ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء SIR323-5 - 5 مم - جهد أمامي 1.3 فولت - طول موجي 875 نانومتر - تبديد طاقة 150 ميغاواط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يعد SIR323-5 صماماً ثنائياً باعثاً عالي الشدة للأشعة تحت الحمراء (IR) مُحاطاً بغلاف بلاستيكي قياسي T-1 3/4 (5 مم) شفاف تماماً. تم تصميمه لبعث الضوء عند طول موجي ذروة يبلغ 875 نانومتر (نانومتر)، والذي يقع ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. تم هندسة هذا الجهاز لتطبيقات تتطلب مصادر ضوء تحت الحمراء قوية وموثوقة، حيث تمت مطابقة ناتجه الطيفي خصيصاً ليكون متوافقاً مع الترانزستورات الضوئية السليكونية الشائعة، والثنائيات الضوئية، ووحدات استقبال الأشعة تحت الحمراء. تتميز العبوة بتباعد أطراف قياسي 2.54 مم لتسهيل التكامل في تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) ذات الثقوب المارة.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الأساسية لهذا المكون شدته الإشعاعية العالية، مما يضمن إرسال إشارة قوية، وجهد الأمام المنخفض، مما يساهم في تشغيل موفر للطاقة. تم تصنيعه باستخدام مواد خالية من الرصاص وهو متوافق مع لوائح RoHS (تقييد المواد الخطرة)، ولوائح الاتحاد الأوروبي REACH، ومعايير خالية من الهالوجين (Br < 900 جزء في المليون، Cl < 900 جزء في المليون، Br+Cl < 1500 جزء في المليون)، مما يجعله مناسباً للأسواق العالمية ذات المتطلبات البيئية الصارمة. يتميز الجهاز بموثوقية عالية، وهو عامل حاسم للإلكترونيات الاستهلاكية والصناعية. تطبيقاته المستهدفة هي في المقام الأول في أنظمة الإشارات اللاسلكية غير التلامسية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يقدم هذا القسم تفسيراً مفصلاً وموضوعياً للمعايير الكهربائية والبصرية والحرارية الرئيسية المحددة في ورقة البيانات.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت أو عند هذه الحدود.

• التيار الأمامي المستمر (I_F): 100 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تطبيقه باستمرار على الصمام الثنائي الباعث للضوء دون خطر التدهور.
• تيار الذروة الأمامي (I_FP): 1.0 أمبير. يُسمح بهذا التيار العالي فقط في ظل ظروف النبض بعرض نبضة ≤ 100 ميكروثانية ودورة عمل ≤ 1%. وهذا يسمح باندفاعات ضوئية قصيرة جداً ومشرقة، مفيدة للإرسال لمسافات طويلة.
• الجهد العكسي (V_R): 5 فولت. يمكن أن يؤدي تطبيق جهد انحياز عكسي يتجاوز هذه القيمة إلى انهيار الوصلة.
• تبديد الطاقة (P_d): 150 ميغاواط عند درجة حرارة محيطة 25°م أو أقل. هذه هي أقصى طاقة يمكن للعبوة تبديدها كحرارة. يؤدي تجاوز هذا الحد إلى رفع درجة حرارة الوصلة، مما يقلل من العمر الافتراضي والناتج.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين: يمكن للجهاز العمل من -40°م إلى +85°م ويتم تخزينه من -40°م إلى +100°م.
• درجة حرارة اللحام: 260°م لمدة لا تتجاوز 5 ثوانٍ، وهو متوافق مع ملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص القياسية.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات في ظل ظروف الاختبار القياسية (Ta=25°م) وتحدد أداء الجهاز.

