مستند تقني: ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر SMD 0603 - طول موجي ذروة 870 نانومتر - 65 مللي أمبير - 110 ميلي واط

1. نظرة عامة على المنتج

يُفصّل هذا المستند مواصفات ثنائي باعث عالي الأداء ومصغر للضوء تحت الأحمر (IR) للتركيب السطحي. الجهاز مُغلف في عبوة مدمجة 0603، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات ذات المساحة المحدودة التي تتطلب انبعاثًا موثوقًا للأشعة تحت الحمراء. وظيفته الأساسية هي إصدار الضوء في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، بطول موجي ذروة نموذجي يبلغ 870 نانومتر (nm)، وهو متطابق بشكل مثالي مع الحساسية الطيفية للثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون. المادة الأساسية هي ألجنيوم جاليوم زرنيخيد (AlGaAs)، المعروفة بكفاءتها في توليد الضوء تحت الأحمر.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

يقدم الجهاز عدة مزايا رئيسية للتصميم الإلكتروني الحديث. تتيح عبوته السطحية المزدوجة الطرفية والمصغرة تركيبًا عالي الكثافة على لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) وهي متوافقة مع عمليات التجميع الآلي (pick-and-place). تم تصميمه ليكون متوافقًا مع كل من لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء والطور البخاري، مما يسهل سير عمل التصنيع الحديث. المنتج متوافق مع معايير السلامة والبيئة الرئيسية، بما في ذلك RoHS (تقييد المواد الخطرة)، ولوائح REACH للاتحاد الأوروبي، وهو خالٍ من الهالوجين (Br <900 جزء في المليون، Cl <900 جزء في المليون، Br+Cl < 1500 جزء في المليون). هذا المزيج من الحجم الصغير والأداء والامتثال يجعله مثاليًا للإلكترونيات الاستهلاكية، ومستشعرات الصناعة، وأجهزة الاتصالات.

التطبيقات الأساسية تشمل:

• مستشعرات القرب والوجود بالأشعة تحت الحمراء المثبتة على لوحات الدوائر المطبوعة.
• وحدات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء التي تتطلب شدة إشعاعية أعلى.
• قارئات الباركود والمشفرات البصرية.
• أنظمة نقل البيانات والاستشعار المختلفة القائمة على الأشعة تحت الحمراء.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يعد الفهم الشامل للمعايير الكهربائية والبصرية أمرًا بالغ الأهمية لتصميم دائرة موثوقة وضمان عمل الثنائي ضمن نطاق تشغيله الآمن (SOA).

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• التيار الأمامي المستمر (I_F):65 مللي أمبير. تجاوز هذا التيار، حتى للحظة، يمكن أن يتسبب في فشل كارثي بسبب ارتفاع درجة حرارة الوصلة شبه الموصلة.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. يتمتع الثنائي بجهد انهيار عكسي منخفض. يجب أن تضمن تصميمات الدوائر عدم تعرض الثنائي لجهد عكسي يتجاوز هذه القيمة، وغالبًا ما تتطلب حماية في بيئات الإشارات المترددة أو ثنائية الاتجاه.
• تبديد الطاقة (P_c):110 ميلي واط عند 25°C. هذه هي أقصى طاقة يمكن للعبوة تبديدها كحرارة. تقل الطاقة المسموح بها فعليًا مع زيادة درجة الحرارة المحيطة (T_a). تخفيض التصنيف ضروري للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
• نطاقات درجة الحرارة:التشغيل: من -25°C إلى +85°C؛ التخزين: من -40°C إلى +100°C.
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°C كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ. هذا يحدد قيود ملف تعريف لحام إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهروضوئية (T_a=25°C)

هذه هي معايير الأداء النموذجية تحت ظروف الاختبار المحددة. يجب على المصممين استخدام القيم النموذجية أو القصوى/الدنيا حسب ما يناسب هوامش تصميمهم.

