ورقة بيانات باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-5228A - تيار عالي، جهد أمامي منخفض، طول موجي 940 نانومتر - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTE-5228A ديود باعث للضوء (LED) عالي القدرة للأشعة تحت الحمراء (IR)، مُصمم للتطبيقات التي تتطلب ناتجًا بصريًا قويًا. تنبع مزاياها الأساسية من هندستها لقدرة القيادة بتيار عالي مع الحفاظ على جهد أمامي منخفض نسبيًا، مما يجعلها فعالة في التشغيل النبضي والمستمر. الجهاز مُغلف بغلاف شفاف وواضح، وهو نموذجي لبواعث الأشعة تحت الحمراء لتقليل امتصاص الضوء غير المرئي المنبعث. تشمل الأسواق المستهدفة الرئيسية الأتمتة الصناعية، وأنظمة الأمان (مثل إضاءة كاميرات المراقبة)، وأجهزة الاستشعار البصرية، ووحدات التحكم عن بُعد حيث تكون مصادر الضوء غير المرئية الموثوقة أمرًا بالغ الأهمية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 التصنيفات القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. يمكن لـ LTE-5228A تبديد ما يصل إلى 150 ملي واط من الطاقة. تصنيف تيارها الأمامي ذروة مرتفع للغاية عند 2 أمبير، ولكن هذا مسموح به فقط تحت ظروف نبضية محددة (300 نبضة في الثانية بعرض نبضة 10 ميكروثانية). التيار الأمامي المستمر مصنف بقيمة أكثر تقليدية تبلغ 100 مللي أمبير. يمكن للجهاز تحمل جهد عكسي يصل إلى 5 فولت. نطاقات درجة حرارة التشغيل والتخزين هي من -40°C إلى +85°C ومن -55°C إلى +100°C على التوالي، مما يشير إلى ملاءمته للبيئات القاسية. يتم تحديد درجة حرارة لحام الأطراف بـ 260°C لمدة 5 ثوانٍ على مسافة 1.6 مم من جسم الغلاف، وهي معلمة حاسمة لعمليات التجميع.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعايير في حالة اختبار قياسية لدرجة حرارة محيطة 25°C وتيار أمامي (I_F) بقيمة 20 مللي أمبير. يتم تعريف المخرجات البصرية الرئيسية بطريقتين: السطوع الإشعاعي عند الفتحة (E_eبالملي واط/سم²) والشدة الإشعاعية (I_Eبالملي واط/ستراديان). كلا المعيارين خاضعان للتصنيف (Binning)، مما يعني أنه يتم فرز الأجهزة إلى مجموعات أداء (BIN A, B, C, D) بعد التصنيع، حيث يمثل BIN D أعلى ناتج. طول موجة الانبعاث الذروة (λ_الذروة) هو عادةً 940 نانومتر، مما يضعها بقوة في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. نصف عرض الخط الطيفي (Δλ) هو 50 نانومتر، مما يشير إلى عرض النطاق الطيفي للضوء المنبعث. كهربائيًا، الجهد الأمامي (V_F) يتراوح بين 1.2 فولت و 1.6 فولت عند 20 مللي أمبير، مما يؤكد ادعاء تشغيله بجهد منخفض. التيار العكسي (I_R) هو بحد أقصى 100 ميكرو أمبير عند انحياز عكسي 5 فولت. زاوية الرؤية (2θ_1/2) هي 40 درجة، مما يحدد الانتشار الزاوي حيث تكون الشدة الإشعاعية على الأقل نصف قيمتها القصوى.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

تستخدم ورقة البيانات بوضوح نظام تصنيف للأداء للناتج الإشعاعي. يتم اختبار الأجهزة وتصنيفها إلى أربعة تصنيفات (A, B, C, D) بناءً على قياسات السطوع الإشعاعي عند الفتحة والشدة الإشعاعية عند I_F= 20 مللي أمبير. يمثل BIN A نطاق الناتج الأدنى، بينما يمثل BIN D أعلى ناتج مضمون. يسمح هذا النظام للمصنعين بتقديم مستويات أداء متسقة ويمكن المصممين من اختيار تصنيف يلبي بدقة متطلبات الحساسية أو المدى لتطبيقهم. لا يوجد إشارة إلى تصنيف الجهد أو الطول الموجي لهذا الرقم المحدد للقطعة؛ يتم إعطاء الجهد الأمامي وطول الموجة الذروة كنطاقات نموذجية/قصوى بدون رموز تصنيف.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

4.1 توزيع الطيف (الشكل 1)

يُظهر هذا المنحنى الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد الذروة عند 940 نانومتر وعرض النصف الطيفي التقريبي البالغ 50 نانومتر. الشكل نموذجي لـ LED للأشعة تحت الحمراء قائم على AlGaAs.

