ورقة بيانات الصمام الضوئي PD204-6B/L3 - عبوة 3 مم - ذروة الحساسية 940 نانومتر - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يعد PD204-6B/L3 صمامًا ضوئيًا من السيليكون من نوع PIN عالي السرعة والحساسية، مُحاطًا بغلاف بلاستيكي قياسي مقاس 3 مم. تم تصميم هذا الجهاز ليتناسب طيفيًا مع الثنائيات الباعثة للضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، حيث تم تحسين ذروة حساسيته للطول الموجي 940 نانومتر، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من تطبيقات الاستشعار التي تتطلب استجابة سريعة وأداء موثوقًا.

تشمل المزايا الرئيسية لهذا المكون وقت استجابة سريعًا، وحساسية ضوئية عالية، وسعة تقاطع صغيرة، مما يساهم في كشف الإشارات بكفاءة. المنتج متوافق مع لوائح RoHS وEU REACH، ويتم تصنيعه كجهاز خالٍ من الرصاص.

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تم تصميم الجهاز للعمل بشكل موثوق ضمن الحدود البيئية والكهربائية المحددة. قد يؤدي تجاوز هذه القيم إلى تلف دائم.

• الجهد العكسي (VR):32 فولت - أقصى جهد يمكن تطبيقه في حالة الانحياز العكسي عبر أطراف الصمام الضوئي.
• درجة حرارة التشغيل (Topr):من -25°C إلى +85°C - نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الطبيعي للجهاز.
• درجة حرارة التخزين (Tstg):من -40°C إلى +100°C - نطاق درجة الحرارة للتخزين الآمن عندما لا يكون الجهاز قيد التشغيل.
• درجة حرارة اللحام (Tsol):260°C لمدة قصوى تبلغ 5 ثوانٍ، وفقًا لملفات تعريف اللحام بإعادة التدفق القياسية.
• تبديد الطاقة (Pc):150 ملي واط عند درجة حرارة هواء حر تبلغ 25°C أو أقل.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعلمات الأداء الأساسي للصمام الضوئي تحت ظروف الاختبار القياسية (Ta=25°C).

• عرض النطاق الطيفي (λ0.5):من 760 نانومتر إلى 1100 نانومتر. يحدد هذا نطاق الأطوال الموجية التي يحافظ فيها الجهاز على نصف حساسيته القصوى على الأقل.
• طول موجة ذروة الحساسية (λP):940 نانومتر (نموذجي). يكون الجهاز أكثر استجابة للضوء عند هذا الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء.
• الجهد الدائري المفتوح (VOC):0.42 فولت (نموذجي) تحت إشعاع (Ee) قدره 1 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر.
• تيار الدائرة القصيرة (ISC):4.3 ميكرو أمبير (نموذجي) تحت نفس ظروف الاختبار (Ee=1mW/cm²، λp=940nm).
• تيار الضوء العكسي (IL):3.9 ميكرو أمبير (الحد الأدنى)، 6 ميكرو أمبير (نموذجي) عند VR=5V، Ee=1mW/cm²، λp=940nm. هذا هو تيار الضوء الناتج عندما يكون الصمام في حالة انحياز عكسي ومضاء.
• تيار الظلام العكسي (ID):10 نانو أمبير (الحد الأقصى) عند VR=10V في ظلام تام (Ee=0mW/cm²). هذا هو تيار التسرب الصغير الذي يتدفق حتى في حالة عدم وجود ضوء.
• جهد الانهيار العكسي (VBR):32 فولت (الحد الأدنى) مقاسًا عند تيار عكسي (IR) قدره 100μA في الظلام.
• السعة الكلية (Ct):10 بيكو فاراد (نموذجي) عند VR=5V وتردد 1 ميجاهرتز. تتيح السعة المنخفضة سرعات تبديل أسرع.
• زمن الصعود/الهبوط (tr/tf):10 نانو ثانية / 10 نانو ثانية (نموذجي) مع VR=10V ومقاومة حمل (RL) قدرها 100Ω، مما يشير إلى استجابة سريعة جدًا مناسبة لكشف الضوء النبضي.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):45° (نموذجي). يحدد هذا المجال الزاوي للرؤية الذي يحافظ فيه الجهاز على الحساسية.

يتم تحديد التفاوتات بنسبة ±10% للشدة الضوئية، و±1 نانومتر لطول الموجة السائد، و±0.1 فولت لجهد الأمام في التطبيقات ذات الصلة.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة. هذه المنحنيات ضرورية لمهندسي التصميم للتنبؤ بالأداء في السيناريوهات الواقعية.

