ورقة بيانات ثنائي ضوئي ثنائي اللون LTST-C195KFKGKT - برتقالي وأخضر - 20 مللي أمبير - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

توفر هذه الوثيقة المواصفات التقنية الكاملة لمكون ثنائي ضوئي ثنائي اللون للتركيب السطحي. يدمج الجهاز شريحتي إضاءة متميزتين داخل غلاف واحد قياسي في الصناعة، مما يتيح توليد ضوء برتقالي وأخضر. تم تصميمه ليكون متوافقًا مع عمليات التجميع الآلي وتقنيات اللحام الحديثة، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات التصنيع بكميات كبيرة في الإلكترونيات الاستهلاكية، ومؤشرات الحالة، والإضاءة الخلفية.

1.1 الميزات الرئيسية وتحديد موقع المنتج

تشمل الميزات الأساسية لهذا المكون الامتثال للوائح البيئية، واستخدام تكنولوجيا أشباه الموصلات عالية السطوع AlInGaP لإخراج ضوئي فعال، وتغليف مُحسَّن للتغذية الآلية بشريط وبكرة. تصميمه متوافق مع عمليات إعادة التدفق (Reflow) بالأشعة تحت الحمراء (IR) والطور البخاري، وهي المعيار في خطوط تجميع تقنية التركيب السطحي (SMT). توفر القدرة ثنائية اللون في غلاف واحد مساحة على اللوحة وتُبسط التصميم مقارنة باستخدام ثنائيين ضوئيين منفصلين أحاديي اللون.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

توفر الأقسام التالية تحليلاً مفصلاً للخصائص الكهربائية والبصرية والحرارية للجهاز كما هي محددة في ورقة المواصفات.

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل عند أو تحت هذه الحدود ويجب تجنبه في تصميم الدائرة.

• تبديد الطاقة (Pd):75 ملي واط لكل شريحة (برتقالي وأخضر). هذه هي أقصى قدرة يمكن للثنائي الضوئي تبديدها كحرارة عند درجة حرارة محيطة (Ta) تبلغ 25 درجة مئوية. يتجاوز هذه القيمة يخاطر بالهروب الحراري والفشل.
• تيار التوصيل الأمامي الذروي (I_FP):80 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار أمامي لحظي مسموح به، يُحدد عادةً في ظل ظروف النبض (دورة عمل 1/10، عرض نبضة 0.1 مللي ثانية) لمنع ارتفاع درجة حرارة الوصلة بشكل مفرط.
• تيار التوصيل الأمامي المستمر (I_F):30 مللي أمبير تيار مستمر. هذا هو أقصى تيار موصى به للتشغيل المستمر في الظروف العادية.
• تقليل قيمة التيار المسموح به (Derating):0.4 مللي أمبير/درجة مئوية خطيًا بدءًا من 25 درجة مئوية. مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة فوق 25 درجة مئوية، يجب تقليل أقصى تيار أمامي مستمر مسموح به بهذا العامل للحفاظ على درجة حرارة الوصلة ضمن الحدود الآمنة.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. تطبيق جهد انحياز عكسي أكبر من هذا يمكن أن يسبب الانهيار ويُتلف وصلة الثنائي الضوئي.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين:-30 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية و -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، على التوالي. تحدد هذه الحدود البيئية للتشغيل الموثوق والتخزين في حالة عدم التشغيل.
• حدود درجة حرارة اللحام:يمكن للجهاز تحمل اللحام بالموجة أو بالأشعة تحت الحمراء عند 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ، واللحام بالطور البخاري عند 215 درجة مئوية لمدة 3 دقائق. هذه المعلمات حاسمة لتحديد ظروف إعادة التدفق أثناء تجميع لوحة الدوائر المطبوعة.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعلمات في حالة اختبار قياسية Ta=25 درجة مئوية و I_F=20 مللي أمبير، ما لم يُذكر خلاف ذلك. تحدد الأداء النموذجي للجهاز.

