ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي PD333-3B/L1 - قطر 5 مم - جهد عكسي 32 فولت - عدسة سوداء - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

الصمام الثنائي الضوئي PD333-3B/L1 هو صمام ثنائي ضوئي من السيليكون من نوع PIN، عالي السرعة والحساسية، مُغلف في غلاف بلاستيكي قياسي بقطر 5 مم. وظيفته الأساسية هي تحويل الضوء الساقط، وخاصة في طيف الأشعة تحت الحمراء، إلى تيار كهربائي. يتميز الجهاز بعدسة إيبوكسي سوداء، تعزز حساسيته للإشعاع تحت الأحمر مع تقليل الاستجابة للضوء المرئي. هذا يجعله مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب الكشف في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. تشمل المزايا الأساسية لهذا المكون وقت استجابة سريع، وحساسية ضوئية عالية، وسعة تقاطع صغيرة، وهي أمور بالغة الأهمية للكشف عن الإشارات عالية السرعة. تم تصميمه كمكون خالٍ من الرصاص (Pb-free) ويتوافق مع اللوائح البيئية ذات الصلة مثل RoHS و EU REACH.

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تم تصميم الجهاز للعمل بشكل موثوق ضمن الحدود المحددة. قد يتسبب تجاوز هذه التقييمات في تلف دائم.

• الجهد العكسي (V_R):32 فولت - أقصى جهد انحياز عكسي يمكن تطبيقه عبر أطراف الصمام الثنائي الضوئي.
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):من -25°C إلى +85°C - نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل العادي.
• درجة حرارة التخزين (T_stg):من -40°C إلى +100°C - نطاق درجة الحرارة للتخزين في حالة عدم التشغيل.
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°C - ذروة درجة الحرارة التي يمكن للجهاز تحملها أثناء عمليات اللحام.
• تبديد الطاقة (P_c):150 ملي واط - أقصى طاقة يمكن للجهبد تبديدها عند درجة حرارة محيطة 25°C أو أقل.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعلمات أداء الصمام الثنائي الضوئي تحت ظروف الاختبار القياسية (Ta=25°C).

• عرض النطاق الطيفي (λ_0.5):من 840 نانومتر إلى 1100 نانومتر - نطاق الطول الموجي حيث تكون الاستجابة على الأقل نصف قيمتها القصوى.
• طول موجة الحساسية القصوى (λ_P):940 نانومتر (نموذجي) - الطول الموجي للضوء الذي يكون فيه الصمام الثنائي الضوئي أكثر حساسية.
• الجهد في حالة الدائرة المفتوحة (V_OC):0.44 فولت (نموذجي) - الجهد المتولد عبر الأطراف المفتوحة عند الإضاءة (E_e=5 ملي واط/سم²، λ_p=940 نانومتر).
• التيار في حالة الدائرة القصيرة (I_SC):10 ميكرو أمبير (نموذجي) - التيار المتدفق عند قصر الأطراف تحت الإضاءة (E_e=1 ملي واط/سم²، λ_p=940 نانومتر).
• التيار الضوئي العكسي (I_L):الحد الأدنى 15 ميكرو أمبير - التيار الضوئي المتولد تحت انحياز عكسي (V_R=5 فولت، E_e=1 ملي واط/سم²، λ_p=940 نانومتر). هذه معلمة رئيسية لكشف الإشارة.
• التيار المظلم العكسي (I_D):الحد الأقصى 30 نانو أمبير - تيار التسرب الصغير الذي يتدفق تحت انحياز عكسي في ظلام تام (V_R=10 فولت). القيمة الأقل مرغوبة للحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل.
• جهد الانهيار العكسي (V_BR):الحد الأدنى 32 فولت، نموذجي 170 فولت - الجهد العكسي الذي ينهار عنده التقاطع ويزداد التيار بشكل حاد.
• السعة الكلية (C_t):6.0 بيكو فاراد (نموذجي) - سعة التقاطع تحت انحياز عكسي (V_R=5 فولت، تردد=1 ميجا هرتز). السعة المنخفضة حاسمة للتشغيل عالي السرعة.
• زمن الصعود/الهبوط (t_r/t_f):10 نانو ثانية (نموذجي) - الوقت المطلوب لإشارة الخرج للصعود من 10% إلى 90% (أو الهبوط من 90% إلى 10%) من قيمتها النهائية (V_R=10 فولت، R_L=100 أوم). هذا يحدد أقصى سرعة تبديل.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم فرز PD333-3B/L1 إلى مجموعات (Bins) مختلفة بناءً على أداء التيار الضوئي العكسي (I_L) تحت ظروف اختبار محددة (E_e=1 ملي واط/سم²، λ_p=940 نانومتر، V_R=5 فولت). هذا يسمح للمصممين باختيار مكونات ذات أداء متسق لتطبيقهم.