3.1 تبديد الطاقة مقابل درجة الحرارة المحيطة

يظهر هذا المنحنى انخفاض أقصى تبديد للطاقة المسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة فوق 25°C. يجب على المصممين تخفيض قدرة التعامل مع الطاقة وفقًا لذلك لضمان الموثوقية على المدى الطويل.

3.2 الحساسية الطيفية

يؤكد منحنى الاستجابة الطيفية على ذروة حساسية الجهاز عند 940 نانومتر ونطاقه المفيد من حوالي 760 نانومتر إلى 1100 نانومتر. يسلط الضوء على ملاءمة الجهاز للتطبيقات التي تستخدم ثنائيات الأشعة تحت الحمراء الشائعة.

3.3 تيار الظلام العكسي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يزداد تيار الظلام بشكل أسي مع درجة الحرارة. هذا المنحنى بالغ الأهمية للتطبيقات العاملة في درجات حرارة مرتفعة، حيث يساهم تيار الظلام الأعلى في الضوضاء ويمكن أن يؤثر على نسبة الإشارة إلى الضوضاء في ظروف الإضاءة المنخفضة.

3.4 تيار الضوء العكسي مقابل الإشعاع (Ee)

يوضح هذا الرسم البياني العلاقة الخطية بين تيار الضوء الناتج (IL) وشدة الضوء الساقط (الإشعاع) على مدى محدد. يؤكد الاستجابة الضوئية المتوقعة والخطية للجهاز.

3.5 السعة الطرفية مقابل الجهد العكسي

تنخفض سعة التقاطع (Ct) مع زيادة جهد الانحياز العكسي. السعة المنخفضة مرغوبة للتطبيقات عالية السرعة، ويساعد هذا المنحنى في اختيار نقطة انحياز تشغيل مثالية.

3.6 زمن الاستجابة مقابل مقاومة الحمل

يظهر هذا المنحنى كيف تتأثر أوقات الصعود والهبوط (tr/tf) بقيمة مقاومة الحمل الخارجية (RL). يتم تحقيق استجابة أسرع بمقاومات حمل أصغر، ولكن هذا يتم مقابل سعة الإشارة.

4. المعلومات الميكانيكية ومواصفات العبوة

4.1 أبعاد العبوة

يستخدم الجهاز عبوة قياسية ذات أطراف شعاعية مقاس 3 مم. يحدد الرسم البعدي قطر الجسم، وتباعد الأطراف، وأبعاد الأطراف. جميع التفاوتات غير المحددة هي ±0.25 مم. لون العدسة أسود.

4.2 تحديد القطبية

يُشار إلى القطب السالب (الطرف السالب) عادةً بنقطة مسطحة على جسم العبوة أو بطرف أطول. يجب مراعاة القطبية الصحيحة أثناء تجميع الدائرة للتشغيل السليم في حالة الانحياز العكسي.

5. إرشادات اللحام والتجميع

المكون مناسب لعمليات تجميع لوحات الدوائر المطبوعة القياسية.

• اللحام بإعادة التدفق:أقصى درجة حرارة للحام هي 260°C، ويجب ألا يتجاوز الوقت عند هذه الدرجة أو أعلى منها 5 ثوانٍ لمنع التلف الحراري للغلاف البلاستيكي ورقاقة أشباه الموصلات.
• اللحام اليدوي:إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب استخدام مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة مع أقل وقت تلامس ممكن (عادة أقل من 3 ثوانٍ لكل طرف).
• التنظيف:استخدم عوامل تنظيف متوافقة مع مادة الغلاف البلاستيكي.
• التخزين:قم بالتخزين في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد من -40°C إلى +100°C.

6. معلومات التعبئة والطلب

6.1 مواصفات كمية التعبئة

التعبئة القياسية كما يلي: 200-1000 قطعة لكل كيس، 4 أكياس لكل صندوق، و10 صناديق لكل كرتون. يوفر هذا مرونة لكل من النماذج الأولية والإنتاج بكميات كبيرة.