• شدة الإضاءة (I_V):
  • الشريحة البرتقالية:الحد الأدنى 45.0 ملي شمعة، القيمة النموذجية غير محددة، الحد الأقصى 280.0 ملي شمعة.
  • الشريحة الخضراء:الحد الأدنى 18.0 ملي شمعة، القيمة النموذجية غير محددة، الحد الأقصى 71.0 ملي شمعة.

  يشير النطاق الواسع بين الحد الأدنى والأقصى إلى أن الجهاز متوفر في تصنيفات شدة مختلفة (انظر القسم 3). الشريحة البرتقالية أكثر سطوعًا بشكل ملحوظ من الشريحة الخضراء عند نفس تيار التشغيل.

• زاوية الرؤية (2θ_1/2):130 درجة (نموذجي) لكلا اللونين. تشير زاوية الرؤية الواسعة هذه إلى نوع عدسة منتشر، مناسب للتطبيقات التي تتطلب إضاءة واسعة بدلاً من شعاع مركز.
• الطول الموجي:
  • برتقالي:الطول الموجي القياسي (λ_P) ~611 نانومتر، الطول الموجي السائد (λ_d) ~605 نانومتر.
  • أخضر:الطول الموجي القياسي (λ_P) ~574 نانومتر، الطول الموجي السائد (λ_d) ~571 نانومتر.

  الطول الموجي السائد هو اللون الذي تدركه العين البشرية، ويُشتق من مخطط لونية CIE.

• عرض النطاق الطيفي النصفي (Δλ):~17 نانومتر للبرتقالي، ~15 نانومتر للأخضر. يشير هذا إلى نقاء الطيف أو عرض النطاق الترددي للضوء المنبعث.
• جهد التوصيل الأمامي (V_F):نموذجي 2.0 فولت، أقصى 2.4 فولت عند 20 مللي أمبير لكلا اللونين. جهد التوصيل الأمامي المنخفض هذا هو سمة مميزة لتكنولوجيا AlInGaP وهو مهم لحساب قيم المقاومة التسلسلية واستهلاك الطاقة.
• التيار العكسي (I_R):أقصى 10 ميكرو أمبير عند V_R=5 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما يكون الثنائي الضوئي في حالة انحياز عكسي.
• السعة (C):نموذجي 40 بيكو فاراد عند 0 فولت، 1 ميجا هرتز. يمكن أن تكون هذه المعلمة ذات صلة في تطبيقات التبديل عالية التردد.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم فرز شدة إضاءة الثنائيات الضوئية إلى تصنيفات (Bins) لضمان الاتساق داخل دفعة إنتاجية. يحدد رمز التصنيف نطاق شدة محدد.

3.1 تصنيفات شدة السطوع للثنائي البرتقالي

يتم قياس الشدة عند I_F=20 مللي أمبير. التسامح في كل تصنيف هو +/-15%.

• التصنيف P:45.0 - 71.0 ملي شمعة
• التصنيف Q:71.0 - 112.0 ملي شمعة
• التصنيف R:112.0 - 180.0 ملي شمعة
• التصنيف S:180.0 - 280.0 ملي شمعة

3.2 تصنيفات شدة السطوع للثنائي الأخضر

يتم قياس الشدة عند I_F=20 مللي أمبير. التسامح في كل تصنيف هو +/-15%.

• التصنيف M:18.0 - 28.0 ملي شمعة
• التصنيف N:28.0 - 45.0 ملي شمعة
• التصنيف P:45.0 - 71.0 ملي شمعة

يجب على المصممين تحديد رمز التصنيف المطلوب عند الطلب لضمان مستوى السطوع المطلوب في تطبيقهم.

4. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الخصائص النموذجية التي تعتبر ضرورية لفهم سلوك الجهاز في ظل ظروف مختلفة. بينما لا يتم إعادة إنتاج الرسوم البيانية المحددة هنا، يتم تحليل آثارها.

