ورقة بيانات باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-3271T-A - الطول الموجي 940 نانومتر - تيار عالي وجهد أمامي منخفض - غلاف شفاف - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTE-3271T-A صمام باعث ضوئي عالي الأداء للأشعة تحت الحمراء (IR)، مُصمم للتطبيقات التي تتطلب ناتجًا ضوئيًا قويًا وعملًا موثوقًا تحت ظروف كهربائية صارمة. تتمحور فلسفة تصميمه الأساسية حول تقديم طاقة إشعاعية عالية مع الحفاظ على جهد أمامي منخفض نسبيًا، مما يجعله فعالًا في الأنظمة التي يكون فيها استهلاك الطاقة مصدر قلق. يتم تغليف الجهاز براتنج شفاف تمامًا، مما يقلل من امتصاص الضوء تحت الأحمر المنبعث، وبالتالي يحقق أقصى كفاءة إشعاعية خارجية. تم تصميمه لدعم كل من أوضاع القيادة المستمرة والنبضية، مما يوفر مرونة لتطبيقات الاستشعار والاتصالات والإضاءة المختلفة في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة.

2. تحليل مفصل للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

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

• تبديد الطاقة (P_D):150 ملي واط. هذا هو الحد الأقصى المسموح به لفقدان الطاقة داخل الجهاز، بشكل أساسي كحرارة، ويتم حسابه كحاصل ضرب التيار الأمامي في الجهد الأمامي.
• تيار الذروة الأمامي (I_FP):2 أمبير. يُسمح بهذا التصنيف الاستثنائي للتيار العالي فقط تحت ظروف نبضية محددة: عرض نبضة 10 ميكروثانية ومعدل تكرار نبضة لا يتجاوز 300 نبضة في الثانية (pps). يتيح ذلك ناتجًا ضوئيًا لحظيًا عاليًا جدًا لقياس المسافة قصيرة المدى أو نقل البيانات عالي السرعة.
• التيار الأمامي المستمر (I_F):100 ملي أمبير. هذا هو الحد الأقصى للتيار المستمر الذي يمكن تطبيقه بشكل مستمر دون تجاوز حدود تبديد الطاقة أو الحرارة.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. يمكن أن يتسبب تجاوز هذا الجهد في اتجاه الانحياز العكسي في انهيار الوصلة.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين:تم تصنيف الجهاز لنطاق درجة حرارة تشغيل محيطة (T_A) يتراوح من -40°C إلى +85°C ويمكن تخزينه في بيئات تتراوح من -55°C إلى +100°C.
• درجة حرارة لحام الأطراف:320°C لمدة 3 ثوانٍ، مقاسة على مسافة 4.0 مم من جسم الغلاف. هذا الإرشاد بالغ الأهمية لمنع التلف الحراري أثناء تجميع لوحة الدوائر المطبوعة.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد هذه المعلمات عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C وتحدد الأداء النموذجي للجهاز.

• الشدة الإشعاعية (I_E):مقياس رئيسي للناتج البصري. عند تيار أمامي (I_F) قدره 100 ملي أمبير، تبلغ الشدة الإشعاعية النموذجية 30 ملي واط/ستراديان. عند تيار الاختبار المنخفض البالغ 20 ملي أمبير، يتراوح من 6 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى) إلى 10.5 ملي واط/ستراديان (النموذجي). تصف الشدة الإشعاعية الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة.
• الاستضاءة الإشعاعية عند فتحة (E_e):0.80 إلى 1.4 ملي واط/سم² عند I_F=20 ملي أمبير. هذه المعلمة، التي تسمى أحيانًا الإشعاعية، مفيدة لحساب كثافة الطاقة البصرية الساقطة على سطح على مسافة محددة من الباعث.
• طول موجة الانبعاث القصوى (λ_P):940 نانومتر. هذا هو الطول الموجي الاسمي الذي يكون عنده ناتج الطاقة البصرية في أقصى حد. يقع ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، وهو غير مرئي للعين البشرية ولكنه يمكن اكتشافه بواسطة الثنائيات الضوئية السيليكونية والعديد من أجهزة الاستشعار CMOS/CCD.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):50 نانومتر (النموذجي). يشير هذا إلى عرض النطاق الطيفي حيث تكون الشدة الإشعاعية على الأقل نصف قيمتها القصوى. قيمة 50 نانومتر هي سمة مميزة لمادة LED الأشعة تحت الحمراء القياسية من نوع GaAlAs.
• الجهد الأمامي (V_F):هذه معلمة كهربائية حرجة تختلف مع التيار.
  • عند I_F= 50 ملي أمبير: V_F(النموذجي) = 1.25 فولت، (الأقصى) = 1.6 فولت.
  • عند I_F= 250 ملي أمبير: V_F(النموذجي) = 1.65 فولت، (الأقصى) = 2.1 فولت.
  • عند I_F= 450 ملي أمبير: V_F(النموذجي) = 2.0 فولت، (الأقصى) = 2.4 فولت.
  • عند I_F= 1 أمبير: V_F(النموذجي) = 2.4 فولت، (الأقصى) = 3.0 فولت. تبرز ورقة البيانات "الجهد الأمامي المنخفض" كميزة، وهو واضح من هذه القيم، خاصة عند التيارات المتوسطة، مما يساهم في كفاءة كهربائية إلى بصرية أعلى.
• التيار العكسي (I_R):100 ميكرو أمبير (الأقصى) عند جهد عكسي (V_R) قدره 5 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما يكون الجهاز في حالة انحياز عكسي.
• زاوية المشاهدة (2θ_1/2):50° (النموذجي). هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها عند 0° (على المحور). توفر زاوية 50° نمط إشعاع واسع، مفيد للإضاءة المساحية أو الاستشعار حيث يكون المحاذاة أقل أهمية.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية مميزة ضرورية لتصميم الدوائر وفهم الأداء تحت الظروف غير القياسية.