• الشدة الإشعاعية (I_e): هذه هي الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة (ستراديان). عند تيار أمامي قدره 20 مللي أمبير، تكون القيمة النموذجية 7.8 ميغاواط/ستراديان، مع حد أدنى 4.0 ميغاواط/ستراديان. في ظل ظروف النبض (I_F=100 مللي أمبير، نبضة ≤100 ميكروثانية، دورة عمل ≤1%)، تصل الشدة الإشعاعية النموذجية إلى 40 ميغاواط/ستراديان، مما يظهر قدرته على اندفاعات عالية الطاقة.
• طول موجة الذروة (λ_p): 875 نانومتر (نموذجي). هذا هو الطول الموجي الذي تكون فيه الطاقة البصرية المنبعثة في أقصى حد. يكون عرض النطاق الطيفي (Δλ) نموذجياً 45 نانومتر، مما يشير إلى نطاق الأطوال الموجية المنبعثة حول الذروة.
• الجهد الأمامي (V_F): عند 20 مللي أمبير، يكون الجهد الأمامي النموذجي 1.3 فولت، بحد أقصى 1.65 فولت. في حالة النبض 100 مللي أمبير، يرتفع إلى نموذجي 1.4 فولت (بحد أقصى 1.8 فولت). هذا الجهد الأمامي المنخفض V_Fمفيد لتصميم الدوائر منخفضة الجهد.
• التيار العكسي (I_R): أقصى 10 ميكرو أمبير عند جهد عكسي 5 فولت، مما يشير إلى عزل جيد للوصلة.
• زاوية المشاهدة (2θ_1/2): 35 درجة (نموذجي). هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى (على المحور). توفر زاوية 35 درجة حزمة مركزة بشكل معتدل، مناسبة للتطبيقات الموجهة.

ملاحظة حول عدم اليقين في القياس: تحدد ورقة البيانات التفاوتات للقياسات الرئيسية: V_F(±0.1 فولت)، I_e(±10%)، و λ_p(±1.0 نانومتر). يجب مراعاة هذه في حسابات التصميم الدقيقة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح سلوك الجهاز في ظل ظروف مختلفة.

3.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يُظهر هذا المنحنى (الشكل 1) عادةً تقليل أقصى تيار أمامي مسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. لمنع تجاوز أقصى درجة حرارة للوصلة وحد تبديد الطاقة 150 ميغاواط، يجب تقليل التيار الأمامي المستمر عند التشغيل فوق 25°م. يجب على المصممين الرجوع إلى هذا الرسم البياني للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.

3.2 التوزيع الطيفي

يرسم رسم التوزيع الطيفي (الشكل 2) الشدة النسبية مقابل الطول الموجي. يؤكد بصرياً طول موجة الذروة عند 875 نانومتر وعرض النطاق الطيفي التقريبي 45 نانومتر. هذا المنحنى ضروري لضمان التوافق مع الحساسية الطيفية للمستقبل المقصود (الترانزستور الضوئي، الثنائي الضوئي، أو الدائرة المتكاملة).

3.3 الشدة النسبية مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا الرسم البياني (الشكل 3) العلاقة بين تيار القيادة وإخراج الضوء. بالنسبة للصمامات الثنائية الباعثة للضوء، يكون الناتج البصري بشكل عام متناسباً مع التيار الأمامي في نطاق التشغيل الطبيعي. ومع ذلك، قد تنخفض الكفاءة عند التيارات العالية جداً بسبب التأثيرات الحرارية وغير الخطيات الأخرى. يساعد المنحنى المصممين في اختيار تيار القيادة المناسب لتحقيق الشدة الإشعاعية المطلوبة.

3.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يرسم هذا الرسم القطبي (الشكل 4) نمط انبعاث الصمام الثنائي الباعث للضوء. يوضح كيف تنخفض الشدة مع تحرك زاوية المراقبة بعيداً عن المحور المركزي (0°). يتم اشتقاق زاوية المشاهدة 35 درجة (حيث تكون الشدة 50% من الذروة) من هذا المنحنى. هذه المعلومات بالغة الأهمية لتصميم النظام البصري، وتحديد تغطية الحزمة وتسامحات المحاذاة.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد العبوة

يستخدم الجهاز غلاف صمام ثنائي باعث للضوء دائري قياسي مقاس 5 مم (T-1 3/4). يوفر الرسم الميكانيكي التفصيلي في ورقة البيانات جميع الأبعاد الحرجة، بما في ذلك قطر الجسم، وشكل العدسة، وطول الأطراف، وتباعد الأطراف. تم تأكيد تباعد الأطراف على أنه 2.54 مم (0.1 بوصة)، وهو المعيار لمكونات الثقوب المارة. جميع الأبعاد لها تفاوت ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. مادة العدسة هي بلاستيك شفاف تماماً، مُحسَّن لنقل الأشعة تحت الحمراء بأقل امتصاص.

4.2 تحديد القطبية

بالنسبة للصمامات الثنائية الباعثة للضوء ذات الثقوب المارة، يتم عادةً الإشارة إلى القطبية من خلال ميزتين: طول الطرف والهيكل الداخلي. الطرف الأطول هو الأنود (الموجب)، والطرف الأقصر هو الكاثود (السالب). بالإضافة إلى ذلك، تحتوي العديد من العبوات على بقعة مسطحة على حافة قاعدة العدسة بالقرب من طرف الكاثود. تحقق دائماً من القطبية قبل اللحام لمنع تلف الانحياز العكسي.

