ورقة بيانات LED باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-4206 - الطول الموجي 940 نانومتر - تيار أمامي 20 مللي أمبير - جهد أمامي 1.6 فولت - زاوية رؤية 20 درجة - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTE-4206 باعثًا للأشعة تحت الحمراء (IR) منخفض التكلفة ومصغرًا، مُصمم للاستخدام في تطبيقات الاستشعار الضوئي والاتصالات. وظيفته الأساسية هي إصدار ضوء الأشعة تحت الحمراء عند طول موجي قياسي يبلغ 940 نانومتر (nm). يتم وضع الجهاز داخل غلاف بلاستيكي شفاف وشفاف ذو نهاية للنظر، مما يسمح بانبعاث ضوئي فعال. الميزة الرئيسية هي تطابقه الميكانيكي والطيفي مع سلسلة المقاومات الضوئية (phototransistors) المقابلة، مما يبسط تصميم دوائر المستقبل من خلال ضمان التوافق في الأبعاد المادية والاستجابة الطيفية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. يتم تحديدها عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C.

• تبديد الطاقة (P_D):90 ملي واط. هذا هو الحد الأقصى المسموح به للطاقة التي يمكن للجهاز تبديدها كحرارة.
• تيار الذروة الأمامي (I_FP):1 أمبير. هذا هو الحد الأقصى المسموح به للتيار النبضي، محددًا تحت ظروف 300 نبضة في الثانية (pps) بعرض نبضة 10 ميكروثانية.
• التيار الأمامي المستمر (I_F):60 مللي أمبير. هذا هو الحد الأقصى للتيار المستمر الذي يمكن تطبيقه بشكل مستمر.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. تجاوز هذا الجهد في الانحياز العكسي يمكن أن يتلف وصلة LED.
• نطاق درجة حرارة التشغيل:-40°C إلى +85°C. يتم ضمان عمل الجهاز ضمن نطاق درجة الحرارة المحيطة هذا.
• نطاق درجة حرارة التخزين:-55°C إلى +100°C.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260°C لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم الغلاف.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعايير عند T_A=25°C وتحدد أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل العادية. التيار الأمامي (I_F) لاختبار المعايير البصرية هو عادةً 20 مللي أمبير.

• الاستضاءة الإشعاعية للفتحة (E_e):تُقاس بوحدة ملي واط/سم²، وهي الطاقة الإشعاعية لكل وحدة مساحة تسقط على سطح. القيمة تختلف حسب التصنيف (انظر القسم 3).
• الشدة الإشعاعية (I_E):تُقاس بوحدة ملي واط/ستراديان، وهي الطاقة الإشعاعية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة. إنها معلمة رئيسية لتوصيف سطوع مصدر الأشعة تحت الحمراء. القيم مصنفة.
• الطول الموجي القياسي للانبعاث (λ_{القياسي}):940 نانومتر (نموذجي). هذا هو الطول الموجي الذي تكون فيه الطاقة الضوئية المنبعثة في أقصى حد. يقع ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):50 نانومتر (نموذجي). هذه المعلمة، المعروفة أيضًا باسم العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM)، تشير إلى عرض النطاق الطيفي. قيمة 50 نانومتر تعني أن الضوء المنبعث يغطي نطاقًا من الأطوال الموجية بعرض حوالي 50 نانومتر متمركز حول القمة.
• الجهد الأمامي (V_F):1.2 فولت (الحد الأدنى)، 1.6 فولت (نموذجي) عند I_F=20 مللي أمبير. هذا هو انخفاض الجهد عبر LED عند توصيل التيار المحدد.
• التيار العكسي (I_R):100 ميكرو أمبير (الحد الأقصى) عند V_R=5 فولت. هذا هو تيار التسرب الصغير الذي يتدفق عندما يكون الجهاز في حالة انحياز عكسي.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):20 درجة. هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى (على المحور). تشير زاوية 20° إلى شعاع مركز نسبيًا.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يستخدم LTE-4206 نظام تصنيف (binning) لمعايير الإخراج البصري الرئيسية، الاستضاءة الإشعاعية للفتحة (E_e) والشدة الإشعاعية (I_E). التصنيف هو عملية تصنيع تقوم بفرز المكونات إلى مجموعات أداء لضمان الاتساق ضمن نطاق محدد. يتم تصنيف الجهاز إلى أربعة تصنيفات: A، B، C، و D.

