ورقة بيانات LED باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-4206C - أبعاد العبوة - جهد أمامي 1.6 فولت - شدة إشعاعية 7.67 ميجاوات/ستراديان - طول موجة الذروة 940 نانومتر - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTE-4206C باعثًا للأشعة تحت الحمراء (IR) صغير الحجم ومنخفض التكلفة، مُصمم للاستخدام في تطبيقات الاستشعار الضوئي والاتصالات. وظيفته الأساسية هي إصدار ضوء الأشعة تحت الحمراء عند طول موجة ذروة يبلغ 940 نانومتر، وهو غير مرئي للعين البشرية ولكن يمكن اكتشافه بواسطة كواشف ضوئية مطابقة. يتم تغليف الجهاز في عبوة بلاستيكية مضغوطة ذات نهاية رؤية بلون شفاف، مما يجعله مناسبًا للتصميمات ذات المساحات المحدودة.

الميزة الأساسية لهذا المكون هي تطابقه الميكانيكي والطيفي مع سلسلة الترانزستورات الضوئية LTR-4206. يبسط هذا الزوج المطابق مسبقًا عملية التصميم، ويضمن أداءً أمثل في أزواج باعث-كاشف، ويقلل وقت التطوير لتطبيقات مثل كشف الأجسام، واستشعار القرب، والمفاتيح الضوئية. تسمح نطاقات الشدة المختارة له بالتصنيف (Binning)، مما يوفر للمصممين معايير أداء متسقة.

2. تحليل متعمق للمعاملات التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

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

• تبديد الطاقة (Pd):90 ملي واط. هذه هي أقصى طاقة مسموح للجهاز تبديدها كحرارة أثناء التشغيل المستمر عند درجة حرارة محيطة 25 درجة مئوية.
• تيار أمامي مستمر (IF):60 مللي أمبير. أقصى تيار مستمر يمكن تمريره عبر LED إلى أجل غير مسمى.
• تيار أمامي ذروة:1 أمبير. يُسمح بهذا التيار العالي فقط في ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، عرض نبضة 10 ميكروثانية) ولا يجب تجاوزه.
• جهد عكسي (VR):5 فولت. تجاوز هذا الجهد في الانحياز العكسي يمكن أن يسبب انهيار الوصلة.
• نطاق درجة حرارة التشغيل:من -40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الموثوق.
• نطاق درجة حرارة التخزين:من -55°C إلى +100°C.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم العبوة. هذا أمر بالغ الأهمية لعمليات اللحام الموجي أو إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعلمات عند درجة حرارة محيطة (TA) تبلغ 25 درجة مئوية وتحدد الأداء النموذجي للجهاز.

• الجهد الأمامي (VF):عادةً 1.6 فولت عند تيار اختبار (IF) قدره 20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.2 فولت. هذا هو انخفاض الجهد عبر LED أثناء التشغيل.
• التيار العكسي (IR):أقصى 100 ميكرو أمبير عند جهد عكسي (VR) قدره 5 فولت. يشير هذا إلى تيار التسرب عندما يكون الجهاز في حالة انحياز عكسي.
• طول موجة الانبعاث الذروة (λPeak):940 نانومتر. هذا هو الطول الموجي الذي يخرج عنده باعث الأشعة تحت الحمراء أقصى شدة إشعاعية له.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):50 نانومتر. يصف هذا المعلمة عرض النطاق الترددي للضوء المنبعث، مما يشير إلى مدى ضيق أو اتساع توزيع الأطوال الموجية حول الذروة.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):20 درجة. يحدد هذا الانتشار الزاوي للإشعاع المنبعث حيث تكون الشدة نصف القيمة القصوى (العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى).

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم فرز LTE-4206C إلى مجموعات أداء مختلفة بناءً على شدته الإشعاعية ووقوع الإشعاع على الفتحة. هذا يسمح للمصممين باختيار مكونات تلبي متطلبات حساسية محددة لتطبيقهم.

• المجموعة A:وقوع الإشعاع على الفتحة (Ee): 0.184 - 0.54 ملي واط/سم²؛ الشدة الإشعاعية (Ie): 1.383 - 4.06 ملي واط/ستراديان.
• المجموعة B:وقوع الإشعاع على الفتحة (Ee): 0.36 - 0.78 ملي واط/سم²؛ الشدة الإشعاعية (Ie): 2.71 - 5.87 ملي واط/ستراديان.
• المجموعة C:وقوع الإشعاع على الفتحة (Ee): 0.52 - 1.02 ملي واط/سم²؛ الشدة الإشعاعية (Ie): 3.91 - 7.67 ملي واط/ستراديان.
• المجموعة D:وقوع الإشعاع على الفتحة (Ee): 0.68 ملي واط/سم² (الحد الأدنى)؛ الشدة الإشعاعية (Ie): 5.11 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى).

جميع القياسات مأخوذة عند تيار أمامي (IF) قدره 20 مللي أمبير. تشير الأحرف الأعلى في التصنيف (C، D) عمومًا إلى أجهزة ذات طاقة خرج أعلى.