• الشدة الإشعاعية (I_E):1.3 ميلي واط/ستراديان (نموذجي) عند I_F=20 مللي أمبير. تقيس الشدة الإشعاعية الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة (ستراديان). إنها معلمة رئيسية لتحديد قوة الإشارة عند المستقبل. الحد الأدنى المحدد هو 1.0 ميلي واط/ستراديان.
• طول موجة الذروة (λ_p):870 نانومتر (نموذجي)، يتراوح من 860 نانومتر إلى 900 نانومتر. هذا هو الطول الموجي الذي يكون فيه طيف الانبعاث أقوى. مطابقته لذروة حساسية المستقبل (مثل كاشف ضوئي من السيليكون عند ~850-950 نانومتر) تعظم كفاءة النظام.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):45 نانومتر (نموذجي). هذا هو العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) لطيف الانبعاث، مما يشير إلى نطاق الأطوال الموجية المنبعثة.
• الجهد الأمامي (V_F):1.35 فولت (نموذجي) عند I_F=20 مللي أمبير، يتراوح من 1.20 فولت إلى 1.70 فولت. هذه المعلمة أساسية لحساب قيمة مقاومة تحديد التيار: R = (V_supply- V_F) / I_F. يجب مراعاة التباين في التصميمات القوية.
• التيار العكسي (I_R):10 ميكرو أمبير (أقصى) عند V_R=5 فولت.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):140 درجة. هذه هي الزاوية الكاملة حيث تنخفض الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى (على المحور). زاوية الرؤية الواسعة مفيدة للتطبيقات التي تتطلب تغطية واسعة، مثل مستشعرات القرب.

3. تحليل منحنيات الأداء

تقدم منحنيات الخصائص المقدمة رؤى قيمة حول سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم التطبيق في العالم الحقيقي.

3.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح هذا المنحنى العلاقة بين أقصى تيار أمامي مستمر مسموح به ودرجة الحرارة المحيطة. يوضح ضرورة تخفيض تصنيف التيار الأمامي مع زيادة درجة الحرارة للبقاء ضمن حد تبديد الطاقة. عند درجات الحرارة التي تقترب من الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل (+85°C)، يكون التيار المستمر المسموح به أقل بكثير من التصنيف الأقصى المطلق البالغ 65 مللي أمبير عند 25°C.

3.2 التوزيع الطيفي

يظهر رسم التوزيع الطيفي ناتج الطاقة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد طول موجة الذروة (λ_p) البالغ 870 نانومتر وعرض النطاق الطيفي النموذجي (Δλ) البالغ حوالي 45 نانومتر. شكل هذا المنحنى مهم للتصفية ولضمان التوافق مع الاستجابة الطيفية للمستقبل.

3.3 طول موجة الإشعاع الذروة مقابل درجة الحرارة المحيطة

يظهر هذا المنحنى أن طول موجة الذروة له معامل درجة حرارة موجب، مما يعني أنه يزداد قليلاً مع زيادة درجة حرارة الوصلة. هذا الانزياح (عادة حوالي 0.1-0.3 نانومتر/°C لأجهزة AlGaAs) مهم لتطبيقات الاستشعار الدقيقة حيث تكون استقرارية الطول الموجي حرجة.

3.4 الجهد الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

الجهد الأمامي (V_F) له معامل درجة حرارة سالب؛ فهو ينخفض مع زيادة درجة الحرارة. يجب مراعاة هذه الخاصية في دوائر القيادة بالتيار الثابت، حيث أن انخفاض V_Fعند درجة الحرارة العالية يمكن أن يؤثر قليلاً على حساب تبديد الطاقة إذا تم استخدام مقاومة تسلسلية بسيطة.

3.5 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يحدد الرسم القطبي هذا زاوية الرؤية (140° عند نقاط نصف الشدة) بصريًا. نمط الإشعاع نموذجيًا لامبرتي أو قريب من لامبرتي لهذا النمط من العبوات، وهو مفيد لنمذجة الإشعاع على سطح مستهدف بزوايا ومسافات مختلفة.

4. المعلومات الميكانيكية والتعبئة

4.1 أبعاد العبوة (0603)

يتوافق الجهاز مع البصمة القياسية 0603 (1608 متري): حوالي 1.6 مم في الطول، و0.8 مم في العرض، و0.8 مم في الارتفاع. تحدد الرسومات الأبعاد التفصيلية تخطيط الوسادة، ومخطط المكون، ومواضع الأطراف بتحمل قياسي يبلغ ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. تصميم نمط اللحام الصحيح ضروري للحام موثوق واستقرار ميكانيكي.