6.2 مواصفات نموذج الملصق

يحتوي ملصق المنتج على معلومات رئيسية للتتبع والتعريف:

• CPN:رقم منتج العميل
• P/N:رقم المنتج (مثل PD204-6B/L3)
• QTY:كمية التعبئة
• CAT, HUE, REF:رتب الشدة الضوئية، وطول الموجة السائد، وجهد الأمام (إذا تم فرزها).
• LOT No:رقم دفعة التصنيع للتتبع.
• X:شهر الإنتاج.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

يعد PD204-6B/L3 مناسبًا تمامًا لمجموعة متنوعة من تطبيقات الاستشعار الكهروضوئي، بما في ذلك:

• مستشعرات الأبواب الأوتوماتيكية:كشف انقطاع حزمة الأشعة تحت الحمراء لتحريك آليات فتح/إغلاق الباب.
• الطابعات وآلات النسخ:تُستخدم لكشف الورق، أو استشعار الحواف، أو مراقبة مستوى الحبر.
• آلات الألعاب/أنظمة الأركيد:لكشف الأجسام، أو التحكم التفاعلي، أو استشعار الموضع.
• استشعار الأشعة تحت الحمراء للأغراض العامة:مستقبلات التحكم عن بُعد، ومستشعرات القرب، والأتمتة الصناعية حيث يكون هناك حاجة لكشف سريع وموثوق للضوء تحت الأحمر 940 نانومتر.

7.2 اعتبارات التصميم

• دائرة الانحياز:شغل الصمام الضوئي في حالة انحياز عكسي (الوضع الضوئي التوصيلي) للحصول على أفضل سرعة وخطية. جهد عكسي من 5V إلى 10V هو النموذجي، كما هو موضح في المواصفات.
• مقاومة الحمل (RL):اختر RL بناءً على المقايضة المطلوبة بين سرعة الاستجابة (عرض النطاق) وتأرجح جهد الخرج. يُوصى بدائرة مضخم التحويل الحالي (TIA) لتحويل تيار الضوء الصغير إلى جهد قابل للاستخدام مع الحفاظ على السرعة العالية والضوضاء المنخفضة.
• الاعتبارات البصرية:تأكد من المحاذاة الصحيحة مع مصدر الضوء (عادةً ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر عند 940 نانومتر). يجب مراعاة زاوية الرؤية البالغة 45° للمجال البصري. يمكن أن يساعد استخدام مرشح بصري في حجب الضوء المحيط غير المرغوب فيه، خاصة الضوء المرئي.
• تقليل الضوضاء:للتطبيقات الحساسة، قم بحماية الجهاز ودائرته من الضوضاء الكهربائية. حافظ على المسارات قصيرة، واستخدم مكثفات تجاوز، وضع في اعتبارك تأثير تيار الظلام في درجات حرارة التشغيل المرتفعة.

8. المقارنة والتمييز التقني

مقارنةً بالصمامات الضوئية القياسية أو الترانزستورات الضوئية ذات أوقات استجابة أبطأ، يقدم PD204-6B/L3 مزايا مميزة:

• السرعة العالية:مع أوقات صعود/هبوط تبلغ 10 نانو ثانية، فهو أسرع بكثير من العديد من الترانزستورات الضوئية للأغراض العامة، مما يتيح كشف الإشارات المعدلة بسرعة.
• هيكل PIN:يوفر بناء الصمام الضوئي PIN منطقة استنزاف أوسع من الصمام الضوئي PN القياسي، مما يؤدي إلى سعة تقاطع أقل (10 بيكو فاراد) وسرعة أعلى.
• الطيف المُحسّن:تتم مطابقة ذروة الحساسية 940 نانومتر بدقة مع ناتج ثنائيات الأشعة تحت الحمراء الشائعة منخفضة التكلفة، مما يزيد من كفاءة النظام.
• العبوة القياسية:العبوة الشعاعية مقاس 3 مم هي شكل قياسي في الصناعة، مما يجعل من السهل دمجها في التصميمات الحالية ومتوافقة مع بصمات لوحات الدوائر المطبوعة القياسية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

9.1 ما الفرق بين العمل في الوضع الكهروضوئي (انحياز صفري) والوضع الضوئي التوصيلي (انحياز عكسي)؟

في الوضع الكهروضوئي (V_R=0V)، يولد الصمام الضوئي جهدًا (V_OC). هذا الوضع له تيار ظلام صفري ولكن استجابة أبطأ وخطية أقل. تحدد مواصفات PD204-6B/L3 أن VOC=0.42V. في الوضع الضوئي التوصيلي (مع انحياز عكسي، على سبيل المثال V_R=5V)، يتم تطبيق جهد خارجي. هذا يقلل من سعة التقاطع (مما يتيح استجابة أسرع، كما هو موضح في 10ns tr/tf)، ويحسن الخطية، ويسمح بمنطقة نشطة أكبر، ولكنه يقدم تيار الظلام (I_D). للتطبيقات عالية السرعة مثل تلك المخصصة لهذا الجهاز، يُوصى بالوضع الضوئي التوصيلي.

