وثيقة بيانات تقنية لصمام ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر عالي القدرة HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR - حزمة SMD - 850 نانومتر - 3.5 فولت - 3 واط

1. نظرة عامة على المنتج

يعد HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR صمامًا ثنائيًا باعثًا للضوء تحت الأحمر عالي القدرة، مصممًا للتطبيقات المتطلبة التي تحتاج إلى إضاءة تحت حمراء قوية وفعالة. وهو مُغلف في حزمة جهاز مثبت على السطح (SMD) مدمجة، مما يجعله مناسبًا لعمليات التجميع الآلي. تم تشكيل الجهاز بمادة سيليكون شفافة تمامًا تتميز بعدسة علوية كروية، مما يساعد في تحقيق زاوية الرؤية المحددة وملف شدة الإشعاع.

تكمن الميزة الأساسية لهذا الصمام الثنائي في الجمع بين حجمه الصغير وكفاءة الإخراج البصري العالية. وهو مصنوع باستخدام مادة شريحة GaAlAs (غاليوم ألومنيوم زرنيخيد)، والتي تم تحسينها للانبعاث في الطيف تحت الأحمر القريب. إحدى الميزات الرئيسية هي تطابقه الطيفي مع الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون، مما يجعله مصدر ضوء مثاليًا لأنظمة الاستشعار والتصوير التي تستخدم هذه الكواشف الشائعة القائمة على السيليكون. وهذا يضمن أقصى استجابة ونسبة إشارة إلى ضوضاء في التطبيق المستهدف.

تشمل الأسواق والتطبيقات المستهدفة الرئيسية أنظمة المراقبة والأمن، وخاصة الكاميرات القائمة على CCD للرؤية الليلية، ومختلف الأنظمة المطبقة بالأشعة تحت الحمراء مثل أجهزة استشعار القرب والأتمتة الصناعية والرؤية الآلية. يجعله امتثاله للمعايير البيئية مثل RoHS وREACH ومتطلبات الخالية من الهالوجين مناسبًا للاستخدام في المنتجات ذات المتطلبات التنظيمية الصارمة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

تم تصنيف الجهاز لتيار أمامي مستمر (I_F) بقيمة 1500 مللي أمبير. بالنسبة للتشغيل النبضي، يمكنه تحمل تيار أمامي ذروي (I_FP) بقيمة 5000 مللي أمبير تحت ظروف محددة (عرض النبضة ≤100 ميكروثانية، دورة العمل ≤1%). أقصى جهد عكسي (V_R) هو 5 فولت، وهي قيمة نموذجية للصمامات الثنائية الباعثة للضوء وتشير إلى أنه لا ينبغي تعريض الجهاز لجهد عكسي كبير. نطاق درجة حرارة التشغيل والتخزين محدد من -40°C إلى +100°C، مع أقصى درجة حرارة تقاطع (T_j) تبلغ 125°C. قد يؤدي تجاوز هذه التصنيفات إلى تلف دائم.

المقاومة الحرارية من التقاطع إلى إطار الرصاص (R_th(j-L)) هي 18 كلفن/واط. هذه المعلمة حاسمة لإدارة الحرارة. فهي تحدد مقدار ارتفاع درجة حرارة التقاطع لكل واط من الطاقة المبددة. مع تبديد طاقة محدد (P_d) بقيمة 3 واط عند I_F=700 مللي أمبير، يعد وجود بالوعة حرارة فعالة أمرًا ضروريًا للحفاظ على درجة حرارة التقاطع ضمن الحدود الآمنة، خاصة عند تيارات القيادة الأعلى.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس المعلمات البصرية الأساسية عند درجة حرارة محيطة قياسية تبلغ 25°C. الطول الموجي الذروي (λ_p) هو 850 نانومتر، وهو في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة وغير مرئي للعين البشرية ولكنه قابل للكشف بدرجة عالية بواسطة أجهزة استشعار السيليكون. عرض النطاق الطيفي (Δλ) هو عادة 25 نانومتر، مما يشير إلى نقاء الطيف للضوء المنبعث.

يتناسب الأداء الإشعاعي مع تيار القيادة:

• عند I_F=350 مللي أمبير: الطاقة المشعة الكلية (P_o) هي 500 مللي واط (نموذجي)، الشدة الإشعاعية (I_E) هي 200 مللي واط/ستراديان (نموذجي).
• عند I_F=700 مللي أمبير: P_oهي 900 مللي واط (نموذجي)، I_Eهي 400 مللي واط/ستراديان (نموذجي).
• عند I_F=1 أمبير: P_oهي 1300 مللي واط (نموذجي)، I_Eهي 560 مللي واط/ستراديان (نموذجي).

