ورقة بيانات باعث الأشعة تحت الحمراء HSDL-4261 - الطول الموجي 870 نانومتر - جهد أمامي 1.4 فولت - تبديد طاقة 190 ميلي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد HSDL-4261 مكونًا منفصلاً لباعث الأشعة تحت الحمراء، مُصممًا للتطبيقات التي تتطلب نقل بيانات بصريًا عالي السرعة. يستخدم تقنية LED من AlGaAs (أرسينيد الغاليوم الألومنيوم) لإنتاج ضوء الأشعة تحت الحمراء عند طول موجي ذروة يبلغ 870 نانومتر. يتميز هذا الجهاز بقدراته السريعة في التبديل، مما يجعله مناسبًا لواجهات الاتصال الرقمية.

1.1 المزايا الأساسية

• التشغيل عالي السرعة:يتميز بزمن صعود وهبوط بصري نموذجي يبلغ 15 نانوثانية، مما يتيح نقل البيانات في تطبيقات النطاق الترددي العالي.
• القدرة البصرية العالية:يوفر شدة إشعاعية عالية، مما يوفر إشارة قوية لاتصال بالأشعة تحت الحمراء موثوق.
• متوافق مع RoHS:يُصنع كمنتج خالٍ من الرصاص، متوافق مع اللوائح البيئية.
• غلاف شفاف:موجود داخل غلاف شفاف اللون لا يقوم بتصفية ضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث.

1.2 التطبيقات المستهدفة

• معدات الأشعة تحت الحمراء الصناعية
• الأجهزة المحمولة بالأشعة تحت الحمراء
• الإلكترونيات الاستهلاكية (مثل: الفأرة البصرية)
• اتصالات الأشعة تحت الحمراء عالية السرعة (مثل: شبكات IR المحلية، المودمات، محولات اليو إس بي)

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

All specifications are defined at an ambient temperature (TA) of 25°C unless otherwise stated.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• التيار الأمامي المستمر (IFDC):100 مللي أمبير كحد أقصى.
• تيار الذروة الأمامي (IFPK):500 مللي أمبير كحد أقصى، تحت ظروف النبض (عامل الدورة = 20%، عرض النبضة = 100 ميكروثانية).
• تبديد الطاقة (PDISS):190 ميلي واط كحد أقصى. يجب تخفيض التصنيف مع زيادة درجة الحرارة المحيطة كما هو موضح في منحنيات الخصائص.
• الجهد العكسي (VR):5 فولت كحد أقصى.
• نطاق درجة حرارة التخزين (TS):من -40°C إلى +100°C.
• نطاق درجة حرارة التشغيل (TO):من -40°C إلى +85°C.
• درجة حرارة التقاطع (TJ):110°C كحد أقصى.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مع ألا تكون رأس المكواة أقرب من 1.6 مم من جسم الغلاف.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

هذه هي معايير الأداء النموذجية تحت ظروف الاختبار المحددة.

• القدرة البصرية الإشعاعية (Po):عادةً 9 ميلي واط عند IF=20mA و 45 ميلي واط عند IF=100mA.
• الشدة الإشعاعية على المحور (IE):عادةً 36 ميلي واط/ستراديان عند IF=20mA و 180 ميلي واط/ستراديان عند IF=100mA.
• طول موجة الانبعاث الذروي (λPeak):870 نانومتر نموذجي (النطاق: من 850 نانومتر إلى 890 نانومتر) عند IF=20mA.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):حوالي 47 نانومتر عند IF=20mA.
• الجهد الأمامي (Vf):عادةً 1.4 فولت عند IF=20mA و 1.7 فولت عند IF=100mA.
• معامل درجة حرارة الجهد الأمامي (△V/△T):حوالي -1.5 ملي فولت/°C عند IF=20mA.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):26 درجة نموذجية، تحدد الانتشار الزاوي للإشعاع المنبعث.
• معامل درجة حرارة الشدة (△IE/△T):حوالي -0.22 %/°C عند IF=100mA، مما يشير إلى انخفاض في المخرجات مع ارتفاع درجة الحرارة.
• معامل درجة حرارة الطول الموجي (△λ/△T):حوالي +0.18 نانومتر/°C عند IF=20mA.
• زمن الصعود/الهبوط البصري (Tr/Tf):15 نانوثانية نموذجية، مقاسة من 10% إلى 90% من المخرج البصري.
• المقاومة التسلسلية (RS):عادةً 4.1 أوم عند IF=100mA.
• سعة الصمام الثنائي (CO):عادةً 80 بيكو فاراد عند انحياز 0 فولت و 1 ميجا هرتز.
• المقاومة الحرارية (RθJA):عادةً 280 °C/واط من التقاطع إلى المحيط عبر الأطراف.

3. تحليل منحنى الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح العلاقات الرئيسية.