• التصنيف A: E_e= 0.184 - 0.54 ملي واط/سم²؛ I_E= 1.383 - 4.06 ملي واط/ستراديان.
• التصنيف B: E_e= 0.36 - 0.78 ملي واط/سم²؛ I_E= 2.71 - 5.87 ملي واط/ستراديان.
• التصنيف C: E_e= 0.52 - 1.02 ملي واط/سم²؛ I_E= 3.91 - 7.67 ملي واط/ستراديان.
• التصنيف D: E_e= 0.68 ملي واط/سم² (الحد الأدنى)؛ I_E= 5.11 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى). يمثل هذا التصنيف مجموعة الإخراج الأعلى.

يسمح هذا النظام للمصممين باختيار تصنيف يلبي متطلبات الحساسية أو المدى المحددة لتطبيق معين.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

4.1 توزيع الطيف (الشكل 1)

يظهر هذا المنحنى الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد الانبعاث القياسي عند 940 نانومتر وعرض النصف الطيفي البالغ حوالي 50 نانومتر. شكل المنحنى نموذجي لـ LED الأشعة تحت الحمراء من نوع GaAlAs.

4.2 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى IV) (الشكل 3)

يرسم هذا الرسم البياني I_Fمقابل V_F. يوضح العلاقة الأسية المميزة للدايود. المنحنى ضروري لتصميم دائرة السائق المحددة للتيار. يمكن التحقق من V_Fالنموذجي البالغ 1.6 فولت عند 20 مللي أمبير هنا.

4.3 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي (الشكل 5)

يوضح هذا الرسم أن الإخراج البصري (الشدة الإشعاعية) شبه خطي مع التيار الأمامي على مدى كبير. هذا الخطي يبسط التحكم؛ زيادة تيار القيادة يزيد من إخراج الضوء بشكل مباشر ومتوقع.

4.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 4)

يوضح هذا المنحنى الحاسم اعتماد إخراج LED على درجة الحرارة. تنخفض الشدة الإشعاعية مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. يجب أخذ هذا التخفيض في الاعتبار في التصاميم المخصصة للعمل على نطاق درجة الحرارة الكامل (-40°C إلى +85°C) لضمان قوة إشارة كافية في درجات الحرارة العالية.

4.5 مخطط الإشعاع (الشكل 6)

هذا رسم قطبي يصور التوزيع المكاني للضوء المنبعث. يؤكد بصريًا زاوية الرؤية البالغة 20°، ويوضح كيف تنخفض الشدة عند الزوايا بعيدًا عن المحور المركزي (0°).

5. معلومات الميكانيكية والغلاف

يستخدم الجهاز غلافًا بلاستيكيًا مصغرًا ذو نهاية للنظر. تشمل الملاحظات الأبعادية الرئيسية من ورقة البيانات:

• جميع الأبعاد بالمليمترات (يتم توفيرها بالبوصة بين قوسين).
• التسامح العام هو ±0.25 مم (±0.010") ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• الحد الأقصى لبروز الراتنج تحت الحافة هو 1.0 مم (0.039").
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج منها الأطراف من جسم الغلاف.
• الغلاف شفاف وواضح.

(ملاحظة: لم يتم توفير الأبعاد الرقمية المحددة من رسم في مقتطف النص، ولكنها ستشمل عادةً قطر الجسم، الطول، قطر الأطراف، والتباعد).

6. إرشادات اللحام والتجميع

الإرشاد الأساسي المقدم هو لللحام اليدوي: يمكن لحام الأطراف عند 260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مع تطبيق الحرارة على بعد 1.6 مم على الأقل (0.063") من جسم الغلاف البلاستيكي. هذا لمنع التلف الحراري للراتنج الإيبوكسي. بالنسبة لللحام بالموجة أو إعادة التدفق، يجب اتباع ملفات تعريف LED الأشعة تحت الحمراء القياسية، مع الانتباه إلى درجة الحرارة القصوى والوقت فوق السائل للبقاء ضمن الحدود الحرارية للغلاف.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كشف الأجسام والاستشعار عن القرب:مقترن بمقاوم ضوئي (phototransistor) مطابق (مثل سلسلة LTR-4206) في تكوينات عاكسة أو مقطوعة الشعاع. يُستخدم في الطابعات، وآلات النسخ، وآلات البيع، والأتمتة الصناعية.
• نقل البيانات بالأشعة تحت الحمراء:مناسب لروابط الاتصال التسلسلية قصيرة المدى ومنخفضة معدل البيانات، وحدات التحكم عن بُعد، أو المشفرات الضوئية.
• كشف الدخان:يُستخدم في كاشفات الدخان القائمة على الغرفة الضوئية.