يزداد الجهد الأمامي (V_F) مع التيار بسبب المقاومة الذاتية للصمام الثنائي:

• 3.0 فولت (نموذجي) عند 350 مللي أمبير.
• 3.3 فولت (نموذجي) عند 700 مللي أمبير.
• 3.5 فولت (نموذجي) عند 1 أمبير.
• 3.8 فولت (نموذجي) عند 5 أمبير (نبضي).

التيار العكسي (I_R) هو بحد أقصى 10 ميكرو أمبير عند V_R=5 فولت. زاوية الرؤية (2θ_1/2)، المعرفة على أنها الزاوية الكلية عند نصف الشدة، هي 90 درجة، مما يوفر نمط حزمة واسع نسبيًا مناسب للإضاءة المساحية.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يستخدم المنتج نظام تصنيف للطاقة المشعة الكلية المقاسة عند تيار قيادة 1000 مللي أمبير (1 أمبير). يصنف هذا النظام الصمامات الثنائية الباعثة للضوء بناءً على إخراجها البصري لضمان الاتساق في أداء التطبيق. رموز التصنيف ونطاقات الطاقة المقابلة لها (بما في ذلك تسامح اختبار ±10%) هي:

• التصنيف G:الحد الأدنى 800 مللي واط، الحد الأقصى 1260 مللي واط.
• التصنيف H:الحد الأدنى 1000 مللي واط، الحد الأقصى 1600 مللي واط.
• التصنيف I:الحد الأدنى 1260 مللي واط، الحد الأقصى 2000 مللي واط.

يسمح هذا للمصممين باختيار المكونات التي تلبي متطلبات السطوع الدنيا المحددة لنظامهم. لا تشير ورقة البيانات إلى تصنيفات منفصلة للطول الموجي أو الجهد الأمامي لهذا الرقم المحدد، مما يشير إلى تحكم دقيق في هذه المعلمات أثناء التصنيع.

4. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى عدة منحنيات خصائص نموذجية تعتبر حاسمة لفهم سلوك الجهاز تحت ظروف تشغيل مختلفة.

التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 1):يظهر منحنى IV هذا العلاقة الأسية النموذجية للصمام الثنائي. وهو ضروري لتصميم دائرة قيادة التيار وحساب استهلاك الطاقة (V_F* I_F). سيتغير المنحنى مع درجة الحرارة.

التيار الأمامي مقابل الشدة الإشعاعية / الطاقة الكلية (الشكل 2 والشكل 3):توضح هذه الرسوم البيانية إخراج الضوء كدالة لتيار القيادة. تكون العلاقة خطية بشكل عام عند التيارات المنخفضة ولكن قد تظهر علامات على انخفاض الكفاءة (زيادة دون خطية) عند التيارات العالية جدًا بسبب التأثيرات الحرارية والكهربائية. يساعد هذا في اختيار نقطة التشغيل المثلى لموازنة الإخراج والكفاءة/الحرارة.

الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية (الشكل 4):يحدد هذا الرسم القطبي نمط الإشعاع المكاني. يتم تأكيد زاوية الرؤية 90 درجة هنا. يؤثر شكل المنحنى (مثل لامبرتيان، باتوينج) على كيفية توزيع الضوء على المنطقة المستهدفة.

التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 5):منحنى تخفيض التصنيف هذا هو أحد أكثر المنحنيات أهمية للاعتمادية. يظهر أقصى تيار أمامي مسموح به للحفاظ على درجة حرارة التقاطع أقل من 125°C مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند 100°C محيطة، يتم تقليل التيار المستمر المسموح به بشكل كبير. يجب استخدام هذا الرسم البياني لأي تصميم يعمل في بيئة غير 25°C.

5. معلومات الميكانيكية والحزمة

5.1 أبعاد الحزمة

يتم تغليف الصمام الثنائي الباعث للضوء في حزمة مثبتة على السطح. تشمل الأبعاد الرئيسية من الرسم حجم الجسم، وارتفاع العدسة، وتباعد الأقطاب. التسامحات هي عادة ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. تحذر ملاحظة التعامل الحرجة من تطبيق قوة على العدسة، حيث يمكن أن يتلف هذا الهيكل الداخلي ويؤدي إلى فشل الجهاز. يجب التعامل مع الجهاز من خلال جسمه أو أقطابه أثناء التجميع.