تذكر ورقة البيانات أيضًا التفاوتات القياسية: شدة الإضاءة ±10%، الطول الموجي السائد ±1 نانومتر، وجهد الأمام ±0.1 فولت، على أن الأخيرين أكثر صلة بمصابيح LED من هذا الصمام الثنائي الضوئي.

4. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة. هذه المنحنيات أساسية لتصميم الدائرة وتوقع الأداء.

4.1 الحساسية الطيفية

يظهر منحنى الاستجابة الطيفية الحساسية النسبية للجهاز عبر أطوال موجية مختلفة. يبلغ ذروته عند 940 نانومتر (الأشعة تحت الحمراء) وله استجابة كبيرة من حوالي 840 نانومتر إلى 1100 نانومتر. هذا يؤكد ملاءمته للأنظمة القائمة على الأشعة تحت الحمراء مثل أجهزة التحكم عن بعد وأجهزة استشعار القرب.

4.2 الاعتماد على درجة الحرارة

يتم توفير منحنيات توضح العلاقة بين التيار المظلم العكسي ودرجة الحرارة المحيطة، وتبديد الطاقة مقابل درجة الحرارة المحيطة. عادة ما يزداد التيار المظلم مع درجة الحرارة، مما قد يؤثر على مستوى الضوضاء في التطبيقات الحساسة. يظهر منحنى تخفيض الطاقة (Derating) كيف ينخفض أقصى تبديد طاقة مسموح به مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة فوق 25°C.

4.3 الخصائص الكهربائية

تشمل الرسوم البيانية الرئيسية:

• التيار الضوئي العكسي مقابل الإشعاعية (E_e):يوضح العلاقة الخطية بين التيار الضوئي المتولد وكثافة طاقة الضوء الساقط، وهي خاصية أساسية للصمامات الثنائية الضوئية.
• السعة الطرفية مقابل الجهد العكسي:يوضح كيف تنخفض سعة التقاطع مع زيادة جهد الانحياز العكسي. التشغيل بجهد عكسي أعلى (ضمن الحدود) يمكن أن يحسن السرعة عن طريق تقليل السعة.
• زمن الاستجابة مقابل مقاومة الحمل:يوضح كيف يتأثر زمن الصعود/الهبوط بمقاوم الحمل (R_L) في الدائرة. مقاومة حمل أصغر (R_L) تؤدي عمومًا إلى استجابة أسرع ولكن بتأرجح جهد خرج أصغر.

5. معلومات الميكانيكية والتغليف

يستخدم الجهاز غلافًا بلاستيكيًا دائريًا قياسيًا بقطر 5 مم. يوفر رسم أبعاد الغلاف القياسات الحرجة لتصميم البصمة على اللوحة المطبوعة (PCB) والتكامل الميكانيكي. تشمل الأبعاد الرئيسية القطر الكلي (5 مم)، وتباعد الأطراف، وارتفاع المكون. يحدد الرسم تفاوتًا عامًا قدره ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتميز الغلاف بطرفين محوريين للتوصيل الكهربائي. يعمل جسم الإيبوكسي الأسود كعدسة ومرشح للأشعة تحت الحمراء. يجب تحديد القطبية الصحيحة بناءً على مخطط الأطراف في ورقة البيانات؛ عادةً ما يُشار إلى الكاثود (المهبط) بطرف أطول، أو بقعة مسطحة على الغلاف، أو علامة محددة.

6. إرشادات اللحام والتجميع

تم تصنيف المكون لأقصى درجة حرارة لحام تبلغ 260°C. يمكن استخدام برامج إعادة التدفق (Reflow) أو اللحام الموجي (Wave) القياسية للعمليات الخالية من الرصاص، مع ضبط التحكم في درجة الحرارة القصوى والوقت فوق نقطة الانصهار (Liquidus) لمنع التلف الحراري. يجب إجراء اللحام اليدوي بسرعة باستخدام مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة. يُوصى بتخزين المكونات في بيئة جافة لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يسبب مشاكل أثناء اللحام (مثل ظاهرة "الفشار" Popcorning).