3.1 التيار الأمامي مقابل الشدة الإشعاعية النسبية

يُظهر هذا المنحنى أن شدة المخرج البصري تزداد بشكل فائق الخطية مع التيار الأمامي، خاصةً عند التيارات الأعلى. يسلط الضوء على أهمية دفع التيار لتحقيق السطوع المطلوب.

3.2 الجهد الأمامي مقابل التيار الأمامي

يُظهر منحنى خاصية IV العلاقة الأسية النموذجية للصمام الثنائي. يزداد الجهد الأمامي مع التيار ويعتمد أيضًا على درجة الحرارة.

3.3 الجهد الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يُظهر هذا الرسم البياني معامل درجة الحرارة السالب للجهد الأمامي. عند تيار ثابت، يقل Vf مع زيادة درجة الحرارة، وهو اعتبار حاسم لدوائر القيادة بجهد ثابت.

3.4 تخفيض تصنيف التيار الأمامي المستمر مقابل درجة الحرارة المحيطة

هذا رسم بياني حاسم للموثوقية. يحدد أقصى تيار أمامي مستمر مسموح به كدالة لدرجة الحرارة المحيطة. مع ارتفاع درجة الحرارة، يجب تقليل الحد الأقصى للتيار المسموح به لمنع درجة حرارة التقاطع من تجاوز حدها البالغ 110°C. على سبيل المثال، عند 85°C، يكون الحد الأقصى للتيار المستمر أقل بكثير منه عند 25°C.

3.5 نمط الإشعاع

يوضح الرسم البياني القطبي التوزيع المكاني لضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث. يتمتع HSDL-4261 بزاوية رؤية نموذجية تبلغ 26 درجة (العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى)، مما ينتج عنه حزمة مركزة بشكل معتدل مناسبة لروابط الاتصال الموجهة.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 الأبعاد الخارجية

الجهاز عبارة عن غلاف LED قياسي مثقوب. تشمل الأبعاد الرئيسية تباعد الأطراف، وقطر الجسم، والارتفاع الكلي. تم تصميم الأطراف لتُشكل عند نقطة لا تقل عن 3 مم من قاعدة العدسة. يتم تحديد حد أدنى من بروز الراتنج تحت الحافة. جميع تفاوتات الأبعاد هي عادةً ±0.25 مم ما لم يُلاحظ خلاف ذلك.

4.2 تحديد القطبية

يستخدم المكون علامة قطبية LED قياسية. عادةً ما تشير الطرف الأطول إلى الأنود (الاتصال الموجب)، بينما الطرف الأقصر هو الكاثود (الاتصال السالب). يجب التحقق من ذلك أثناء التجميع لضمان التشغيل الصحيح.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 ظروف التخزين

للتخزين طويل الأمد، يجب ألا تتجاوز البيئة المحيطة 30°C أو 70% رطوبة نسبية. إذا تم إخراج المكونات من كيس الحاجز الرطوبي الأصلي، فيجب استخدامها خلال ثلاثة أشهر. للتخزين الممتد خارج التغليف الأصلي، استخدم حاوية محكمة الإغلاق مع مجفف أو مجفف مملوء بالنيتروجين.

5.2 التنظيف

إذا كان التنظيف ضروريًا، استخدم فقط المذيبات القائمة على الكحول مثل كحول الأيزوبروبيل. يجب تجنب المواد الكيميائية القاسية.

5.3 تشكيل الأطراف

يجب إجراء الانحناء في درجة حرارة الغرفة وقبل اللحام. يجب إجراء الانحناء على الأقل 3 مم من قاعدة عدسة LED. لا يجب استخدام جسم الغلاف كنقطة ارتكاز أثناء الانحناء لتجنب إتلاف رابطة القالب الداخلي أو أسلاك الربط.

5.4 معايير اللحام

اللحام اليدوي (المكواة):أقصى درجة حرارة 260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ لكل طرف. يجب ألا تكون رأس المكواة أقرب من 1.6 مم من قاعدة عدسة الإيبوكسي.

اللحام بالموجة:تسخين مسبق إلى أقصى حد 100°C لمدة تصل إلى 60 ثانية. يجب أن تكون درجة حرارة موجة اللحام بحد أقصى 260°C مع وقت تلامس 5 ثوانٍ. يجب غمر الجهاز ليس أقل من 2 مم من قاعدة لمبة الإيبوكسي.

مهم:يجب تجنب غمر العدسة في اللحام. لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء غير مناسب لهذا النوع من الغلاف المثقوب. يمكن أن تسبب درجة الحرارة أو الوقت المفرط تشوه العدسة أو فشل كارثي.