5.2 تكوين وسلطوية الأقطاب الكهربائية (Pad Configuration and Polarity)

يحتوي الجهاز على ثلاثة أقطاب كهربائية: القطب 1 هو الأنود (+)، القطب 2 هو الكاثود (-)، والقطب P هو قطب حراري مخصص. يعد القطب الحراري حاسمًا لنقل الحرارة من تقاطع الصمام الثنائي الباعث للضوء إلى لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). للحصول على أفضل أداء حراري وكهربائي، يجب أن يتضمن تخطيط PCB مساحة نحاسية بحجم مناسب متصلة بهذا القطب، مع ثقوب حرارية إلى الطبقات الداخلية أو السفلية إذا لزم الأمر. الاتصال الصحيح للقطبية (الأنود إلى مصدر الطاقة الموجب) إلزامي للتشغيل.

6. إرشادات اللحام والتجميع

6.1 ملف تعريف اللحام بإعادة التدفق (Reflow)

الجهاز مناسب لعمليات إعادة التدفق SMT القياسية. يتم توفير ملف تعريف إعادة تدفق خالٍ من الرصاص:

• معدل الصعود:2~3 درجة مئوية/ثانية.
• التسخين المسبق:150~200 درجة مئوية لمدة 60~120 ثانية.
• درجة حرارة السيولة (T_L):217 درجة مئوية.
• الوقت فوق T_L:60~90 ثانية.
• درجة الحرارة القصوى (T_P):240 ±5 درجة مئوية.
• الوقت عند القمة (t_P):بحد أقصى 20 ثانية.
• معدل الهبوط:3~5 درجة مئوية/ثانية.

يوصى بعدم إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين لتقليل الإجهاد الحراري على الحزمة والروابط الداخلية. يجب تجنب الإجهاد على الصمام الثنائي الباعث للضوء أثناء التسخين، ويجب عدم ثني لوحة الدائرة بعد اللحام لمنع التلف الميكانيكي لوصلات اللحام أو الصمام الثنائي الباعث للضوء نفسه.

6.2 ظروف التخزين

يتم شحن الجهاز في تغليف مقاوم للرطوبة، بما في ذلك كيس مقاوم للرطوبة من الألومنيوم مع مجفف. إذا تم فتح التغليف، تكون الأجهزة حساسة لامتصاص الرطوبة ويجب استخدامها خلال وقت محدد أو تجفيفها وفقًا لإجراءات مستوى حساسية الرطوبة (MSL) القياسية قبل إعادة التدفق لمنع تلف "الانفجار" أثناء اللحام. لم يتم ذكر مستوى MSL المحدد في المقتطف المقدم.

7. معلومات التعبئة والطلب

يتم توريد الجهاز على شريط حامل وبكرة للتجميع الآلي (pick-and-place). تحتوي كل بكرة على 400 قطعة. يتم توفير أبعاد الشريط الحامل لضمان التوافق مع معدات التغذية. يتضمن ملصق التعبئة معلومات قياسية مثل رقم الجزء (P/N)، الكمية (QTY)، ورقم الدفعة (LOT No.) للتتبع. سيتم الإشارة إلى رمز التصنيف للطاقة المشعة (CAT) هنا أيضًا.

8. ملاحظات التطبيق واعتبارات التصميم

8.1 دوائر التطبيق النموذجية

يتطلب هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر مصدر تيار ثابت للتشغيل المستقر، وليس جهدًا ثابتًا. يمكن استخدام مقاوم متسلسل بسيط للتطبيقات ذات التيار المنخفض، ولكن بالنسبة للتيارات العالية التي يستطيع هذا الجهاز التعامل معها، يوصى باستخدام دائرة متكاملة مخصصة لقيادة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء أو منظم تيار قائم على الترانزستور لضمان إخراج ضوء ثابت وحماية الصمام الثنائي الباعث للضوء من طفرات التيار. يجب أن يكون السائق قادرًا على توفير ما يصل إلى التيار الأمامي المطلوب والتعامل مع انخفاض الجهد الأمامي.

