ورقة بيانات ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر HIR-S06-P120/L649-P03/TR - 850 نانومتر - 3.45 فولت - 1 أمبير - 890 ميلي واط - عبوة SMD

1. نظرة عامة على المنتج

ثنائي باعث الضوء تحت الأحمر HIR-S06-P120/L649-P03/TR هو ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (IR) عالي القدرة، مصمم للتطبيقات التي تتطلب إضاءة تحت حمراء قوية وفعالة. إنه جهاز ذو تركيب سطحي (SMD) مُحاط بغلاف مضغوط ذو قمة مسطحة وعدسة إيبوكسي شفافة كالماء. الوظيفة الأساسية لهذا المكون هي إصدار ضوء تحت أحمر عند طول موجي ذروة يبلغ 850 نانومتر (nm)، وهو متطابق بشكل مثالي مع الحساسية الطيفية لكواشف الضوء القائمة على السيليكون مثل الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية. تشمل مزاياه الأساسية إخراجًا إشعاعيًا عاليًا من شكل صغير، والامتثال للوائح البيئية (RoHS، REACH، خالٍ من الهالوجين)، وملاءمته لعمليات التجميع الآلي.

1.1 الميزات الرئيسية والتطبيقات

يتميز الجهاز بكفاءته العالية وحجم عبوته الصغير. تشمل الميزات الرئيسية طول موجي ذروة (λp) يبلغ 850 نانومتر، وملاءمته لتقنية اللحام السطحي (SMT)، والامتثال لمعايير خالية من الرصاص، ولوائح الاتحاد الأوروبي REACH، وخالية من الهالوجين (Br < 900 جزء في المليون، Cl < 900 جزء في المليون، Br+Cl < 1500 جزء في المليون). كما يوفر جهد تحمل للتفريغ الكهروستاتيكي (ESD) يبلغ 2 كيلو فولت. الأسواق والتطبيقات المستهدفة الرئيسية هي الأنظمة التي تتطلب إضاءة غير مرئية للتصوير أو الاستشعار. التطبيق الأكثر شيوعًا هو كمصدر ضوء تحت أحمر لكاميرات CCD، حيث يوفر الإضاءة اللازمة للرؤية الليلية أو التصوير في الإضاءة المنخفضة. كما أنه مناسب لمختلف أنظمة الأشعة تحت الحمراء الأخرى، مثل أنظمة الأمن، والرؤية الآلية، وأجهزة استشعار القرب، والمفاتيح الضوئية.

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

يقدم هذا القسم تحليلاً مفصلاً وموضوعياً لخصائص الجهاز الكهربائية والبصرية والحرارية كما هو محدد في ورقة البيانات.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد الحدود القصوى المطلقة حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا ينبغي تجاوز هذه الحدود مطلقًا أثناء التشغيل. بالنسبة لـ HIR-S06-P120/L649-P03/TR، الحدود الرئيسية هي:

• التيار الأمامي المستمر (IF):1000 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تمريره باستمرار عبر الثنائي الباعث للضوء.
• الجهد العكسي (VR):5 فولت. تطبيق جهد عكسي يتجاوز هذه القيمة يمكن أن يسبب انهيار الوصلة.
• درجة حرارة التشغيل (Topr):من -40°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي صُمم الجهاز للعمل ضمنه.
• درجة حرارة التخزين (Tstg):من -40°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي.
• درجة حرارة الوصلة (Tj):115°C. أقصى درجة حرارة مسموح بها عند الوصلة شبه الموصلة نفسها.
• تبديد الطاقة (Pd):3 واط عند IF=700 مللي أمبير. يشير هذا إلى أقصى طاقة يمكن للعبوة تبديدها كحرارة تحت حالة اختبار محددة. تنص ورقة البيانات صراحةً على توصية بإضافة مُشتت حراري لهذا الجهاز لإدارة الحمل الحراري بشكل فعال ومنع تجاوز حد درجة حرارة الوصلة.

2.2 الخصائص الكهروبصرية

تحدد هذه المعلمات، المقاسة عند درجة حرارة محيطة قياسية تبلغ 25°C، أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل العادية. تُعرض القيم عادةً كحد أدنى، ونموذجي، وحد أقصى.

