ورقة بيانات ثنائي الأشعة تحت الحمراء HIR333/H0 مقاس 5 مم - جهد أمامي 1.45 فولت - طول موجي 850 نانومتر - تبديد طاقة 150 ميلي واط - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

ثنائي HIR333/H0 هو ثنائي باعث عالي الكثافة للأشعة تحت الحمراء، مُحاط بغلاف قياسي من النوع T-1 3/4 (5 مم) للتركيب عبر الثقب مع عدسة بلاستيكية صفراء. تم تصميم الجهاز لتقديم أداء موثوق في أنظمة الاستشعار والاتصالات بالأشعة تحت الحمراء. وظيفته الأساسية هي إصدار ضوء الأشعة تحت الحمراء عند طول موجي ذروة يبلغ 850 نانومتر، وهو مُحسّن طيفيًا للتوافق مع كواشف الضوء الشائعة القائمة على السيليكون مثل الترانزستورات الضوئية والثنائيات الضوئية ووحدات استقبال الأشعة تحت الحمراء المتكاملة. تم تصميم المنتج مع التركيز على الموثوقية العالية والإخراج المتسق.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الرئيسية لهذا المكون شدته الإشعاعية العالية، التي تمكن من إرسال إشارة قوية، وجهد التشغيل الأمامي المنخفض، مما يساهم في تشغيل موفر للطاقة. تم تصنيعه باستخدام مواد خالية من الرصاص ويتوافق مع التوجيهات البيئية والسلامة الرئيسية بما في ذلك RoHS، وEU REACH، ومعايير المواد الخالية من الهالوجين (Br < 900 جزء في المليون، Cl < 900 جزء في المليون، Br+Cl < 1500 جزء في المليون). تجعله هذه الميزات مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات التجارية والصناعية للأشعة تحت الحمراء حيث يكون الامتثال التنظيمي والموثوقية طويلة الأجل أمرًا بالغ الأهمية. يشمل السوق المستهدف مصنعي أنظمة الأمن، وأجهزة التحكم عن بُعد، والمفاتيح البصرية، ومستشعرات كشف الأجسام، ومختلف الإلكترونيات الاستهلاكية التي تتطلب مصادر ضوء غير مرئية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يقدم هذا القسم تفصيلًا دقيقًا للمواصفات الكهربائية والبصرية والحرارية التي تحدد الحدود التشغيلية وأداء LED.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد الحدود القصوى المطلقة حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا ينبغي تجاوز هذه التصنيفات أبدًا، حتى ولو للحظة. يجب الحفاظ على التشغيل ضمن الظروف التشغيلية الموصى بها لأداء موثوق.

• تيار التشغيل الأمامي المستمر (I_F): 100 مللي أمبير. هذا هو الحد الأقصى للتيار المستمر الذي يمكن تطبيقه باستمرار على LED.
• تيار التشغيل الأمامي الذروي (I_FP): 1.0 أمبير. يُسمح بهذا التيار العالي فقط في ظل ظروف النبض بعرض نبضة ≤ 100 ميكروثانية ودورة عمل ≤ 1% لمنع ارتفاع درجة الحرارة.
• الجهد العكسي (V_R): 5 فولت. يمكن أن يتسبب تجاوز جهد الانحياز العكسي هذا في انهيار الوصلة.
• تبديد الطاقة (P_d): 150 ميلي واط عند درجة حرارة هواء حر 25°م أو أقل. يتناقص هذا التصنيف مع زيادة درجة حرارة البيئة المحيطة.
• نطاقات درجة الحرارة: التشغيل: من -40°م إلى +85°م؛ التخزين: من -40°م إلى +100°م.
• درجة حرارة اللحام (T_sol): 260°م كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ، تحدد حدود عمليات اللحام بالموجة أو إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم تحديد الخصائص الكهروضوئية في حالة اختبار قياسية لدرجة حرارة البيئة المحيطة (T_a) تبلغ 25°م. تحدد هذه المعلمات الأداء النموذجي للجهاز.