9.2 كيف يمكنني تحويل تيار الضوء (I_L) إلى جهد قابل للقياس؟

أبسط طريقة هي استخدام مقاوم حمل (R_L) على التوالي. جهد الخرج هو V_out = I_L * R_L. ومع ذلك، مع زيادة R_L، يزداد ثابت الوقت RC (مع سعة الصمام)، مما يبطئ الاستجابة (كما هو موضح في منحنى زمن الاستجابة مقابل مقاومة الحمل). للحصول على أفضل أداء، خاصة مع التيارات الصغيرة والحاجة إلى السرعة، فإن مضخم التحويل الحالي (TIA) هو الدائرة المفضلة. يوفر جهد خرج مستقرًا ومنخفض المعاوقة (V_out = -I_L * R_f) مع الحفاظ على الصمام الضوئي عند جهد أرضي افتراضي، مما يقلل من تأثيرات السعة.

9.3 لماذا يعتبر تيار الظلام مهماً، وكيف تؤثر درجة الحرارة عليه؟

تيار الظلام (I_D) هو تيار الضوضاء الذي يتدفق عندما لا يكون هناك ضوء. يحدد الحد الأدنى للضوء القابل للكشف. تحدد ورقة البيانات حدًا أقصى قدره 10nA عند 25°C. يتضاعف هذا التيار تقريبًا كل ارتفاع في درجة الحرارة بمقدار 10°C. لذلك، في البيئات عالية الحرارة أو لكشف الضوء المنخفض جدًا، يمكن أن يصبح تيار الظلام مصدرًا مهمًا للضوضاء ويجب أخذه في الاعتبار في تصميم الدائرة (على سبيل المثال، من خلال تعويض درجة الحرارة أو تقنيات الكشف المتزامن).

9.4 هل يمكن استخدام هذا المستشعر مع مصادر ضوء غير 940 نانومتر؟

نعم، ولكن مع انخفاض الحساسية. يظهر منحنى الاستجابة الطيفية حساسية كبيرة من 760 نانومتر إلى 1100 نانومتر. على سبيل المثال، سوف يستجيب لثنائيات 850 نانومتر، ولكن تيار الضوء الناتج لنفس شدة الضوء سيكون أقل منه مع مصدر 940 نانومتر. راجع دائمًا منحنى الحساسية الطيفية النسبية (إذا تم توفيره بالكامل) أو احسب الاستجابة عند الطول الموجي المطلوب للتصميم الدقيق.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

حالة التصميم: مستشعر انقطاع حزمة الأشعة تحت الحمراء للبوابة الأمنية.

الهدف:إنشاء مستشعر موثوق وسريع للكشف عندما يعترض جسم ما حزمة الأشعة تحت الحمراء غير المرئية، مما يؤدي إلى تشغيل إنذار أمني.

التنفيذ:

1. المرسل:يتم تشغيل ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر 940 نانومتر بواسطة تيار نبضي (على سبيل المثال، نبضات 20 مللي أمبير عند 38 كيلو هرتز) لتوفير مناعة ضد الضوء المحيط وتقليل استهلاك الطاقة المتوسط.
2. المستقبل:يتم وضع PD204-6B/L3 مقابل المرسل، محاذيًا ضمن زاوية رؤيته البالغة 45°. يتم تحيزه عكسيًا عند 5V من خلال مقاوم حمل.
3. تكييف الإشارة:يتم تغذية إشارة تيار الضوء المتردد الصغيرة من الصمام الضوئي (المتراكبة على تيار الظلام المستمر) إلى مضخم عالي الكسب وذو نطاق تمرير نطاقي مضبوط على 38 كيلو هرتز. يقوم هذا بتصفية الضوء المحيط المستمر والضوضاء منخفضة التردد.
4. الكشف:ثم يتم تقويم الإشارة المضخمة ومقارنتها بعتبة. عندما تكون الحزمة غير مقطوعة، تكون هناك إشارة قوية 38 كيلو هرتز، ويكون ناتج المقارن مرتفعًا. عندما يعترض جسم ما الحزمة، تختفي الإشارة، مما يتسبب في تحول المقارن إلى منخفض وتشغيل الإنذار.