4. تحليل منحنى الأداء

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

4.1 التوزيع الطيفي (الشكل 1)

يُظهر هذا المنحنى الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد انبعاث الذروة عند 940 نانومتر ونصف عرض الطيف 50 نانومتر، موضحًا نطاق ضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث.

4.2 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 3)

هذا هو منحنى IV (التيار-الجهد) القياسي للدايود. يُظهر العلاقة الأسية بين التيار والجهد. يمكن التحقق من الجهد الأمامي النموذجي البالغ 1.6 فولت عند 20 مللي أمبير من هذا الرسم البياني. المنحنى ضروري لتصميم دائرة تحديد التيار لـ LED.

4.3 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي (الشكل 5)

يوضح هذا الرسم البياني أن طاقة الخرج البصرية (الشدة الإشعاعية) تتناسب تقريبًا خطيًا مع التيار الأمامي على مدى كبير. يساعد المصممين على تحديد تيار القيادة المطلوب لتحقيق خرج بصري مرغوب.

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

هذا المنحنى بالغ الأهمية لفهم التأثيرات الحرارية. يُظهر أن الشدة الإشعاعية تتناقص مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. يجب أخذ هذا التخفيض في الاعتبار في التطبيقات التي تعمل في درجات حرارة عالية لضمان قوة إشارة كافية عند الكاشف.

4.5 مخطط الإشعاع (الشكل 6)

يمثل هذا الرسم البياني القطبي زاوية الرؤية (2θ1/2 = 20°) بصريًا. يُظهر التوزيع المكاني لضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث، وهو أمر مهم لمحاذاة الباعث مع الكاشف المقابل له.

5. المعلومات الميكانيكية والخاصة بالعبوة

5.1 أبعاد العبوة

يستخدم الجهاز عبوة بلاستيكية مضغوطة ذات نهاية رؤية. تشمل الملاحظات الأبعاد الرئيسية ما يلي:

• جميع الأبعاد بالمليمترات (يتم توفيرها بالبوصة بين قوسين).
• التحمل القياسي هو ±0.25 مم (±0.010 بوصة) ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• أقصى بروز للراتنج تحت الحافة هو 1.0 مم (0.039 بوصة).
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم العبوة.

يتم وصف العبوة بأنها "بلون شفاف دخاني"، مما يعني عادةً بلاستيكًا ملونًا شبه شفاف يسمح لضوء الأشعة تحت الحمراء بالمرور مع توفير بعض الانتشار والحماية المادية للشريحة شبه الموصلة.

5.2 تحديد القطبية

على الرغم من عدم تفصيل ذلك صراحةً في النص المقدم، فإن عبوات LED للأشعة تحت الحمراء القياسية مثل هذه تحتوي عادةً على جانب مسطح أو طرف أطول للإشارة إلى الكاثود. سيظهر مخطط ورقة البيانات هذه العلامة. القطبية الصحيحة ضرورية لمنع تلف الانحياز العكسي.

6. إرشادات اللحام والتجميع

المواصفات الرئيسية للتجميع هي درجة حرارة لحام الأطراف: 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم العبوة. هذا التصنيف بالغ الأهمية لمنع التلف الحراري أثناء عمليات اللحام الموجي أو إعادة التدفق.

اعتبارات التصميم:

• تبديد الحرارة:على الرغم من عدم الحاجة إليها عادةً لمصابيح LED منخفضة الطاقة، فإن ضمان أن تخطيط اللوحة المطبوعة (PCB) لا يحبس حرارة زائدة حول المكون هو ممارسة جيدة، خاصة إذا كان التشغيل بالقرب من الحدود القصوى.
• الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):مثل جميع الأجهزة شبه الموصلة، يمكن أن تكون باعثات الأشعة تحت الحمراء حساسة للتفريغ الكهروستاتيكي. يجب مراعاة احتياطات التعامل القياسية مع ESD أثناء التجميع.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• كشف الأجسام واستشعار القرب:مقترنًا بالترانزستور الضوئي LTR-4206، يمكنه اكتشاف وجود أو غياب جسم ما عن طريق مقاطعة حزمة الأشعة تحت الحمراء.
• المفاتيح الضوئية والمشفرات:يُستخدم في المشفرات الدورانية أو الخطية لاستشعار الموضع أو الحركة من خلال قرص أو شريط منمق.
• نقل البيانات بالأشعة تحت الحمراء:يمكن استخدامه للاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى ومنخفضة معدل البيانات (مثل إشارات التحكم عن بُعد، قياس عن بعد للمستشعرات) عند تعديله.
• كشف الدخان:في بعض تصميمات كاشفات الدخان البصرية، يمكن لزوج LED للأشعة تحت الحمراء وكاشف استشعار الضوء المتناثر من جزيئات الدخان.

