ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء IR17-21C/TR8 - عبوة 0805 - 1.2 فولت - 940 نانومتر - 130 ميلي واط - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء IR17-21C/TR8 هو صمام ثنائي عالي الأداء مصمم لتطبيقات تقنية التركيب السطحي الحديثة (SMT). مُحاط بعبوة مصغرة بحجم 0805، تم تصميم هذا المكون لتقديم انبعاث موثوق للأشعة تحت الحمراء متطابق بشكل خاص مع كواشف الضوء القائمة على السيليكون. وظيفته الأساسية هي العمل كمصدر فعال للأشعة تحت الحمراء في دوائر الاستشعار والتبديل المختلفة.

تكمن الميزة الأساسية لهذا المكون في شكله المصغر، الذي يسمح بتصاميم لوحات دوائر مطبوعة عالية الكثافة، ومطابقته الطيفية الممتازة للثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية القائمة على السيليكون، مما يضمن حساسية مثلى للنظام. تم تصنيع المكون بعدسة بلاستيكية شفافة، توفر مظهراً علوياً مسطحاً يساهم في زاوية الرؤية الواسعة البالغة 120 درجة. وهو متوافق مع معايير السلامة والبيئة الرئيسية، بما في ذلك RoHS، ولوائح الاتحاد الأوروبي REACH، ويتم تصنيعه كمكون خالٍ من الهالوجين.

2. المواصفات الفنية والتفسير الموضوعي

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للمكون. لا يتم ضمان التشغيل عند أو تحت هذه الحدود.

• التيار الأمامي المستمر (I_F): 65 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن أن يمر باستمرار عبر الصمام الثنائي.
• الجهد العكسي (V_R): 5 فولت. تطبيق جهد انحياز عكسي أعلى من هذا يمكن أن يعطل وصلة PN الخاصة بالصمام الثنائي.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين (T_opr, T_stg): من -40°C إلى +85°C. تم تصنيف المكون ليعمل ضمن نطاقات درجات الحرارة الصناعية.
• تبديد الطاقة (P_d): 130 ميلي واط عند 25°C. هذه هي أقصى قدرة يمكن للعبوة تبديدها على شكل حرارة. من الضروري تخفيض التصنيف عند درجات حرارة محيطة أعلى.
• درجة حرارة اللحام (T_sol): 260°C لمدة ≤5 ثوانٍ. هذا يحدد تحمل ذروة ملف تعريف إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات في حالة اختبار قياسية بدرجة حرارة محيطة 25°C وتيار أمامي 20 مللي أمبير، مما يمثل ظروف التشغيل النموذجية.

• الشدة الإشعاعية (I_e): 0.2 ميلي واط/ستراديان (الحد الأدنى)، 0.8 ميلي واط/ستراديان (النموذجي). يقيس هذا القدرة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة. تشير القيمة النموذجية إلى الناتج المتوقع.
• الطول الموجي الذروي (λ_p): 940 نانومتر (النموذجي). يتركز الضوء تحت الأحمر المنبعث عند هذا الطول الموجي، وهو مثالي للكواشف السيليكونية التي تتمتع بحساسية عالية في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ): 45 نانومتر (النموذجي). يحدد هذا نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، عادةً العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM).
• الجهد الأمامي (V_F): 1.2 فولت (النموذجي)، 1.5 فولت (الحد الأقصى) عند 20 مللي أمبير. الجهد الأمامي المنخفض يقلل من استهلاك الطاقة والحمل الحراري.
• التيار العكسي (I_R): 10 ميكرو أمبير (الحد الأقصى) عند 5 فولت. هذا هو تيار التسرب عندما يكون المكون تحت انحياز عكسي.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2): 120° (النموذجي). تُعرّف على أنها الزاوية الكاملة حيث تنخفض الشدة إلى نصف القيمة على المحور، مما يوفر نمط انبعاث واسع جداً.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة تعتبر حاسمة لمهندسي التصميم.

• التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة: يوضح هذا الرسم البياني كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي مع زيادة درجة الحرارة المحيطة، بسبب حد تبديد الطاقة للعبوة. إنه ضروري لإدارة الحرارة.
• التوزيع الطيفي: يوضح القدرة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي، مؤكداً الذروة عند 940 نانومتر وعرض النطاق الطيفي.
• التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى I-V): يوضح العلاقة الأسية النموذجية للصمام الثنائي. يساعد المنحنى في اختيار المقاوم المحدد للتيار المناسب لجهد إمداد معين.
• الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية: رسم قطبي يوضح نمط الانبعاث. يتم تأكيد زاوية الرؤية البالغة 120 درجة بصرياً هنا، مما يظهر توزيعاً لامبرتي أو شبه لامبرتي شائعاً في مصابيح LED ذات القمة المسطحة.

4. المعلومات الميكانيكية والتعبئة

4.1 أبعاد العبوة

يتوافق IR17-21C/TR8 مع البصمة القياسية 0805 (الإمبراطورية) أو 2012 (المترية). تشمل الأبعاد الرئيسية طول جسم يبلغ حوالي 2.0 ملم، وعرض 1.25 ملم، وارتفاع نموذجي من 0.8 إلى 1.0 ملم (القيمة الدقيقة من الرسم). يتم تحديد الأنود والكاثود بوضوح على العبوة. يتم توفير تخطيط الوسادة المقترح لتصميم PCB، مع توصيات للتعديل بناءً على عمليات التصنيع المحددة.

4.2 أبعاد الشريط الحامل

يتم توريد المكونات على بكرات شريطية قياسية 8 ملم للتجميع الآلي بالالتقاط والوضع. تحتوي كل بكرة على 3000 قطعة. يتم تحديد أبعاد الشريط، بما في ذلك حجم الجيب، والمسافة، وقطر البكرة، لضمان التوافق مع مغذيات معدات SMT.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 الحساسية للرطوبة والتخزين

المكون حساس للرطوبة (يتم تحديد مستوى MSL على الملصق). يجب تخزين الأكياس الحاجزة للرطوبة غير المفتوحة تحت 30°C و 90% رطوبة نسبية. بمجرد الفتح، يكون للمكونات عمر افتراضي أرضي يبلغ 168 ساعة (7 أيام) عند تخزينها عند رطوبة نسبية ≤60%. يتطلب تجاوز ذلك إجراء عملية تجفيف (على سبيل المثال، 96 ساعة عند 60°C) قبل إعادة التدفق لمنع تلف \"الانفجار\" أثناء اللحام.

5.2 ملف تعريف لحام إعادة التدفق

يوصى بملف تعريف درجة حرارة إعادة تدفق خالٍ من الرصاص. تشمل المعلمات الرئيسية مرحلة التسخين المسبق، ووقت محدد فوق السائل (على سبيل المثال، 217°C)، ودرجة حرارة ذروة لا تتجاوز 260°C، ووقت إجمالي ضمن المنطقة الحرجة لدرجة الحرارة. لا ينبغي إجراء إعادة التدفق أكثر من مرتين.

5.3 اللحام اليدوي وإعادة العمل

إذا كان اللحام اليدوي ضرورياً، فيجب استخدام مكواة لحام بدرجة حرارة طرف أقل من 350°C وتصنيف طاقة أقل من 25 واط. يجب تحديد وقت التلامس لكل طرف بـ 3 ثوانٍ، مع تبريد كافٍ بين الأطراف. لإعادة العمل، يوصى بمكواة لحام برأس مزدوج لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد وتجنب الإجهاد الميكانيكي على وصلات اللحام. يجب تقييم تأثير إعادة العمل على موثوقية المكون مسبقاً.

6. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• مستشعرات الأشعة تحت الحمراء المثبتة على PCB: تُستخدم كمصدر في مستشعرات القرب، وكشف الأجسام، والمفاتيح غير اللمسية.
• الحواجز الضوئية المصغرة / المقاطعات البصرية: مقترنة بكاشف ضوئي لاكتشاف الأجسام التي تعترض شعاع الضوء، تُستخدم في المشفرات، ومستشعرات الفتحة، وأنظمة الأمان.
• المفاتيح الكهروضوئية: في المستشعرات العاكسة حيث يرتد ضوء LED عن سطح ما ويعود إلى كاشف.
• كاشفات الدخان: تُستخدم في بعض تصاميم الحجرات البصرية لاكتشاف جزيئات الدخان التي تبعثر الضوء.