لماذا PD204-6B/L3 مناسب:وقت استجابته السريع البالغ 10 نانو ثانية يتعامل بسهولة مع الإشارة المعدلة 38 كيلو هرتز. تضمن الحساسية العالية عند 940 نانومتر نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة من ثنائي الأشعة تحت الحمراء المطابق. تتيح السعة المنخفضة دائرة مستجيبة حتى مع مكونات التصفية الضرورية.

11. مبدأ التشغيل

يعمل الصمام الضوئي PIN مثل PD204-6B/L3 على مبدأ التأثير الكهروضوئي الداخلي. يتكون هيكل الجهاز من منطقة جوهرية (I) شبه موصلة واسعة ومنخفضة التشويب محصورة بين مناطق من النوع P والنوع N. عندما تصطدم الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات (مثل الضوء تحت الأحمر عند 940 نانومتر للسيليكون) بالمنطقة الجوهرية، فإنها تولد أزواجًا من الإلكترونات والثقوب. عندما يكون الصمام في حالة انحياز عكسي، يقوم المجال الكهربائي المدمج عبر منطقة الاستنزاف (التي تمتد عبر الطبقة الجوهرية) بجرف حاملات الشحنة هذه نحو الأطراف المقابلة، مما يولد تيار ضوء (I_L) يتناسب مع شدة الضوء الساقط. تقلل المنطقة الجوهرية الواسعة من السعة وتسمح بجمع فعال لحاملات الشحنة المتولدة على حجم أكبر، مما يساهم في كل من السرعة والحساسية.

12. اتجاهات الصناعة والسياق

تعد أجهزة الكشف الضوئي مثل PD204-6B/L3 مكونات أساسية في مجال الإلكترونيات الضوئية والاستشعار المتزايد. تشمل الاتجاهات الحالية التي تدفع الطلب على مثل هذه الأجهزة:

• الأتمتة والصناعة 4.0:زيادة استخدام أجهزة الاستشعار غير التلامسية للموضع، والوجود، ومراقبة الجودة في التصنيع.
• الإلكترونيات الاستهلاكية:التكامل في الأجهزة لاستشعار القرب (مثل إيقاف شاشات الهواتف الذكية أثناء المكالمات)، واستشعار الضوء المحيط للتحكم في سطوع الشاشة، والتعرف على الإيماءات.
• إنترنت الأشياء (IoT):أجهزة استشعار منخفضة الطاقة وموثوقة لأجهزة المنزل الذكي، وأنظمة الأمان، ومراقبة البيئة.
• التطورات:الاتجاه العام هو نحو تكامل أعلى (مثل الصمامات الضوئية مع مضخمات على الرقاقة)، وعبوات أصغر (أجهزة مثبتة على السطح)، واستهلاك طاقة أقل، وأداء محسن في أطوال موجية محددة لتطبيقات مثل LiDAR، والاستشعار الطبي الحيوي، والاتصالات البصرية. تمثل أجهزة مثل PD204-6B/L3 حلاً ناضجًا وموثوقًا وفعالاً من حيث التكلفة لاحتياجات الاستشعار تحت الأحمر السائدة.

13. إخلاء المسؤولية وملاحظات الاستخدام

تشمل إرشادات الاستخدام الحرجة المستمدة من إخلاء مسؤولية ورقة البيانات:

1. المواصفات قابلة للتغيير. راجع دائمًا أحدث ورقة بيانات رسمية للتصميم.
2. يلبي المنتج مواصفاته المنشورة لمدة 12 شهرًا من تاريخ الشحن تحت ظروف التخزين العادية.
3. تظهر منحنيات الخصائص الأداء النموذجي، وليست قيمًا دنيا أو قصوى مضمونة. قم بالتصميم بهامش مناسب.
4. الالتزام الصارم بالقيم القصوى المطلقة. قد يؤدي التشغيل خارج هذه الحدود إلى فشل فوري أو كامن. لا تتحمل الشركة المصنعة أي مسؤولية عن الضرر الناتج عن سوء الاستخدام.
5. المعلومات مملوكة. يحظر الاستنساخ دون إذن.
6. هذا المكونليسمصممًا أو مؤهلًا للتطبيقات الحرجة للسلامة مثل دعم الحياة الطبي، أو التحكم في السيارات، أو الطيران، أو الأنظمة العسكرية. لمثل هذه التطبيقات، اتصل بالشركة المصنعة للحصول على منتجات مؤهلة خصيصًا.