• القدرة الإشعاعية الكلية (Po):هذه هي الطاقة الضوئية الكلية المنبعثة من الثنائي الباعث للضوء في جميع الاتجاهات، مقاسة بالميلي واط (mW). تزداد القيمة النموذجية مع تيار القيادة: 340 ميلي واط عند 350 مللي أمبير، و650 ميلي واط عند 700 مللي أمبير، و890 ميلي واط عند 1 أمبير. وهذا يوضح القدرة العالية للجهاز.
• الشدة الإشعاعية (Ie):تُقاس بوحدة ميلي واط/ستراديان (mW/sr)، وهي الطاقة الضوئية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة. إنها مقياس لسطوع الثنائي الباعث للضوء في اتجاه محدد. القيم النموذجية هي 115 ميلي واط/ستراديان (350 مللي أمبير)، و220 ميلي واط/ستراديان (700 مللي أمبير)، و290 ميلي واط/ستراديان (1 أمبير).
• الطول الموجي الذروة (λp):850 نانومتر (نموذجي). هذا هو الطول الموجي الذي تكون فيه طاقة الخرج البصرية في أقصى حد لها. يعتبر 850 نانومتر طول موجي شائع للإضاءة تحت الحمراء لأنه غير مرئي للعين البشرية ولكنه يُكتشف جيدًا بواسطة أجهزة استشعار السيليكون والعديد من أجهزة استشعار الكاميرا.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):25 نانومتر (نموذجي). يحدد هذا نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، ويُقاس عادةً عند نصف الطاقة القصوى (العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى - FWHM). يشير عرض نطاق 25 نانومتر إلى إخراج طيفي ضيق نسبيًا يتمحور حول 850 نانومتر.
• الجهد الأمامي (VF):انخفاض الجهد عبر الثنائي الباعث للضوء عندما يتدفق التيار. يزداد مع التيار: 3.10 فولت (350 مللي أمبير)، 3.25 فولت (700 مللي أمبير)، 3.45 فولت (1 أمبير). هذا أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة القيادة.
• التيار العكسي (IR):أقصى 10 ميكرو أمبير عند VR=5 فولت. هذا هو تيار التسرب الصغير الذي يتدفق عندما يكون الجهاز متحيزًا عكسيًا ضمن حدوده القصوى.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):120 درجة (نموذجي). هذه هي الزاوية الكاملة حيث تنخفض الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى (على المحور). تشير زاوية 120 درجة إلى نمط حزمة واسع جدًا، مناسب للإضاءة ذات المساحة الواسعة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الأداء النموذجية التي تعتبر ضرورية لفهم سلوك الجهاز تحت الظروف غير القياسية.

3.1 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى IV)

يُظهر هذا الرسم البياني (الشكل 1) العلاقة بين التيار المتدفق عبر الثنائي الباعث للضوء (IF) والجهد عبره (VF). إنها علاقة غير خطية. يسمح المنحنى للمصممين بتحديد جهد التشغيل لتيار قيادة معين، وهو أمر بالغ الأهمية لاختيار مقاومة محددة للتيار المناسبة أو تصميم مُشغل تيار ثابت. سيكون للجهد معامل درجة حرارة سالب، مما يعني أنه ينخفض قليلاً مع ارتفاع درجة حرارة الوصلة.

3.2 التيار الأمامي مقابل الشدة الإشعاعية / القدرة الكلية

ترسم هذه الرسوم البيانية (الشكل 2 والشكل 3) الخرج البصري (إما الشدة أو القدرة الكلية) مقابل التيار الأمامي. تُظهر عادةً علاقة تحت خطية؛ يزداد الخرج البصري مع التيار ولكن الكفاءة (الخرج لكل واط مدخل) قد تنخفض عند التيارات العالية جدًا بسبب زيادة التأثيرات الحرارية والانخفاض. يساعد تحليل هذه المنحنيات في اختيار نقطة تشغيل مثالية توازن بين طاقة الخرج والكفاءة وعمر الجهاز.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد العبوة والرسم

يتم توفير الجهاز في عبوة SMD. تحدد الرسومات الأبعادية الطول والعرض والارتفاع والتباعد بين الأطراف وهندسة العدسة بدقة. ملاحظات رئيسية من ورقة البيانات: جميع الأبعاد بالمليمترات، مع تسامحات قياسية ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم توفير تحذير تعامل حرج: لا تتعامل مع الجهاز من خلال العدسة. يمكن أن يؤدي تطبيق قوة على العدسة إلى فشل ميكانيكي في العبوة.لا تتعامل مع الجهاز من خلال العدسة.يمكن أن يؤدي تطبيق قوة على العدسة إلى فشل ميكانيكي في العبوة.