5. إرشادات اللحام والتجميع

تم تصنيف الجهاز للحام الموجة أو اليدوي. المعلمة الرئيسية هي أقصى درجة حرارة لحام تبلغ 260°م لمدة لا تتجاوز 5 ثوانٍ. يتوافق هذا مع معايير IPC/JEDEC J-STD-020 لملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص. يمكن أن يؤدي التعرض المطول لدرجة الحرارة العالية إلى إتلاف العبوة البلاستيكية والروابط السلكية الداخلية. عند اللحام اليدوي، استخدم مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة وقلل وقت التلامس. تأكد من تخزين الجهاز في بيئة جافة وفقاً لنطاق درجة حرارة التخزين (-40 إلى +100°م) لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يسبب "انفجار الذرة" أثناء إعادة التدفق.

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 مواصفات التعبئة

يتم تعبئة المكونات في أكياس مضادة للكهرباء الساكنة للحماية. الكمية القياسية للتعبئة هي 200 إلى 500 قطعة لكل كيس. ثم توضع خمسة أكياس في صندوق واحد. أخيراً، يتم تعبئة عشرة صناديق في صندوق شحن واحد.

6.2 مواصفات الملصق

يحتوي ملصق التغليف على عدة معرفات رئيسية:

• CPN: رقم إنتاج العميل (رقم الجزء الخاص بالعميل).
• P/N: رقم الإنتاج (رقم الجزء الخاص بالشركة المصنعة، على سبيل المثال، SIR323-5).
• QTY: كمية التعبئة.
• CAT: الرتب (قد تشير إلى فئات الأداء).
• HUE: طول موجة الذروة (على سبيل المثال، 875 نانومتر).
• REF: المرجع.
• LOT No: رقم الدفعة للتتبع.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• وحدات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء: تجعل الشدة الإشعاعية العالية، خاصة في وضع النبض (40 ميغاواط/ستراديان نموذجي)، هذا الصمام مثالياً لأجهزة التحكم عن بعد طويلة المدى لأجهزة التلفزيون، وأنظمة الصوت، والإلكترونيات الاستهلاكية الأخرى.
• أنظمة الإرسال في الهواء الطلق: تُستخدم في وصلات البيانات اللاسلكية قصيرة المدى، وأجهزة إنذار التسلل، وأنظمة كشف الأجسام حيث يتم إرسال حزمة الأشعة تحت الحمراء عبر الهواء إلى مستقبل.
• كاشفات الدخان: غالباً ما تُستخدم في كاشفات الدخان البصرية (الكهروضوئية). يتم تشتيت حزمة صمام الأشعة تحت الحمراء بواسطة جزيئات الدخان على ثنائي ضوئي، مما يؤدي إلى تشغيل الإنذار.
• أنظمة الأشعة تحت الحمراء التطبيقية العامة: تشمل الأتمتة الصناعية (عد الأشياء، استشعار الموضع)، والشاشات التي تعمل باللمس، والمشفرات البصرية.

7.2 اعتبارات التصميم وحماية الدائرة

• تحديد التيار: الصمام الثنائي الباعث للضوء هو جهاز يعمل بالتيار. استخدم دائماً مقاومة تحديد تيار على التوالي (أو محرك تيار ثابت) لمنع تجاوز أقصى تيار أمامي مستمر (100 مللي أمبير). يتم حساب قيمة المقاومة باستخدام قانون أوم: R = (V_supply- V_F) / I_F.
• التشغيل النبضي: بالنسبة لاندفاعات الشدة العالية، تأكد من أن دائرة القيادة يمكنها توصيل تيار الذروة 1 أمبير مع الالتزام الصارم بحدود عرض النبضة (≤100 ميكروثانية) ودورة العمل (≤1%). غالباً ما لا يمكن لدبوس GPIO الخاص بالمتحكم الدقيق توفير هذا القدر من التيار مباشرة وقد يتطلب مفتاح ترانزستور (على سبيل المثال، MOSFET).
• حماية الجهد العكسي: على الرغم من أن الجهاز يمكنه تحمل ما يصل إلى 5 فولت في الاتجاه العكسي، فمن الجيد تجنب الانحياز العكسي. في الدوائر المقترنة بالتيار المتردد أو حيث يكون الجهد العكسي ممكناً، فكر في إضافة ثنائي حماية بالتوازي مع الصمام الثنائي الباعث للضوء (الكاثود إلى الأنود).
• إدارة الحرارة: على الرغم من أن العبوة صغيرة، إلا أنه عند التيارات العالية ودرجات الحرارة المحيطة المرتفعة، يصبح تبديد الطاقة مهماً. تأكد من التهوية الكافية وخذ منحنى التقليل في الاعتبار إذا كان التشغيل فوق 25°م.
• التصميم البصري: ضع في اعتبارك زاوية المشاهدة 35 درجة. للحزم المركزة، قد تكون هناك حاجة إلى عدسات أو عواكس خارجية. للإضاءة واسعة النطاق، قد تكون الزاوية الأصلية كافية. تأكد من تطابق المستقبل طيفياً مع ذروة 875 نانومتر.