• الشدة الإشعاعية (I_e): هذه هي الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة، مقاسة بالميلي واط لكل ستراديان (ميلي واط/ستراديان). القيمة النموذجية هي 15 ميلي واط/ستراديان عند تيار تشغيل أمامي (I_F) بقيمة 20 مللي أمبير. تحت تيار نبضي بقيمة 100 مللي أمبير، يمكن أن تصل الشدة الإشعاعية إلى 80 ميلي واط/ستراديان.
• الطول الموجي الذروي (λ_p): 850 نانومتر (نموذجي). هذا هو الطول الموجي الذي تكون فيه طاقة الإخراج البصرية في أقصى حد لها. هذا الطول الموجي غير مرئي للعين البشرية ولكنه يُكتشف بكفاءة بواسطة أجهزة الاستشعار السيليكونية.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ): 45 نانومتر (نموذجي). يشير هذا إلى نطاق الأطوال الموجية التي يصدرها LED، مقاسة عند نصف أقصى شدة (العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى - FWHM).
• الجهد الأمامي (V_F): 1.45 فولت (نموذجي) عند I_F=20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.65 فولت. عند I_F=100 مللي أمبير (نبضي)، يرتفع V النموذجي_Fإلى 1.80 فولت بحد أقصى 2.40 فولت.
• التيار العكسي (I_R): أقصى 10 ميكرو أمبير عند V_R=5 فولت، مما يشير إلى تسرب منخفض جدًا في حالة الإيقاف.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2): 30 درجة (نموذجي). هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها عند المركز (0°). توفر زاوية 30° شعاعًا مركزًا بشكل معتدل.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم فرز الشدة الإشعاعية لثنائيات LED إلى مجموعات أو رتب مختلفة لضمان الاتساق للمستخدم النهائي. يتم إجراء التصنيف في ظل حالة اختبار قياسية لـ I_F= 20 مللي أمبير. يتم تعريف المجموعات المتاحة بواسطة رمز حرف (M, N, P, Q, R) مع قيم الشدة الإشعاعية الدنيا والقصوى المقابلة. يسمح هذا للمصممين باختيار مكون يلبي متطلبات الحساسية أو المدى المحددة لديهم. على سبيل المثال، اختيار مجموعة 'P' يضمن حدًا أدنى للشدة الإشعاعية يبلغ 15.0 ميلي واط/ستراديان وحدًا أقصى يبلغ 24.0 ميلي واط/ستراديان. لا تشير ورقة البيانات إلى تصنيف منفصل للطول الموجي (Hue) أو الجهد الأمامي (REF) لهذا الرقم المحدد للجزء، ولكن مواصفات الملصق تشير إلى أن هذه المعلمات يتم تتبعها أثناء التصنيع.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر منحنيات الأداء النموذجية رؤى مرئية لسلوك الجهاز في ظل ظروف مختلفة، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم الدوائر وإدارة الحرارة.

4.1 تيار التشغيل الأمامي مقابل درجة حرارة البيئة المحيطة

يُظهر منحنى التخفيض هذا كيف يتناقص الحد الأقصى المسموح به لتيار التشغيل الأمامي المستمر مع زيادة درجة حرارة البيئة المحيطة فوق 25°م. لضمان بقاء درجة حرارة الوصلة ضمن الحدود الآمنة والحفاظ على الموثوقية طويلة الأجل، يجب تقليل تيار التشغيل في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. يجب على المصممين الرجوع إلى هذا المنحنى عند تشغيل LED في حاويات أو في درجات حرارة بيئية مرتفعة.

4.2 التوزيع الطيفي

يرسم مخطط التوزيع الطيفي الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الطول الموجي. يؤكد بصريًا الطول الموجي الذروي عند 850 نانومتر وعرض النطاق الطيفي البالغ حوالي 45 نانومتر. المنحنى مميز لمادة أشباه الموصلات GaAlAs (غاليوم ألومنيوم زرنيخيد). تضمن الذروة الضيقة والمحددة جيدًا تداخلاً ضئيلاً مع الضوء المرئي واقترانًا أمثل مع كواشف السيليكون، التي تتمتع بحساسية ذروة حول 800-900 نانومتر.