4.2 تحديد القطبية وبصمة التركيب

يوضح رسم العبوة بوضوح أطراف الكاثود والأنود. يجب مراعاة القطبية الصحيحة أثناء تخطيط وتجميع لوحة الدوائر المطبوعة. عادةً ما يتم اشتقاق تخطيط وسادة اللحام الموصى به (نمط الأرضية) من أبعاد العبوة لضمان لحام موثوق وقوة ميكانيكية.

5. إرشادات اللحام والتجميع

كجهاز SMT، فهو مخصص لعمليات لحام إعادة التدفق. بينما لم يتم تفصيل معلمات ملف تعريف إعادة التدفق المحددة (التسخين المسبق، النقع، درجة حرارة ذروة إعادة التدفق، الوقت فوق السائل) في هذا المقتطف، فإنها تتبع عمومًا ملفات تعريف قياسية لمكونات العبوات البلاستيكية المماثلة، عادةً بدرجة حرارة ذروة لا تتجاوز 260°C. يشير الامتثال لمعايير خالية من الرصاص وخالية من الهالوجين إلى الملاءمة لعمليات التصنيع الحديثة الصديقة للبيئة. تتوافق توصية التخزين مع نطاق درجة حرارة التشغيل (-40°C إلى +100°C)، ويجب الاحتفاظ بالأجهزة في عبواتها المقاومة للرطوبة حتى الاستخدام.

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 مواصفات البكرة والشريط

يتم توريد الجهاز على شريط حامل داخل بكرات للتجميع الآلي للالتقاط والوضع. يتم تحديد أبعاد الشريط الحامل. تحتوي كل بكرة على 2000 قطعة. كما يُشار إلى اتجاه فك البكرة في الرسم لضمان إعداد الجهاز بشكل صحيح.

6.2 التغليف المقاوم للرطوبة

يتم شحن المكونات في أكياس مقاومة للرطوبة من الألومنيوم تحتوي على مجفف للتحكم في الرطوبة. تحتوي الحقيبة على ملصق بمعلومات رئيسية. بينما يتم سرد حقول الملصق المحددة (مثل CPN، P/N، QTY، CAT، HUE، REF، LOT No.)، تلاحظ ورقة البيانات أن رقم الجزء HIR-S06-P120/L649-P03/TR لا يبدو أنه يستخدم نظام فرز تفصيلي للشدة أو الطول الموجي أو الجهد في هذه الوثيقة، حيث يتم سرد جميع القيم النموذجية بدون رموز رتبة. يتم التعرف على المنتج من خلال رقم الجزء الكامل الخاص به.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

التطبيق الأساسي هو الإضاءة لكاميرات CCD/CMOS في ظروف الإضاءة المنخفضة أو انعدام الضوء، مما يتيح وظيفة الرؤية الليلية في كاميرات الأمن، وأنظمة السيارات، والأجهزة الاستهلاكية. تشمل التطبيقات الأخرى الإضاءة تحت الحمراء النشطة للكشف عن القرب والوجود، والمشفرات الضوئية، ونقل البيانات لمسافات قصيرة (تطبيقات شبيهة بـ IrDA)، وعد أو فرز الأشياء في الأتمتة الصناعية.