6. اعتبارات تصميم التطبيق

6.1 تصميم دائرة القيادة

أجهزة LED تعمل بالتيار. لضمان سطوع موحد عند تشغيل عدة أجهزة LED على التوازي، يوصى بشدة باستخدام مقاومة محددة للتيار على التوالي مع كل LED. لا يُنصح بتوصيل أجهزة LED مباشرة على التوازي بدون مقاومات فردية بسبب الاختلافات في خصائص جهدها الأمامي (Vf)، مما قد يؤدي إلى اختلال كبير في التيار وعدم انتظام السطوع.

6.2 إدارة الحرارة

نظرًا للمقاومة الحرارية (RθJA) البالغة 280°C/واط، يجب إدارة تبديد الطاقة بعناية. التشغيل بأقصى تيار مستمر (100mA) مع Vf نموذجي يبلغ 1.7V ينتج عنه تبديد طاقة بقدر 170mW. سيؤدي هذا إلى ارتفاع درجة حرارة التقاطع بحوالي 47.6°C فوق المحيط (170mW * 280°C/W). عند درجة حرارة محيطة تبلغ 85°C، سيصل التقاطع إلى 132.6°C، متجاوزًا الحد الأقصى للتصنيف البالغ 110°C. لذلك، يجب اتباع منحنى تخفيض التصنيف في الشكل 6 بدقة.

6.3 الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)

هذا المكون عرضة للتلف من التفريغ الكهروستاتيكي. تشمل احتياطات التعامل الموصى بها:

- استخدام سوار معصم مؤرض أو قفازات مضادة للكهرباء الساكنة.

- التأكد من أن جميع المعدات ومحطات العمل وأرفف التخزين مؤرضة بشكل صحيح.

- استخدام مؤين لتحييد الشحنة الساكنة التي قد تتراكم على العدسة البلاستيكية أثناء التعامل.

6.4 التصميم البصري

يجب مطابقة زاوية الرؤية البالغة 26 درجة والطول الموجي 870 نانومتر مع كاشف ضوئي مناسب (مثل: الصمام الثنائي الضوئي PIN باستجابة طيفية مطابقة). للحصول على نطاق وسلامة إشارة مثاليين، فكر في استخدام عدسات أو فتحات لتجميع أو تركيز الحزمة، خاصة في روابط الاتصال الموجهة. يسمح الغلاف الشفاف باستخدام عناصر بصرية خارجية بدون تصفية جوهرية.

7. المقارنة والتمييز التقني

يضع HSDL-4261 نفسه في سوق باعثات الأشعة تحت الحمراء من خلال مجموعات محددة من المعلمات:

السرعة مقابل الطاقة:يقدم توازنًا بين التبديل عالي السرعة (15ns) وإخراج طاقة بصرية مرتفعة نسبيًا (45mW نموذجي عند 100mA). قد تكون بعض البواعث أسرع مع طاقة أقل، أو طاقة أعلى مع استجابة أبطأ.

الطول الموجي:طول موجة الذروة البالغ 870 نانومتر هو معيار شائع للعديد من روابط بيانات الأشعة تحت الحمراء وأنظمة التحكم عن بعد، مما يوفر توازنًا جيدًا بين حساسية الكاشف الضوئي السيليكوني وضوضاء الضوء المحيط الأقل مقارنة بالأطوال الموجية المرئية أو شبه المرئية.

الغلاف:يجعل الغلاف المثقوب القياسي مناسبًا لكل من النماذج الأولية والتطبيقات التي يستخدم فيها اللحام بالموجة، مما يميزه عن البدائل ذات التركيب السطحي التي تتطلب عمليات إعادة تدفق.

8. الأسئلة الشائعة (FAQs)

8.1 هل يمكنني تشغيل هذا LED بمصدر جهد ثابت؟

غير موصى به. تعني الخاصية الأسية I-V لـ LED أن تغييرًا صغيرًا في الجهد يسبب تغييرًا كبيرًا في التيار، مما يمكن أن يتجاوز بسهولة الحد الأقصى للتصنيف إذا تم تشغيله مباشرة من مصدر جهد. استخدم دائمًا مقاومة على التوالي أو مشغل تيار ثابت لتعيين نقطة التشغيل.

8.2 لماذا تقل شدة المخرجات مع درجة الحرارة؟

معامل درجة الحرارة السالب للشدة الإشعاعية (-0.22%/°C) هو خاصية أساسية لمادة أشباه الموصلات. مع زيادة درجة الحرارة، تصبح عمليات إعادة التركيب غير الإشعاعية داخل أشباه الموصلات أكثر هيمنة، مما يقلل من كفاءة توليد الضوء.

8.3 ما هو الغرض من منحنى تخفيض التصنيف؟

منحنى تخفيض التصنيف (الشكل 6) ضروري لضمان الموثوقية طويلة الأمد. يمنع درجة حرارة تقاطع LED من تجاوز قيمتها القصوى المصنفة (110°C) عن طريق الحد من تبديد الطاقة (وبالتالي التيار الأمامي) مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. تجاهل هذا المنحنى يمكن أن يؤدي إلى تدهور سريع وفشل.

