ورقة بيانات ثنائي الأشعة تحت الحمراء عالي القدرة HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR - 5.0x5.0x1.9 مم - 850 نانومتر - 3.1 فولت - 3 واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR ثنائي إشعاع تحت أحمر عالي القدرة مُصممًا للتطبيقات الإضاءة المتطلبة. يتميز بغلاف صغير للتركيب السطحي (SMD) مع تغليف سيليكوني شفاف وعدسة كروية علوية، مما يحسن استخراج الضوء ونمط الإشعاع. يتركز الناتج الطيفي للجهاز عند 850 نانومتر، مما يجعله متطابقًا بشكل مثالي مع الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون لأنظمة الاستشعار والتصوير. تشمل مزاياه الأساسية الناتج الإشعاعي العالي من شكل مضغوط، وخصائص ممتازة لإدارة الحرارة، والامتثال لمعايير السلامة والبيئة الحديثة مثل RoHS وREACH ومتطلبات الخلو من الهالوجين.

1.1 التطبيقات المستهدفة

يستهدف هذا المصباح LED للأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي التطبيقات التي تتطلب إضاءة قوية وغير مرئية. تشمل مجالات تطبيقه الرئيسية أنظمة المراقبة والأمن، حيث يُستخدم لتوفير الإضاءة الليلية لكاميرات CCD. كما أنه مناسب لمختلف الأنظمة القائمة على الأشعة تحت الحمراء مثل أجهزة استشعار القرب، ووحدات التعرف على الإيماءات، والرؤية الآلية الصناعية. تتيح القدرة الإشعاعية العالية إضاءة لمدى أبعد أو تغطية لمناطق أوسع مقارنة بمصابيح LED القياسية للأشعة تحت الحمراء.

2. المواصفات الفنية والتفسير الموضوعي

يتم تعريف أداء الجهاز تحت ظروف الاختبار القياسية (T_A=25°C). يتم تقديم تحليل موضوعي مفصل لمعلماته الرئيسية أدناه.

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• التيار الأمامي المستمر (I_F): 1500 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تطبيقه إلى أجل غير مسمى دون تجاوز حد درجة حرارة الوصلة.
• التيار الأمامي الذروي (I_FP): 5000 مللي أمبير. يُسمح بهذا التيار العالي فقط في ظل ظروف النبض (عرض النبضة ≤100 ميكروثانية، دورة العمل ≤1%)، وهو مفيد للإضاءة عالية الكثافة ذات النبضات القصيرة.
• الجهد العكسي (V_R): 5 فولت. يمكن أن يتسبب تجاوز هذا الجهد في الانحياز العكسي في انهيار الوصلة.
• درجة حرارة الوصلة (T_j): 115 درجة مئوية. أقصى درجة حرارة مسموح بها عند الوصلة شبه الموصلة.
• تبديد القدرة (P_d): 3 واط عند I_F=700 مللي أمبير. يشير هذا إلى قدرة الجهاز على التعامل مع توليد الحرارة عند نقطة تشغيل محددة.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعلمات الناتج الضوئي والسلوك الكهربائي تحت ظروف التشغيل النموذجية.

• القدرة الإشعاعية الكلية (P_o): القدرة البصرية المنبعثة في جميع الاتجاهات. عند تيار تشغيل 1 أمبير، تتراوح القيمة النموذجية من 900 مللي واط إلى 1100 مللي واط، مما يشير إلى كفاءة عالية.
• شدة الإشعاع (I_E): القدرة البصرية لكل زاوية صلبة، مقاسة بوحدة مللي واط/ستراديان. عند 1 أمبير، تتراوح عادةً بين 230 و 270 مللي واط/ستراديان. هذا المقياس ذو صلة بتطبيقات الحزمة الموجهة.
• الطول الموجي الذروي (λ_P): 850 نانومتر. هذا هو الطول الموجي الذي يكون فيه الناتج الطيفي أقوى، وهو متوافق تمامًا مع ذروة حساسية الكواشف القائمة على السيليكون.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ): 25 نانومتر. يُعرّف هذا نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، عادةً العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM).
• الجهد الأمامي (V_F): عادةً 3.10 فولت عند 1 أمبير. هذا هو انخفاض الجهد عبر المصباح LED أثناء التشغيل، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة القيادة وحسابات تبديد الطاقة.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2): 150 درجة. توفر زاوية الرؤية الواسعة جدًا هذه إضاءة منتشرة واسعة بدلاً من بقعة ضيقة، مما يجعلها مثالية لتغطية المساحات.