4.3 الشدة الإشعاعية مقابل تيار التشغيل الأمامي

يوضح هذا المنحنى العلاقة بين تيار القيادة والإخراج البصري. تزداد الشدة الإشعاعية بشكل فائق الخطية مع التيار عند المستويات المنخفضة وتميل إلى أن تصبح أكثر خطية عند التيارات الأعلى، وتصل في النهاية إلى التشبع مع انخفاض الكفاءة الداخلية بسبب تأثيرات التسخين. يُظهر المنحنى لحالة النبض (100 مللي أمبير) إخراجًا أعلى بكثير من حالة التيار المستمر، مما يسلط الضوء على فائدة التشغيل النبضي لتحقيق شدة ذروة عالية دون تلف حراري.

4.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يصور هذا الرسم القطبي نمط الانبعاث المكاني لـ LED. يوضح كيف تتناقص شدة الضوء مع تحرك زاوية الرؤية بعيدًا عن المحور المركزي (0°). النمط تقريبًا لامبرتيان (Lambertian) لهذا النوع من الغلاف، حيث تكون الشدة عند نقاط نصف الزاوية (حوالي ±15°) 50% من الشدة على المحور، مما يحدد زاوية الرؤية البالغة 30°.

5. المعلومات الميكانيكية والمتعلقة بالغلاف

يستخدم الجهاز غلافًا قياسيًا شعاعيًا بأطراف توصيل مقاس 5 مم (T-1 3/4). للأطراف تباعد قياسي يبلغ 2.54 مم (0.1 بوصة)، متوافق مع لوحات النماذج الأولية المثقبة الشائعة وتخطيطات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB). يوفر رسم أبعاد الغلاف القياسات الحرجة بما في ذلك القطر الكلي، وارتفاع العدسة، وطول القطب، وقطر القطب. الجسم مصبوب من البلاستيك الأصفر، الذي يكون شفافًا لضوء الأشعة تحت الحمراء 850 نانومتر ولكنه يظهر ملونًا للمساعدة في التعريف البصري والتمييز عن ثنائيات LED للضوء المرئي. يتم تحديد الكاثود عادةً بواسطة بقعة مسطحة على حافة العدسة و/أو قطب أقصر. جميع الأبعاد لها تسامح قياسي يبلغ ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.

6. إرشادات اللحام والتجميع

المناولة السليمة أثناء التجميع ضرورية لمنع التلف الميكانيكي أو الحراري لـ LED.

6.1 تشكيل الأطراف

إذا كانت هناك حاجة لثني الأطراف، فيجب أن يتم ذلك عند نقطة تبعد على الأقل 3 مم عن قاعدة المصباح الإيبوكسي. يجب دائمًا إجراء التشكيل قبل اللحام، في درجة حرارة الغرفة، وبعناية لتجنب تطبيق إجهاد مباشر على جسم الإيبوكسي، مما قد يتسبب في تشقق الغلاف أو إتلاف وصلات الأسلاك الداخلية. يجب أن تتماشى ثقوب PCB بدقة مع أطراف LED لتجنب إجهاد التركيب.

6.2 التخزين

يجب تخزين ثنائيات LED في بيئة باردة وجافة (≤30°م، ≤70% رطوبة نسبية). العمر الافتراضي للتخزين الموصى به بعد الشحن هو 3 أشهر. للتخزين لفترات أطول (حتى عام واحد)، يجب الاحتفاظ بالمكونات في كيس محكم مانع للرطوبة مع مجفف، ويفضل في جو نيتروجين، لمنع امتصاص الرطوبة والاحتمالية \"انفجار\" أثناء اللحام.

