ورقة بيانات LED باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-4238 - الطول الموجي 880 نانومتر - تيار أمامي 100 مللي أمبير - تبديد طاقة 150 مللي واط - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTE-4238 ثنائي باعث للضوء (LED) عالي الطاقة للأشعة تحت الحمراء (IR)، مُصمم للتطبيقات التي تتطلب إضاءة تحت الحمراء موثوقة وقوية. وظيفته الأساسية هي إصدار ضوء غير مرئي عند طول موجي ذروة يبلغ 880 نانومتر، مما يجعله مناسبًا لأنظمة الاستشعار والتحكم عن بُعد والتبديل البصري. من السمات الرئيسية مطابقته الميكانيكية والطيفية لسلسلة محددة من الترانزستورات الضوئية، مما يضمن أداءً مثاليًا في أزواج المستقبل-الباعث لنقل الإشارات بدقة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 التصنيفات القصوى المطلقة

يتم تصنيف الجهاز للعمل ضمن حدود بيئية وكهربائية صارمة لضمان طول العمر والموثوقية. الحد الأقصى للتيار الأمامي المستمر هو 100 مللي أمبير، مع قدرة تيار أمامي ذروة تبلغ 2 أمبير في ظل ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية). الحد الأقصى لتبديد الطاقة هو 150 مللي واط عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية. نطاق درجة حرارة التشغيل هو من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، بينما يمتد نطاق التخزين من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. يمكن للجهاز تحمل جهد عكسي يصل إلى 5 فولت. بالنسبة للتجميع، يمكن لحام الأطراف عند 260 درجة مئوية لمدة قصوى تبلغ 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم العبوة.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد معايير الأداء الرئيسية عند T_A=25 درجة مئوية وتيار أمامي (I_F) بقيمة 20 مللي أمبير. الشدة الإشعاعية (I_E) تبلغ عادةً 4.81 مللي واط/ستراديان، مما يشير إلى ناتج الطاقة البصرية لكل زاوية صلبة. الاستضاءة الإشعاعية عند الفتحة (E_e) تبلغ 0.64 مللي واط/سم². الجهد الأمامي (V_F) يتراوح عادةً من 1.3 فولت إلى 1.8 فولت. يتم تعريف الخصائص الطيفية بواسطة طول موجة الانبعاث الذروة (λ_الذروة) البالغ 880 نانومتر وعرض نصف طيفي (Δλ) يبلغ 50 نانومتر، مما يحدد ضيق نطاق الضوء المنبعث. التيار العكسي (I_R) هو حد أقصى 100 ميكرو أمبير عند جهد عكسي (V_R) بقيمة 5 فولت. زاوية المشاهدة (2θ_1/2) هي 20 درجة، تصف الانتشار الزاوي للإشعاع المنبعث حيث تنخفض الشدة إلى نصف قيمتها القصوى.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

3.1 التوزيع الطيفي

يوضح الشكل 1 الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يتركز المنحنى عند 880 نانومتر بعرض نصف نموذجي يبلغ 50 نانومتر، مما يؤكد الطبيعة أحادية اللون لناتج الأشعة تحت الحمراء المناسب للتصفية والكشف الدقيق.

3.2 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يصور الشكل 2 تخفيض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. هذا الرسم البياني بالغ الأهمية لتصميم إدارة الحرارة، مما يضمن عمل الجهاز ضمن منطقة التشغيل الآمنة (SOA) في جميع الظروف البيئية.

3.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي

يوضح الشكل 3 خاصية IV (التيار-الجهد) للثنائي. هذه العلاقة غير الخطية ضرورية لتصميم دائرة القيادة، لتحديد الجهد المطلوب لتحقيق تيار تشغيل محدد.

3.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة والتيار الأمامي

يوضح الشكلان 4 و5 كيف يتغير ناتج الطاقة البصرية مع درجة الحرارة وتيار القيادة. عادةً ما ينخفض الناتج مع ارتفاع درجة الحرارة (الشكل 4) ويزداد بشكل فوق خطي مع التيار الأمامي (الشكل 5)، مما يسلط الضوء على المقايضات بين الناتج والكفاءة والحمل الحراري.

3.5 نمط الإشعاع

الشكل 6 هو مخطط قطبي يوضح التوزيع المكاني للضوء المنبعث. يتم تأكيد زاوية المشاهدة البالغة 20 درجة، مما يظهر ملف شعاع مركز نسبيًا، وهو أمر مفيد لتطبيقات الإضاءة الموجهة.