2.3 الخصائص الحرارية

تعد الإدارة الحرارية الفعالة أمرًا بالغ الأهمية لمصابيح LED عالية القدرة للحفاظ على الأداء والعمر الطويل.

• المقاومة الحرارية (R_th(j-L)): 18 كلفن/واط (من الوصلة إلى إطار التوصيل). تشير هذه القيمة المنخفضة إلى نقل حراري داخلي جيد من الشريحة إلى أطراف التوصيل، ولكن يُوصى بشدة باستخدام مبدد حراري خارجي للتشغيل عند التيارات العالية.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم فرز الجهاز (تصنيفه) بناءً على ناتج قدرته الإشعاعية عند تيار اختبار قياسي قدره 1000 مللي أمبير. يضمن هذا الاتساق في أداء التطبيق.

• التصنيف F: القدرة الإشعاعية من 640 مللي واط إلى 1000 مللي واط.
• التصنيف G: القدرة الإشعاعية من 800 مللي واط إلى 1260 مللي واط.
• التصنيف H: القدرة الإشعاعية من 1000 مللي واط إلى 1600 مللي واط.

يسمح رمز التصنيف للمصممين باختيار مصابيح LED ذات ناتج إشعاعي أدنى مضمون لتلبية احتياجات تطبيقهم المحدد. تتضمن جميع القياسات تسامح اختبار ±10%.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة ضرورية لفهم سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة.

4.1 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى IV)

يُظهر هذا المنحنى العلاقة غير الخطية بين التيار والجهد. وهو ضروري لتصميم دائرة تحديد التيار. سيظهر المنحنى جهد عتبة (حوالي 1.2 فولت لـ GaAlAs) وبعده يزداد التيار بسرعة مع زيادة صغيرة في الجهد.

4.2 التيار الأمامي مقابل شدة الإشعاع/القدرة

تُظهر هذه المنحنيات اعتماد الناتج الضوئي على تيار القيادة. عادةً ما يزداد الناتج بشكل فوق خطي عند التيارات المنخفضة ثم يميل إلى التشبع عند التيارات الأعلى بسبب التأثيرات الحرارية وانخفاض الكفاءة. توضح المنحنيات المقدمة لهذا الجهاز عند 350 مللي أمبير و 700 مللي أمبير و 1 أمبير هذا الاتجاه.

4.3 شدة الإشعاع النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

تُصور هذه الرسمة القطبية زاوية الرؤية البالغة 150 درجة. تُظهر نمط الإشعاع، والذي يكون شبه لامبرتي (توزيع جيب التمام) بسبب العدسة الكروية، مما يوفر إضاءة موحدة على مساحة واسعة.

4.4 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

هذا الرسم البياني بالغ الأهمية لتقليل التصنيف (Derating). يُظهر كيف يجب تقليل أقصى تيار أمامي مسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة لمنع درجة حرارة الوصلة من تجاوز حدها البالغ 115°م. يُعلم هذا المنحنى تصميم الحرارة ومتطلبات المبدد الحراري مباشرة.

5. المعلومات الميكانيكية ومواصفات العبوة

5.1 أبعاد العبوة

يُحتوى الجهاز في غلاف SMD مضغوط مقاس 5.0 مم × 5.0 مم بارتفاع 1.9 مم. العدسة عبارة عن قبة كروية بارزة. التسامحات الأبعاد الحرجة هي ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم تقديم تحذير محدد بعدم التعامل مع الجهاز من خلال العدسة، حيث يمكن أن يتسبب الإجهاد الميكانيكي في فشل.

5.2 تكوين المسارات وتحديد القطبية

يحتوي الغلاف على ثلاثة مسارات: المسار 1 (الأنود)، المسار 2 (الكاثود)، ومسار حراري مركزي كبير (P). يعد المسار الحراري بالغ الأهمية لنقل الحرارة من شريحة LED إلى لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). يُظهر مخطط تخطيط المسارات بوضوح مواقع الأنود والكاثود للتوصيل الكهربائي الصحيح.