8. المقارنة والتمييز التقني

يميز SIR323-5 نفسه في سوق صمامات الأشعة تحت الحمراء مقاس 5 مم من خلال مجموعة من المعايير الرئيسية. مقارنةً بصمامات الأشعة تحت الحمراء العامة مقاس 5 مم، فإنه يوفر شدة إشعاعية نموذجية أعلى (7.8 ميغاواط/ستراديان @20 مللي أمبير مقابل 5-6 ميغاواط/ستراديان غالباً)، مما يتيح مدى أطول أو استهلاك طاقة أقل لنفس قوة الإشارة. جهد الأمام المنخفض (1.3 فولت نموذجي) مفيد للأجهزة التي تعمل بالبطارية. طول موجة 875 نانومتر هو معيار شائع، مما يضمن توافقاً واسعاً مع المستقبلات القائمة على السيليكون. امتثاله للمعايير البيئية الحديثة (RoHS، REACH، خالي من الهالوجين) هو شرط إلزامي لمعظم تصنيع الإلكترونيات المعاصرة، وهو ما قد لا يكون الحال مع البدائل القديمة أو منخفضة التكلفة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

9.1 ما الفرق بين الشدة الإشعاعية والشدة الضوئية؟

الشدة الإشعاعية (I_e, مقاسة بوحدة ميغاواط/ستراديان) هي الطاقةالبصريةالمنبعثة لكل زاوية صلبة، ذات صلة بجميع الأطوال الموجية. الشدة الضوئية (تقاس بالكانديلا، cd) يتم ترجيحها بحساسية العين البشرية (منحنى الضوء) وهي ذات معنى فقط للضوء المرئي. نظراً لأن هذا صمام ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء، فإن الشدة الإشعاعية هي المقياس الصحيح والمحدد.

9.2 هل يمكنني تشغيل هذا الصمام مباشرة من دبوس متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت أو 5 فولت؟

يجبألاتوصله مباشرة. يحتوي دبوس GPIO الخاص بالمتحكم الدقيق على حد لتيار المصدر (غالباً 20-40 مللي أمبير) ولا يمكنه التعامل مع استهلاك التيار المحتمل للصمام أو النبضة 1 أمبير. والأهم من ذلك، يجب أن يكون لديك مقاومة على التوالي لتحديد التيار. على سبيل المثال، من مصدر طاقة 5 فولت يستهدف I_F=20 مللي أمبير و V_F=1.3 فولت: R = (5V - 1.3V) / 0.02A = 185 أوم (استخدم مقاومة قياسية 180 أو 220 أوم). سيقوم دبوس GPIO بعد ذلك بتشغيل قاعدة/بوابة الترانزستور الذي يبدل تيار الصمام.

9.3 لماذا يكون تيار الذروة الأمامي (1 أمبير) أعلى بكثير من التيار المستمر (100 مللي أمبير)؟

هذا بسبب الحدود الحرارية. نبضة 1 أمبير قصيرة جداً (≤100 ميكروثانية) وغير متكررة (دورة عمل ≤1%) بحيث لا يكون لدى وصلة أشباه الموصلات الوقت الكافي لتسخين بشكل كبير. يأخذ تصنيف 100 مللي أمبير المستمر في الاعتبار الحرارة المتولدة في الحالة المستقرة، والتي يجب على العبوة تبديدها إلى البيئة للحفاظ على درجة حرارة الوصلة ضمن حدود آمنة.

9.4 كيف أختار مستقبلاً متطابقاً لهذا الصمام؟

ابحث عن ترانزستور ضوئي، أو ثنائي ضوئي، أو وحدة استقبال للأشعة تحت الحمراء تكون ذروة حساسيتها الطيفية حوالي 875 نانومتر. تتمتع معظم أجهزة الكشف القائمة على السيليكون بذروة حساسية بين 800 نانومتر و 950 نانومتر، مما يجعلها متطابقة جيداً. تحقق دائماً من منحنى الحساسية الطيفية للمستقبل في ورقة البيانات الخاصة به.