7. معلومات التعبئة والطلب

مواصفات التعبئة القياسية هي 500 قطعة لكل كيس، و5 أكياس لكل صندوق، و10 صناديق لكل كرتونة، بإجمالي 25,000 قطعة لكل كرتونة. يتضمن الملصق على العبوة حقولًا لرقم منتج العميل (CPN)، ورقم المنتج (P/N)، وكمية التعبئة (QTY)، والرتب الأدائية ذات الصلة (مثل CAT للشدة)، بالإضافة إلى رقم الدفعة وترميز التاريخ للتتبع.

8. اقتراحات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• الكشف الضوئي عالي السرعة:مناسب لنقل البيانات عبر الألياف الضوئية، وماسحات الباركود، والمشفرات الضوئية بسبب وقت استجابته البالغ 10 نانو ثانية.
• أنظمة الأمن:يمكن استخدامه في حزم كشف التسلل، أو كاشفات الدخان، أو كمستقبل للاتصالات الأمنية القائمة على الأشعة تحت الحمراء.
• تطبيقات الكاميرات:مفيد لقياس الضوء، أو أنظمة المساعدة على التركيز التلقائي، أو كمراقب لمرشح قطع الأشعة تحت الحمراء.
• الاستشعار الصناعي:كشف الأشياء، والعد، واستشعار الموضع في المعدات الآلية.

8.2 اعتبارات التصميم

• دائرة الانحياز:يمكن استخدام الصمام الثنائي الضوئي في وضع الخلايا الكهروضوئية (بدون انحياز) للتطبيقات منخفضة الضوضاء، أو في وضع التوصيل الضوئي (بانحياز عكسي) لسرعة وخطية أعلى. يسمح أقصى جهد عكسي 32 فولت بمجموعة واسعة من خيارات الانحياز.
• التضخيم:تيار الخرج صغير (ميكرو أمبيرات)، لذلك غالبًا ما يكون مكبر مقاومة النقل (TIA) مطلوبًا لتحويل التيار إلى إشارة جهد قابلة للاستخدام.
• الضوضاء:للتطبيقات الحساسة، ضع في اعتبارك التيار المظلم واعتماده على درجة الحرارة. من الضروري استخدام التدريع وتخطيط دقيق للوحة الدوائر المطبوعة (PCB) لتقليل التقاط الضوضاء الكهربائية.
• الترشيح الضوئي:يوفر الإيبوكسي الأسود بعض الترشيح، ولكن لاختيار طول موجي محدد، قد تكون هناك حاجة إلى مرشح ضوئي نطاقي (Bandpass) إضافي.

9. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بالصمامات الثنائية الضوئية العامة، يقدم PD333-3B/L1 مزيجًا متوازنًا من السرعة (10 نانو ثانية)، والحساسية (الحد الأدنى 15 ميكرو أمبير في الظروف المحددة)، وتصنيف جهد عكسي قوي 32 فولت في غلاف 5 مم شائع. يوفر هيكله السيليكوني وبنية PIN مقايضة جيدة بين التكلفة والسرعة والحساسية لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء القريبة. قد تشمل البدائل صمامات ثنائية ضوئية بأغلفة أصغر للتصاميم المحدودة المساحة، أو تلك ذات استجابات طيفية مختلفة (مثل الضوء المرئي)، أو صمامات ثنائية ضوئية انهيارية (APDs) للتطبيقات التي تتطلب تضخيمًا داخليًا، على الرغم من أن APDs أكثر تعقيدًا وتكلفة.

10. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما الفرق بين وضع الخلايا الكهروضوئية ووضع التوصيل الضوئي؟

ج: في وضع الخلايا الكهروضوئية (بدون انحياز)، يولد الصمام الثنائي الضوئي جهدًا/تيارًا خاصًا به، مما يوفر تيارًا مظلمًا وضوضاء منخفضة جدًا. في وضع التوصيل الضوئي (بانحياز عكسي)، يتم تطبيق جهد خارجي، مما يقلل من سعة التقاطع (زيادة السرعة) ويحسن الخطية، على حساب تيار مظلم أعلى قليلاً.

س: كيف أختار المجموعة (Bin) المناسبة؟

ج: اختر مجموعة بناءً على الحد الأدنى المطلوب لتيار الإشارة لتطبيقك. استخدام مجموعة أعلى يضمن إشارة أقوى ولكن قد يكون له آثار على التكلفة. من أجل الاتساق في الإنتاج، حدد مجموعة واحدة.