6. إرشادات اللحام والتجميع

6.1 ملف تعريف اللحام بإعادة التدفق (Reflow)

الجهاز مناسب لعمليات إعادة التدفق السطحية الخالية من الرصاص القياسية. ملف التعريف الموصى به هو كما يلي:

• معدل الصعود: 2–3 درجة مئوية/ثانية
• التسخين المسبق: 150–200 درجة مئوية لمدة 60–120 ثانية
• الوقت فوق نقطة الانصهار (T_L=217°م): 60–90 ثانية
• درجة الحرارة القصوى (T_P): 240 ±5 درجة مئوية
• الوقت ضمن 5 درجات من القمة: 20 ثانية كحد أقصى
• معدل الهبوط: 3–5 درجة مئوية/ثانية

6.2 ملاحظات حرجة للتجميع

• يجب ألا يتم إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين لتجنب الإجهاد الحراري المفرط على الغلاف وروابط الأسلاك.
• يجب تجنب الإجهاد الميكانيكي على المصباح LED أثناء التسخين (مثلًا من انثناء اللوحة).
• يجب ألا تنحني لوحة الدوائر المطبوعة بعد اللحام، حيث يمكن أن يتسبب ذلك في تشقق وصلات اللحام أو غلاف LED نفسه.
• مبدد حراري كافٍ، كما هو موضح في الملاحظات، إلزامي للتشغيل الموثوق عند التيارات العالية.

7. معلومات التعبئة والطلب

7.1 مواصفات الشريط والبكرة (Tape and Reel)

يتم توريد الأجهزة على شريط ناقل وبكرة للتجميع الآلي. تحتوي كل بكرة على 400 قطعة. يتم توفير أبعاد مفصلة للشريط الناقل والبكرة لضمان التوافق مع معدات الاختيار والوضع.

7.2 التعبئة الحساسة للرطوبة

يتم تعبئة المنتج في كيس ألومنيوم مقاوم للرطوبة مع مجفف لحمايته من الرطوبة المحيطة أثناء التخزين والنقل، وهي ممارسة قياسية لمكونات SMD.

8. توصيات التطبيق واعتبارات التصميم

8.1 تصميم دائرة القيادة (Driver)

نظرًا للتيار الأمامي العالي (حتى 1.5 أمبير مستمر)، فإن دائرة قيادة تيار ثابت ضرورية. يجب أن تكون الدائرة القائدة قادرة على توفير التيار المطلوب مع تحمل انخفاض الجهد الأمامي (حوالي 3.1 فولت عند 1 أمبير). غالبًا ما يُفضل استخدام منظمات التبديل على المنظمات الخطية للكفاءة عند مستويات الطاقة هذه. يجب أن يتضمن تصميم الدائرة القائدة أيضًا حماية حرارية أو تقليل تصنيف التيار بناءً على منحنى درجة الحرارة المحيطة.

8.2 تصميم إدارة الحرارة

هذا هو الجانب الأكثر أهمية في استخدام هذا المصباح LED عالي القدرة. المقاومة الحرارية المنخفضة من الوصلة إلى التوصيل (18 كلفن/واط) هي جزء فقط من النظام. يجب تقليل المسار الحراري الكلي من الوصلة إلى المحيط (R_th(j-A)) إلى الحد الأدنى. يتضمن ذلك:

• استخدام لوحة دوائر مطبوعة بها مجموعة من الثقوب الحرارية تحت المسار الحراري متصلة بمساحات نحاسية كبيرة أو طبقة أرضية داخلية.
• ربما إرفاق مبدد حراري خارجي بلوحة الدوائر المطبوعة.
• ضمان تدفق هواء جيد في التطبيق النهائي.
• استخدام مادة واجهة حرارية إذا لزم الأمر.

يجب ألا يتم تجاوز درجة حرارة الوصلة القصوى البالغة 115°م أبدًا. يوفر منحنى تقليل التصنيف (التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة) البيانات اللازمة لحساب أداء المبدد الحراري المطلوب.

