ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي PD95-21B/TR10 - عبوة سطحية دائرية 1.9 مم - عدسة سوداء - ذروة الحساسية 940 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد PD95-21B/TR10 جهازًا دقيقًا للغاية للتركيب السطحي (SMD) مُصممًا لتطبيقات استشعار الضوء عالية الأداء. إنه صمام ثنائي ضوئي من نوع PIN قائم على السيليكون، وهو مكون شبه موصل أساسي يحول طاقة الضوء إلى تيار كهربائي. يتم وضع الجهاز في عبوة دائرية مدمجة قطرها 1.9 مم مع تكوين مميز للأطراف يُسمى "Z-Bend"، مما يجعله مناسبًا لعمليات التجميع الآلي. تتميز أعلى العبوة بعدسة بلاستيكية سوداء تساعد في تحديد مجال الرؤية وتوفر بعض الحماية البيئية. وظيفته الأساسية هي اكتشاف الإشعاع تحت الأحمر، حيث تم ضبط خصائصه الطيفية لتتوافق مع الثنائيات الباعثة للأشعة تحت الحمراء (IREDs) الشائعة، مما يجعله مكونًا مستقبلاً مثاليًا في الأنظمة الكهروضوئية.

2. الميزات الرئيسية والتطبيقات

2.1 المزايا الأساسية

يقدم الصمام الثنائي الضوئي عدة فوائد أدائية حاسمة للتصميم الإلكتروني الحديث:

• وقت استجابة سريع:يسمح هيكل PIN، مع منطقته الجوهرية (I)، بجمع سريع لحاملات الشحنة، مما يمكن الجهاز من الاستجابة بسرعة للتغيرات في شدة الضوء. هذا أمر أساسي للاتصالات البيانات، وكشف النبضات، والاستشعار عالي السرعة.
• حساسية ضوئية عالية:يولد بكفاءة تيارًا كهربائيًا قابلًا للقياس من مستويات منخفضة من الضوء الساقط (الإشعاع)، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في دوائر الكشف.
• سعة تقاطع صغيرة:تعد السعة المنخفضة أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على نطاق ترددي عالي واستجابة سريعة، حيث تقلل من ثابت الوقت RC لدائرة الكشف.
• توافق قوي مع عمليات التصنيع:تم تصميم الجهاز ليتحمل عمليات اللحام القياسية بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء والطور البخاري، مما يسهل تجميع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بشكل موثوق.
• الامتثال البيئي:المكون خالٍ من الرصاص (Pb-free)، ومتوافق مع لائحة REACH التابعة للاتحاد الأوروبي، ويُلبي متطلبات الخلو من الهالوجين (Br <900 جزء في المليون، Cl <900 جزء في المليون، Br+Cl <1500 جزء في المليون)، متوافقًا مع المعايير البيئية والسلامة العالمية.

2.2 التطبيقات المستهدفة

تم هندسة هذا الصمام الثنائي الضوئي للأنظمة التي تتطلب كشفًا موثوقًا للأشعة تحت الحمراء. تشمل مجالات التطبيق النموذجية:

• أنظمة الأشعة تحت الحمراء التطبيقية:يشمل هذا نطاقًا واسعًا، بما في ذلك أجهزة التحكم عن بُعد، وأجهزة استشعار القرب، وكشف الأجسام، والمفاتيح الضوئية القاطعة.
• الآلات النسخية والطابعات:تُستخدم لكشف الورق، واستشعار مستوى الحبر، وآليات المسح حيث تكون هناك حاجة للكشف الدقيق للضوء المنعكس أو المنقول.
• أجهزة استشعار السيارات:مناسبة لمشاريع الاستشعار غير الحرجة داخل المركبات، مثل أجهزة استشعار المطر، أو أجهزة استشعار الشفق، أو كشف شغل المقصورة الداخلية، حيث تكون الموثوقية عبر نطاق درجة الحرارة مهمة.

3. تحليل المعلمات التقنية

3.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه الحدود ظروف الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم. يجب أن تكون العملية دائمًا ضمن هذه الحدود.