4.2 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 2)

يُظهر منحنى التخفيض هذا كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي المستمر مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. هذا أمر بالغ الأهمية لتصميم إدارة الحرارة لضمان ألا تتجاوز درجة حرارة التقاطع الحدود الآمنة.

4.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 3)

هذا هو منحنى الخاصية I-V (التيار-الجهد) القياسي. يُظهر العلاقة الأسية، حيث يرتفع الجهد مع زيادة التيار. يسمح المنحنى للمصممين بتحديد جهد القيادة اللازم لتيار تشغيل مرغوب.

4.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 4) و مقابل التيار الأمامي (الشكل 5)

يوضح الشكل 4 اعتماد الناتج الضوئي على درجة الحرارة، حيث يُظهر عادةً انخفاضًا في الكفاءة مع ارتفاع درجة الحرارة. يُظهر الشكل 5 كيف يزداد الناتج البصري مع التيار الأمامي، مسلطًا الضوء على العلاقة غير الخطية، خاصة عند التيارات الأعلى حيث قد تنخفض الكفاءة بسبب التسخين.

4.5 مخطط الإشعاع (الشكل 6)

يمثل هذا الرسم البياني القطبي التوزيع المكاني للضوء المنبعث بشكل مرئي، مؤكدًا زاوية الرؤية البالغة 40 درجة. يُظهر الرسم البياني الشدة النسبية عند زوايا مختلفة من المحور المركزي (0°).

5. معلومات الميكانيكا والغلاف

الغلاف هو نمط LED قياسي مع حافة بارزة. تشمل الأبعاد الرئيسية تباعد الأطراف، والذي يتم قياسه حيث تخرج الأطراف من جسم الغلاف. تشير ملاحظة إلى أن أقصى بروز للراتنج تحت الحافة البارزة هو 1.5 مم. يُوصف الغلاف بأنه "شفاف وواضح"، وهو الأمثل لانبعاث الأشعة تحت الحمراء. يُشار إلى القطبية عادةً بأن الطرف الأطول هو الأنود (+) و/أو بقعة مسطحة على حافة الغلاف بالقرب من طرف الكاثود (-)، على الرغم من أن هذه العلامات المحددة غير مفصلة في النص المقدم. سيظهر الرسم البعدي (المشار إليه ولكن غير موجود في النص) الطول والعرض والارتفاع الدقيقين.

6. إرشادات اللحام والتجميع

الإرشاد الأساسي المقدم هو التصنيف الأقصى المطلق للحام الأطراف: 260°C لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم الغلاف. هذه معلمة حاسمة لعمليات اللحام الموجي أو اللحام اليدوي. تجاوز هذا يمكن أن يتلف التثبيت الداخلي للشريحة أو الغلاف الإيبوكسي. بالنسبة للحم إعادة التدفق، يجب استخدام ملف تعريف بدرجة حرارة ذروة أقل من 260°C ووقت فوق السائل مصمم خصيصًا لمعجون اللحام. يُنصح عمومًا بتجنب الإجهاد الميكانيكي المفرط على الأطراف أثناء التعامل. يجب أن تلتزم ظروف التخزين بالنطاق المحدد من -55°C إلى +100°C في بيئة جافة لمنع امتصاص الرطوبة.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء:لكاميرات المراقبة CCTV في ظروف الإضاءة المنخفضة أو عدم وجود ضوء.
• أجهزة الاستشعار البصرية:كمصدر للضوء في أجهزة استشعار القرب، وكشف الأشياء، وروبوتات تتبع الخط.
• أجهزة التحكم عن بُعد:لنقل الإشارات المشفرة إلى التلفزيونات، ومكيفات الهواء، إلخ.
• روابط البيانات الصناعية:اتصالات بصرية لاسلكية قصيرة المدى في بيئات كهربائية صاخبة.
• أجهزة الاستشعار البيومترية:كجزء من أنظمة مراقبة معدل ضربات القلب أو التعرف على البصمات.

