmamalıdır. Lehimlemeden sonra, cihaz oda sıcaklığına dönene kadar mekanik darbe veya titreşimden korunmalıdır. Hızlı soğutma işlemi önerilmez.

5.3 Temizlik ve Depolama

Ultrasonik temizleme kullanımı yasaktırÇünkü yüksek frekanslı titreşimler iç bileşenlere veya epoksi sızdırmazlığa zarar verebilir. Depolama için, cihazlar sevkiyattan sonra en fazla 3 ay boyunca 10-30°C ve %70 RH veya daha düşük koşullarda saklanmalıdır. Daha uzun süreli depolama (en fazla bir yıl) için, 10-25°C sıcaklık ve %20-60 nemde azot atmosferli sızdırmaz bir kap önerilir. Nem koruyucu ambalaj açıldıktan sonra, cihaz 24 saat içinde veya mümkün olan en kısa sürede kullanılmalı, kalan bileşenler zamanında yeniden sızdırmaz hale getirilmelidir.

6. Paketleme ve Sipariş Bilgileri

Standart paketleme spesifikasyonu tüp başına 120 adet, kutu başına 96 tüp ve koli başına 2 kutudur. Paketleme etiketi, Müşteri Parça Numarası (CPN), Üretici Parça Numarası (P/N), Paketleme Miktarı (QTY), Referans Numarası (REF) ve Parti Numarası (LOT No.) gibi alanları içerir.

7. Uygulama Önerileri

7.1 Tipik Uygulama Senaryoları

• Yazıcı/Fotokopi/Tarayıcıda Kağıt Tespiti:Kağıdın varlığını, sıkışmasını veya belgenin ön/arka kenarını algılar.
• Kamerada Lens Kapağı veya Filtre Konumu Algılama:Lens kapağının kapalı olup olmadığını veya filtre tekerleğinin doğru konumda olup olmadığını algılar.
• Temassız Limit Algılama:Tarayıcılar, çiziciler veya otomasyon platformlarında, orijin veya limit konumlarını fiziksel temas olmadan tespit etmek için kullanılır.
• Nesne Sayma veya Ayırma:Konveyör bandında kızılötesi ışın demetini kesen nesneleri tespit etme.
• Döner kodlayıcı disk sensörlü:Hız veya konumu ölçmek için döner disk üzerindeki yarıkları okuma (yüksek çözünürlüklü görevler için genellikle özel kodlayıcı modülleri daha uygun olsa da).

7.2 Tasarım Hususları ve Devre Arayüzü

ITR20403 ile tasarım yaparken, aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır:

1. IRED'in akım sınırlaması:Güç kaynağı voltajına (V_CC), gerekli ileri akıma (I_F, nominal çıkış için genellikle 20mA) ve ileri voltaj düşüşüne (V_F~1.23V) seri direnci hesaplayın. R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. Çıkış arayüz devresi:Fototransistörler iki yaygın konfigürasyonda kullanılabilir:
   • Anahtarlama Modu:Kollektör, bir çekme direnci (örneğin 1kΩ ila 10kΩ) üzerinden V_CC'ye bağlanır. Emitör topraklanır. Işın engellenmediğinde (transistör iletimde), kollektör çıkışı düşük seviyededir (V_CE(sat)); ışın kesildiğinde (transistör kesimde), çıkış yüksek seviyededir (V_CC).
   • Analog Mod:Fototransistörler, ortak emetör konfigürasyonunda kullanılarak, ışık şiddetiyle orantılı bir voltaj üretmek için kollektör direnci ile birlikte çalışabilir. Ancak, doğrusal olmayan tepkisi ve sıcaklığa bağımlılığı nedeniyle, bir işlemsel yükselteç devresine sahip fotodiyotlarla karşılaştırıldığında, hassas analog ölçümler için daha az uygundur.
3. Gürültü Bağışıklığı:Ortam ışığına karşı dirençli olmasına rağmen, devre elektriksel gürültü alabilir. Cihazın güç pinleri yakınında bypass kapasitörü (0.1 μF) kullanılması ve dikkatli bir PCB yerleşimi önerilir. Uzun kablolar veya gürültülü ortamlar için, koruma veya çıkışı bir Schmitt tetikleyici girişi sürmek için kullanmak güvenilirliği artırabilir.
4. Açıklık ve Yarık Tasarımı:Işık demetini engelleyen nesneler kızılötesi ışığa karşı opak olmalıdır. Algılama çözünürlüğü ve tekrarlanabilirliği, nesne genişliğinin cihaz gövdesindeki yarık genişliğine oranına bağlıdır. Kenar algılama için, keskin kenarlara sahip bıçaklar veya perdeler en hassas zamanlamayı sağlar.