• الجهد العكسي (V_R):32 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه في انحياز عكسي عبر الثنائي دون التسبب في انهيار.
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):من -25°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي تم تحديده لكي يعمل الجهاز بشكل صحيح.
• درجة حرارة التخزين (T_stg):من -40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين في حالة عدم التشغيل.
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°C كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ. يحدد هذا تحمل درجة الحرارة القصوى أثناء لحام إعادة التدفق.
• تبديد الطاقة (P_d):150 ملي واط عند 25°C. أقصى قدرة يمكن للجهاز تبديدها بأمان على شكل حرارة.

3.2 الخصائص الكهروضوئية (Ta=25°C)

تحدد هذه المعلمات أداء الجهاز في ظل ظروف التشغيل النموذجية.

• عرض النطاق الطيفي (λ_0.5):من 730 نانومتر إلى 1100 نانومتر. هذا هو نطاق الطول الموجي حيث تكون استجابة الصمام الثنائي الضوئي على الأقل نصف قيمته القصوى. يؤكد أن الجهاز حساس عبر طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة.
• طول موجة ذروة الحساسية (λ_P):940 نانومتر (نموذجي). الطول الموجي للضوء الذي يكون فيه الصمام الثنائي الضوئي أكثر حساسية. يتوافق هذا تمامًا مع ذروة الانبعاث للعديد من الثنائيات الباعثة للأشعة تحت الحمراء القياسية من نوع GaAlAs.
• تيار الدائرة القصيرة (I_SC):4 ميكرو أمبير (نموذجي) عند E_e=1 ملي واط/سم²، λ=875 نانومتر. التيار الناتج عندما تكون أطراف الصمام الثنائي الضوئي في حالة قصر (جهد انحياز صفري). إنه مقياس مباشر لكفاءة توليد التيار الضوئي.
• التيار الضوئي العكسي (I_L):4 ميكرو أمبير (نموذجي) عند E_e=1 ملي واط/سم²، λ=875 نانومتر، V_R=5 فولت. التيار المتدفق تحت انحياز عكسي عند الإضاءة. العمل في انحياز عكسي (وضع التوصيل الضوئي) يقدم عمومًا استجابة أسرع وإخراجًا أكثر خطية من وضع الانحياز الصفري (الوضع الكهروضوئي).
• تيار الظلام العكسي (I_D):10 نانو أمبير (أقصى) عند V_R=10 فولت. تيار التسرب الصغير الذي يتدفق في ظروف الانحياز العكسي في ظلام تام. التيار المظلم المنخفض أمر بالغ الأهمية لاكتشاف إشارات الضوء الضعيفة، حيث يمثل الحد الأدنى للضوضاء في الجهاز.
• جهد الانهيار العكسي (V_BR):32 فولت (الحد الأدنى)، 170 فولت (نموذجي). الجهد الذي يزداد عنده التيار العكسي بشكل حاد. لا ينبغي أبدًا تشغيل الجهاز بالقرب من هذه النقطة.

4. تحليل منحنيات الأداء

تشير ورقة البيانات إلى منحنيات الأداء النموذجية التي توفر رؤية أعمق من المواصفات أحادية النقطة.

4.1 الحساسية الطيفية (الشكل 1)

يمثل هذا المنحنى بيانياً استجابة الصمام الثنائي الضوئي كدالة لطول موجة الضوء الساقط. سيظهر منحنى على شكل جرس، يبلغ ذروته عند حوالي 940 نانومتر ويتناقص نحو النقاط المحددة 730 نانومتر و 1100 نانومتر عند نصف الحساسية القصوى. هذا المنحنى ضروري لمطابقة الصمام الثنائي الضوئي مع مصدر ضوء محدد، مما يضمن أقصى قوة للإشارة.

4.2 التيار الضوئي العكسي مقابل الإشعاع (الشكل 2)

يوضح هذا الرسم البياني العلاقة بين التيار الضوئي الناتج (I_L) وكثافة قدرة الضوء الساقط (E_e). بالنسبة لصمام ثنائي ضوئي من نوع PIN مُصمم جيدًا يعمل في منطقته الخطية، يجب أن تكون هذه العلاقة خطية للغاية. يمثل ميل هذا الخط استجابة الصمام الثنائي الضوئي (عادةً بوحدة أمبير/واط). هذه الخطية حاسمة لتطبيقات قياس الضوء التناظرية.