8.2 إدارة الحرارة

هذا هو الجانب الأكثر أهمية في استخدام هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء عالي القدرة. تشير ورقة البيانات صراحة إلى إضافة بالوعة حرارة. يجب أن يتضمن تصميم PCB قطبًا حراريًا كبيرًا متصلًا بالقطب الحراري للصمام الثنائي الباعث للضوء مع مساحة نحاسية وافرة. يوصى بشدة باستخدام الثقوب الحرارية لتوصيل الحرارة إلى طبقات PCB الأخرى أو بالوعة حرارة خارجية. يجب عدم تجاوز أقصى درجة حرارة تقاطع تبلغ 125°C؛ لذلك، يجب إجراء حسابات أو قياسات حرارية بناءً على تيار التشغيل الفعلي، ودرجة الحرارة المحيطة، وخصائص الحرارة لـ PCB.

8.3 التصميم البصري

للتطبيقات مثل إضاءة الكاميرا، يمكن استخدام بصريات ثانوية (عدسات أو عواكس) لجعل الحزمة ذات 90 درجة متوازية أو تشكيلها في نمط أكثر تركيزًا لزيادة مسافة الإلقاء أو الكفاءة. تضمن العدسة الشفافة تمامًا الحد الأدنى من امتصاص الضوء تحت الأحمر. يجب على المصممين النظر في الشدة الإشعاعية (مللي واط/ستراديان) بدلاً من مجرد الطاقة الكلية عند التصميم للإضاءة عن بعد.

9. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بالصمامات الثنائية الباعثة للضوء تحت الأحمر القياسية ذات 5 مم أو 3 مم المثبتة عبر الثقب، يوفر جهاز SMD هذا طاقة بصرية أعلى بكثير (تصل إلى 1300+ مللي واط مقابل عشرات المللي واط) في حزمة أكثر إحكاما وقابلية للتصنيع. مقاومته الحرارية البالغة 18 كلفن/واط منخفضة نسبيًا لصمام ثنائي باعث للضوء SMD، مما يشير إلى مسار حراري جيد، ولكنه لا يزال يتطلب إدارة دقيقة مقارنة بالصمامات الثنائية الباعثة للضوء المثبتة على لوحات دوائر مطبوعة ذات قلب معدني أو مع بالوعات حرارة مدمجة. الطول الموجي 850 نانومتر هو معيار شائع، ويوفر توازنًا جيدًا بين حساسية كاشف السيليكون وقلة الرؤية مقارنة بصمامات ثنائية باعثة للضوء 940 نانومتر (التي تكون غير مرئية تقريبًا ولكنها تنتج استجابة أقل لأجهزة الاستشعار).

10. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: هل يمكنني تشغيل هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء مباشرة من مصدر طاقة 5 فولت مع مقاوم؟

ج: ربما، لكنه يتطلب حسابًا دقيقًا. عند 1 أمبير، V_Fهو ~3.5 فولت. ستحتاج مقاومة متسلسلة إلى تخفيض 1.5 فولت عند 1 أمبير، مما يعني R = 1.5 أوم وستبدد 1.5 واط. هذا غير فعال ويولد المزيد من الحرارة. يفضل بشدة استخدام منظم تيار مخصص للتيارات التي تزيد عن 350 مللي أمبير.

س: لماذا بالوعة الحرارة ضرورية؟

ج: عند 700 مللي أمبير، تبديد الطاقة هو تقريبًا 3.3 فولت * 0.7 أمبير = 2.31 واط. مع مقاومة حرارية 18 كلفن/واط، سيرتفع التقاطع 2.31 واط * 18 كلفن/واط = ~41.6 درجة مئوية فوق درجة حرارة الرصاص. إذا لم يتم تبريد PCB/الرصاص، يمكن أن يتجاوز التقاطع بسهولة 125°C، مما يؤدي إلى تدهور سريع أو فشل.

س: ما الفرق بين الطاقة المشعة الكلية (مللي واط) والشدة الإشعاعية (مللي واط/ستراديان)؟

ج: الطاقة المشعة الكلية هي الطاقة البصرية المتكاملة المنبعثة في جميع الاتجاهات. الشدة الإشعاعية هي الطاقة المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة في اتجاه محدد (عادة على المحور). الشدة أكثر صلة بالتطبيقات الموجهة، بينما تهم الطاقة الكلية لكفاءة النظام الشاملة.