4.2 تحديد القطبية

يتضمن ورقة البيانات رسمًا بيانيًا يشير إلى أطراف الأنود والكاثود. القطبية الصحيحة إلزامية لتشغيل الجهاز. عادةً، قد يُحدد الكاثود بشق، أو مؤشر أخضر، أو شكل وسادة محدد على شريط التعبئة والبكرة.

4.3 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد المنتج في شريط ناقل بارز بعرض 8 مم على بكرات قطرها 7 بوصات. يتم تحديد أبعاد الشريط الناقل لضمان التوافق مع معدات تجميع SMD القياسية. تحتوي كل بكرة على 4000 قطعة.

5. إرشادات اللحام والتركيب

التعامل السليم أمر بالغ الأهمية للحفاظ على موثوقية الجهاز وأدائه.

5.1 الحساسية للرطوبة والتخزين

الجهاز حساس للرطوبة (MSL). تشمل الاحتياطات:

• لا تفتح كيس الحاجز المضاد للرطوبة إلا عند الاستعداد للاستخدام.
• قم بتخزين الأكياس غير المفتوحة عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية.
• استخدم خلال عام واحد من الشحن.
• بعد الفتح، قم بالتخزين عند ≤30°C و ≤60% رطوبة نسبية.
• استخدم خلال 168 ساعة (7 أيام) بعد فتح الكيس.
• إذا تم تجاوز وقت التخزين أو أشار المجفف إلى دخول الرطوبة، قم بالتحميص عند 60 ±5°C لمدة لا تقل عن 24 ساعة قبل الاستخدام.

5.2 ملف تعريف لحام إعادة التدفق

يوصى بملف تعريف لحام إعادة تدفق خالٍ من الرصاص. تشمل المعلمات الرئيسية درجة حرارة ذروة تبلغ 260°C، مع عدم تجاوز الوقت فوق 240°C للحد الموصى به (المستنتج من الحد الأقصى 5 ثوانٍ عند 260°C). لا ينبغي إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين لتجنب الإجهاد الحراري المفرط على عبوة الإيبوكسي وروابط الأسلاك.

5.3 اللحام اليدوي والإصلاح

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، استخدم مكواة لحام بدرجة حرارة طرف أقل من 350°C وقم بتسخين كل طرف لمدة لا تزيد عن 3 ثوانٍ. استخدم مكواة منخفضة الطاقة (≤25 واط). اسمح بفترة تبريد تزيد عن ثانيتين بين لحام كل طرف. للإصلاح، يوصى باستخدام مكواة لحام برأس مزدوج لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد وتجنب الإجهاد الميكانيكي. يجب التحقق مسبقًا من جدوى تأثير الإصلاح على خصائص الجهاز.

6. اعتبارات تصميم التطبيق

6.1 تحديد التيار إلزامي

الثنائي الباعث للضوء هو جهاز يعمل بالتيار.مقاومة تسلسلية لتحديد التيار مطلوبة تمامًا.الجهد الأمامي (V_F) له نطاق ضيق، وزيادة صغيرة في الجهد المطبق تتجاوز V_Fتسبب زيادة كبيرة، وربما مدمرة، في التيار الأمامي (I_F). يتم حساب قيمة المقاومة بناءً على جهد التغذية (V_supply)، والتيار الأمامي المطلوب (I_F)، والجهد الأمامي (V_F)، باستخدام أسوأ حالة لـ V_F(الحد الأدنى) لضمان عدم تجاوز التيار للحد الأقصى للتصميم.

6.2 إدارة الحرارة

على الرغم من أن العبوة صغيرة، فإن تبديد الطاقة (حتى 110 ميلي واط) يولد حرارة. للتشغيل المستمر عند تيارات عالية أو في درجات حرارة محيطة مرتفعة، ضع في اعتبارك المقاومة الحرارية لـ PCB. توفير مساحة نحاسية كافية (وسائد تخفيف حرارية) حول وسائد اللحام يساعد على تبديد الحرارة والحفاظ على درجة حرارة وصلة أقل، مما يحسن الموثوقية طويلة المدى ويمنع تدهور الناتج الضوئي.

6.3 التصميم البصري

توفر زاوية الرؤية البالغة 140 درجة انبعاثًا واسعًا. للتطبيقات التي تتطلب حزمة ضوئية أكثر تركيزًا، يمكن استخدام عدسات أو عواكس خارجية. على العكس من ذلك، للتغطية ذات المنطقة الواسعة جدًا، قد تكون الزاوية الأصلية كافية. العدسة الشفافة مناسبة للتطبيقات حيث لا تكون نقطة الانبعاث الدقيقة حرجة؛ إذا كانت هناك حاجة إلى لون محدد أو تشتيت لمحاذاة التجميع، فيجب مراعاة ذلك لأن العدسة لا توفرها.

6.4 حماية الدائرة

في البيئات التي تكون فيها تقلبات الجهد العكسي ممكنة (مثل الأحمال الحثية، التوصيل الساخن)، فكر في إضافة ثنائي حماية بالتوازي مع الثنائي الباعث للضوء (الكاثود إلى الأنود) لتثبيت أي جهد عكسي أقل من الحد الأقصى للتصنيف البالغ 5 فولت.

7. التوجيه للمقارنة والاختيار

هذا الجهاز جزء من عائلة ثنائيات الأشعة تحت الحمراء الباعثة للضوء. معيار الاختيار الرئيسي من الدليل المقدم هو مادة الشريحة (AlGaAs) ولون العدسة (شفاف). عند اختيار ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر، يجب على المهندسين مقارنة المعايير الرئيسية:

• الطول الموجي (λ_p):مطابقة لذروة حساسية المستقبل (ثنائي ضوئي، ترانزستور ضوئي، أو دائرة متكاملة). 870 نانومتر هو معيار شائع.
• الشدة الإشعاعية (I_E):توفر الشدة الأعلى إشارة أقوى، مما يسمح بمدى أطول أو تيار قيادة أقل.
• زاوية الرؤية:توفر الزاوية الضيقة مدى أطول وضوءًا أكثر تركيزًا؛ توفر الزاوية الواسعة تغطية أوسع.
• حجم العبوة:تقدم عبوة 0603 بصمة صغيرة جدًا للتصميمات المصغرة.
• الجهد الأمامي:يمكن أن يكون انخفاض V_Fمفيدًا في الدوائر التي تعمل بالبطارية ذات الجهد المنخفض.

المميز الأساسي لهذا الجزء المحدد هو مزيجه من بصمة 0603 القياسية مع شدة إشعاعية عالية نسبيًا وزاوية رؤية واسعة، مما يجعله مناسبًا للاستشعار والاتصالات العامة بالأشعة تحت الحمراء.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

8.1 ما هو الغرض من الطول الموجي 870 نانومتر؟

870 نانومتر في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، غير مرئي للعين البشرية. يتم اكتشافه بكفاءة بواسطة الكواشف الضوئية الشائعة والرخيصة المصنوعة من السيليكون، والتي تبلغ ذروة حساسيتها حوالي 800-950 نانومتر. هذا يجعله مثاليًا لتطبيقات الاستشعار، والتحكم عن بعد، والعزل البصري.

8.2 هل يمكنني تشغيل هذا الثنائي مباشرة من دبوس متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت أو 5 فولت؟

No.يجب عليك استخدام مقاومة لتحديد التيار. على سبيل المثال، للتشغيل عند I_F=20 مللي أمبير من مصدر طاقة 3.3 فولت، بافتراض V_Fنموذجي 1.35 فولت: R = (3.3V - 1.35V) / 0.020A = 97.5Ω. استخدم مقاومة قياسية 100Ω. تحقق دائمًا من عدم تجاوز التيار للحد الأقصى في أسوأ حالة لـ V_F conditions.

8.3 كيف تؤثر درجة الحرارة على الأداء؟

مع زيادة درجة الحرارة: ينخفض الناتج الإشعاعي عادةً، وينخفض الجهد الأمامي، ويزداد طول موجة الذروة قليلاً. للتشغيل المستقر، صمم دائرة قيادة تأخذ في الاعتبار هذه الاختلافات، خاصة إذا كان التشغيل على النطاق الكامل من -25°C إلى +85°C.

8.4 هل يلزم وجود مُشتت حراري؟

للتشغيل المستمر عند أقصى تيار مطلق (65 مللي أمبير) في درجة حرارة الغرفة، يكون تبديد الطاقة P = V_F* I_F≈ 1.35V * 0.065A ≈ 88 ميلي واط، وهو أقل من التصنيف البالغ 110 ميلي واط. ومع ذلك، في درجات الحرارة المحيطة العالية، يكون تخفيض التصنيف ضروريًا. عادةً ما يكفي تصميم حراري جيد لـ PCB (وسائد نحاسية)؛ لا يُستخدم مُشتت حراري منفصل عادةً لعبوات 0603.

9. مثال تطبيقي عملي: مستشعر قرب بالأشعة تحت الحمراء بسيط

حالة استخدام شائعة هي مستشعر جسم عاكس. يتم وضع الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر بجوار ترانزستور ضوئي. يرسل المتحكم الدقيق نبضات إلى الثنائي (على سبيل المثال، عند 20 مللي أمبير). ينعكس الضوء عن جسم قريب ويتم اكتشافه بواسطة الترانزستور الضوئي، الذي يتم قراءة ناتجه بواسطة المتحكم الدقيق. خطوات التصميم:

1. قيادة الثنائي الباعث للضوء:استخدم دبوس GPIO وترانزستور NPN (أو MOSFET) مع مقاومة تسلسلية لإرسال نبضات إلى الثنائي عند التيار المطلوب. يسمح النبض بتيار لحظي أعلى (لإشارة أقوى) مع الحفاظ على متوسط الطاقة منخفضًا.
2. دائرة المستقبل:يتم توصيل الترانزستور الضوئي في تكوين باعث مشترك مع مقاومة سحب لأعلى لإنشاء ناتج جهد. تحدد قيمة مقاومة المجمع الحساسية وسرعة الاستجابة.
3. اعتبارات بصرية:يساعد حاجز صغير بين الثنائي الباعث للضوء والترانزستور الضوئي على PCB في تقليل التداخل المباشر. تساعد زاوية الرؤية الواسعة البالغة 140 درجة للثنائي الباعث للضوء في إضاءة منطقة واسعة أمام المستشعر.
4. معالجة الإشارة:يمكن للمتحكم الدقيق استخدام الكشف المتزامن (قراءة المستقبل فقط أثناء نبضة الثنائي الباعث للضوء) لرفض تداخل الضوء المحيط.

10. مبدأ التشغيل والاتجاهات التكنولوجية

10.1 مبدأ التشغيل الأساسي

الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر هو ثنائي شبه موصل ذو وصلة p-n. عند انحيازه أماميًا، تتحد الإلكترونات من المنطقة n مع الفجوات من المنطقة p في المنطقة النشطة (المصنوعة من AlGaAs). تطلق عملية إعادة التركيب هذه الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). تحدد طاقة فجوة النطاق المحددة لمادة AlGaAs طول موجة الفوتونات المنبعثة، والتي في هذه الحالة تكون في نطاق الأشعة تحت الحمراء 870 نانومتر. تغلف عبوة الإيبوكسي الشفافة الشريحة، وتوفر حماية ميكانيكية، وتعمل كعدسة تشكل نمط الانبعاث.

10.2 اتجاهات الصناعة

يستمر الاتجاه في ثنائيات الأشعة تحت الحمراء الباعثة للضوء SMD نحو كفاءة أعلى (مزيد من الناتج الإشعاعي لكل وحدة مدخلات كهربائية)، وأحجام عبوات أصغر لمرونة تصميم أكبر، وزيادة التكامل. وهذا يشمل أجهزة ذات برامج تشغيل مدمجة، وناتج معدل لتحسين مناعة الضوضاء، وعبوات متعددة الشرائح تجمع بين أطوال موجية مختلفة أو تجمع باعثًا وكاشفًا في عبوة واحدة. هناك أيضًا تركيز قوي على تحسين أداء وموثوقية درجة الحرارة العالية للتطبيقات الصناعية والسيارات. يمثل الجهاز الموصوف هنا حلاً ناضجًا وموثوقًا ومعتمدًا على نطاق واسع في هذا المشهد المتطور.