7.2 اعتبارات التصميم

• الحد من التيار:استخدم دائمًا مقاومًا على التوالي أو سائق تيار ثابت لمنع تجاوز الحد الأقصى للتيار المستمر، خاصةً بالنظر إلى انخفاض V_Fمما يجعل من السهل سحب تيار مفرط من مصدر جهد.
• تبديد الحرارة:للتشغيل المستمر بالقرب من التيار الأقصى، ضع في الاعتبار المسار الحراري. يمكن استخدام الحافة البارزة للتثبيت على لوحة دائرة مطبوعة (PCB) مع ثقوب حرارية أو مشتت حراري.
• التشغيل النبضي:لتحقيق ناتج ذروة مرتفع جدًا (لمدى أطول)، استخدم مواصفات الوضع النبضي (ذروة 2 أمبير). تأكد من أن دائرة السائق يمكنها تقديم النبضات القصيرة عالية التيار المطلوبة.
• التصميم البصري:اقترن بعدسة أو عاكس مناسب لتجميع أو تشكيل الحزمة ذات 40 درجة وفقًا لاحتياجات التطبيق. الغلاف الشفاف متوافق مع البصريات الثانوية.
• حماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):على الرغم من عدم ذكرها صراحةً، يمكن أن تكون مصابيح LED للأشعة تحت الحمراء حساسة للتفريغ الكهروستاتيكي. يُوصى بتنفيذ احتياطات ESD القياسية أثناء التعامل وتصميم الدائرة.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بمصابيح LED للأشعة تحت الحمراء منخفضة القدرة القياسية، فإن المميزات الرئيسية لـ LTE-5228A هيقدرتها على التيار العالي(100 مللي أمبير مستمر، 2 أمبير نبضي) وجهدها الأمامي المنخفض نسبيًا. يسمح هذا المزيج بناتج إشعاعي أعلى دون تبديد طاقة أعلى بشكل متناسب من انخفاض الجهد المفرط. زاوية الرؤية الواسعة البالغة 40 درجة أوسع من بعض بواعث الأشعة تحت الحمراء المركزة، مما يوفر إضاءة أكثر اتساقًا لتغطية المنطقة بدلاً من التحديد لمسافات طويلة. يوفر الغلاف الشفاف كفاءة نقل أعلى لضوء 940 نانومتر مقارنة بالأغلفة الملونة المستخدمة لمصابيح LED المرئية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: هل يمكنني تشغيل هذا الـ LED مباشرة من دبوس متحكم دقيق (مايكروكونترولر) بجهد 3.3 فولت أو 5 فولت؟

ج: لا. الجهد الأمامي المنخفض (بحد أقصى 1.6 فولت عند 20 مللي أمبير) يعني أن الاتصال المباشر من المحتمل أن يدمر الـ LED وقد يتلف دبوس المتحكم الدقيق بسبب التيار المفرط. مقاوم للحد من التيار أو دائرة سائق إلزاميان.

س: ما الفرق بين السطوع الإشعاعي عند الفتحة والشدة الإشعاعية؟

ج: السطوع الإشعاعي عند الفتحة (E_e) هو كثافة الطاقة (ملي واط/سم²) التي تصل إلى سطح موضوع بالقرب من الـ LED وبشكل عمودي عليه. الشدة الإشعاعية (I_E) هي الطاقة المنبعثة لكل زاوية صلبة (ملي واط/ستراديان)، تصف الاتجاهية الجوهرية للمصدر. I_Eأكثر فائدة لحساب الإضاءة على مسافة.

س: كيف أختار التصنيف (BIN) الصحيح؟

ج: اختر بناءً على حساسية نظامك. إذا كان جهاز الاستقبال الخاص بك يحتاج إلى مستوى إشارة أدنى، فاختر تصنيفًا يضمن هذا المستوى عند تيار التشغيل والمسافة الخاصين بك. توفر التصنيفات الأعلى (C, D) هامش ناتج أكبر.