4.1 منحنى التيار مقابل الجهد (I-V)

منحنى I-V للثنائي الضوئي أسي. توفر قيمة V_Fالنموذجية البالغة 2.0 فولت عند 20 مللي أمبير نقطة تشغيل رئيسية. يُظهر المنحنى أن زيادة صغيرة في الجهد بعد نقطة الانحناء تؤدي إلى زيادة كبيرة، وربما مدمرة، في التيار. يؤكد هذا على ضرورة طرق تحديد التيار (مثل مقاومة تسلسلية أو محرك تيار ثابت).

4.2 شدة الإضاءة مقابل تيار التوصيل الأمامي

هذا المنحنى خطي بشكل عام على مدى معين. شدة الإضاءة تتناسب تقريبًا مع تيار التوصيل الأمامي. تشغيل الثنائي الضوئي عند أقصى تيار مستمر (30 مللي أمبير) سينتج سطوعًا أعلى من حالة الاختبار القياسية البالغة 20 مللي أمبير، ولكن يجب تقييم اعتبارات إدارة الحرارة وعمر التشغيل.

4.3 الاعتماد على درجة الحرارة

أداء الثنائي الضوئي حساس لدرجة الحرارة. جهد التوصيل الأمامي (V_F) عادة ما ينخفض مع زيادة درجة حرارة الوصلة. الأهم من ذلك، تتناقص شدة الإضاءة مع ارتفاع درجة الحرارة. مواصفة تقليل قيمة التيار المسموح به (0.4 مللي أمبير/درجة مئوية) هي قيد تصميمي مباشر لإدارة هذا التأثير الحراري والحفاظ على الموثوقية.

5. معلومات الميكانيكية والغلاف

يتوافق الجهاز مع بصمة غلاف قياسي للتركيب السطحي من EIA.

5.1 تخصيص الأطراف (Pin Assignment)

يحتوي الثنائي الضوئي ثنائي اللون على أربعة أطراف (1، 2، 3، 4). وفقًا لورقة البيانات:

• يتم تخصيص الطرفين 1 و 3 لشريحة الثنائي الضوئي البرتقالي.
• يتم تخصيص الطرفين 2 و 4 لشريحة الثنائي الضوئي الأخضر.

يشير هذا التكوين عادةً إلى ترتيب كاثود مشترك أو أنود مشترك داخليًا، والذي يجب التحقق منه من رسم مخطط الغلاف للاتصال الصحيح للدائرة.

5.2 أبعاد الغلاف وشريط التغذية (Tape & Reel)

يتم توريد الجهاز بشريط عرض 8 مم على بكرات قطر 7 بوصات، متوافق مع آلات الاختيار والوضع الآلية. تتبع مواصفات الشريط والبكرة معايير ANSI/EIA 481-1-A-1994. تشمل تفاصيل التغليف الرئيسية:

• 4000 قطعة لكل بكرة قطر 7 بوصات.
• الحد الأدنى لكمية التعبئة للأجزاء المتبقية هو 500 قطعة.
• يُسمح بحد أقصى مكونين مفقودين متتاليين ("مصابيح") في الشريط.

يتم توفير أبعاد وسائد اللحام المقترحة لضمان وصلة لحام موثوقة ومحاذاة صحيحة أثناء إعادة التدفق.

6. إرشادات اللحام والتركيب

6.1 ظروف إعادة التدفق (Reflow) الموصى بها

يتم اقتراح ظرفي لحام:

1. ظروف إعادة التدفق القياسية بالأشعة تحت الحمراء:لعمليات اللحام التقليدية بالقصدير والرصاص.
2. ظروف إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء الخالية من الرصاص:يجب استخدامها مع معجون لحام Sn-Ag-Cu (SAC). عادةً ما يكون لهذه الظروف ذروة درجة حرارة أعلى (مثل 260 درجة مئوية) ولكن وقتًا مضبوطًا بعناية فوق نقطة السيولة لمنع التلف الحراري لعدسة الثنائي الضوئي البلاستيكية وهيكله الداخلي.