4. معلومات الميكانيكية والعبوة

4.1 أبعاد العبوة

يستخدم الجهاز عبوة LED قياسية مع حافة بارزة. تشمل الأبعاد الرئيسية حجم الجسم، وتباعد الأطراف، وحدود البروز. يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات بتحمل قياسي يبلغ ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم العبوة. يُسمح بحد أقصى لبروز الراتنج تحت الحافة البارزة يبلغ 1.0 مم. يجب على المهندسين الرجوع إلى الرسم الميكانيكي التفصيلي (المشار إليه ضمن ملف PDF) لوضع الدقيق وتصميم البصمة على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs).

4.2 تحديد القطبية

تطبق اتفاقيات قطبية LED القياسية، يُشار إليها عادةً بجانب مسطح على العبوة أو بأطراف بأطوال مختلفة (الأنود أطول من الكاثود). يجب التحقق من العلامة المحددة من رسم العبوة لضمان الاتجاه الصحيح أثناء التجميع، ومنع تلف الانحياز العكسي.

5. إرشادات اللحام والتجميع

الحد الأقصى المطلق لدرجة حرارة لحام الأطراف هو 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم العبوة. يتوافق هذا التصنيف مع ملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص القياسية (مثل IPC/JEDEC J-STD-020). من الأهمية بمكان الالتزام بهذا الحد لمنع التلف الحراري للشريحة شبه الموصلة الداخلية، أو وصلات الأسلاك، أو مادة عدسة الإيبوكسي. يُوصى بالتسخين المسبق لتقليل الصدمة الحرارية. يجب تخزين الأجهزة في بيئة جافة وخاضعة للتحكم وفقًا لإرشادات مستوى حساسية الرطوبة (MSL)، والتي يجب الحصول عليها من تعليمات التعامل الخاصة بالشركة المصنعة.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

هذا الباعث للأشعة تحت الحمراء مثالي للتطبيقات بما في ذلك: المشفرات البصرية ومستشعرات الموضع، أجهزة إرسال التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء، كشف الأجسام والاستشعار عن قرب، ستائر الضوء للأتمتة الصناعية، وروابط نقل البيانات البصرية. مطابقته لترانزستورات ضوئية محددة تجعله ذا قيمة خاصة في تصميمات العوازل البصرية العاكسة أو الناقلة حيث يكون المحاذاة والاستجابة الطيفية أمرًا بالغ الأهمية.

6.2 اعتبارات التصميم

دائرة القيادة:مقاومة تحديد التيار إلزامية عند القيادة بمصدر جهد لضبط I_Fالمطلوب ومنع الانحراف الحراري. يتم حساب قيمة المقاومة باستخدام R = (V_المصدر- V_F) / I_F. للتشغيل النبضي عند تيارات ذروة عالية (تصل إلى 2A)، يلزم وجود مفتاح ترانزستور (مثل MOSFET) يتم تشغيله بواسطة مولد نبضات.
إدارة الحرارة:يجب احترام حد تبديد الطاقة البالغ 150 مللي واط. في درجات الحرارة المحيطة العالية أو التيارات المستمرة العالية، سترتفع درجة حرارة الوصلة، مما قد يقلل من شدة الناتج وعمر الجهاز. قد يكون من الضروري وجود تخطيط مناسب للوحة الدوائر المطبوعة مع مساحة نحاسية كافية لتبديد الحرارة.
التصميم البصري:توفر زاوية المشاهدة البالغة 20 درجة شعاعًا مركزًا. للحصول على تغطية أوسع، قد تكون هناك حاجة إلى عدسة موزعة. للحصول على أقصى كفاءة اقتران مع كاشف ضوئي مطابق، تأكد من المحاذاة الميكانيكية الصحيحة وضع في الاعتبار مصادر الضوضاء المحتملة للأشعة تحت الحمراء المحيطة (ضوء الشمس، المصابيح المتوهجة).

7. المقارنة التقنية والتمييز

يتمثل التمييز الأساسي لـ LTE-4238 فيشدة إشعاعية عالية (4.81 مللي واط/ستراديان نموذجيًا)واختياره المحدد لأداء مطابق مع الترانزستورات الضوئية المصاحبة. مقارنةً بمصابيح LED تحت الحمراء العامة، يضمن هذا الاختيار المسبق تحملاً أضيق في الأنظمة الإلكترونية الضوئية المزدوجة، مما يؤدي إلى حساسية أكثر اتساقًا، وتداخل أقل، وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. يعد الطول الموجي 880 نانومتر معيارًا شائعًا، ويوفر توازنًا جيدًا بين حساسية الكاشف الضوئي السيليكوني وقلة الوضوح مقارنة بمصادر 940 نانومتر.