8. Teknik Karşılaştırma ve Farklılaştırma

ITR20403, başlıca olarak kompakt ve ince form faktörüyle farklılaşır; bu da küçük tüketici elektroniği ürünlerinde avantaj sağlar. 15 μs'lik hızlı tepki süresi, orta ve yüksek hızlı olayların tespiti için uygundur. Spektral olarak eşleşmiş verici ve alıcının entegre gövdesi, doğal bir ortam ışığı bastırma özelliği sunar; bu özellik, ayrık bileşenler kullanmaya kıyasla tasarımı basitleştirir. Yansımalı nesne sensörleriyle karşılaştırıldığında, optik kesiciler daha yüksek konum doğruluğu sağlar ve hedef nesnenin rengine veya yansıtıcılığına karşı daha az duyarlıdır. Daha geniş aralıklı yarık tipi optik anahtarlarla karşılaştırıldığında, bu cihazın dar aralığı daha küçük nesnelerin tespit edilmesine veya daha hassas kenar algılamanın gerçekleştirilmesine olanak tanır.

9. Sıkça Sorulan Sorular (Teknik Parametrelere Dayalı)

9.1 Kızılötesi LED'in tipik çalışma akımı nedir?

Optoelektronik özellikler I_F= 20 mA'de test edilir, bu belirtilen iletim kollektör akımını sağlamak için yaygın ve önerilen bir çalışma noktasıdır. Devre tasarımı, 50 mA'lik mutlak maksimum değerin aşılmamasını sağlamalıdır.

9.2 Kollektör akımı iletim aralığı (0.2mA ila 5.0mA) neden bu kadar geniştir?

Bu aralık, cihazlar arasındaki akım transfer oranı (CTR) farkını, yani fototransistör çıkış akımını (I_C) ile IRED giriş akımı (I_F) oranı. Bu fark, optokuplör ve kesici üretim sürecinde doğal olarak bulunur. Devre, tüm üretim birimlerinin güvenilirliğini sağlamak için belirtilen minimum I_C(on)(0.2mA) altında düzgün çalışabilecek şekilde tasarlanmalıdır.

9.3 Bu sensör açık havada kullanılabilir mi?

Kasa, ortam ışığı baskılama konusunda iyi bir performans sağlasa da, doğrudan güneş ışığı sensörü doyuma ulaştırabilecek yoğunlukta kızılötesi radyasyon içerir. Açık hava kullanımı için güvenilir performans elde etmek amacıyla ek optik filtreleme, koruma veya senkronize tespitli palslı çalışma gereklidir. Çalışma sıcaklığı aralığı (-25°C ila +80°C) da aşırı ortamlardaki uygulamalarını sınırlandırmaktadır.

9.4 Bir ışın demetini engellemek için nesne ne kadar yakın olmalıdır?

Bu cihaz dar, odaklanmış bir aralığa sahiptir. Nesnenin, verici ve dedektör arasındaki yarıktan fiziksel olarak geçmesi gerekir. "Yakınlık" algılama yeteneği yoktur; çıkış durumunun güvenilir bir şekilde değişmesi için ışın hüzmesinin tamamen engellenmesi gerekir.

10. Tasarım Kullanım Durumu Çalışması

Senaryo: Masaüstü yazıcıda kağıt bitimi sensörü.

Uygulama Planı:ITR20403, yazıcının kağıt besleme yoluna monte edilir. Yaylı bir kola veya kanatçığa bağlı bir parça, kağıt olmadığında sensörün yarığında durur. Kağıt beslenirken, kağıt kanatçığı yarıktan dışarı iter, kızılötesi ışın demetinin geçmesine ve fototransistörün iletime geçmesine izin verir.