الشرط الأقصى المطلق هو 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ للحام بالأشعة تحت الحمراء/الموجة و 215 درجة مئوية لمدة 3 دقائق للحام بالطور البخاري.

6.2 احتياطات التخزين والتعامل

• التخزين:يوصى بعدم تجاوز 30 درجة مئوية و 70% رطوبة نسبية. يجب لحام الثنائيات الضوئية التي تمت إزالتها من كيس الحاجز الرطوبي الأصلي بإعادة التدفق في غضون أسبوع واحد. للتخزين لفترات أطول، يجب الاحتفاظ بها في بيئة جافة ومغلقة (مثل مع مجفف أو في النيتروجين) وخبزها عند حوالي 60 درجة مئوية لمدة 24 ساعة قبل الاستخدام لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة "الفشار" أثناء إعادة التدفق.
• التنظيف:يجب استخدام مواد التنظيف المحددة فقط. يوصى باستخدام كحول الأيزوبروبيل أو الكحول الإيثيلي في درجة الحرارة العادية لأقل من دقيقة واحدة. قد تتسبب المواد الكيميائية غير المحددة في إتلاف غلاف الثنائي الضوئي أو عدسته.
• الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):الثنائيات الضوئية حساسة للتفريغ الكهروستاتيكي. يجب أن تكون ضوابط ESD المناسبة موجودة أثناء التعامل: استخدم أساور معصم مؤرضة، وسائد مضادة للكهرباء الساكنة، ومؤينات لتحييد الكهرباء الساكنة على العدسة، وتأكد من أن جميع المعدات مؤرضة بشكل صحيح.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

هذا الثنائي الضوئي ثنائي اللون مناسب لمجموعة متنوعة من تطبيقات مؤشرات الحالة وعرض الحالة، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر:

• مؤشرات الطاقة/الحالة على الإلكترونيات الاستهلاكية (مثل أجهزة التوجيه، الشواحن، الأجهزة المنزلية).
• أضواء حالة ثنائية اللون (مثل الأخضر لـ "تشغيل/جيد"، البرتقالي لـ "استعداد/تحذير").
• الإضاءة الخلفية للرموز الصغيرة أو الأزرار.
• أضواء مؤشر داخلية للسيارات (خاضعة للتأهيل المناسب).
• لوحات حالة المعدات الصناعية.

7.2 اعتبارات تصميم الدائرة الكهربائية

طريقة التشغيل:الثنائيات الضوئية هي أجهزة تعمل بالتيار. لضمان سطوع موحد، خاصة عند توصيل عدة ثنائيات ضوئية على التوازي، يجب وضع مقاومة تحديد تيار على التوالي معكلثنائي ضوئي (نموذج الدائرة أ). لا يُنصح بالاعتماد على الخصائص الطبيعية I-V لموازنة التيار في تكوين متوازي بدون مقاومات فردية (نموذج الدائرة ب)، حيث يمكن أن تؤدي الاختلافات الصغيرة في V_Fبين الثنائيات الضوئية إلى اختلافات كبيرة في التيار وبالتالي السطوع.

يمكن حساب قيمة المقاومة التسلسلية (R_s) باستخدام قانون أوم: R_s= (V_المصدر- V_F) / I_F. استخدم أقصى قيمة V_Fمن ورقة البيانات (2.4 فولت) لضمان تيار كافٍ في جميع الظروف.

7.3 إدارة الحرارة

بينما تبديد الطاقة منخفض (75 ملي واط لكل شريحة)، يمكن أن يساعد تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة المناسب في الأداء الحراري. تأكد من وجود مساحة نحاسية كافية متصلة بوسائد الحرارة الخاصة بالثنائي الضوئي (إن وجدت) أو محيطة بوسائد اللحام لتعمل كمشتت حراري، خاصة عند التشغيل بالقرب من القيم القصوى أو في درجات حرارة محيطة عالية.