8. الأسئلة الشائعة (FAQs)

س: ما هو الغرض من تصنيف تيار الذروة الأمامي (2A) إذا كان التيار المستمر 100 مللي أمبير فقط؟
ج: يسمح تصنيف الذروة بنبضات عالية التيار قصيرة جدًا. هذا ضروري لتطبيقات مثل أجهزة التحكم عن بُعد أو نقل البيانات حيث تكون هناك حاجة إلى طاقة بصرية لحظية عالية للمدى أو السرعة، لكن متوسط الطاقة (والحرارة) يظل منخفضًا.

س: كيف تؤثر درجة الحرارة المحيطة على الأداء؟
ج: مع زيادة درجة الحرارة، عادةً ما ينخفض الجهد الأمامي قليلاً، وينخفض الناتج الإشعاعي (كما هو موضح في الشكل 4)، ويجب تخفيض الحد الأقصى المسموح به للتيار المستمر (الشكل 2). يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار هذه الاختلافات.

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة؟
ج: ربما، ولكن بحذر. قد يزود دبوس GPIO بـ 20-50 مللي أمبير. يجب عليك استخدام مقاومة على التوالي لتحديد التيار إلى I_Fالمطلوب (مثل 20 مللي أمبير) والتأكد من أن إجمالي التيار لا يتجاوز حدود دبوس وعبوة وحدة التحكم الدقيقة. للتيارات الأعلى أو النبضات، يلزم وجود ترانزستور قيادة خارجي.

س: ماذا يعني "مطابق طيفيًا"؟
ج: يعني أن طيف الانبعاث لهذا LED تحت الحمراء مُحسّن ليتوافق مع ذروة الحساسية الطيفية للترانزستور الضوئي المزدوج له. هذا يزيد من قوة الإشارة المكتشفة لأي قدرة منبعثة معينة.

9. دراسة حالة تصميم عملية

السيناريو: تصميم مستشعر قرب.الهدف هو اكتشاف جسم على مسافة 10 سم. يستخدم النظام باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-4238 وترانزستور ضوئي مطابق موضوعين جنبًا إلى جنب، متجهين في نفس الاتجاه (وضع الاستشعار العاكس).
التنفيذ:يتم تشغيل LED بنبضات 50 مللي أمبير (ضمن التصنيف المستمر) بتردد 1 كيلوهرتز. تحدد مقاومة تحديد التيار هذا الانحياز. يتم توصيل مجمع الترانزستور الضوئي بمقاومة سحب ودائرة مضخم/مرشح. عندما يكون الجسم في النطاق، ينعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء مرة أخرى إلى الترانزستور الضوئي، مما يتسبب في انخفاض جهد المجمع. ثم يتم تكييف هذه الإشارة وإدخالها إلى مقارن أو محول تناظري رقمي لوحدة التحكم الدقيقة لتحفيز حدث اكتشاف.
الحسابات الرئيسية:يتم حساب قيمة مقاومة القيادة بناءً على مصدر طاقة 5 فولت و V_Fبقيمة ~1.5 فولت: R = (5V - 1.5V) / 0.05A = 70 أوم (استخدم القيمة القياسية 68 Ω). تبديد الطاقة في LED: P = V_F* I_F= 1.5V * 0.05A = 75 مللي واط، وهي أقل بكثير من الحد الأقصى البالغ 150 مللي واط عند 25 درجة مئوية.

10. مقدمة مبدأ التشغيل

LED الأشعة تحت الحمراء هو ثنائي وصلة p-n شبه موصل. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة n والثقوب من المنطقة p في منطقة الوصلة. عندما تتحد حاملات الشحن هذه، يتم إطلاق الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يتم تحديد الطول الموجي المحدد البالغ 880 نانومتر بواسطة طاقة فجوة النطاق للمواد شبه الموصلة المستخدمة (عادةً زرنيخيد ألومنيوم جاليوم، AlGaAs). الضوء المنبعث غير متماسك ويقع ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، غير مرئي للعين البشرية ولكنه يسهل اكتشافه بواسطة الكواشف الضوئية القائمة على السيليكون.

11. اتجاهات التكنولوجيا

يتجه تطور باعثات الأشعة تحت الحمراء للاستشعار نحو كثافة طاقة وكفاءة أعلى في عبوات أصغر. هذا يتيح نطاقات اكتشاف أطول واستهلاك طاقة أقل للنظام. هناك أيضًا اتجاه نحو الحلول المتكاملة، التي تجمع الباعث، ودائرة القيادة، وأحيانًا الكاشف في وحدة واحدة مع واجهات رقمية (I2C، SPI). علاوة على ذلك، فإن التقدم في التعبئة على مستوى الرقاقة (WLP) والتعبئة بمقياس الشريحة (CSP) يقلل من حجم وتكلفة المكونات الإلكترونية الضوئية المنفصلة مع تحسين الموثوقية. يبقى المبدأ الأساسي للتشغيل كما هو، لكن التكامل والأداء لكل وحدة حجم في ازدياد مطرد.