5. معلومات الميكانيكا والتعبئة

5.1 أبعاد العبوة

الجهاز عبارة عن عبوة دائرية قطرها 1.9 مم. يتم توفير رسومات ميكانيكية مفصلة في ورقة البيانات، تحدد جميع الأبعاد الحرجة بما في ذلك قطر الجسم، والارتفاع، وتباعد الأطراف، وأبعاد الأطراف. جميع الأبعاد بالمليمترات مع تسامح قياسي ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. تم تصميم نمط الأطراف "Z-Bend" لتوفير قاعدة ثابتة للتركيب السطحي وتخفيف الإجهاد الميكانيكي.

5.2 تحديد القطبية

الصمام الثنائي الضوئي هو مكون مستقطب. يوضح رسم ورقة البيانات بوضوح أطراف الكاثود والأنود. يجب مراعاة القطبية الصحيحة أثناء تجميع لوحة الدائرة للتشغيل السليم في تكوين الانحياز العكسي.

5.3 مواصفات الشريط الحامل والبكرة

للتجميع الآلي، يتم توريد المكونات في شريط حامل وبكرة. تتضمن ورقة البيانات أبعاد جيوب الشريط الحامل، وقطر البكرة، والتوجيه. الكمية القياسية للتعبئة هي 1000 قطعة لكل بكرة.

6. إرشادات اللحام والتجميع

6.1 التخزين والحساسية للرطوبة

الصمام الثنائي الضوئي حساس للرطوبة. يجب اتخاذ الاحتياطات لمنع ظاهرة "الفشار" أو التقشير أثناء لحام إعادة التدفق:

• قم بتخزين الأكياس غير المفتوحة عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية.
• استخدم المكونات في غضون عام واحد.
• بعد الفتح، قم بالتخزين عند ≤30°C و ≤70% رطوبة نسبية.
• استخدم في غضون 168 ساعة (7 أيام) بعد فتح كيس الحاجز الرطوبي.
• إذا تم تجاوز وقت التخزين أو أشار المجفف إلى دخول الرطوبة، قم بالتسخين عند 60±5°C لمدة 24 ساعة قبل الاستخدام.

6.2 منحنى درجة حرارة لحام إعادة التدفق

يوصى بمنحنى درجة حرارة لحام إعادة التدفق الخالي من الرصاص. يجب التحكم في المنحنى لضمان ألا تتجاوز درجة حرارة الجسم القصوى 260°C لأكثر من 5 ثوانٍ. لا ينبغي إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين لتجنب التلف الحراري للعبوة البلاستيكية وشريحة أشباه الموصلات.

6.3 اللحام اليدوي والإصلاح

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فمطلوب عناية فائقة:

• استخدم مكواة لحام بدرجة حرارة أقل من 350°C وقدرة أقل من 25 واط.
• حدد وقت التلامس لكل طرف إلى 3 ثوانٍ.
• اسمح بفترة تبريد لا تقل عن 2 ثانية بين لحام كل طرف.
• تجنب الإجهاد الميكانيكي على المكون أثناء التسخين.
• يُحذر بشدة من الإصلاح. إذا كان لا مفر منه، فيجب استخدام مكواة لحام مزدوجة الرأس متخصصة لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد، لمنع الإجهاد الحراري. يجب التحقق من وظيفة الجهاز بعد أي محاولة إصلاح.

6.4 اعتبارات تصميم لوحة الدائرة

بعد اللحام، لا ينبغي أن تنحني أو تنثني لوحة الدائرة، لأن ذلك يمكن أن ينقل الإجهاد إلى شريحة أشباه الموصلات الهشة أو وصلات اللحام، مما قد يتسبب في فشل.

7. اعتبارات تصميم التطبيق

7.1 الحماية من التيار الزائد

ملاحظة تصميم حرجة: الصمام الثنائي الضوئي نفسه لا يحتوي على تحديد داخلي للتيار. عند التشغيل في انحياز عكسي، حتى زيادة صغيرة في الجهد يمكن أن تسبب زيادة كبيرة، وربما مدمرة، في التيار إذا تعرض الجهاز للضوء. لذلك، يجبيجباستخدام مقاوم خارجي على التوالي في دائرة الانحياز للحد من أقصى تيار في ظروف الإضاءة الساطعة ومنع الاحتراق.