8. المقارنة التقنية والتمييز

عوامل التمييز الرئيسية لهذا المكون هيقدرته ثنائية اللون في غلاف SMD واحدواستخدامتكنولوجيا AlInGaPللمصدر البرتقالي.

• مقارنة بالثنائيات الضوئية أحادية اللون:يوفر مساحة على لوحة الدوائر المطبوعة، ويقلل عدد الأجزاء، ويبسط التجميع مقارنة بتركيب ثنائيين ضوئيين منفصلين.
• AlInGaP مقارنة بالتكنولوجيات الأخرى:تُعرف AlInGaP (فوسفيد الألومنيوم إنديوم جاليوم) بكفاءتها العالية واستقرارها في مناطق الطول الموجي الأحمر والبرتقالي والأصفر، وغالبًا ما توفر سطوعًا أعلى وأداءً حراريًا أفضل من التقنيات الأقدم مثل GaAsP.
• زاوية رؤية واسعة (130°):تقدم نمط ضوء منتشر مثالي للإشارة لمنطقة واسعة، على عكس الثنائيات الضوئية ذات الزاوية الضيقة المستخدمة للإضاءة المركزة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

9.1 هل يمكنني تشغيل هذا الثنائي الضوئي مباشرة من طرف متحكم دقيق بجهد 5 فولت أو 3.3 فولت؟

لا، ليس مباشرة.يتطلب الثنائي الضوئي التحكم في التيار. توصيله مباشرة بمصدر جهد مثل طرف متحكم دقيق (والذي عادة ما يكون محدود التيار ولكنه غير مصمم لتشغيل الثنائيات الضوئية) يمكن أن يتلف كلًا من الثنائي الضوئي ومخرج المتحكم الدقيق. استخدم دائمًا مقاومة تحديد تيار تسلسلية أو دائرة محرك ثنائي ضوئي مخصصة.

9.2 ما الفرق بين الطول الموجي القياسي (Peak) والطول الموجي السائد (Dominant)?

الطول الموجي القياسي (λ_P)هو الطول الموجي الذي يكون فيه توزيع القدرة الطيفية في أقصى حد.الطول الموجي السائد (λ_d)هو الطول الموجي الفردي للضوء أحادي اللون الذي يتطابق مع اللون المدرك للثنائي الضوئي، ويُحسب من إحداثيات لونية CIE. λ_dأكثر صلة بتحديد اللون في التطبيقات التي تركز على الإنسان.

9.3 لماذا من الضروري تقليل قيمة التيار المسموح به (Derating)?

مع زيادة درجة الحرارة المحيطة، ترتفع درجة حرارة وصلة الثنائي الضوئي لتيار تشغيل معين. درجات حرارة الوصلة الأعلى تُسرع آليات التدهور، مما يقلل من عمر تشغيل الثنائي الضوئي وقد يسبب فشلاً كارثيًا. تقليل قيمة التيار المسموح به يقلل من تبديد الطاقة وبالتالي درجة حرارة الوصلة، مما يضمن الموثوقية على المدى الطويل.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو:تصميم مؤشر حالة ثنائي اللون لجهاز يعمل بجهد 5 فولت. يجب أن يُظهر المؤشر اللون الأخضر لـ "التشغيل العادي" والبرتقالي لـ "الشحن/التحذير".

