ورقة بيانات ثنائي الأشعة تحت الحمراء IR333C 5mm - عبوة T-1 مقاس 5mm - طول موجي ذروة 940 نانومتر - جهد أمامي 1.5 فولت - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

ثنائي الأشعة تحت الحمراء IR333C هو صمام ثنائي باعث للضوء عالي الكثافة، مُحاط بغلاف بلاستيكي شفاف قياسي مقاس 5 مم (T-1). تم تصميمه لإصدار ضوء عند طول موجي ذروة يبلغ 940 نانومتر، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب مصادر ضوء غير مرئية. يتطابق الطيف الضوئي للجهاز مع الترانزستورات الضوئية السليكونية الشائعة، والصمامات الثنائية الضوئية، ووحدات استقبال الأشعة تحت الحمراء، مما يضمن أداءً أمثل في أنظمة نقل الإشارات.

تشمل المزايا الرئيسية لهذا المكون موثوقيته العالية، وإخراج الكثافة الإشعاعية العالي، ومتطلبات الجهد الأمامي المنخفض. يبلغ تباعد الأطراف 2.54 مم، مما يجعله متوافقًا مع لوحات التجارب القياسية ولوحات الدوائر المطبوعة. كما يتم تصنيعه كمنتج خالٍ من الرصاص ومتوافق مع معايير RoHS، مما يلتزم بالمعايير البيئية الحديثة.

1.1 الميزات الأساسية والسوق المستهدف

الميزات الأساسية التي تحدد IR333C هي خصائصه البصرية والكهربائية المصممة خصيصًا لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء. تجعل كثافته الإشعاعية العالية، التي تبلغ ذروتها عند 940 نانومتر، فعاليته عالية جدًا في الاتصالات البصرية في الفضاء الحر. يقلل الجهد الأمامي المنخفض من استهلاك الطاقة، وهو أمر بالغ الأهمية للأجهزة التي تعمل بالبطاريات.

تتنوع التطبيقات المستهدفة وتشمل:

• أنظمة الإرسال في الهواء الطلق:تُستخدم لروابط البيانات اللاسلكية قصيرة المدى.
• وحدات التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء:خاصة تلك ذات متطلبات الطاقة العالية للعمل على مدى أطول أو من خلال العوائق.
• كاشفات الدخان:تُستخدم في تصميمات الحجرة البصرية للكشف عن جزيئات الدخان.
• أنظمة الأشعة تحت الحمراء التطبيقية العامة:يشمل ذلك استشعار الأجسام، واكتشاف القرب، والأتمتة الصناعية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

إن الفهم الشامل لمواصفات الجهاز أمر بالغ الأهمية لتصميم الدوائر الموثوقة ودمج النظام.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات الحدود التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا ينبغي تجاوزها أبدًا، حتى ولو للحظة.

• التيار الأمامي المستمر (I_F):100 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تمريره عبر الصمام الثنائي إلى أجل غير مسمى في ظل الظروف المحددة.
• تيار الذروة الأمامي (I_FP):1.0 أمبير. يُسمح بهذا التيار العالي فقط في ظل ظروف النبض (عرض النبضة ≤ 100 ميكروثانية، دورة العمل ≤ 1%). هذا مفيد لتحقيق إخراج إشعاعي لحظي عالٍ جدًا.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه في الاتجاه العكسي. قد يتسبب تجاوز هذا في انهيار الوصلة.
• تبديد الطاقة (P_d):150 ملي واط عند درجة حرارة 25°م أو أقل. يأخذ هذا التصنيف في الاعتبار كل من انخفاض الجهد الأمامي والتيار. سيؤدي التشغيل فوق هذا الحد إلى تسخين مفرط وتدهور الأداء أو التسبب في فشل.
• نطاقات درجات الحرارة:يتم تحديد درجات حرارة التشغيل والتخزين من -40°م إلى +85°م، مما يشير إلى ملاءمته للبيئات الصناعية والسيارات.
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°م كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ. هذا أمر بالغ الأهمية لعمليات اللحام الموجي أو إعادة التدفق لمنع تلف الغلاف.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

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

• الكثافة الإشعاعية (E_e):هذه هي الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة (ملي واط/ستراديان). القيمة النموذجية هي 15 ملي واط/ستراديان عند I_F=20 مللي أمبير. في ظل ظروف النبض عند I_F=100 مللي أمبير، ترتفع إلى 60 ملي واط/ستراديان، وعند I_F=1 أمبير، تصل إلى 450 ملي واط/ستراديان. يوضح هذا المكسب الكبير في الإخراج عند استخدام القيادة النبضية.
• طول موجة الذروة (λ_p):940 نانومتر (نموذجي). هذا في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، غير مرئي للعين البشرية ولكنه يتم اكتشافه بكفاءة بواسطة أجهزة الاستشعار القائمة على السيليكون.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):45 نانومتر (نموذجي). يحدد هذا نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، ومركزها حول الذروة. يمكن أن يكون عرض النطاق الضيق مفيدًا لتصفية ضوضاء الضوء المحيط.
• الجهد الأمامي (V_F):عادةً 1.5 فولت عند I_F=20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.85 فولت عند I_F=100 مللي أمبير (نبضي). يعتبر انخفاض V_Fميزة رئيسية لتصميم الدوائر منخفضة الجهد.
• التيار العكسي (I_R):أقصى 10 ميكرو أمبير عند V_R=5 فولت. تيار التسرب هذا منخفض جدًا.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):20 درجة (نموذجي). تركز زاوية الشعاع الضيقة هذه الكثافة الإشعاعية في شعاع موجه، مما يزيد المدى الفعال لتطبيقات مثل أجهزة التحكم عن بُعد.

3. شرح نظام التصنيف

يتم فرز IR333C إلى فئات مختلفة بناءً على كثافته الإشعاعية عند تيار اختبار قياسي يبلغ 20 مللي أمبير. يسمح هذا للمصممين باختيار مكونات ذات مستويات أداء مضمونة كحد أدنى لتطبيقهم.

هيكل التصنيف كما يلي:

• الفئة M:الكثافة الإشعاعية بين 7.8 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى) و 12.5 ملي واط/ستراديان (الحد الأقصى).
• الفئة N:الكثافة الإشعاعية بين 11.0 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى) و 17.6 ملي واط/ستراديان (الحد الأقصى).
• الفئة P:الكثافة الإشعاعية بين 15.0 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى) و 24.0 ملي واط/ستراديان (الحد الأقصى).
• الفئة Q:الكثافة الإشعاعية بين 21.0 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى) و 34.0 ملي واط/ستراديان (الحد الأقصى).

للتطبيقات التي تتطلب سطوعًا ثابتًا أو مدى أطول، يُوصى بتحديد فئة أعلى (مثل P أو Q). يتضمن ملصق المنتج حقل \"CAT\" للإشارة إلى الرتبة.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح كيفية تغير المعلمات مع ظروف التشغيل.

4.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 1 و 8)

تُظهر هذه المنحنيات العلاقة بين أقصى تيار أمامي مسموح به ودرجة الحرارة المحيطة. مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض أقصى تيار مستمر مسموح به خطيًا. هذا بسبب انخفاض قدرة تبديد الطاقة في درجات الحرارة المرتفعة. يجب على المصممين تخفيض تصنيف تيار التشغيل بناءً على أقصى درجة حرارة محيطة متوقعة لضمان الموثوقية.

4.2 التوزيع الطيفي (الشكل 2)

يرسم هذا الرسم البياني الكثافة النسبية مقابل الطول الموجي. يؤكد الانبعاث الذروة عند 940 نانومتر ويظهر شكل وعرض (حوالي 45 نانومتر) طيف الانبعاث. هذا مهم لاختيار المرشحات البصرية المناسبة في المستقبل.