س: هل يمكن استخدام هذا الصمام الثنائي الضوئي للكشف عن الضوء المرئي؟

ج: بينما لديه بعض الاستجابة في الطيف الأحمر المرئي، فإن ذروته عند 940 نانومتر (الأشعة تحت الحمراء)، ويخفف الإيبوكسي الأسود الضوء المرئي. للكشف الأساسي عن الضوء المرئي، سيكون الصمام الثنائي الضوئي ذو العدسة الشفافة أو الخاصة بلون معين وذروة طول موجي في النطاق المرئي أكثر ملاءمة.

س: ما قيمة مقاومة الحمل (R_L) التي يجب أن أستخدمها؟

ج: يعتمد ذلك على السرعة ومستوى الإشارة المطلوبين. مقاومة حمل أصغر (R_L) (مثل 50 أوم) تعطي استجابة أسرع ولكن جهد خرج أصغر (Vout = I_ph* R_L). مقاومة حمل أكبر (R_L) تعطي جهدًا أكبر ولكن استجابة أبطأ بسبب ثابت الوقت RC المتكون مع سعة الصمام الثنائي. راجع منحنى "زمن الاستجابة مقابل مقاومة الحمل".

11. حالة تصميم عملية

الحالة: مستشعر بسيط لكشف الأشياء

استخدام شائع هو مستشعر كسر الحزمة (Break-beam). يتم وضع صمام ثنائي باعث للضوء (IR LED) يشع عند 940 نانومتر مقابل الصمام الثنائي الضوئي PD333-3B/L1. يتم تشغيل الصمام الثنائي الضوئي في وضع التوصيل الضوئي بانحياز عكسي 5 فولت عبر مقاوم حمل (مثل 10 كيلو أوم). في الظروف العادية، يضرب ضوء الأشعة تحت الحمراء الصمام الثنائي، مما يولد تيارًا ضوئيًا ويخلق انخفاضًا في الجهد عبر المقاوم. عندما يعترض جسم ما الحزمة الضوئية، ينخفض التيار الضوئي بشكل كبير، مما يتسبب في تغيير كبير في الجهد عبر المقاوم. يمكن تغذية إشارة الجهد هذه إلى مقارن (Comparator) لتوليد مقاطعة رقمية (Interrupt) لوحدة التحكم الدقيقة (Microcontroller). وقت الاستجابة البالغ 10 نانو ثانية أسرع بكثير مما هو مطلوب لهذا التطبيق، لكن الحساسية العالية تضمن التشغيل الموثوق حتى مع مصادر الأشعة تحت الحمراء الأضعف أو على مسافات أطول.

12. مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الضوئي PIN هو جهاز أشباه موصلات به منطقة جوهرية (I) محصورة بين مناطق من النوع P والنوع N. عندما تضرب الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات الجهاز، فإنها تخلق أزواجًا من الإلكترونات والثقوب في المنطقة الجوهرية. تحت تأثير الجهد الداخلي المدمج (وضع الخلايا الكهروضوئية) أو الانحياز العكسي المطبق (وضع التوصيل الضوئي)، يتم فصل حاملات الشحن هذه، مما يخلق تيارًا ضوئيًا قابلًا للقياس يتناسب مع شدة الضوء الساقط. تقلل المنطقة الجوهرية الواسعة في هيكل PIN من سعة التقاطع مقارنةً بالصمام الثنائي الضوئي PN القياسي، مما يتيح تشغيلًا بسرعة أعلى.

13. اتجاهات الصناعة

يستمر الطلب على الصمامات الثنائية الضوئية في النمو في مجالات مثل الإلكترونيات الاستهلاكية (مستشعرات الهواتف الذكية، الأجهزة القابلة للارتداء)، والسيارات (الليدار LiDAR، مراقبة السائق)، والأتمتة الصناعية، والاتصالات (مراكز البيانات). تشمل الاتجاهات التصغير الإضافي إلى أغلفة بحجم الشريحة (Chip-scale)، والتكامل مع دوائر التضخيم ومعالجة الإشارات على الشريحة، وتطوير صمامات ثنائية ضوئية لنطاقات أطوال موجية جديدة (مثل الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة)، وتعزيز معلمات الأداء مثل الضوضاء المنخفضة والسرعة الأعلى لتلبية متطلبات التقنيات الناشئة.