خطوات التصميم:

1. طوبولوجيا الدائرة:استخدم طرفي GPIO من المتحكم الدقيق. يقوم كل طرف بتشغيل لون واحد من الثنائي الضوئي من خلال مقاومة تحديد تيار منفصلة. قم بتكوين الاتصال الداخلي (أنود مشترك/كاثود مشترك) بشكل صحيح بناءً على رسم الغلاف.
2. حساب المقاومة (لتشغيل 20 مللي أمبير):
   • افترض V_F(أقصى) = 2.4 فولت، V_المصدر= 5 فولت، I_F= 20 مللي أمبير.
   • R = (5V - 2.4V) / 0.020A = 130 أوم.
   • اختر القيمة القياسية الأقرب (مثل 130Ω أو 120Ω). ستنتج مقاومة 120Ω تيارًا أعلى قليلاً (~21.7 مللي أمبير)، وهو مقبول لأنه أقل من الحد الأقصى البالغ 30 مللي أمبير.
3. تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة:ضع الثنائي الضوئي ومقاوماته التسلسلية قريبة من بعضها البعض. وفر كمية معتدلة من صب النحاس حول وسائد الثنائي الضوئي لتبديد الحرارة. اتبع تخطيط وسائد اللحام المقترح من ورقة البيانات.
4. البرمجيات:نفذ منطقًا لتشغيل طرف GPIO الأخضر للحالة العادية وطرف GPIO البرتقالي لحالة التحذير. تأكد من عدم تشغيلهما في نفس الوقت ما لم يكن اللون المختلط مطلوبًا، مع مراعاة حدود تيار التشغيل للغلاف.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

الثنائيات الضوئية (LEDs) هي أجهزة أشباه موصلات تُصدر الضوء من خلال الإضاءة الكهربائية. عندما يتم تطبيق جهد أمامي عبر وصلة p-n، يتم حقن الإلكترونات والثقوب في المنطقة النشطة حيث تتحد. الطاقة المنطلقة أثناء هذا الاتحاد تُصدر كفوتونات (ضوء). يُحدد الطول الموجي المحدد (اللون) للضوء بواسطة طاقة فجوة النطاق لمادة أشباه الموصلات المستخدمة في المنطقة النشطة. في هذا الجهاز، يُنتج الضوء البرتقالي بواسطة شريحة AlInGaP، ويُنتج الضوء الأخضر بواسطة شريحة أخرى (من المحتمل أن تكون مبنية على تكنولوجيا InGaN، على الرغم من عدم ذكر ذلك صراحةً هنا للأخضر). يتم إيواء الشريحتين معًا في غلاف إيبوكسي واحد مع عدسة منتشرة تشكل إخراج الضوء إلى زاوية رؤية واسعة.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر مجال تكنولوجيا الثنائيات الضوئية في التطور مع عدة اتجاهات واضحة ذات صلة بمكونات مثل هذا:

• زيادة الكفاءة:تؤدي التحسينات المستمرة في علم المواد وتصميم الشرائح إلى كفاءة إضاءة أعلى (مزيد من إخراج الضوء لكل واط من المدخلات الكهربائية)، مما يسمح بمؤشرات أكثر سطوعًا أو استهلاكًا أقل للطاقة.
• التصغير:يدفع السعي نحو أجهزة إلكترونية أصغر إلى استخدام الثنائيات الضوئية في بصمات غلاف أصغر مع الحفاظ على الأداء البصري أو تحسينه.
• تعزيز الموثوقية وعمر التشغيل:تستمر التحسينات في مواد التغليف، وطرق تثبيت الشريحة، وتكنولوجيا الفوسفور (للثنائيات الضوئية البيضاء) في إطالة أعمار التشغيل والاستقرار في ظل الظروف القاسية.
• التكامل:بعد تعدد الألوان، هناك اتجاه نحو دمج الإلكترونيات التحكمية (مثل محركات التيار الثابت أو وحدات تحكم PWM) مباشرة مع شريحة الثنائي الضوئي أو داخل الغلاف، مما يخلق وحدات "ثنائي ضوئي ذكي" تُبسط تصميم النظام.
• الامتثال البيئي:أصبح التحول نحو اللحام الخالي من الرصاص والمواد الخالية من الهالوجين معيارًا الآن، كما يتضح من ظروف اللحام المنفصلة المقدمة في ورقة البيانات هذه.