4.3 طول موجة الذروة مقابل درجة الحرارة (الشكل 3)

يحتوي طول موجة الانبعاث الذروة على معامل درجة حرارة طفيف، حيث يتحول عادةً إلى أطوال موجية أطول (انزياح أحمر) مع زيادة درجة حرارة الوصلة. عادةً ما يكون هذا الانزياح صغيرًا لثنائيات الأشعة تحت الحمراء، ولكن يجب مراعاته في تطبيقات الاستشعار الدقيقة.

4.4 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 4)

هذا هو منحنى I-V القياسي للصمام الثنائي. يظهر العلاقة الأسية. يسمح المنحنى للمصممين بتحديد انخفاض الجهد لتيار تشغيل معين، وهو أمر أساسي لحساب قيم المقاوم التسلسلي أو متطلبات دائرة القيادة.

4.5 الكثافة النسبية مقابل التيار الأمامي (الشكل 5)

يوضح هذا المنحنى أن الإخراج الإشعاعي خطي تقريبًا مع التيار الأمامي في نطاق التشغيل النموذجي. ومع ذلك، عند التيارات العالية جدًا، قد تنخفض الكفاءة بسبب التسخين والتأثيرات الأخرى.

4.6 الكثافة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية (الشكل 6)

يحدد هذا الرسم البياني القطبي زاوية الرؤية بصريًا. تكون الكثافة أعلى عند 0 درجة (على المحور) وتنخفض مع زيادة الزاوية، لتصل إلى نصف قيمتها القصوى عند حوالي ±10 درجات (ومن هنا جاءت زاوية الرؤية الكاملة البالغة 20 درجة).

5. المعلومات الميكانيكية والخاصة بالعبوة

يستخدم الجهاز العبوة القياسية في الصناعة مقاس 5 مم T-1. يبلغ تباعد الأطراف 2.54 مم (0.1 بوصة)، وهو التباعد القياسي للعديد من لوحات النماذج الأولية وتخطيطات لوحات الدوائر المطبوعة. العبوة مصبوبة من البلاستيك الشفاف، وهو شفاف لضوء الأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر، مما يقلل من الخسائر البصرية. عادةً ما يتم التعرف على الكاثود من خلال حافة مسطحة على حافة العدسة البلاستيكية و/أو طرف أقصر. يوفر الرسم الميكانيكي التفصيلي في ورقة البيانات جميع الأبعاد الحرية مع التفاوتات، وهي ضرورية لتصميم بصمة لوحة الدوائر المطبوعة وضمان الملاءمة المناسبة في السكن أو العدسات.

6. إرشادات اللحام والتجميع

لمنع التلف أثناء التجميع، يجب اتباع ظروف لحام محددة. الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة اللحام هو 260°م، ويجب ألا تتجاوز مدة اللحام 5 ثوانٍ. ينطبق هذا على كل من عمليات اللحام اليدوي واللحام الموجي. بالنسبة لللحام بإعادة التدفق، يلزم ملف تعريف يصل ذروته إلى 260°م أو أقل. يمكن أن يؤدي التعرض المطول لدرجات الحرارة المرتفعة إلى تشقق العبوة الإيبوكسية أو إتلاف روابط الأسلاك الداخلية. يُوصى أيضًا بتخزين المكونات في بيئة جافة لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يتسبب في \"انفجار\" أثناء إعادة التدفق.

7. معلومات التعبئة والطلب

التعبئة القياسية لـ IR333C هي كما يلي: يتم تعبئة 500 قطعة في كيس واحد، ويتم وضع 5 أكياس في صندوق واحد، و10 صناديق تشكل كرتونًا واحدًا. يبلغ هذا إجمالي 25000 قطعة لكل كرتون. يحتوي ملصق المنتج على عدة حقول رئيسية للتتبع والتعريف: CPN (رقم جزء العميل)، P/N (رقم جزء الشركة المصنعة)، QTY (الكمية)، CAT (رتبة/فئة الكثافة)، HUE (طول موجة الذروة)، REF (المرجع)، و LOT No (رقم الدفعة).

8. اقتراحات تصميم التطبيق

8.1 دوائر التطبيق النموذجية

دائرة القيادة الأكثر شيوعًا هي مقاوم تسلسلي بسيط. يتم حساب قيمة المقاوم (R_s) باستخدام قانون أوم: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. على سبيل المثال، لتشغيل الصمام الثنائي عند 20 مللي أمبير من مصدر طاقة 5 فولت مع V_Fنموذجي 1.5 فولت: R_s= (5V - 1.5V) / 0.02A = 175Ω. سيكون المقاوم القياسي 180Ω مناسبًا. للتشغيل النبضي عند التيارات العالية (مثل 1 أمبير)، يكون مفتاح الترانزستور أو MOSFET ضروريًا، وغالبًا ما يتم تشغيله بواسطة متحكم دقيق.

8.2 اعتبارات التصميم

• إدارة الحرارة:على الرغم من صغر حجم العبوة، إلا أنه عند التيارات المستمرة العالية، يمكن أن يقترب تبديد الطاقة (P_d= V_F* I_F) من الحد الأقصى البالغ 150 ملي واط. تأكد من التهوية الكافية أو فكر في استخدام قيادة نبضية لتقليل متوسط الطاقة.
• التصميم البصري:توفر زاوية الرؤية البالغة 20 درجة شعاعًا مركزًا. للحصول على تغطية أوسع، قد تكون هناك حاجة إلى عدسة موزعة. على العكس من ذلك، بالنسبة للتطبيقات طويلة المدى جدًا، يمكن استخدام عدسة تجميع ثانوية لتضييق الشعاع أكثر.
• مطابقة المستقبل:اقترن دائمًا IR333C بمستقبل (ترانزستور ضوئي، صمام ثنائي ضوئي، أو دائرة متكاملة) حساس في منطقة 940 نانومتر. يمكن أن يؤدي استخدام مرشح بصري يحجب الضوء المرئي إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الضوء المحيط بشكل كبير.

9. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بثنائيات الضوء المرئي القياسية أو ثنائيات الأشعة تحت الحمراء الأخرى، فإن المميزات الرئيسية لـ IR333C هي مزيجها من قدرة الإخراج النبضي العالي (450 ملي واط/ستراديان عند 1 أمبير)، والجهد الأمامي المنخفض، وزاوية الشعاع الضيقة البالغة 20 درجة. قد تقدم بعض الأجهزة المنافسة زوايا رؤية أوسع لتغطية أوسع ولكن على حساب الكثافة على المحور. يعتبر الطول الموجي 940 نانومتر أحد أكثر الأطوال الموجية شيوعًا وفعالية من حيث التكلفة، مع نقل جوي جيد وخيارات مستقبلية وفيرة، مقارنةً، على سبيل المثال، بثنائيات 850 نانومتر التي لها بعض التوهج الأحمر المرئي.

10. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: هل يمكنني تشغيل هذا الصمام الثنائي مباشرة من دبوس متحكم دقيق؟

ج: للتشغيل المستمر عند 20 مللي أمبير، تحقق مما إذا كان دبوس GPIO الخاص بمتحكمك الدقيق يمكنه توفير أو استيعاب هذا القدر من التيار. يمكن للعديد منها التعامل مع 10-25 مللي أمبير فقط. غالبًا ما يكون من الأكثر أمانًا استخدام ترانزستور كمفتاح.

س: لماذا تكون الكثافة الإشعاعية أعلى بكثير في ظل الظروف النبضية؟

ج: يتيح لك النبض الحالي تشغيل الصمام الثنائي عند تيارات أعلى بكثير من تصنيفه للتيار المستمر دون ارتفاع درجة حرارة الوصلة. يكون إخراج الضوء في المقام الأول دالة للتيار اللحظي، لذلك تنتج النبضات القصيرة عالية التيار ومضات ساطعة جدًا.