10. حالة عملية للتصميم والاستخدام

الحالة: تصميم جهاز تحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء بعيد المدى
الهدف: إرسال إشارة موثوقة حتى 15 متراً في غرفة معيشة نموذجية.
خيارات التصميم:

1. وضع القيادة: استخدم التشغيل النبضي عند I_FP= 1 أمبير لتعظيم الشدة الإشعاعية (40 ميغاواط/ستراديان نموذجي) لأطول مدى.
2. الدائرة: يولد المتحكم الدقيق قطار النبضات المشفر. يتحكم دبوس GPIO في MOSFET من نوع N-channel. يتم وضع الصمام ومقاومة صغيرة لاستشعار التيار على التوالي بين مصدر الطاقة (على سبيل المثال، بطاريتان AA ~3 فولت) ومصرف MOSFET. قيمة المقاومة صغيرة، فقط لضبط تيار الذروة: R = (V_bat- V_{F_pulse}- V_{DS_on}) / 1A. يتم استخدام مقاومة بوابة لـ MOSFET.
3. توقيت النبضة: تأكد من أن كل نبضة عالية في كود التحكم عن بعد (على سبيل المثال، بروتوكول NEC) يكون عرضها ≤100 ميكروثانية. يجب أن تكون دورة العمل خلال اندفاع الإرسال بأكمله ≤1%. عادة ما يتم تحقيق هذا بسهولة لأكواد التحكم عن بعد القصيرة.
4. البصريات: قد تكون الحزمة الأصلية 35 درجة كافية. للحصول على اتجاهية ومدى أفضل، يمكن إضافة عدسة بلاستيكية بسيطة للتوازي أمام الصمام.

تستفيد هذه الطريقة من نقاط القوة الرئيسية لـ SIR323-5: الناتج النبضي العالي والجهد الأمامي المنخفض، مما يتيح جهاز تحكم عن بعد قوي من مصدر بطارية صغير.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) هو صمام ثنائي أشباه موصلات من نوع p-n. عند تطبيق جهد أمامي (الأنود موجب بالنسبة للكاثود)، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة من النوع n والثقوب من المنطقة من النوع p في منطقة الوصلة. عندما تتحد حاملات الشحنة هذه، فإنها تطلق الطاقة. في الصمام الثنائي السليكوني القياسي، يتم إطلاق هذه الطاقة بشكل أساسي كحرارة. في مواد مثل زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم (GaAlAs)، المستخدمة في هذا الصمام، يتم إطلاق جزء كبير من طاقة الاتحاد هذه كفوتونات (ضوء). يتم تحديد الطول الموجي المحدد للضوء المنبعث (875 نانومتر في هذه الحالة) بواسطة طاقة فجوة النطاق لمادة أشباه الموصلات، والتي يتم هندستها أثناء عملية نمو البلورة. تعمل العبوة الإيبوكسية الشفافة تماماً كعدسة، تشكل الضوء المنبعث إلى نمط الحزمة المميز.

12. اتجاهات وتطورات التكنولوجيا

تستمر تكنولوجيا الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء في التطور. بينما يظل غلاف الثقب المار مقاس 5 مم الأساسي شائعاً للتصميمات القديمة والاستخدام الهواة، فإن الاتجاه الصناعي يتجه بقوة نحو عبوات الأجهزة ذات التركيب السطحي (SMD) (على سبيل المثال، 0805، 1206، أو عبوات على مستوى الشريحة). تقدم SMDs حجماً أصغر، وملاءمة أفضل للتجميع الآلي، وغالباً ما تحسن الأداء الحراري. هناك أيضاً تطور مستمر في المواد لتحقيق كفاءة أعلى (مزيد من إخراج الضوء لكل واط كهربائي مدخل)، وأطوال موجية ذروة مختلفة لتطبيقات الاستشعار المحددة (على سبيل المثال، 940 نانومتر للتشغيل السري، 850 نانومتر لكاميرات المراقبة مع إضاءة الأشعة تحت الحمراء)، وتكامل الصمام مع دائرة القيادة أو حتى المستقبل في وحدة واحدة. ومع ذلك، يظل مبدأ التشغيل الأساسي والمعايير الرئيسية الموصوفة لـ SIR323-5 حجر الزاوية لفهم وتحديد أي صمام ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء.