ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء HIR323C - قطر 5 مم - جهد أمامي 1.45 فولت - طول موجي 850 نانومتر - تبديد طاقة 150 ميلي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يعد HIR323C صمامًا ثنائيًا باعثًا للأشعة تحت الحمراء عالي الشدة، مُحاطًا بغلاف قياسي من نوع T-1 (5 مم) مع عدسة بلاستيكية شفافة تمامًا. تم تصميم هذا الجهاز لتقديم أداء موثوق في أنظمة الاستشعار والاتصالات بالأشعة تحت الحمراء. تمت مطابقة ناتجه الطيفي خصيصًا ليكون متوافقًا مع الترانزستورات الضوئية السليكونية الشائعة، والصمامات الثنائية الضوئية، ووحدات استقبال الأشعة تحت الحمراء، مما يضمن كفاءة مثلى للنظام. المجال التطبيقي الأساسي لهذا المكون هو ضمن الأنظمة المطبقة للأشعة تحت الحمراء، والتي يمكن أن تشمل أجهزة التحكم عن بُعد، وكشف الأجسام، واستشعار القرب، والمفاتيح الضوئية.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تنبع المزايا الرئيسية لهذا الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء من تصميمه واختيار مواده. فهو يستخدم مادة شريحة GaAlAs (غاليوم ألومنيوم زرنيخيد)، المعروفة بانبعاث الأشعة تحت الحمراء بكفاءة. توفر العبوة شدة إشعاعية عالية، مما يتيح إرسال إشارة قوية. إحدى الميزات الهامة هي جهدها الأمامي المنخفض، مما يساهم في تقليل استهلاك الطاقة في التطبيق النهائي. تم تصميم المنتج للامتثال للمعايير البيئية والسلامة الحديثة، حيث أنه خالٍ من الرصاص، ومتوافق مع RoHS، ومتوافق مع EU REACH، وخالٍ من الهالوجين. وهذا يجعله مناسبًا للسوق العالمية، وخاصة في الإلكترونيات الاستهلاكية، والأتمتة الصناعية، وأنظمة الأمان حيث تكون هناك حاجة إلى مصادر أشعة تحت حمراء موثوقة وطويلة العمر.

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

يقدم هذا القسم تفسيرًا تفصيليًا وموضوعيًا للمعلمات التقنية الرئيسية المدرجة في ورقة البيانات، موضحًا أهميتها لمهندسي التصميم.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

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

• التيار الأمامي المستمر (IF):100 مللي أمبير. هذا هو الحد الأقصى للتيار المستمر الذي يمكن تمريره عبر الصمام الثنائي إلى أجل غير مسمى تحت ظروف محددة.
• تيار الذروة الأمامي (IFP):1.0 أمبير. يُسمح بهذا التيار العالي فقط تحت ظروف النبض (عرض النبضة ≤ 100 ميكروثانية، دورة العمل ≤ 1%). وهو مفيد للتطبيقات التي تتطلب نبضات قصيرة جدًا وعالية الشدة.
• الجهد العكسي (VR):5 فولت. يمكن أن يتسبب تجاوز هذا الجهد في اتجاه الانحياز العكسي في انهيار الوصلة.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين:تتراوح من -40°C إلى +85°C (التشغيل) ومن -40°C إلى +100°C (التخزين). يضمن هذا النطاق الواسع الموثوقية في البيئات القاسية.
• تبديد الطاقة (Pd):150 ميلي واط عند درجة حرارة محيطة 25°C أو أقل. هذه هي أقصى طاقة يمكن للعبوة تبديدها كحرارة. سينخفض التيار الأمامي المسموح به فعليًا عند درجات حرارة محيطة أعلى.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات تحت ظروف الاختبار القياسية (Ta=25°C) وتحدد أداء الجهاز.

• الشدة الإشعاعية (Ie):هذه هي الطاقة الضوئية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة، مقاسة بوحدة ميلي واط/ستراديان. القيمة النموذجية هي 30 ميلي واط/ستراديان عند IF=20mA. تحت التشغيل النبضي عند 100mA، يمكن أن تصل إلى 130 ميلي واط/ستراديان. تعني الشدة الإشعاعية الأعلى نطاق تشغيل أطول أو نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل.
• الطول الموجي الذروي (λp):850 نانومتر (نموذجي). هذا هو الطول الموجي الذي تكون فيه طاقة الخرج الضوئية في أقصى حد لها. يقع 850 نانومتر في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو غير مرئي للعين البشرية ولكنه يُكتشف بكفاءة بواسطة أجهزة الاستشعار القائمة على السليكون.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):45 نانومتر (نموذجي). يحدد هذا نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، ومركزها حول الطول الموجي الذروي. يمكن أن يكون عرض النطاق الضيق مفيدًا لتصفية ضوضاء الضوء المحيط.
• الجهد الأمامي (VF):1.45 فولت (نموذجي) عند 20mA، بحد أقصى 1.65 فولت. عند 100mA (نبضي)، الحد الأقصى هو 2.40 فولت. يعتبر VF المنخفض معلمة كفاءة رئيسية.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):15 درجة (نموذجي). هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى (على المحور). تنتج زاوية الرؤية الضيقة حزمة أكثر تركيزًا.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يستخدم HIR323C نظام تصنيف لتصنيف الأجهزة بناءً على شدة إشعاعها المقاسة عند تيار الاختبار القياسي البالغ 20mA. وهذا يسمح للمصممين باختيار الأجزاء التي تلبي الحد الأدنى المحدد لمتطلبات الخرج لتطبيقهم.

• التصنيف P:نطاق الشدة الإشعاعية من 15.0 ميلي واط/ستراديان (الحد الأدنى) إلى 24.0 ميلي واط/ستراديان (الحد الأقصى).
• التصنيف Q:نطاق الشدة الإشعاعية من 21.0 ميلي واط/ستراديان (الحد الأدنى) إلى 34.0 ميلي واط/ستراديان (الحد الأقصى).
• التصنيف R:نطاق الشدة الإشعاعية من 30.0 ميلي واط/ستراديان (الحد الأدنى) إلى 48.0 ميلي واط/ستراديان (الحد الأقصى).

يضمن اختيار تصنيف أعلى (مثل R) حدًا أدنى أعلى للإخراج، وهو أمر بالغ الأهمية لضمان أداء ثابت للنظام، خاصة مع تغيرات درجة الحرارة وعمر المنتج.

4. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة. يعد فهم هذه الرسوم أمرًا بالغ الأهمية لتصميم دائرة قوي.

4.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يُظهر هذا المنحنى تخفيض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي المستمر مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. مع ارتفاع درجة الحرارة، تقل قدرة العبوة على تبديد الحرارة، لذلك يجب تقليل التيار للبقاء ضمن منطقة التشغيل الآمنة (SOA) المحددة بواسطة أقصى تبديد للطاقة. يجب على المصممين استخدام هذا الرسم البياني لاختيار مقاومات تحديد التيار أو مشغلات مناسبة لبيئة التشغيل المتوقعة.

4.2 الشدة الإشعاعية مقابل التيار الأمامي

يصور هذا الرسم البياني العلاقة بين تيار التشغيل (IF) والخرج الضوئي (Ie). وهي بشكل عام غير خطية. يزداد الناتج مع التيار ولكنه قد يشبع عند تيارات عالية جدًا بسبب التأثيرات الحرارية وتأثيرات الكفاءة. يساعد المنحنى في تحديد تيار التشغيل اللازم لتحقيق مستوى الإخراج المطلوب.

4.3 التوزيع الطيفي

يُظهر هذا الرسم البياني الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد الطول الموجي الذروي (λp ~850nm) وعرض النطاق الطيفي (Δλ). شكل هذا المنحنى مهم لضمان التوافق مع منحنى الحساسية الطيفية لمستشعر الاستقبال (الترانزستور الضوئي/الصمام الثنائي الضوئي).

4.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يوضح هذا الرسم البياني القطبي نمط انبعاث الصمام الثنائي الباعث للضوء. تكون الشدة أعلى على طول المحور المركزي (0°) وتتناقص مع زيادة الزاوية. يتم تعريف زاوية الرؤية البالغة 15 درجة حيث تنخفض الشدة إلى 50% من ذروتها. هذه المعلومات حيوية للتصميم البصري، لتحديد انتشار الحزمة وتسامحات المحاذاة في النظام.

5. المعلومات الميكانيكية والتعبئة

5.1 رسم أبعاد العبوة

يتوافق الجهاز مع المخطط التفصيلي القياسي لعبوة الصمام الثنائي الباعث للضوء المستديرة من نوع T-1 (5 مم). تشمل الأبعاد الرئيسية القطر الكلي (5.0 مم نموذجي)، وارتفاع العدسة، وتباعد الأطراف (2.54 مم أو 0.1 بوصة، وهو تباعد قياسي لثقوب اللوحة المطبوعة). يحدد الرسم أطراف الأنود والكاثود، حيث يكون الطرف الأطول عادةً هو الأنود. جميع التسامحات غير المحددة هي ±0.25 مم. يجب على المهندسين الرجوع إلى هذا الرسم لتصميم بصمة اللوحة المطبوعة وفحص المسافات الميكانيكية.

5.2 تحديد القطبية

يستخدم المكون اصطلاح قطبية الصمام الثنائي الباعث للضوء القياسي: الطرف الأطول هو الأنود (+)، والطرف الأقصر هو الكاثود (-). قد تحتوي العبوة أيضًا على جانب مسطح على الحافة بالقرب من طرف الكاثود. القطبية الصحيحة ضرورية للتشغيل؛ يمكن أن يتسبب الانحياز العكسي الذي يتجاوز 5 فولت في إتلاف الجهاز.

6. إرشادات اللحام والتجميع

التعامل السليم أمر بالغ الأهمية للحفاظ على موثوقية الجهاز وأدائه.

6.1 تشكيل الأطراف

• يجب أن يحدث الانحناء على الأقل 3 مم من قاعدة المصباح الإيبوكسي لتجنب الإجهاد على القالب الداخلي وروابط الأسلاك.
• يجب دائمًا إجراء التشكيل قبل عملية اللحام.
• يجب تقليل الإجهاد الميكانيكي على العبوة أثناء التشكيل إلى الحد الأدنى لمنع التشققات أو التلف الداخلي.
• يجب أن تكون محاذاة ثقوب اللوحة المطبوعة دقيقة لتجنب إجهاد التركيب.

6.2 ظروف التخزين

بيئة التخزين الموصى بها هي عند 30°C أو أقل و 70% رطوبة نسبية (RH). العمر الافتراضي تحت هذه الظروف هو 3 أشهر من تاريخ الشحن. للتخزين لفترات أطول (حتى عام واحد)، يجب الاحتفاظ بالأجهزة في حاوية محكمة الغلق بجو من النيتروجين ومجفف لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يؤثر على قابلية اللحام والموثوقية.

6.3 معلمات اللحام

يجب الحفاظ على مسافة لا تقل عن 3 مم بين نقطة اللحام والمصباح الإيبوكسي لمنع التلف الحراري.

• اللحام اليدوي:أقصى درجة حرارة لطرف المكواة 300°C (لمكواة 30 واط)، أقصى وقت لحام 3 ثوانٍ لكل طرف.
• اللحام بالموجة/الغمس:أقصى درجة حرارة تسخين مسبق 100°C لمدة تصل إلى 60 ثانية. أقصى درجة حرارة لحوض اللحام 260°C، مع عدم تجاوز وقت الغمر 5 ثوانٍ.

توفر ورقة البيانات ملف تعريف درجة حرارة لحام موصى به، مؤكدة على أهمية التحكم في معدلات التسخين، ودرجة الحرارة القصوى، ومعدلات التبريد لمنع الصدمة الحرارية. لا ينبغي إجراء اللحام (بالغمس أو اليدوي) أكثر من مرة واحدة. بعد اللحام، يجب حماية الجهاز من الاهتزاز حتى يبرد إلى درجة حرارة الغرفة.

6.4 التنظيف

إذا كان التنظيف ضروريًا، فيجب استخدام كحول الأيزوبروبيل فقط في درجة حرارة الغرفة، لمدة لا تزيد عن دقيقة واحدة. لا يُنصح بشدة بالتنظيف بالموجات فوق الصوتية لأن الاهتزازات عالية التردد يمكن أن تلحق الضرر بالهيكل الداخلي للصمام الثنائي الباعث للضوء. إذا كان ذلك مطلوبًا تمامًا، فيجب التأهيل بعناية للعملية مسبقًا.

7. معلومات التعبئة والطلب

7.1 مواصفات التعبئة

عادةً ما يتم تعبئة الأجهزة في أكياس مضادة للكهرباء الساكنة لمنع التلف الناتج عن التفريغ الكهروستاتيكي (ESD). التكوين الشائع للتعبئة هو: 200-500 قطعة لكل كيس، 5 أكياس توضع في صندوق داخلي، و 10 صناديق داخلية توضع في صندوق رئيسي (خارجي).

7.2 مواصفات نموذج الملصق

يحتوي الملصق على العبوة على معلومات حرجة للتتبع والتطبيق الصحيح:

• P/N:رقم المنتج (HIR323C).
• CAT:رتبة الشدة الضوئية (أي رمز التصنيف: P، Q، أو R).
• LOT No:رقم الدفعة للتتبع التصنيعي.
• قد تتضمن الرموز الأخرى رقم جزء العميل (CPN)، والكمية (QTY)، ورموز التاريخ.

8. اقتراحات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• أجهزة التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء:للتلفزيونات، وأنظمة الصوت، والإلكترونيات الاستهلاكية الأخرى.
• استشعار الجسم/القرب:في الأجهزة المنزلية، وآلات البيع، والمعدات الصناعية للكشف عن وجود أو عدم وجود جسم.
• المفاتيح الضوئية والمشفرات:حيث يشير قطع أو عكس حزمة الأشعة تحت الحمراء إلى الموضع أو الحركة.
• أنظمة الأمان:كجزء من حزم كشف التسلل بالأشعة تحت الحمراء.
• نقل البيانات:لروابط البيانات التسلسلية البسيطة قصيرة المدى (قد تتطلب أنظمة متوافقة مع IrDA أجهزة محددة).

8.2 اعتبارات التصميم

• تحديد التيار:الصمام الثنائي الباعث للضوء هو جهاز يعمل بالتيار. استخدم دائمًا مقاومة على التوالي أو مشغل تيار ثابت لضبط التيار الأمامي (IF) إلى القيمة المطلوبة، محسوبة من جهد الإمداد (Vcc)، وجهد الصمام الأمامي (VF)، والتيار المطلوب: R = (Vcc - VF) / IF.
• إدارة الحرارة:للتشغيل المستمر عند تيارات أعلى أو في درجات حرارة محيطة مرتفعة، ضع في اعتبارك منحنى التخفيض. تأكد من وجود مساحة كافية من النحاس على اللوحة المطبوعة أو وسائل أخرى لتصريف الحرارة بعيدًا عن أطراف الصمام الثنائي الباعث للضوء.
• المحاذاة البصرية:تتطلب زاوية الرؤية الضيقة البالغة 15 درجة محاذاة ميكانيكية دقيقة بين الباعث والمستقبل للحصول على قوة إشارة مثلى.
• مناعة ضد الضوء المحيط:للأنظمة التي تعمل في بيئات ذات ضوء محيط متغير (مثل ضوء الشمس)، ضع في اعتبارك تعديل إشارة الأشعة تحت الحمراء عند تردد محدد واستخدام مستقبل مضبوط على ذلك التردد لرفض الضوضاء الخلفية.

9. المقارنة والتمييز التقني

بينما توجد العديد من الصمامات الثنائية الباعثة للأشعة تحت الحمراء مقاس 5 مم، يتميز HIR323C من خلال مجموعة من المعلمات. تضع شدة إشعاعه النموذجية العالية (30 ميلي واط/ستراديان عند 20mA) في فئة الأداء الأعلى لحجم عبوته. يعزز جهد الأمامي النموذجي المنخفض جدًا (1.45 فولت) كفاءة الطاقة، وهو أمر ذو قيمة خاصة في التطبيقات التي تعمل بالبطاريات. المطابقة المحددة لأجهزة الكشف الضوئي السليكونية والامتثال للمعايير البيئية الصارمة (خالية من الهالوجين، REACH) تجعله خيارًا مناسبًا للتصميمات الحديثة الواعية بيئيًا التي تتطلب أداءً موثوقًا وطويل الأمد.

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س1: هل يمكنني تشغيل هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء مباشرة من دبوس متحكم دقيق 3.3 فولت أو 5 فولت؟

ج: لا. يجب تحديد تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء. سيؤدي توصيله مباشرة بمصدر جهد منخفض المعاوقة مثل دبوس متحكم دقيق إلى تدفق تيار مفرط، مما قد يدمر كلًا من الصمام الثنائي الباعث للضوء وخرج المتحكم الدقيق. استخدم دائمًا مقاومة تحديد تيار أو دائرة مشغل.

س2: ما الفرق بين التصنيفات P و Q و R؟

ج: تمثل مستويات ضمان دنيا مختلفة للإخراج الإشعاعي. التصنيف R لديه الحد الأدنى الأعلى للإخراج (30 ميلي واط/ستراديان)، يليه Q (21 ميلي واط/ستراديان)، ثم P (15 ميلي واط/ستراديان). اختر بناءً على قوة الإشارة المطلوبة وهامش الربط في تطبيقك.

س3: تظهر ورقة البيانات تيار ذروة أمامي قدره 1 أمبير. هل يمكنني استخدام هذا للتطبيقات النبضية عالية الطاقة؟

ج: نعم، ولكن فقط تحت الشروط الصارمة المذكورة: يجب أن يكون عرض النبضة 100 ميكروثانية أو أقل، ويجب أن تكون دورة العمل 1% أو أقل (على سبيل المثال، نبضة واحدة 100 ميكروثانية كل 10 مللي ثانية). وهذا يسمح للصمام الثنائي الباعث للضوء بمعالجة طاقة لحظية عالية دون ارتفاع درجة الحرارة.

س4: لماذا تعتبر ظروف التخزين والعمر الافتراضي مهمة؟

ج: يمكن للمكونات الإلكترونية المعبأة بالبلاستيك امتصاص الرطوبة من الغلاف الجوي. أثناء عملية اللحام عالية الحرارة، يمكن أن تتمدد هذه الرطوبة المحتبسة بسرعة، مما يسبب انفصالًا داخليًا أو "انفجارًا"، مما يؤدي إلى تشقق العبوة وتدمير الجهاز. يعد الالتزام بإرشادات التخزين وخبز المكونات إذا لزم الأمر أمرًا بالغ الأهمية للتصنيع ذو العائد المرتفع.

11. حالة تصميم واستخدام عملية

الحالة: تصميم مستشعر بسيط لكشف الأجسام.

الاستخدام الشائع هو مستشعر قطع الحزمة. يتم وضع HIR323C على جانب واحد من المسار، ويتم وضع ترانزستور ضوئي (مطابق لـ 850 نانومتر) في مواجهة مباشرة. يقوم متحكم دقيق بتشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء عبر مقاومة 100 أوم من مصدر طاقة 5 فولت، مما يؤدي إلى تيار أمامي يبلغ حوالي (5 فولت - 1.45 فولت)/100 أوم = 35.5 مللي أمبير. يتم تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء بنبضات بتردد 1 كيلوهرتز ودورة عمل 50% لتوفير الطاقة والسماح برفض الضوء المحيط عبر الكشف المتزامن في المتحكم الدقيق. يتم قراءة خرج الترانزستور الضوئي بواسطة محول التناظري إلى الرقمي (ADC) الخاص بالمتحكم الدقيق. عندما يعترض جسم ما الحزمة، ينخفض قراءة محول التناظري إلى الرقمي، مما يؤدي إلى تشغيل إجراء. تساعد زاوية الرؤية الضيقة البالغة 15 درجة لـ HIR323C في إنشاء منطقة استشعار محددة جيدًا، مما يقلل من المشغلات الخاطئة من الأجسام التي تمر بالقرب ولكن ليس عبر الحزمة.

12. مقدمة المبدأ

الصمام الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) هو صمام ثنائي تقاطع p-n شبه موصل يشع الضوء عند انحيازه أماميًا. عندما يتدفق التيار الكهربائي من الأنود (مادة من النوع p) إلى الكاثود (مادة من النوع n)، تتحد الإلكترونات مع الفجوات في منطقة التقاطع، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات. يتم تحديد الطول الموجي للضوء المنبعث من خلال فجوة النطاق الطاقي لمادة أشباه الموصلات. بالنسبة لـ HIR323C، فإن نظام مادة GaAlAs له فجوة نطاق طاقي تتوافق مع الفوتونات في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة حول 850 نانومتر. عدسة الإيبوكسي الشفافة شفافة لهذا الطول الموجي ومشكلة لإنتاج نمط الإشعاع المطلوب (زاوية الرؤية).

13. اتجاهات التطوير

يستمر الاتجاه في تكنولوجيا المشع تحت الأحمر نحو كفاءة أعلى (مزيد من طاقة الخرج الضوئي لكل واط مدخل كهربائي)، مما يتيح إما نطاقًا أطول، أو استهلاكًا أقل للطاقة، أو كليهما. هناك أيضًا اتجاه نحو التصغير، حيث أصبحت عبوات أجهزة التركيب السطحي (SMD) أكثر انتشارًا من الأنواع ذات الثقوب المارّة مثل T-1 للتجميع الآلي. التكامل هو اتجاه آخر، حيث أصبحت وحدات الباعث-المستشعر المدمجة وأجهزة الاستشعار الذكية ذات معالجة الإشارات المدمجة شائعة. علاوة على ذلك، يظل الالتزام بتجاوز اللوائح البيئية (مثل متطلبات خالية من الهالوجين) محور تركيز رئيسي لمصنعي المكونات الذين يخدمون الأسواق العالمية. بينما يظل الطول الموجي القياسي 850 نانومتر شائعًا بسبب استجابة مستشعر السليكون الجيدة والتكلفة المنخفضة، تكتسب أطوال موجية أخرى مثل 940 نانومتر زخمًا للتطبيقات حيث تكون رؤية التوهج الأحمر الخافت (الموجود في بعض صمامات 850 نانومتر) غير مرغوب فيها.