س: كيف يمكنني التعرف على الكاثود؟

ج: ابحث عن الحافة المسطحة على العدسة البلاستيكية الدائرية. الطرف المجاور لهذه الحافة المسطحة هو الكاثود. أيضًا، عادةً ما يكون طرف الكاثود أقصر من طرف الأنود.

س: هل صمام الأشعة تحت الحمراء مثل هذا آمن للعيون؟

ج: على الرغم من أنه غير مرئي، إلا أن الأشعة تحت الحمراء يمكن أن تركزها عدسة العين على الشبكية. بالنسبة للتطبيقات عالية الطاقة، خاصة مع العدسات، فمن الحكمة تجنب المشاهدة المباشرة. تستخدم معظم أجهزة التحكم عن بُعد الاستهلاكية طاقة متوسطة منخفضة جدًا وتعتبر آمنة للعيون.

11. مثال عملي لحالة الاستخدام

السيناريو: جهاز تحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء طويل المدى لفتح البوابة.

يحتاج المصمم إلى جهاز تحكم عن بُعد بمدى 50 مترًا في ضوء النهار. يختارون IR333C في الفئة Q للحصول على أقصى كثافة. تستخدم الدائرة متحكمًا دقيقًا لتوليد إشارة ناقل 38 كيلو هرتز، والتي يتم تعديل سعتها برمز البيانات. يتم استخدام ترانزستور NPN لنبض الصمام الثنائي عند 1 أمبير مع دورة عمل منخفضة جدًا (مثل 1%). تتم إضافة عدسة بلاستيكية بسيطة أمام الصمام الثنائي لتجميع الشعاع قليلاً. على جانب المستقبل، يتم استخدام وحدة استقبال الأشعة تحت الحمراء القياسية 38 كيلو هرتز مع مرشح 940 نانومتر. يستفيد هذا التصميم من إخراج الصمام الثنائي النبضي العالي وشعاعه الضيق لتحقيق المدى المطلوب مع الحفاظ على استهلاك الطاقة المنخفض المتوسط لعمر بطارية طويل.

12. مقدمة عن مبدأ التشغيل

ثنائي إصدار الضوء تحت الأحمر (IR LED) هو صمام ثنائي تقاطع p-n شبه موصل. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة n والثقوب من المنطقة p عبر التقاطع. عندما تتحد حاملات الشحن هذه، فإنها تطلق الطاقة. في صمام الأشعة تحت الحمراء، يتم اختيار المادة شبه الموصلة (GaAlAs لـ IR333C) بحيث يتم إطلاق هذه الطاقة في المقام الأول كفوتونات في الجزء تحت الأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي (حوالي 940 نانومتر). تعمل العبوة الإيبوكسية الشفافة كعدسة، تشكل الضوء المنبعث في نمط الشعاع المميز.

13. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر اتجاه ثنائيات الأشعة تحت الحمراء نحو كفاءة أعلى (مزيد من الإخراج الإشعاعي لكل واط كهربائي مدخل) وكثافة طاقة أعلى. هذا يمكّن من عمر بطارية أطول ونطاقات تشغيل أطول في الأجهزة المحمولة. هناك أيضًا تطور في مصادر الأشعة تحت الحمراء متعددة الأطوال الموجية والقابلة للضبط لتطبيقات الاستشعار المتقدمة مثل تحليل الغازات والقياس الطيفي. يعد دمج دائرة قيادة الصمام الثنائي وحتى المستشعر في وحدات مضغوطة اتجاهًا شائعًا آخر، مما يبسط التصميم للمستخدمين النهائيين. يظل الدافع الأساسي لمعايير RoHS والتصنيع الأخضر قويًا في جميع أنحاء الصناعة.