6.3 عملية اللحام

يجب الحفاظ على مسافة دنيا تبلغ 3 مم بين نقطة اللحام والمصباح الإيبوكسي. معلمات اللحام الموصى بها هي:
اللحام اليدوي: درجة حرارة طرف المكواة ≤300°م (لمكواة بقوة قصوى 30 واط)، وقت اللحام ≤3 ثوانٍ لكل طرف.
اللحام بالموجة/الغمس: درجة حرارة التسخين المسبق ≤100°م لمدة ≤60 ثانية؛ درجة حرارة حمام اللحام ≤260°م لمدة ≤5 ثوانٍ.
يوصي مخطط ملف اللحام المقدم بتسخين سريع في درجة الحرارة، ومنطقة هضبة (نقع)، وذروة قصيرة عند 260°م، وتبريد مضبوط. يجب تجنب التبريد السريع أو الصدمة الحرارية. لا يُنصح بإعادة اللحام (أكثر من دورة واحدة من الغمس أو اللحام اليدوي).

6.4 التنظيف

إذا كان التنظيف ضروريًا بعد اللحام، استخدم كحول الأيزوبروبيل في درجة حرارة الغرفة لمدة لا تزيد عن دقيقة واحدة. لا تستخدم التنظيف بالموجات فوق الصوتية إلا إذا تم التأهيل المسبق الشامل لتأثيراتها (القدرة، التردد، المدة) على عينات التجميعات، حيث يمكن أن تتسبب طاقة الموجات فوق الصوتية في كسر البنية الدقيقة لأشباه الموصلات الداخلية.

5.5 إدارة الحرارة

تعد الإدارة الحرارية الفعالة اعتبارًا تصميميًا بالغ الأهمية. تم تحديد تصنيف تبديد الطاقة البالغ 150 ميلي واط عند 25°م. في التطبيقات الحقيقية، يجب تخفيض الطاقة المبددة الفعلية (V_F* I_F) مع ارتفاع درجة حرارة البيئة المحيطة، كما هو موضح في منحنى التخفيض. للتشغيل المستمر عند تيارات عالية أو في درجات حرارة بيئية عالية، فكر في استخدام مبدد حراري، أو زيادة تدفق الهواء، أو تنفيذ قيادة نبضية لتقليل متوسط درجة حرارة الوصلة وضمان الموثوقية طويلة الأجل.

7. معلومات التعبئة والطلب

يتم تعبئة ثنائيات LED في أكياس مضادة للكهرباء الساكنة لحمايتها من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD). توضع هذه الأكياس داخل صناديق داخلية، والتي يتم بعد ذلك تعبئتها في صناديق خارجية أكبر للشحن. الكمية النموذجية للتعبئة هي 200-500 قطعة لكل كيس، مع 5 أكياس لكل صندوق داخلي، و10 صناديق داخلية لكل صندوق رئيسي خارجي. يحتوي الملصق على الكيس على معلومات رئيسية للتتبع والتعريف، بما في ذلك رقم منتج العميل (CPN)، ورقم منتج الشركة المصنعة (P/N)، وكمية التعبئة (QTY)، ورتبة الشدة الضوئية (CAT). قد تشير الرموز الأخرى إلى رتبة الطول الموجي السائد (HUE)، ورتبة الجهد الأمامي (REF)، ورقم الدفعة، ورمز التاريخ.

8. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• أجهزة التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء: تُستخدم كمرسل في أجهزة التحكم عن بُعد للتلفزيون والصوت وأجهزة الاستقبال.
• الكشف عن القرب والأجسام: مقترنة بترانزستور ضوئي لاستشعار وجود أو غياب أو موضع جسم ما.
• المفاتيح البصرية: تُستخدم في مستشعرات الفتحات (مثل اكتشاف الورق في الطابعات) أو المستشعرات العاكسة.
• أنظمة الأمن: للإضاءة بالرؤية الليلية في كاميرات المراقبة CCTV أو كجزء من حزم الأشعة تحت الحمراء لكشف التسلل.
• الأتمتة الصناعية: للاستشعار غير التلامسي في تطبيقات العد والمحاذاة واكتشاف المستوى.