7.2 اعتبارات التصميم

• تحديد التيار:استخدم دائمًا مقاومًا على التوالي أو سائق تيار ثابت لتحديد I_Fإلى القيمة المطلوبة (مثل 20 مللي أمبير لأداء المواصفات)، ولا تقم بتوصيله مباشرة بمصدر جهد أبدًا.
• إدارة الحرارة:ضع في اعتبارك تخفيض الإخراج مع درجة الحرارة (الشكل 4). تأكد من أن تبديد الطاقة (I_F* V_F) لا يتجاوز 90 ملي واط، مع مراعاة الظروف المحيطة.
• المحاذاة البصرية:تتطلب زاوية الرؤية البالغة 20° محاذاة دقيقة مع الكاشف المقترن للحصول على اقتران إشارة مثالي، خاصة في إعدادات الشعاع المقطوع.
• الضوضاء الكهربائية:في تطبيقات الاستشعار، قم بتعديل تيار سائق LED واستخدم الكشف المتزامن في دائرة المستقبل لرفض الضوء المحيط (مثل ضوء الشمس، المصابيح المتوهجة) الذي قد يحتوي على مكونات الأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر.

8. المقارنة التقنية والتمييز

المميزات الأساسية لـ LTE-4206 هيالتطابق الميكانيكي والطيفيمع سلسلة مقاومات ضوئية (phototransistors) محددة. يضمن هذا أن المنطقة النشطة للمستقبل ومنحنى الحساسية الطيفية يتم محاذاتهما بشكل مثالي مع نمط إخراج الباعث والطول الموجي، مما يزيد من كفاءة النظام ويبسط التصميم الميكانيكي. يوفرالغلاف الشفافكفاءة خارجية أعلى مقارنة بالأغلفة الملونة أو المنتشرة. يوفرنظام التصنيف (Binning)مرونة في اختيار مستوى الإخراج المطلوب. تجعلهتكلفته المنخفضة وحجمه المصغرمناسبًا للتطبيقات الاستهلاكية والصناعية ذات الحجم الكبير والمقيدة بالمساحة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هو الغرض من الطول الموجي 940 نانومتر؟

ج: 940 نانومتر يقع في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، غير مرئي للعين البشرية. إنه طول موجي شائع لأنه يتجنب تداخل الضوء المرئي، ولدى العديد من الكواشف الضوئية السيليكونية (مثل المقاومات الضوئية) حساسية جيدة هنا، وهو أقل عرضة للتداخل من الضوء المتوهج المحيط (الذي يبلغ ذروته في نطاق ~1000 نانومتر) مقارنة بـ LEDs 850 نانومتر.

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED بمصدر طاقة 5 فولت؟

ج: نعم، ولكن يجب عليك استخدام مقاوم محدد للتيار. على سبيل المثال، لتحقيق I_F=20 مللي أمبير مع V_Fنموذجي 1.6 فولت من مصدر طاقة 5 فولت: R = (5V - 1.6V) / 0.02A = 170Ω. استخدم القيمة القياسية الأقرب (مثل 180Ω) وتحقق من التيار الفعلي.

س: ماذا تعني "زاوية الرؤية" بالنسبة للباعث؟

ج: تحدد عرض الشعاع. زاوية كاملة 20° تعني أن الضوء المنبعث مركز داخل مخروط ضيق نسبيًا. نصف الشدة القصوى موجود عند ±10° من المحور المركزي. تعطي زاوية أصغر شعاعًا أكثر تركيزًا لمدى أطول أو محاذاة دقيقة.

س: لماذا يتم تصنيف الإخراج (binning)؟

ج: تسبب الاختلافات التصنيعية اختلافات طفيفة في قوة الإخراج. يقوم التصنيف بفرز LEDs إلى مجموعات مع ضمان الحد الأدنى والحد الأقصى للإخراج. هذا يسمح للمصممين باختيار تصنيف يضمن عمل نظامهم بشكل موثوق، مع معرفة نطاق الأداء الدقيق للمكون.

10. حالة تصميم عملية

الحالة: تصميم مستشعر لكشف الورق للطابعة.

هناك حاجة إلى مستشعر شعاع مقطوع للكشف عن وجود الورق. يتم وضع LTE-4206 (التصنيف C) على جانب واحد من مسار الورق، ويتم وضع مقاوم ضوئي (phototransistor) مطابق LTR-4206 مباشرة في المقابل.

1. دائرة السائق:يتم تشغيل LED بواسطة دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة (microcontroller) من خلال مقاوم 180Ω لضبط I_Fإلى ~20 مللي أمبير عندما يكون الدبوس مرتفعًا (منطق 3.3 فولت أو 5 فولت).
2. التعديل:تقوم وحدة التحكم الدقيقة بنبض LED بتردد 1 كيلوهرتز (دورة عمل 50%) للتمييز بين إشارته والضوء المحيط.
3. دائرة المستقبل:يتم توصيل مجمع المقاوم الضوئي (phototransistor) بمقاوم سحب لأعلى (pull-up resistor). يتم قراءة الجهد عند المجمع بواسطة محول تناظري رقمي (ADC) لوحدة التحكم الدقيقة أو مقارن (comparator).
4. منطق الكشف:عندما لا يكون هناك ورق، يصل ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى المقاوم الضوئي، فيوصل، مما يؤدي إلى خفض جهد المجمع. عندما يحجب الورق الشعاع، ينطفئ المقاوم الضوئي، ويرتفع جهد المجمع. تقوم وحدة التحكم الدقيقة بأخذ عينات متزامنة لهذه الإشارة أثناء نبضة LED للكشف عن تغيير الحالة.
5. اعتبارات:تضمن زاوية الرؤية البالغة 20° أن الشعاع ضيق بما يكفي ليتم قطعه بوضوح بواسطة حافة الورق. يوفر اختيار التصنيف C شدة إشعاعية كافية لتوليد إشارة قوية في المستقبل، حتى مع السماح بتراكم الغبار بمرور الوقت.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

دايود باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (IR LED) هو وصلة أشباه موصلات من النوع p-n. عندما يتم تطبيق جهد أمامي يتجاوز عتبة التشغيل (حوالي 1.2 فولت لهذا الجهاز)، يتم حقن الإلكترونات والثقوب عبر الوصلة. تتحد حاملات الشحن هذه، ولهذا التركيب المادي المحدد (عادةً زرنيخيد الغاليوم ألومنيوم - GaAlAs)، فإن الطاقة المنطلقة أثناء الاتحاد تكون في شكل فوتونات بطول موجي يتركز حول 940 نانومتر، وهو ضوء الأشعة تحت الحمراء. شدة الضوء المنبعث تتناسب طرديًا مع معدل الاتحاد، والذي يتم التحكم فيه بواسطة التيار الأمامي (I_F). يعمل الغلاف الإيبوكسي الشفاف كعدسة، مشكلاً شعاع الإخراج إلى زاوية الرؤية المحددة البالغة 20°.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تشمل اتجاهات تكنولوجيا باعث الأشعة تحت الحمراء:

• زيادة الكفاءة:تطوير المواد والهياكل (مثل الآبار الكمومية المتعددة) لتحقيق شدة إشعاعية أعلى (ملي واط/ستراديان) لنفس تيار القيادة، مما يقلل من استهلاك الطاقة.
• التصغير:الاستمرار في تقليل حجم الغلاف (مثل أغلفة بحجم الشريحة) لتمكين التكامل في أجهزة أصغر مثل الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة الاستشعار فائقة الصغر.
• تعزيز الموثوقية والتشغيل بدرجات حرارة أعلى:تحسينات في مواد التغليف وتقنيات ربط الشريحة (die attach) لتمديد العمر الافتراضي والسماح بالعمل في بيئات أكثر قسوة (مثل السيارات، الصناعية).
• حلول متكاملة:دمج باعث الأشعة تحت الحمراء، السائق، وأحيانًا كاشف أو منطق في وحدة واحدة أو دائرة متكاملة (IC) لتبسيط تصميم النظام وتقليل البصمة.
• متعددة الأطوال الموجية و VCSELs:استخدام ليزر التجويف الرأسي السطحي (VCSELs) للتطبيقات التي تتطلب أنماط ضوء دقيقة جدًا، عالية السرعة، أو منظمة، كما في الاستشعار المتقدم عن القرب، التصوير ثلاثي الأبعاد (Time-of-Flight)، والتعرف على الوجه.

يمثل LTE-4206 حلاً ناضجًا وفعالاً من حيث التكلفة لاحتياجات الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء القياسية، بينما تعالج التقنيات الأحدث متطلبات الأداء الأعلى، والتكامل، والتطبيقات المتخصصة.