3.1 توزيع الطيف (الشكل 1)

يُظهر المنحنى الشدة الإشعاعية النسبية المرسومة مقابل الطول الموجي. يؤكد الطول الموجي القصوي عند حوالي 940 نانومتر مع نصف عرض طيفي واسع. الشكل نموذجي لـ LED الأشعة تحت الحمراء، حيث يتناقص الناتج على جانبي القمة. يجب على مصممي الأنظمة البصرية مراعاة هذا الطيف لضمان التوافق مع الحساسية الطيفية للكاشف المقصود (مثل الترانزستور الضوئي أو الثنائي الضوئي السيليكوني مع مرشح).

3.2 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 2)

يوضح هذا الرسم البياني تخفيض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي المستمر مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند 25°C، يُسمح بالـ 100 ملي أمبير كاملة. مع ارتفاع درجة الحرارة، يجب تقليل الحد الأقصى للتيار خطيًا لمنع تجاوز حد تبديد الطاقة البالغ 150 ملي واط وإدارة درجة حرارة الوصلة. هذا رسم بياني بالغ الأهمية لضمان الموثوقية طويلة المدى في البيئات عالية الحرارة.

3.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 3)

هذا هو منحنى خاصية التيار-الجهد (I-V). يُظهر العلاقة الأسية النموذجية للثنائي. المنحنى ضروري لتصميم دائرة القيادة المحددة للتيار. يساعد ميل المنحنى في منطقة التشغيل في تحديد المقاومة الديناميكية لـ LED. يؤكد الرسم البياني بصريًا خاصية V_Fالمنخفض عبر نطاق تيار واسع.

3.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي (الشكل 4)

يُظهر هذا الرسم كيف يزداد الناتج البصري (المعاير إلى قيمته عند 20 ملي أمبير) مع التيار الأمامي. تكون العلاقة خطية بشكل عام عند التيارات المنخفضة ولكن قد تظهر علامات على التشبع أو انخفاض الكفاءة عند التيارات العالية جدًا بسبب زيادة التأثيرات الحرارية وانخفاض الكفاءة الكمومية الداخلية. يساعد هذا المنحنى المصممين في اختيار نقطة تشغيل توازن بين طاقة الناتج والكفاءة وإجهاد الجهاز.

3.5 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 5)

يصور هذا الرسم البياني اعتماد الناتج البصري على درجة الحرارة. عادةً ما تنخفض الشدة الإشعاعية لـ LED مع زيادة درجة حرارة الوصلة. يقوم هذا المنحنى بتحديد هذا الانخفاض، مُظهرًا طاقة الناتج المعيارية بالنسبة لقيمتها عند 20 ملي أمبير عبر نطاق درجة حرارة من -20°C إلى 80°C. هذه المعلومات حيوية للتطبيقات التي تتطلب ناتجًا بصريًا مستقرًا عبر ظروف بيئية متغيرة.

3.6 مخطط الإشعاع (الشكل 6)

يوفر هذا الرسم البياني القطبي تصورًا تفصيليًا لنمط الانبعاث المكاني. تمثل الدوائر المتحدة المركز مستويات الشدة الإشعاعية النسبية (مثل 1.0، 0.9، 0.7). يؤكد الرسم البياني زاوية المشاهدة الواسعة، مُظهرًا كيفية توزيع الشدة عبر زوايا مختلفة من 0° إلى 90°. هذا الرسم البياني لا غنى عنه للتصميم البصري، مما يسمح للمهندسين بنمذجة ملف الإضاءة على سطح الهدف.