6.2 اعتبارات التصميم الحرجة

• تحديد التيار إلزامي: يجب دائماً استخدام مقاوم خارجي على التوالي لضبط التيار الأمامي. يعني الجهد الأمامي المنخفض لـ LED أن حتى الزيادات الصغيرة في جهد الإمداد يمكن أن تسبب زيادة كبيرة ومدمرة في التيار.
• الإدارة الحرارية: على الرغم من أن العبوة صغيرة، يجب مراعاة تبديد الطاقة، خاصة في بيئات درجة الحرارة المحيطة العالية أو عند التشغيل بالقرب من الحد الأقصى للتيار. يمكن أن تساعد مساحة النحاس الكافية في PCB على تبديد الحرارة.
• المحاذاة البصرية: زاوية الرؤية الواسعة البالغة 120 درجة مفيدة للتغطية الواسعة ولكنها تقلل الشدة عند أي نقطة محددة. للتطبيقات طويلة المدى أو المركزة، قد تكون هناك حاجة إلى عدسات خارجية.
• مناعة الضوضاء الكهربائية: في البيئات الكهربائية الصاخبة، فكر في تبطين أو تعديل تيار تشغيل LED للتمييز بين الإشارة وضوضاء الأشعة تحت الحمراء المحيطة (على سبيل المثال، من ضوء الشمس أو مصادر أخرى).

7. المقارنة الفنية والتمييز

مقارنة بمصابيح LED تحت الحمراء أخرى، فإن المميزات الرئيسية لـ IR17-21C/TR8 هي مزيج بصمة 0805 المدمجة جداً مع شدة إشعاعية عالية نسبياً (0.8 ميلي واط/ستراديان نموذجي) وزاوية رؤية واسعة 120 درجة. قد تقدم العديد من مصابيح LED تحت الحمراء المنافسة في عبوات مماثلة زوايا رؤية أضيق أو ناتج أقل. كما أن جهدها الأمامي المنخفض البالغ 1.2 فولت يمثل ميزة أيضاً للدوائر التي تعمل بالبطارية ذات الجهد المنخفض، مما يحسن الكفاءة. يجعل التوافق الصريح مع معايير الخلو من الهالوجين وREACHه مناسباً للتصاميم الواعية بيئياً ذات القيود الصارمة على المواد.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات الفنية)

8.1 ما قيمة المقاوم التي يجب أن أستخدمها لتشغيل هذا LED عند 20 مللي أمبير من مصدر 5 فولت؟

باستخدام قانون أوم: R = (V_supply- V_F) / I_F. مع V_supply=5V، V_F=1.2V (النموذجي)، و I_F=0.020A، R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 أوم. سينتج عن المقاوم القياسي 200 أوم تياراً يبلغ حوالي (5-1.2)/200 = 19 مللي أمبير، وهو مقبول. احسب دائماً باستخدام الحد الأقصى لـ V_F(1.5V) لضمان أن الحد الأدنى للتيار كافٍ لتطبيقك.

8.2 هل يمكنني تشغيل هذا LED بنبضات بتيارات أعلى من 65 مللي أمبير؟

الحد الأقصى المطلق للتيار الأمامي المستمر هو 65 مللي أمبير. قد يكون التشغيل بنبضات بتيارات ذروة أعلى ممكناً إذا كانت دورة العمل منخفضة بما يكفي للحفاظ على متوسط التيار ودرجة حرارة الوصلة الناتجة ضمن حدود آمنة. ومع ذلك، لا توفر ورقة البيانات تصنيفات التيار النبضي أو منحنيات تخفيض التصنيف. لا يوصى بالتشغيل فوق الحدود القصوى المطلقة بدون بيانات توصيف محددة من الشركة المصنعة، حيث يمكن أن يقلل الموثوقية والعمر الافتراضي.