7.2 اعتبارات التصميم الحرجة

• الإدارة الحرارية:هذا أمر بالغ الأهمية لثنائي باعث للضوء عالي القدرة. تنص ورقة البيانات صراحةً على توصية باستخدام مُشتت حراري. يجب أن يتضمن تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة ثقوبًا حرارية كافية ومنطقة نحاسية متصلة بوسادة الجهاز الحرارية (إن وجدت) أو الأطراف لتصريف الحرارة بعيدًا عن الوصلة. سيؤدي تجاوز Tj=115°C إلى تقليل العمر الافتراضي بشكل كبير ويمكن أن يسبب فشلاً فوريًا.
• دوائر القيادة:ثنائيات الإضاءة هي أجهزة تعمل بالتيار. يُوصى بشدة باستخدام مُشغل تيار ثابت لضمان خرج بصري مستقر ومنع الانحراف الحراري. يجب أن يكون المشغل قادرًا على توفير ما يصل إلى 1 أمبير مع مراعاة متطلبات الجهد الأمامي. يجب النظر في حماية الجهد العكسي.
• التصميم البصري:توفر زاوية الرؤية الواسعة البالغة 120 درجة تغطية واسعة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب حزمة أكثر تركيزًا، يمكن استخدام بصريات ثانوية (عدسات). العدسة الشفافة كالماء مناسبة لطول الموجة 850 نانومتر.
• حماية ESD:على الرغم من تصنيفه لتحمل 2 كيلو فولت ESD، يجب اتباع احتياطات التعامل القياسية مع ESD أثناء التجميع والدمج.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بثنائيات الإضاءة تحت الحمراء منخفضة القدرة القياسية، فإن المميز الرئيسي لـ HIR-S06-P120/L649-P03/TR هو إخراجه الإشعاعي العالي (يصل إلى 890 ميلي واط) من عبوة SMD. وهذا يسمح بإضاءة أكثر سطوعًا أو القدرة على إضاءة مناطق أكبر أو تحقيق نطاقات أطول. يعتبر الطول الموجي 850 نانومتر معيارًا شائعًا، حيث يوفر توازنًا جيدًا بين استجابة مستشعر السيليكون والخفاء النسبي. مقارنةً بثنائيات الإضاءة 940 نانومتر، غالبًا ما ينتج 850 نانومتر توهجًا أحمر باهتًا عند طاقة عالية جدًا ولكنه يمكن أن يوفر أداءً أعلى مع العديد من أجهزة استشعار السيليكون. تعتبر زاوية الرؤية الواسعة ميزة للإضاءة المساحية ولكنها عيب محتمل إذا كانت هناك حاجة لحزمة ضيقة، حيث سيكون الجهاز ذو زاوية رؤية أضيق أو البصريات الثانوية أفضل.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: هل يمكنني تشغيل هذا الثنائي الباعث للضوء مباشرة من مصدر طاقة 5 فولت بمقاومة فقط؟

ج: ربما، ولكن هناك حاجة إلى حساب دقيق. عند 1 أمبير و Vf=3.45 فولت، ستكون المقاومة المتسلسلة (5 فولت - 3.45 فولت)/1 أمبير = 1.55 أوم، مما يبدد 1.55 واط. هذا غير فعال ويولد حرارة كبيرة في المقاومة. يُفضل بشدة استخدام مُشغل تيار ثابت للأداء والموثوقية.

س: لماذا يُوصى باستخدام مُشتت حراري على الرغم من أن درجة حرارة التشغيل تصل إلى 100°C؟

ج: تصنيف 100°C هو لدرجة حرارة الهواء المحيط (Ta). الحد الحرج هو درجة حرارة الوصلة (Tj) البالغة 115°C. الطاقة المبددة (تصل إلى ~3.45 واط عند 1 أمبير) تسخن الوصلة فوق درجة حرارة الهواء المحيط. يقلل المُشتت الحراري من المقاومة الحرارية بين الوصلة والهواء المحيط، مما يحافظ على Tj ضمن الحدود عند الطاقة العالية و/أو درجة حرارة الهواء المحيط العالية.

س: هل هذا الثنائي الباعث للضوء مناسب للتشغيل المستمر 24/7؟

ج: نعم، بشرط عدم تجاوز الحدود القصوى المطلقة وتنفيذ إدارة حرارية مناسبة. سيكون التشغيل عند أو أقل من حالة 700 مللي أمبير النموذجية مع مُشتت حراري جيد نقطة تصميم محافظة وموثوقة للتشغيل المستمر.