س: هل هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء آمن للتعرض للعين؟

ج: يمكن أن تكون الصمامات الثنائية الباعثة للضوء تحت الأحمر، خاصة عالية القدرة، خطرة على العينين. فهي تنبعث منها إشعاعات غير مرئية يمكن أن تسبب تلف الشبكية قبل أن ينشط منعكس الرمش. اتبع دائمًا معايير سلامة منتجات الليزر/الأشعة تحت الحمراء ذات الصلة (مثل IEC 62471) ونفذ ضمانات مناسبة (موزعات، علب، حدود شدة) في المنتج النهائي.

11. دراسة حالة للتصميم والاستخدام

السيناريو: إضاءة الرؤية الليلية لكاميرا أمنية.

يقوم مصمم بإنشاء كاميرا IP مدمجة مع قدرة رؤية ليلية باستخدام مستشعر صور قائم على السيليكون. يختار هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء 850 نانومتر لإخراجه العالي وتطابقه الطيفي. يتم وضع أربعة صمامات ثنائية باعثة للضوء حول عدسة الكاميرا. يتم تشغيل كل منها عند 700 مللي أمبير بواسطة دائرة متكاملة مدمجة لقيادة الصمامات الثنائية الباعثة للضوء لضمان إخراج ثابت مع تغير جهد البطارية. PCB عبارة عن لوحة من 4 طبقات مع مستوى الأرضية الداخلي متصل عبر ثقوب حرارية متعددة بالمساحة النحاسية الكبيرة تحت كل صمام ثنائي باعث للضوء لنشر الحرارة. يتم وضع فيلم موزع خفيف فوق الصمامات الثنائية الباعثة للضوء لدمج الحزم وتقليل البقع الساخنة في الصورة. تم التحقق من التصميم الحراري باستخدام كاميرا حرارية، مؤكدة أن درجة حرارة علبة الصمام الثنائي الباعث للضوء تبقى أقل من 85°C في بيئة محيطة 40°C، مما يحافظ على التقاطع بأمان أقل من حده. يوفر النظام الناتج لقطات رؤية ليلية واضحة ومضاءة بالتساوي حتى 30 مترًا.

12. مقدمة عن المبدأ التقني

تعمل الصمامات الثنائية الباعثة للضوء تحت الأحمر على نفس المبدأ الأساسي للصمامات الثنائية الباعثة للضوء المرئي: الوميض الكهربائي في تقاطع p-n شبه الموصل. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات والثقوب في المنطقة النشطة حيث تتحد، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات. يتم تحديد الطول الموجي (اللون) للضوء المنبعث بواسطة طاقة فجوة النطاق لمادة أشباه الموصلات. GaAlAs (غاليوم ألومنيوم زرنيخيد) هو شبه موصل مركب يمكن ضبط فجوة نطاقه عن طريق تغيير محتوى الألومنيوم للانبعاث في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، تحديدًا حوالي 850 نانومتر. التغليف بالسيليكون الشفاف تمامًا شفاف لهذا الطول الموجي ويتم تشكيله في عدسة لتشكيل حزمة الإخراج. يتم تحقيق القدرة العالية باستخدام شريحة أشباه موصلات أكبر وحزمة فعالة مصممة لاستخراج الحرارة.

13. اتجاهات التكنولوجيا

يتجه تطور الصمامات الثنائية الباعثة للضوء تحت الأحمر، خاصة للاستشعار والتصوير، نحو كفاءة أعلى (المزيد من الطاقة المشعة لكل واط كهربائي)، مما يقلل من توليد الحرارة واستهلاك الطاقة. يتم تحقيق ذلك من خلال التقدم في تصميم طبقة النمو البلوري وتقنيات استخراج الضوء. هناك أيضًا اتجاه نحو تكامل أكثر إحكامًا، مثل الصمامات الثنائية الباعثة للضوء مع سائقين مدمجين أو مجتمعة مع كواشف ضوئية في حزمة واحدة. تكتسب أطوال موجية مثل 940 نانومتر شعبية للإضاءة "الخفية" لأنها أقل وضوحًا للعين البشرية من 850 نانومتر، على الرغم من أنها تتطلب أجهزة استشعار ذات حساسية أعلى. علاوة على ذلك، يستمر السعي نحو التصغير، مما يدفع نحو قدرة عالية في حزم SMD أصغر حجمًا، مما يزيد بدوره من أهمية حلول إدارة الحرارة المتقدمة على مستوى PCB والنظام.