4. معلومات الميكانيكية والتغليف

4.1 أبعاد الغلاف

يستخدم الجهاز تنسيق غلاف LED قياسي مع حافة بارزة للاستقرار الميكانيكي وتبديد الحرارة. تشمل الملاحظات الأبعاد الرئيسية من ورقة البيانات:

• يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات، مع تسامحات تبلغ عادةً ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• يُسمح ببروز صغير من الراتنج تحت الحافة البارزة، بحد أقصى للارتفاع 1.5 مم.
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم الغلاف، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم بصمة لوحة الدوائر المطبوعة.
• يتم طلاء الأطراف بالقصدير لضمان قابلية لحام جيدة.

تم اختيار مادة الغلاف الشفافة تمامًا خصيصًا لبواعث الأشعة تحت الحمراء لأنها تتمتع بأدنى امتصاص في منطقة 940 نانومتر، على عكس أغلفة الإيبوكسي الملونة المستخدمة في LED المرئية والتي من شأنها حجب ضوء الأشعة تحت الحمراء.

5. إرشادات اللحام والتجميع

لضمان سلامة الجهاز أثناء تجميع لوحة الدوائر المطبوعة، يجب الالتزام بالإرشادات التالية:

• اللحام اليدوي:إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب إجراؤه بسرعة، مع تطبيق الحرارة على الطرف وليس على جسم الغلاف.
• لحام الموجة:يمكن استخدام ملفات تعريف لحام الموجة القياسية، ولكن يجب تقليل وقت التعرض الكلي لحرارة اللحام.
• لحام إعادة التدفق:يمكن للجهاز تحمل درجة حرارة طرف تبلغ 320°C لمدة أقصاها 3 ثوانٍ، كما هو محدد. ملفات تعريف إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء أو الحمل الحراري القياسية بدرجة حرارة قمة أقل من هذا الحد مناسبة. يضمن مواصفات المسافة 4.0 مم أن الكتلة الحرارية للطرف تحمي الوصلة شبه الموصلة الحساسة داخل الغلاف.
• التنظيف:بعد اللحام، يمكن استخدام عمليات تنظيف لوحة الدوائر المطبوعة القياسية، ولكن يجب التحقق من التوافق مع الراتنج الشفاف.
• التخزين:يجب تخزين الأجهزة في أكياسها الأصلية الحاجبة للرطوبة في بيئة ضمن نطاق درجة حرارة التخزين المحدد (-55°C إلى +100°C) وبرطوبة منخفضة لمنع أكسدة الأطراف.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء:لكاميرات المراقبة الأمنية، وأنظمة الرؤية الليلية، وإضاءة رؤية الآلة حيث تكون الإضاءة غير المرئية مطلوبة.
• استشعار القرب والوجود:في الحنفيات الأوتوماتيكية، وموزعات الصابون، ومجففات الأيدي، والمفاتيح التي تعمل بدون لمس. زاوية المشاهدة الواسعة مفيدة هنا.
• المفاتيح البصرية والمشفرات:لاكتشاف الموضع أو الدوران أو الحركة عن طريق قطع أو عكس شعاع الأشعة تحت الحمراء.
• اتصالات البيانات قصيرة المدى:في الأجهزة المتوافقة مع IrDA أو روابط البيانات التسلسلية البسيطة (مثل أجهزة التحكم عن بُعد، الاتصال بين الأجهزة). تدعم قدرة التيار النبضي العالي نقل البيانات المعدلة.
• الاستشعار الصناعي:عد الأشياء، وكشف المستوى، وأجهزة استشعار قطع الشعاع.