Devre Tasarımı:IRED, yazıcının 5V mantık gücü tarafından 20mA ile sürülür ve bir akım sınırlama direnci üzerinden bağlanır. Fototransistörün kollektörü, 3.3V mikrodenetleyici giriş pinine 4.7kΩ'luk bir çekme direnci ile bağlanır. Emetör topraklanır.

Yazılım Mantığı:Mikrodenetleyici pimi dijital giriş olarak yapılandırılmıştır. Düşük seviye okuması, ışın demetinin engellenmediğini (kepenk çıkarılmış, kağıt var) gösterir. Yüksek seviye okuması, ışın demetinin engellendiğini (kepenk yuvada, kağıt yok) ve böylece kullanıcıya "kağıt yok" uyarısını tetiklediğini gösterir. Kepenğin mekanik titreşimlerini göz ardı etmek için (örneğin yazılımda) debounce mantığı eklenmiştir.

Bu vakanın temel değerlendirmeleri:Kepenk mekanizması, sensör yarığına güvenilir ve tamamen girebilecek şekilde tasarlanmalıdır. Yay, doğru konumlandırmayı sağlamak için yeterli kuvvet sağlamalı, ancak kağıda zarar vermemek veya sensör aşınmasına neden olmamak için çok fazla olmamalıdır. Sensörün konumu, hizalamayı korumak için sağlam bir şekilde sabitlenmelidir.

11. Çalışma Prensibi

ITR20403, modüle edilmiş ışık iletimi ve tespiti prensibiyle çalışır. Kızılötesi ışık yayan diyot (IRED), sabit bir ileri yönlü akımla öngerilimlenir ve 940 nm tepe dalga boyunda foton yayması sağlanır. Aynı muhafaza içinde, tam karşısında bir silikon NPN fototransistör bulunur. Kızılötesi ışın demeti aralıktan engelsiz geçtiğinde, fototransistörün taban bölgesine ulaşır. Emilmiş fotonlar, elektron-boşluk çiftleri oluşturur; bunlar taban akımı görevi görerek transistörün iletime geçmesini sağlar ve ışık şiddetiyle orantılı bir kollektör akımının (I_C) akmasına izin verir. Opak bir nesne aralığa girdiğinde, ışın demetini bloke eder, fotogenerasyonlu taban akımı durur ve transistör kesime gider. Çıkış devresi, bu iletim/kesim durum değişimini kullanılabilir bir elektrik sinyaline dönüştürür. Siyah termoplastik muhafaza, optik yolu barındırmak, optik sızıntıyı önlemek ve silikon fototransistörün bant aralığı tarafından emilecek yeterli enerjisi genellikle olmayan çevresel görünür ışığın çoğunu bloke etmek için kullanılır, böylece doğal bir optik filtreleme sağlar.

12. Teknoloji Trendleri

ITR20403 gibi optik kesiciler, olgun ve güvenilir bir teknolojiyi temsil eder. Bu alandaki mevcut eğilimler birkaç noktada yoğunlaşmaktadır: daha küçük taşınabilir ve giyilebilir cihazlara entegrasyon için daha da küçültme; otomatik montaja uyum sağlamak için geliştirilmiş reflow lehim uyumluluğuna sahip yüzey montajlı cihaz (SMD) versiyonlarının geliştirilmesi; kodlayıcı uygulamalarını veya daha hızlı makinelerdeki daha yüksek veri hızlarını desteklemek için anahtarlama hızının artırılması; ve yüksek sıcaklık, nem ve kirlilik gibi çevresel faktörlere karşı sağlamlığın geliştirilmesi. Ayrıca, çıkışta histerezis için Schmitt tetikleyici veya daha akıllı, adreslenebilir sensör modülleri için dijital arayüzler (I2C, SPI) gibi ek işlevlerin entegre edilmesi eğilimi vardır. Bununla birlikte, ITR20403'te gösterildiği gibi temel delikli ayrık bileşen tasarımı, performansı ve form faktörünün yeterli olduğu uygulamalarda hala oldukça uygun maliyetlidir ve yaygın olarak kullanılmaktadır.