7.2 دوائر الانحياز والواجهة

يمكن استخدام الصمام الثنائي الضوئي في وضعين أساسيين:

1. وضع التوصيل الضوئي (الانحياز العكسي):يؤدي تطبيق جهد انحياز عكسي (مثل 5 فولت كما في حالة الاختبار) إلى توسيع منطقة الاستنزاف، مما يقلل من سعة التقاطع ويسرع وقت الاستجابة. هذا هو الوضع المفضل للتطبيقات عالية السرعة والخطية. الإخراج هو مصدر تيار، يتم تحويله عادةً إلى جهد باستخدام مضخم مقاومة النقل (TIA).
2. الوضع الكهروضوئي (الانحياز الصفري):يولد الصمام الثنائي الضوئي جهدًا خاصًا به عند إضاءته، ويعمل مثل الخلية الشمسية. يوفر هذا الوضع تيار ظلام منخفض جدًا ولكنه يتمتع باستجابة أبطأ وخطية أقل. إنه مناسب لقياس الضوء ذو التردد المنخفض حيث البساطة هي المفتاح.

7.3 التصميم البصري

توفر العدسة السوداء زاوية رؤية محددة. للحصول على أفضل أداء، يجب أن يأخذ تصميم النظام في الاعتبار المحاذاة بين مصدر الضوء تحت الأحمر (مثل LED) والصمام الثنائي الضوئي، بالإضافة إلى مصادر التداخل المحتملة للضوء المحيط (مثل ضوء الشمس، المصابيح المتوهجة) التي تقع ضمن نطاقه الطيفي. قد تكون هناك حاجة إلى مرشحات بصرية في بيئات الضوء المحيط العالي.

8. المقارنة التقنية والاختيار

ينتمي PD95-21B/TR10 إلى فئة الصمامات الثنائية الضوئية السيليكونية ذات العدسة السوداء. عند اختيار صمام ثنائي ضوئي، يجب على المهندسين مقارنة المعلمات الرئيسية مع متطلبات التطبيق: سرعة الاستجابة (المتعلقة بالسعة والانحياز)، والحساسية (I_L)، والتطابق الطيفي مع مصدر الضوء، وحجم العبوة، والمتانة البيئية. يجعل الجمع بين الحجم الصغير، والحساسية الجيدة، والاستجابة السريعة، والتوافق مع SMD هذا الجهاز مرشحًا قويًا لتطبيقات استشعار الأشعة تحت الحمراء الاستهلاكية والصناعية ذات الحجم الكبير والمقيدة بالمساحة حيث يتم تحقيق التوازن بين الموثوقية والتكلفة.

9. المبادئ التشغيلية

الصمام الثنائي الضوئي PIN هو جهاز أشباه موصلات ذو هيكل ثلاثي الطبقات: سيليكون من النوع P، وجوهري (غير مُشوب)، ومن النوع N. عندما تضرب الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة نطاق السيليكون المنطقة الجوهرية، فإنها تخلق أزواج إلكترون-فجوة. في ثنائي PIN ذو الانحياز العكسي، يقوم المجال الكهربائي في المنطقة الجوهرية الواسعة بجمع هذه الحاملات إلى أطرافها المقابلة، مما يولد تيارًا ضوئيًا يتناسب مع شدة الضوء الساقط. المنطقة الجوهرية الواسعة هي مفتاح أدائه: فهي تخلق منطقة استنزاف كبيرة لامتصاص الفوتونات (مما يزيد الحساسية) وتقلل من سعة التقاطع (مما يزيد السرعة).

10. إخلاء المسؤولية وملاحظات الاستخدام

تمثل المعلومات المقدمة في ورقة البيانات مواصفات الشركة المصنعة في وقت النشر. منحنيات الأداء النموذجية هي للاسترشاد ولا تمثل قيمًا دنيا أو قصوى مضمونة. تقع مسؤولية المصمم في تشغيل الجهاز ضمن حدوده القصوى المطلقة والتحقق من الأداء في التطبيق النهائي المحدد. بشكل عام، لا يُقصد استخدام هذا المنتج في أنظمة السلامة الحرجة، أو دعم الحياة، أو العسكرية، أو الأنظمة الأساسية للسيارات دون تأهيل وموافقة صريحة من الشركة المصنعة للمكون.