8.3 التصميم البصري

توفر زاوية الرؤية البالغة 150 درجة تغطية واسعة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب حزمة أكثر تركيزًا، يمكن استخدام بصريات ثانوية (عدسات أو عواكس). الطول الموجي 850 نانومتر غير مرئي للعين البشرية ولكنه يكتشف بسهولة بواسطة أجهزة استشعار السيليكون ومعظم كاميرات CCD/CMOS، والتي غالبًا ما تحتوي على مرشح قطع للأشعة تحت الحمراء يجب إزالته أو استبداله بآخر يسمح بمرور 850 نانومتر للاستخدام الفعال.

9. المقارنة الفنية والتمييز

مقارنة بمصابيح LED القياسية للأشعة تحت الحمراء ذات الثقب المار مقاس 5 مم أو 3 مم، يقدم هذا الجهاز ناتجًا إشعاعيًا أعلى بكثير (بمقدار رتبة أو أكثر) في غلاف للتركيب السطحي، مما يتيح تصميمات أكثر إحكاما وقوة. عوامل التمييز الرئيسية هي مزيجها من القدرة العالية (تبديد حتى 3 واط)، وزاوية الرؤية الواسعة، والمسار الحراري المتكامل لتبديد الحرارة الفعال - وهي ميزة غالبًا ما تكون مفقودة في مصابيح LED ذات القدرة المنخفضة من نوع SMD. استخدام مادة شريحة GaAlAs هو معيار لبواعث الأشعة تحت الحمراء عالية الكفاءة في نطاق الطول الموجي هذا.

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات الفنية)

10.1 ما الفرق بين القدرة الإشعاعية وشدة الإشعاع؟

القدرة الإشعاعية (P_o, بوحدة مللي واط) هي إجمالي القدرة البصرية المنبعثة في جميع الاتجاهات. شدة الإشعاع (I_E, بوحدة مللي واط/ستراديان) هي القدرة المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة في اتجاه محدد. بالنسبة لمصباح LED واسع الزاوية مثل هذا، تكون القدرة الكلية عالية، لكن الشدة في أي اتجاه واحد تكون أقل من مصباح LED ذي الحزمة الضيقة بنفس القدرة الكلية.

10.2 هل يمكنني تشغيل هذا المصباح LED مباشرة من مصدر جهد؟

لا. مصابيح LED هي أجهزة تعمل بالتيار. جهدها الأمامي له تسامح ويتغير مع درجة الحرارة. سيؤدي التوصيل مباشرة بمصدر جهد إلى تدفق تيار غير منضبط، ومن المحتمل أن يتجاوز الحد الأقصى للتصنيف ويدمر المصباح LED. دائرة قيادة تيار ثابت أو دائرة تحديد تيار إلزامية.

10.3 لماذا يتم التأكيد بشدة على تبديد الحرارة؟

تحول مصابيح LED عالية القدرة جزءًا كبيرًا من المدخلات الكهربائية إلى حرارة. إذا لم تتم إزالة هذه الحرارة بشكل فعال، ترتفع درجة حرارة الوصلة. تؤدي درجات حرارة الوصلة العالية إلى انخفاض الناتج الضوئي (انخفاض الكفاءة)، وتسريع تدهور المواد شبه الموصلة، وفي النهاية الفشل الكارثي. يضمن التصميم الحراري السليم الأداء والموثوقية والعمر الطويل.

10.4 ماذا يعني رمز التصنيف (Bin Code) لتصميمي؟

يضمن اختيار تصنيف أعلى (مثل التصنيف H بدلاً من التصنيف F) ناتجًا إشعاعيًا أدنى أعلى. يسمح لك ذلك بتصميم نظامك بمستوى إضاءة معروف ومضمون. إذا كان تصميمك يحتوي على هامش كافٍ، فقد يكون التصنيف الأدنى أكثر فعالية من حيث التكلفة. إذا كنت تدفع حدود نطاق الإضاءة أو حساسية الكاميرا، فإن التصنيف الأعلى ضروري.