س: ما هو العمر الافتراضي النموذجي لهذا الجهاز؟

ج: العمر الافتراضي (غالبًا ما يُعرَّف على أنه النقطة التي يتدهور فيها إخراج الضوء إلى 70٪ من القيمة الأولية) يعتمد بشدة على ظروف التشغيل، وخاصة درجة حرارة الوصلة. عند التشغيل ضمن المواصفات مع تبريد كافٍ، تكون الأعمار الافتراضية لعشرات الآلاف من الساعات نموذجية لمثل هذه الثنائيات الباعثة للضوء.

10. مثال عملي لحالة الاستخدام

حالة تصميم: وحدة كاميرا أمنية للرؤية الليلية

يقوم مصمم بإنشاء وحدة كاميرا أمنية مضغوطة للاستخدام الخارجي. تتضمن الوحدة مستشعر CCD وتتطلب إضاءة تحت حمراء للتشغيل الليلي. تم اختيار HIR-S06-P120/L649-P03/TR لإخراجه العالي وعبوته SMD. يتم ترتيب أربعة ثنائيات باعثة للضوء بشكل متناظر حول عدسة الكاميرا على لوحة الدوائر المطبوعة. يوفر مشغل تيار ثابت مخصص 700 مللي أمبير لكل ثنائي باعث للضوء. تم تصميم لوحة الدوائر المطبوعة بمساحات نحاسية كبيرة متصلة بوسائد الثنائيات الباعثة للضوء عبر ثقوب حرارية متعددة، ويعمل غلاف الكاميرا بالكامل كمشتت حراري. تتداخل الحزمة الواسعة البالغة 120 درجة لكل ثنائي باعث للضوء لإنشاء مجال إضاءة موحد وواسع المساحة مناسب لمجال رؤية الكاميرا. يضمن الطول الموجي 850 نانومتر استجابة جيدة للمستشعر مع بقائه غير مرئي إلى حد كبير.

11. مبدأ التشغيل

ثنائي باعث الضوء تحت الأحمر هو ثنائي وصلة شبه موصلة من النوع p-n. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات من المادة من النوع n والفجوات من المادة من النوع p في منطقة الوصلة. عندما تتحد حاملات الشحن هذه، يتم إطلاق الطاقة. في الثنائي الباعث للضوء القياسي، تُطلق هذه الطاقة كفوتونات (ضوء). يتم تحديد الطول الموجي المحدد للضوء المنبعث بواسطة طاقة فجوة النطاق للمادة شبه الموصلة. يستخدم HIR-S06-P120/L649-P03/TR شريحة زرنيخيد الجاليوم ألومنيوم (GaAlAs)، والتي لها فجوة نطاق تتوافق مع الضوء تحت الأحمر عند حوالي 850 نانومتر. تقوم عدسة الإيبوكسي الشفافة كالماء بتغليف الشريحة، وتوفر الحماية الميكانيكية، وتشكل الضوء المنبعث إلى زاوية الرؤية المحددة.

12. اتجاهات التكنولوجيا والسياق

ثنائيات الإضاءة تحت الحمراء عالية القدرة هي تكنولوجيا ناضجة ولكنها تتطور. تشمل الاتجاهات زيادة كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوئية (مزيد من إخراج الضوء لكل واط كهربائي)، مما يقلل الحمل الحراري. هناك أيضًا اتجاه نحو كثافات طاقة أعلى في عبوات أصغر، مما يضع تركيزًا أكبر على حلول الإدارة الحرارية المتقدمة مثل الشرائح الحرارية المدمجة أو تصميمات الشريحة المقلوبة. يتم دفع الطلب من خلال النمو في أسواق مثل السيارات (LiDAR، مراقبة السائق)، والأمن، والرؤية الآلية. بينما يظل 850 نانومتر طولًا موجيًا مهيمنًا بسبب توافق المستشعرات، هناك أيضًا استخدام كبير لـ 940 نانومتر للتطبيقات التي تتطلب خفاءً تامًا (بدون توهج أحمر). يمثل دمج ثنائيات الإضاءة تحت الحمراء مع المشغلات وأجهزة الاستشعار في وحدات كاملة اتجاهًا مستمرًا آخر، مما يبسط التصميم للمستخدمين النهائيين.