6.2 اعتبارات التصميم

• قيادة التيار:LED هو جهاز يعمل بالتيار. استخدم دائمًا مقاومًا محددًا للتيار على التوالي أو دائرة قيادة تيار ثابت. يتم حساب قيمة المقاومة باستخدام R = (V_المصدر- V_F) / I_F، باستخدام أقصى V_Fمن ورقة البيانات لضمان ألا يتجاوز التيار القيمة المطلوبة.
• الإدارة الحرارية:للتشغيل المستمر عند تيارات عالية (مثل بالقرب من 100 ملي أمبير)، ضع في اعتبارك تبديد الطاقة (P_D= V_F* I_F). تأكد من وجود مساحة نحاسية كافية في لوحة الدوائر المطبوعة أو وسيلة تبريد للحفاظ على درجة حرارة الوصلة ضمن حدود آمنة، خاصة في درجات الحرارة المحيطة العالية.
• التشغيل النبضي:لتحقيق طاقة بصرية ذروية عالية جدًا، استخدم مواصفات وضع النبض (2 أمبير، 10 ميكروثانية، 300 نبضة في الثانية). يتطلب ذلك دائرة قيادة قادرة على تقديم نبضات تيار عالية، مثل MOSFET يتم تشغيله بواسطة مولد نبضات.
• التصميم البصري:ضع في اعتبارك نمط الإشعاع (الشكل 6) عند تصميم العدسات أو العواكس أو الفتحات لتشكيل الشعاع للتطبيق المحدد. العدسة الشفافة تمامًا نصف كروية، مما يؤثر على التباعد الأولي.
• مطابقة الكاشف:اقترن الباعث بكاشف ضوئي (ثنائي ضوئي، ترانزستور ضوئي) ذو حساسية قصوى حول 940 نانومتر. يمكن أن يساعد استخدام مرشح للأشعة تحت الحمراء على الكاشف في رفض الضوء المرئي المحيط.

7. المقارنة التقنية والتمييز

بينما لا تقارن ورقة البيانات أجزاء منافسة محددة، يمكن استنتاج الميزات الرئيسية المميزة لـ LTE-3271T-A:

• القدرة على التيار العالي:مزيج تصنيف النبض 2 أمبير والتصنيف المستمر 100 ملي أمبير ملحوظ لغلاف LED قياسي، مما يوفر مرونة عالية في الناتج.
• الجهد الأمامي المنخفض:V_Fحوالي 1.25 فولت عند 50 ملي أمبير منخفض نسبيًا لباعث الأشعة تحت الحمراء عالي الطاقة، مما يؤدي إلى كفاءة طاقة أفضل وتقليل توليد الحرارة مقارنة بالأجهزة ذات V_F.
• الغلاف الشفاف تمامًا:على عكس الأغلفة الملوثة التي تخفف الناتج، فإن هذا يزيد من الكفاءة الكمومية الخارجية لضوء الأشعة تحت الحمراء إلى أقصى حد.
• زاوية مشاهدة واسعة:توفر نصف الزاوية 50° تغطية واسعة، وهي ميزة للإضاءة المساحية مقارنة بالبدائل ذات الشعاع الأضيق.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س1: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من دبوس متحكم دقيق 5 فولت؟

ج: لا. لا يمكن لدبوس GPIO للمتحكم الدقيق عادةً توفير أكثر من 20-50 ملي أمبير وله جهد ثابت قريب من 5 فولت أو 3.3 فولت. يجب عليك استخدام مقاوم محدد للتيار وعلى الأرجح ترانزستور (BJT أو MOSFET) كمفتاح لتشغيل LED، خاصة عند تيارات أعلى من 20 ملي أمبير.

س2: ما الفرق بين الشدة الإشعاعية (ملي واط/ستراديان) والاستضاءة الإشعاعية عند فتحة (ملي واط/سم²)؟

ج: الشدة الإشعاعية هي مقياس لمقدار الطاقة التي يصدرها المصدرلكل وحدة زاوية صلبة(ستراديان). تصف اتجاهية المصدر. الاستضاءة الإشعاعية عند فتحة (أو الإشعاعية) هي الطاقةلكل وحدة مساحةالساقطة على سطح على مسافة محددة. ترتبط من خلال قانون التربيع العكسي (لمصدر نقطي) وزاوية المشاهدة.

س3: لماذا يعتبر الطول الموجي القصوي 940 نانومتر مهمًا؟

ج: 940 نانومتر هو طول موجي شائع جدًا لأنظمة الأشعة تحت الحمراء لأنه خارج الطيف المرئي (غير مرئي)، ولا تزال أجهزة الكشف القائمة على السيليكون (الثنائيات الضوئية، أجهزة استشعار الكاميرا) تتمتع بحساسية جيدة بشكل معقول عند هذا الطول الموجي. كما أنه يتجنب الطول الموجي 850 نانومتر، الذي له توهج أحمر خافت يمكن رؤيته في الظلام.

س4: كيف أفسر رسومات "الشدة الإشعاعية النسبية"؟

ج: تُظهر هذه الرسومات كيف يتغيرالناتج الضوئيبالنسبة لحالة مرجعية (عادة عند I_F=20 ملي أمبير و T_A=25°C). لا تعطي قيم ناتج مطلقة. للعثور على الناتج المطلق عند تيار مختلف، ستضرب عامل النسبية من الشكل 4 في قيمة الشدة الإشعاعية المطلقة المعطاة في الجدول لـ 20 ملي أمبير.

9. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو: تصميم مستشعر قرب لمفتاح يعمل بدون لمس.

1. الهدف:اكتشاف يد على بعد 10 سم من المستشعر.
2. خيارات التصميم:
   • تشغيل LTE-3271T-A في وضع مستمر عند I_F= 50 ملي أمبير لإضاءة متسقة. من ورقة البيانات، V_F≈ 1.4 فولت (النموذجي).
   • مصدر الطاقة 5 فولت. المقاوم على التوالي R = (5 فولت - 1.4 فولت) / 0.05 أمبير = 72 أوم. استخدم مقاومًا قياسيًا 75 أوم.
   • ضع ترانزستورًا ضوئيًا سيليكونيًا مطابقًا مقابل الباعث، مع فجوة صغيرة بينهما (تكوين "قطع الشعاع"). عندما تقطع اليد الشعاع، ينخفض إشارة الكاشف.
   • بدلاً من ذلك، استخدم تكوينًا عاكسًا حيث يواجه كل من الباعث والكاشف نفس الاتجاه. تساعد زاوية المشاهدة الواسعة 50° لـ LTE-3271T-A في تغطية منطقة اكتشاف أكبر. ستزداد الإشارة على الكاشف عندما تعكس اليد الضوء مرة أخرى.
   • استخدم دائرة مضخم عملياتي لتضخيم التيار الضوئي الصغير من الكاشف ومقارنته بعتبة يحددها مقياس الجهد للمحاسبة على اختلافات الضوء المحيط.
   • اعتبار حراري: تبديد الطاقة P_D= 1.4 فولت * 0.05 أمبير = 70 ملي واط، وهو أقل بكثير من الحد الأقصى 150 ملي واط. لا حاجة إلى وسيلة تبريد خاصة.

10. مقدمة عن المبدأ التقني

مصابيح LED الأشعة تحت الحمراء مثل LTE-3271T-A هي أجهزة شبه موصلة تعتمد على مواد مثل زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم (GaAlAs). عند تطبيق جهد أمامي، تتحد الإلكترونات والفجوات في المنطقة النشطة من الوصلة شبه الموصلة. يتم انبعاث الطاقة المنطلقة أثناء هذا الاتحاد كفوتونات (ضوء). يتم تحديد الطول الموجي المحدد البالغ 940 نانومتر بواسطة طاقة فجوة النطاق للمادة شبه الموصلة، والتي يتم هندستها أثناء عملية نمو البلورة. يعمل غلاف الإيبوكسي الشفاف تمامًا كعدسة، مشكلاً نمط إشعاع الضوء المنبعث ويوفر حماية بيئية. يتم تحقيق ميزة "الجهد الأمامي المنخفض" من خلال ملفات التشويب المحسنة وجودة المواد، مما يقلل من انخفاض الجهد عبر الوصلة لتيار معين، مما يحسن مباشرة كفاءة التحويل الكهربائي إلى بصري.

11. اتجاهات وتطورات الصناعة

يستمر مجال الإلكترونيات الضوئية تحت الحمراء في التطور. تشمل الاتجاهات ذات الصلة بأجهزة مثل LTE-3271T-A:

• زيادة كثافة الطاقة:يهدف البحث المستمر إلى حزم المزيد من الطاقة البصرية في أحجام غلاف نفسها أو أصغر مع إدارة تبديد الحرارة، مدفوعًا بمتطلبات الاستشعار والإضاءة بعيدة المدى.
• تحسين الكفاءة:يسعى تطوير مواد وهياكل شبه موصلة جديدة (مثل آبار الكم المتعددة) إلى زيادة كفاءة الحائط-المقبس (WPE)، وهي نسبة طاقة الناتج البصري إلى طاقة الإدخال الكهربائية.
• التكامل:هناك اتجاه نحو دمج باعث الأشعة تحت الحمراء مع دائرة متكاملة قائدة أو حتى مع كاشف ضوئي في وحدة واحدة، مما يبسط تصميم النظام للمستخدمين النهائيين.
• خصوصية الطول الموجي:بينما يظل 940 نانومتر مهيمنًا، هناك استخدام متزايد لأطوال موجية أخرى للأشعة تحت الحمراء (مثل 850 نانومتر، 1050 نانومتر) لتطبيقات محددة مثل LiDAR الآمن للعين أو التوافق مع أنواع أجهزة الاستشعار المختلفة.
• ابتكارات التغليف:تهدف التطورات في مواد التغليف وتصميم العدسات إلى توفير أنماط إشعاع أكثر دقة وقابلة للتخصيص (مثل جناح الخفاش، الانبعاث الجانبي) للتطبيقات المتخصصة.