8.4 هل هذا LED مناسب للتشغيل المستمر؟

نعم، ولكن ضمن الحدود المحددة بواسطة الحدود القصوى المطلقة ومنحنى تخفيض التصنيف. للتشغيل المستمر DC، يجب ألا يتجاوز التيار الأمامي 100mA عند درجة حرارة محيطة 25°C ويجب تقليله عند درجات حرارة محيطة أعلى وفقًا للشكل 6. للتشغيل النبضي مع تيارات ذروة عالية، يجب الالتزام بمواصفات دورة العمل وعرض النبضة.

9. مثال تطبيقي عملي

السيناريو: تصميم جهاز إرسال بيانات IR بسيط للاتصال التسلسلي قصير المدى.

1. تصميم الدائرة:استخدم دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة لتشغيل LED. ضع مقاومة محددة للتيار على التوالي مع أنود LED. احسب قيمة المقاومة باستخدام R = (Vcc - Vf_LED) / I_desired. لمصدر طاقة 3.3V، وتيار مطلوب 50mA، و Vf نموذجي 1.5V: R = (3.3V - 1.5V) / 0.05A = 36 أوم. استخدم القيمة القياسية التالية (مثل: 39 أوم).

2. الفحص الحراري:تبديد الطاقة في LED: P = Vf * I = 1.5V * 0.05A = 75mW. ارتفاع درجة حرارة التقاطع: ΔTj = P * RθJA = 0.075W * 280°C/W = 21°C. عند أقصى درجة حرارة محيطة 85°C، Tj = 106°C، وهي أقل من حد 110°C.

3. البرمجيات:قم بتكوين وحدة التحكم الدقيقة لتوليد التعديل الرقمي المطلوب (مثل: الترميز بالتشغيل والإيقاف) على دبوس GPIO. يسمح زمن الصعود/الهبوط البالغ 15ns لـ LED بمعدلات بيانات عالية.

4. التخطيط:احتفظ بـ LED ومقاومته التسلسلية قريبين من دبوس التشغيل لتقليل الحث الطفيلي. تأكد من محاذاة المستقبل (الصمام الثنائي الضوئي) ضمن زاوية الرؤية البالغة 26 درجة للباعث.

10. مبدأ التشغيل

HSDL-4261 هو صمام ثنائي تقاطع p-n أشباه موصلات يعتمد على مواد AlGaAs. عند تطبيق جهد انحياز أمامي، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة n والثقوب من المنطقة p عبر التقاطع إلى المناطق المعاكسة. تندمج هذه حاملات الأقلية المحقونة مع حاملات الأغلبية. في أشباه الموصلات ذات الفجوة النطاقية المباشرة مثل AlGaAs، يكون جزء كبير من عمليات إعادة التركيب هذه إشعاعيًا، مما يعني أنها تطلق الطاقة في شكل فوتونات. تحدد فجوة النطاق الطاقي المحددة لسبيكة AlGaAs المستخدمة طول موجة الفوتونات المنبعثة، والتي في هذه الحالة تتركز حول 870 نانومتر في طيف الأشعة تحت الحمراء. يقوم غلاف الإيبوكسي الشفاف بتغليف شريحة أشباه الموصلات، ويوفر حماية ميكانيكية، ويعمل كعدسة لتشكيل الحزمة الخارجة.

11. اتجاهات الصناعة

تستمر باعثات الأشعة تحت الحمراء في التطور في عدة مجالات رئيسية ذات صلة بمكونات مثل HSDL-4261:

زيادة السرعة:يؤدي الطلب على معدلات بيانات أعلى في الاتصالات اللاسلكية البصرية (Li-Fi، IRDA عالي السرعة) إلى تطوير باعثات بأزمنة صعود/هبوط أسرع.

تحسين الكفاءة:تهدف التحسينات في النمو الطبقي وتصميم الرقاقة إلى إنتاج طاقة بصرية أكثر (لومن أو تدفق إشعاعي) لكل وحدة من طاقة الإدخال الكهربائية (واط)، مما يقلل من توليد الحرارة ويحسن كفاءة النظام.

التكامل:هناك اتجاه نحو دمج الباعث مع دائرة التشغيل أو حتى مع كاشف ضوئي في غلاف واحد لإنشاء وحدات إرسال واستقبال بصرية كاملة، مما يبسط تصميم المستخدم النهائي.

أطوال موجية جديدة:بينما يظل نطاق 870-940 نانومتر قياسيًا للمستقبلات القائمة على السيليكون، هناك بحث في أطوال موجية أخرى لتطبيقات محددة مثل استشعار الغاز أو Li-Fi الآمن للعين.