8.2 اعتبارات التصميم

• الحد من التيار: استخدم دائمًا مقاومًا على التوالي أو محرك تيار ثابت للحد من تيار التشغيل الأمامي إلى القيمة المطلوبة، محسوبة بناءً على جهد الإمداد وجهد التشغيل الأمامي لـ LED.
• التشغيل النبضي: للتطبيقات التي تتطلب شدة ذروة عالية (مثل الاستشعار بعيد المدى)، استخدم قيادة نبضية بدورة عمل مناسبة للبقاء ضمن تصنيفات تيار الذروة ومتوسط الطاقة.
• التصميم البصري: ضع في اعتبارك زاوية الرؤية البالغة 30° عند تصميم العدسات أو الفتحات أو المسارات البصرية. للمدى الأطول، يمكن استخدام عدسات خارجية لجعل الشعاع متوازيًا.
• مطابقة الكاشف: تأكد من أن كاشف الضوء المحدد (الترانزستور الضوئي، الثنائي الضوئي، أو دائرة الاستقبال المتكاملة) لديه حساسية عالية في نطاق 850 نانومتر.
• مناعة ضد الضوء المحيط: في البيئات ذات الضوء المحيط القوي (خاصة ضوء الشمس الذي يحتوي على الأشعة تحت الحمراء)، استخدم إشارات الأشعة تحت الحمراء المضمنة (نبضية) والكشف المتزامن في المستقبل للتمييز بين الإشارة والضوضاء الخلفية.

9. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بثنائيات LED المرئية القياسية، تم تحسين هذا LED للأشعة تحت الحمراء للإخراج في الطيف تحت الأحمر بمادة (GaAlAs) توفر كفاءة عالية عند 850 نانومتر. عوامل التمييز الرئيسية له ضمن فئة LED للأشعة تحت الحمراء هي مزيجه من الشدة الإشعاعية العالية نسبيًا (15 ميلي واط/ستراديان نموذجي) والجهد الأمامي المنخفض (1.45 فولت نموذجي)، مما قد يؤدي إلى استهلاك طاقة أقل في الأجهزة التي تعمل بالبطارية. توفر زاوية الرؤية البالغة 30° توازنًا جيدًا بين تركيز الشعاع ومنطقة التغطية. يعد الامتثال لمعايير البيئة الحديثة (RoHS، REACH، الخالية من الهالوجين) ميزة كبيرة للمنتجات الموجهة للأسواق العالمية، مما يلغي مخاوف الامتثال للمواد.

10. الأسئلة الشائعة بناءً على المعايير التقنية

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من مصدر طاقة 5 فولت؟
ج: لا. يجب عليك استخدام مقاوم للحد من التيار. على سبيل المثال، مع مصدر طاقة 5 فولت وتيار مستهدف 20 مللي أمبير، وبافتراض V نموذجي_Fبقيمة 1.45 فولت، ستكون قيمة المقاومة R = (5V - 1.45V) / 0.02A = 177.5Ω. سيكون المقاوم القياسي 180Ω مناسبًا.

س: ما الفرق بين تصنيفات الشدة الإشعاعية للتيار المستمر والنبضي؟
ج: تصنيف التيار المستمر (15 ميلي واط/ستراديان عند 20 مللي أمبير) مخصص للتشغيل المستمر حيث تحد التأثيرات الحرارية من الإخراج. يمكن تحقيق التصنيف النبضي (80 ميلي واط/ستراديان عند 100 مللي أمبير) لأن النبضة القصيرة لا تسمح للوصلة بالتسخين بشكل كبير، مما يسمح بتيار لحظي أعلى بكثير وبالتالي إخراج ضوئي أعلى.

س: كيف يمكنني تحديد الكاثود؟
ج: في الغلاف القياسي مقاس 5 مم، يُشار إلى الكاثود عادةً بميزتين: 1) حافة مسطحة على حافة العدسة البلاستيكية الدائرية. 2) عادةً ما يكون قطب الكاثود أقصر من قطب الأنود. تحقق دائمًا من القطبية قبل اللحام.