11. دراسة حالة عملية للتصميم والاستخدام

السيناريو: تصميم مصدر إضاءة بالأشعة تحت الحمراء لكاميرا أمنية

يحتاج المصمم إلى إنشاء مصدر إضاءة بالأشعة تحت الحمراء مضغوط مثبت على الحائط لتمديد نطاق الرؤية الليلية لكاميرا أمنية من 10 أمتار إلى 25 مترًا. مستشعر الكاميرا حساس لـ 850 نانومتر. يختار المصمم مصباح LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR من التصنيف H للحصول على أقصى ناتج.

خطوات التصميم:

1. التصميم الكهربائي: تم تصميم دائرة قيادة تيار ثابت تبديلية لتوفير 1000 مللي أمبير للمصباح LED من مصدر تيار مستمر 12 فولت. تتضمن الدائرة القائدة حماية من التيار الزائد والإغلاق الحراري.
2. التصميم الحراري: تم استخدام لوحة دوائر مطبوعة ذات طبقتين بوزن نحاسي 2 أونصة. مجموعة من الثقوب الحرارية تربط المسار الحراري للمصباح LED بمساحة نحاسية كبيرة في الأسفل، تعمل كمبدد حراري. الغلاف مصنوع من الألومنيوم مع تركيب لوحة الدوائر المطبوعة مباشرة عليه باستخدام معجون حراري لتبديد المزيد من الحرارة.
3. التصميم البصري/الميكانيكي: تم ترتيب أربعة مصابيح LED في نمط مربع على لوحة الدوائر المطبوعة. نافذة بولي كربونات شفافة مسطحة تحمي المصابيح. تتداخل الحزمة الواسعة 150 درجة لكل مصباح LED لتخلق فيضانًا موحدًا من ضوء الأشعة تحت الحمراء يغطي مجال رؤية الكاميرا عند المدى المطلوب.
4. التحقق: تم اختبار النموذج الأولي في غرفة مظلمة. أكدت كاميرا حرارية بقاء درجة حرارة وصلات المصابيح LED أقل من 100°م. نجحت الكاميرا الأمنية في التعرف على الأشياء على بعد 25 مترًا بتباين واضح.

تسلط هذه الحالة الضوء على الترابط بين تصميم الدائرة القائدة، وإدارة الحرارة، والتخطيط البصري عند استخدام هذا المكون عالي القدرة.

12. مبدأ التشغيل

يُعد HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR مصدر ضوء شبه موصل يعتمد على بنية غير متجانسة من زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم (GaAlAs). عند تطبيق جهد أمامي يتجاوز طاقة فجوة النطاق للثنائي، يتم حقن الإلكترونات والفجوات في المنطقة النشطة حيث تتحد. تُطلق عملية إعادة التركيب هذه الطاقة في شكل فوتونات. يحدد التركيب المحدد لطبقات GaAlAs طاقة فجوة النطاق، والتي بدورها تحدد الطول الموجي الذروي للفوتونات المنبعثة - في هذه الحالة، 850 نانومتر، وهو في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. يحمي التغليف السيليكوني الشفاف الشريحة شبه الموصلة ويعمل كعنصر بصري أساسي، حيث يساعد شكله الكروي في استخراج الضوء بكفاءة وتشكيل نمط الإشعاع.

13. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر مجال مصابيح LED عالية القدرة للأشعة تحت الحمراء في التطور مع عدة اتجاهات واضحة. هناك دفع مستمر لتحقيق كفاءة أعلى (القدرة البصرية الخارجة / الطاقة الكهربائية الداخلة) لتقليل توليد الحرارة واستهلاك الطاقة لنفس الناتج الضوئي. يتضمن ذلك تقدمًا في تقنيات النمو البلوري وتصميم الشرائح. تتحسن أيضًا تكنولوجيا العبوات لتقديم مقاومة حرارية أقل، مما يسمح باستخراج المزيد من الحرارة من الشريحة. علاوة على ذلك، هناك تكامل متزايد، حيث يتم تجميع الدوائر القائدة وأحيانًا حتى المنطق البسيط للتحكم مع شريحة LED لإنشاء وحدات إضاءة أكثر ذكاءً وسهولة في الاستخدام. يتم الحفاظ على الطلب على مصادر الأشعة تحت الحمراء عالية القدرة والموثوقة من خلال التوسع في التطبيقات في أنظمة LiDAR للسيارات، والتعرف على الوجه، والأتمتة الصناعية المتقدمة.