8.3 كيف تؤثر درجة الحرارة المحيطة على الناتج؟

تنخفض الشدة الإشعاعية لمصابيح LED عادةً مع زيادة درجة حرارة الوصلة. يرتبط الرسم البياني \"التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة\" بهذا بشكل غير مباشر، حيث تجبر درجات الحرارة الأعلى على تقليل التيار المسموح به لتجنب ارتفاع درجة الحرارة. لاستقرار الناتج الدقيق عبر درجات الحرارة، قد تكون هناك حاجة لدائرة تغذية مرتدة باستخدام الكاشف الضوئي المقترن أو تعويض درجة الحرارة.

9. تصميم عملي وحالة استخدام

الحالة: تصميم مستشعر كشف الورق في طابعة

يحتاج مهندس إلى اكتشاف وجود ورق في صينية إدخال طابعة صغيرة. المساحة محدودة للغاية. يختارون IR17-21C/TR8 وترانزستور ضوئي مطابق في عبوة مماثلة. يتم وضع المكونات على جانبي قناة ضيقة يمر من خلالها الورق. يتم تشغيل LED عند 15 مللي أمبير (باستخدام مقاوم مناسب من مصدر منطق الطابعة 3.3 فولت) للحفاظ على الطاقة مع توفير إشارة كافية. تضمن زاوية الرؤية الواسعة البالغة 120 درجة لـ LED أن الشعاع يملأ القناة بشكل كافٍ حتى مع سوء المحاذاة الميكانيكية الطفيف. عندما يكون الورق موجوداً، فإنه يحجب ضوء الأشعة تحت الحمراء، مما يتسبب في تغيير في ناتج الترانزستور الضوئي، والذي تتم قراءته بواسطة متحكم دقيق. يسمح الارتفاع المنخفض لعبوة 0805 بدمج المستشعر في الآلية النحيلة. يتبع المصمم إرشادات ملف تعريف إعادة التدفق ويتأكد من أن تخطيط PCB يتضمن وسائد تخفيف حرارية للحام.

10. مقدمة عن مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) هو صمام ثنائي شبه موصل. عندما يتم تطبيق جهد أمامي عبر أطرافه (الأنود موجب بالنسبة للكاثود)، يتم حقن الإلكترونات عبر وصلة PN. عندما تتحد هذه الإلكترونات مع الفجوات في المنطقة النشطة من مادة أشباه الموصلات (زرنيخيد الغاليوم ألومنيوم - GaAlAs في هذه الحالة)، يتم إطلاق الطاقة في شكل فوتونات (جزيئات ضوء). يحدد التركيب المحدد لمادة GaAlAs الطول الموجي للفوتونات المنبعثة، والذي يكون في طيف الأشعة تحت الحمراء (940 نانومتر) لهذا الجهاز. هذا الطول الموجي غير مرئي للعين البشرية ولكن يمكن اكتشافه بكفاءة بواسطة الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية القائمة على السيليكون، والتي تولد تياراً عند اصطدامها بفوتونات ذات طاقة كافية.

11. اتجاهات الصناعة والتطورات

يستمر الاتجاه في الإلكترونيات الضوئية، بما في ذلك مكونات الأشعة تحت الحمراء، نحو التصغير، وكفاءة أعلى، والتكامل. أصبحت العبوات الأصغر من 0805 (على سبيل المثال، 0603، 0402) أكثر شيوعاً للتطبيقات المقيدة بالمساحة. هناك أيضاً دافع لزيادة الشدة الإشعاعية وناتج الطاقة من عبوات أصغر من خلال تحسين تصميم الرقاقة ومواد التعبئة. التكامل هو اتجاه رئيسي آخر، مع أزواج مصدر-كاشف مجمعة في عبوات واحدة (مقارنات ضوئية، مستشعرات عاكسة) مما يبسط التجميع ويحسن المحاذاة. علاوة على ذلك، فإن الطلب على المكونات المتوافقة مع اللوائح البيئية الصارمة (RoHS، REACH، الخلو من الهالوجين) أصبح الآن متطلباً قياسياً عبر الصناعة، مما يدفع الابتكارات في علم المواد في اللحام الخالي من الرصاص ومركبات التغليف.