س: هل هذا LED حساس للكهرباء الساكنة (ESD)؟
ج: مثل جميع أجهزة أشباه الموصلات، يمكن أن يتلف بسبب التفريغ الكهروستاتيكي. يتم توريده في تغليف مضاد للكهرباء الساكنة ويجب التعامل معه باستخدام احتياطات ESD المناسبة أثناء التجميع.

11. حالة تصميم واستخدام عملية

الحالة: تصميم مستشعر بسيط لكشف الأجسام
تطبيق شائع هو مستشعر كسر الشعاع. يتم وضع LED الأشعة تحت الحمراء HIR333/H0 على جانب واحد من المسار، ويتم وضع ترانزستور ضوئي مباشرة في المقابل. عندما يمر جسم بينهما، فإنه يعترض شعاع الأشعة تحت الحمراء، مما يتسبب في تغير إخراج الترانزستور الضوئي. لهذا التصميم:
1. قم بتشغيل LED بتيار ثابت 20 مللي أمبير باستخدام مفتاح ترانزستور بسيط أو دبوس إدخال/إخراج عام (GPIO) لوحدة تحكم دقيقة (مع مقاوم على التوالي).
2. لتحسين مناعة الضوضاء والمدى، قم بنبض LED بتردد (مثل 38 كيلو هرتز) واستخدم وحدة ترانزستور ضوئي بها مرشح 38 كيلو هرتز مدمج.
3. قم بمحاذاة LED والكاشف بعناية، مع مراعاة مخروط الانبعاث البالغ 30°. للفجوات الأطول، فكر في إضافة أنبوب أو عدسة تجميع أمام LED لتضييق الشعاع.
4. ضع المستشعر بعيدًا عن ضوء الشمس المباشر أو مصادر قوية أخرى للضوء تحت الأحمر لمنع التشغيل الخاطئ.

12. مقدمة عن مبدأ التشغيل

ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) هو ثنائي وصلة p-n لأشباه الموصلات. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة n والثقوب من المنطقة p عبر الوصلة. عندما تتحد حاملات الشحن هذه في المنطقة النشطة، يتم إطلاق الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يتم تحديد الطول الموجي (اللون) للضوء المنبعث بواسطة طاقة فجوة النطاق لمادة أشباه الموصلات. يستخدم HIR333/H0 غاليوم ألومنيوم زرنيخيد (GaAlAs)، الذي له فجوة نطاق تتوافق مع الفوتونات في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، تحديدًا حوالي 850 نانومتر. الغلاف البلاستيكي الأصفر مُشبع ليكون شفافًا لهذا الطول الموجي مع حجب الضوء المرئي، ويعمل أيضًا كعدسة أولية لتشكيل شعاع الإخراج.

13. اتجاهات وتطورات التكنولوجيا

يستمر الاتجاه في تكنولوجيا LED للأشعة تحت الحمراء نحو كفاءة أعلى (مزيد من إخراج الضوء لكل واط كهربائي مدخل) وكثافة طاقة أعلى. هذا يسمح إما بمصادر أكثر سطوعًا أو تصميمات أكثر توفيرًا للطاقة. هناك أيضًا تطور في تباين أطوال الموجات الذروية؛ بينما 850 نانومتر و 940 نانومتر شائعة، يتم تحسين أطوال موجية أخرى لتطبيقات محددة مثل استشعار الغازات أو التشخيص الطبي. يتطور التغليف لدعم تكنولوجيا التركيب السطحي (SMD) للتجميع الآلي، على الرغم من أن الأغلفة عبر الثقب مثل مقاس 5 مم تظل شائعة للنماذج الأولية والإصلاح وبعض تطبيقات الموثوقية العالية. التكامل هو اتجاه آخر، حيث يتم دمج LED للأشعة تحت الحمراء مع محركات، ومعدلات، وحتى كواشف في وحدات واحدة لتبسيط تصميم النظام للمستخدم النهائي.