س: هل مطلوب مشتت حراري (هيت سينك)؟

ج: يعتمد ذلك على تيار التشغيل ودرجة الحرارة المحيطة. عند أقصى تيار مستمر (100 مللي أمبير) ودرجة حرارة محيطة مرتفعة، يقترب تبديد الطاقة (P = V_F* I_F) من 160 ملي واط، وهو ما يتجاوز الحد الأقصى المطلق لتبديد الطاقة البالغ 150 ملي واط. لذلك، للتشغيل المستمر بكامل القدرة، إدارة الحرارة عبر مساحة النحاس في PCB أو مشتت حراري ضرورية. للتشغيل النبضي أو التيارات الأقل، قد لا تكون هناك حاجة إليه.

10. مثال عملي لحالة استخدام

تصميم منشط لجهاز استشعار حركة بالأشعة تحت الحمراء السلبي (PIR) بعيد المدى:غالبًا ما يكون لجهاز استشعار الحركة PIR مدى محدود. لتمديد مداه في الليل، يمكن استخدام مصباح إشعاعي للأشعة تحت الحمراء. لهذا التطبيق، سيتم تشغيل LTE-5228A في الوضع النبضي. سيتم تصميم دائرة لتقديم نبضات 1 أمبير (ضمن الحد الأقصى 2 أمبير) بدورة عمل منخفضة (مثل 1%) للحفاظ على متوسط الطاقة منخفضًا. سيولد تيار الذروة العالي هذا ناتجًا بصريًا لحظيًا مرتفعًا جدًا، مضيئًا مشهدًا على مسافة 20-30 مترًا بشكل فعال. ستغطي الزاوية الواسعة البالغة 40 درجة منطقة واسعة أمام المستشعر. يضمن الغلاف الشفاف إسقاط أقصى طاقة للخارج. سيختار المصمم مصابيح LED من تصنيف D لأقصى مدى ويستخدم منحنيات التخفيض لضمان بقاء درجة حرارة الجهاز مستقرة في غلاف خارجي.

11. مبدأ التشغيل

LTE-5228A هو ديود تقاطع p-n شبه موصل. عندما يتم تطبيق جهد أمامي يتجاوز طاقة فجوة النطاق الخاصة به، تتحد الإلكترونات والثقوب في المنطقة النشطة، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات. يحدد التركيب المادي المحدد (عادةً ألومنيوم جاليوم زرنيخيد - AlGaAs) طاقة فجوة النطاق، والتي تتوافق مع الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء البالغ 940 نانومتر. يغلف الغلاف الإيبوكسي الشفاف الشريحة شبه الموصلة، ويوفر الحماية الميكانيكية، ويعمل كعدسة لتشكيل حزمة الخرج. الناتج الإشعاعي يتناسب طرديًا مع معدل إعادة اتحاد حاملات الشحنة، والذي يتم التحكم فيه بواسطة التيار الأمامي.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تستمر تكنولوجيا باعث الأشعة تحت الحمراء في التطور جنبًا إلى جنب مع تكنولوجيا LED المرئية. تشمل الاتجاهات:

زيادة الكفاءة:تطوير مواد وهياكل شبه موصلة جديدة (مثل الآبار الكمومية المتعددة) لاستخراج المزيد من الفوتونات لكل وحدة من طاقة الإدخال الكهربائية، مما يقلل من توليد الحرارة.

كثافة طاقة أعلى:تحسينات في التغليف للتعامل مع تيارات قيادة أعلى وتبديد الحرارة بشكل أكثر فعالية، مما يتيح أجهزة أصغر بنفس الناتج أو أكبر.

حلول متكاملة:دمج باعث الأشعة تحت الحمراء مع دائرة سائق IC، أو ثنائي ضوئي، أو حتى متحكم دقيق في وحدة واحدة لتصميم مبسط في تطبيقات أجهزة الاستشعار.

تنويع الطول الموجي:بينما 940 نانومتر شائع (غير مرئي، جيد لكاشفات السيليكون)، تُستخدم أطوال موجية أخرى مثل 850 نانومتر (توهج أحمر مرئي قليلاً) أو 1050 نانومتر لتطبيقات محددة مثل تتبع العين أو النقل الجوي الأطول.

يمثل LTE-5228A مكونًا ناضجًا وموثوقًا به في هذا المشهد، مُحسنًا للأداء القوي في الظروف الصعبة بدلاً من أن يكون في أحدث ما توصلت إليه الكفاءة المطلقة.