7.2 اعتبارات التصميم

• تحديد التيار:LED هو جهاز يعمل بالتيار. مقاومة متسلسلة أو محرك تيار ثابت إلزامي لتعيين تيار التشغيل ومنع الانحراف الحراري. احسب قيمة المقاومة باستخدام R = (Vsupply - VF) / IF.
• المحاذاة البصرية:تتطلب زاوية الرؤية الضيقة البالغة 20 درجة محاذاة ميكانيكية دقيقة بين الباعث والكاشف للحصول على كفاءة اقتران مثالية.
• مناعة ضد الضوء المحيط:نظرًا لأنه يصدر عند 940 نانومتر، فهو أقل عرضة للتداخل من الضوء المحيط المرئي. ومع ذلك، يمكن أن يحتوي ضوء الشمس ومصادر الأشعة تحت الحمراء القوية الأخرى (مثل المصابيح المتوهجة) على طاقة كبيرة عند 940 نانومتر وقد تسبب تداخلًا. يمكن للتشكيل البصري على الكاشف أو تعديل إشارة الباعث التخفيف من ذلك.
• التخفيض الحراري:ضع في الاعتبار الانخفاض في طاقة الخرج مع زيادة درجة الحرارة (كما هو موضح في الشكل 4) من خلال توفير هامش كافٍ لتيار القيادة أو اختيار جزء من مجموعة أعلى.

8. المقارنة التقنية والتمييز

الميزة التمييزية الأساسية لـ LTE-4206C هي تطابقه الميكانيكي والطيفي الصريح مع سلسلة الترانزستورات الضوئية LTR-4206. يقدم هذا عدة مزايا على اختيار مكونات الباعث والكاشف بشكل منفصل:

• أداء مضمون:يتم توصيف الزوج معًا، مما يضمن محاذاة الاستجابة الطيفية للكاشف مع طيف انبعاث LED للحصول على أقصى حساسية.
• التوافق الميكانيكي:تم تصميم العبوات لتناسب بعضها البعض في تركيبات تركيب قياسية، مما يبسط التصميم الميكانيكي.
• حل فعال من حيث التكلفة:يوفر لبنة بناء مقترنة ضوئيًا موثوقة ومتحقق منها مسبقًا بتكلفة منخفضة نظرًا لعبوته البلاستيكية المضغوطة وتصنيعه بكميات كبيرة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: ما الفرق بين الشدة الإشعاعية (Ie) ووقوع الإشعاع على الفتحة (Ee)؟

ج: تقيس الشدة الإشعاعية (ملي واط/ستراديان) الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة (ستراديان)، موضحة التركيز الاتجاهي للضوء. وقوع الإشعاع على الفتحة (ملي واط/سم²) هو كثافة الطاقة الساقطة على سطح (مثل كاشف) على مسافة محددة، والتي تعتمد على كل من الشدة والمسافة/الهندسة.

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من دبوس متحكم دقيق 5 فولت؟

ج: لا. يجب عليك استخدام مقاومة لتحديد التيار. على سبيل المثال، مع مصدر طاقة 5 فولت، و VF بقيمة 1.6 فولت، و IF مرغوب بقيمة 20 مللي أمبير: R = (5V - 1.6V) / 0.02A = 170 أوم. ستكون مقاومة قياسية 180 أوم مناسبة.

س: لماذا زاوية الرؤية 20 درجة فقط؟

ج: تركز زاوية الرؤية الضيقة الضوء المنبعث في حزمة أضيق. هذا يزيد الشدة على المحور، مما يسمح بمسافات استشعار أطول أو تيارات قيادة أقل، ويحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء عن طريق تقليل الضوء المتناثر. إنه مثالي لأزواج باعث-كاشف محاذاة.

س: كيف أختار المجموعة المناسبة (A، B، C، D)؟

ج: يعتمد الاختيار على متطلبات حساسية نظامك وهوامش التشغيل. إذا كان كاشفك يحتاج إلى إشارة قوية أو إذا كان النظام يعمل على نطاق واسع من درجات الحرارة (حيث ينخفض الخرج)، اختر مجموعة أعلى (C أو D) للحصول على طاقة خرج أكبر. للتطبيقات الأقل أهمية أو قصيرة المدى، قد تكون مجموعة أقل كافية وفعالة من حيث التكلفة.

10. حالة تصميم عملية

السيناريو: تصميم مستشعر وجود ورق في طابعة.

استخدام شائع هو اكتشاف وجود الورق في الدرج. يتم وضع باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-4206C والترانزستور الضوئي المطابق له LTR-4206 على جانبي مسار الورق المتقابلين. عندما لا يكون هناك ورق، يصل ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى الكاشف، مما يجعله يوصل. عندما تمر ورقة بينهما، تحجب حزمة الأشعة تحت الحمراء، يتوقف الكاشف عن التوصيل، ويستشعر المتحكم الدقيق هذا التغيير، مسجلًا وجود الورق.

خطوات التصميم:

1. تصميم الدائرة:شغل LED بتيار 20 مللي أمبير باستخدام مفتاح ترانزستور يتحكم فيه MCU، مع مقاومة متسلسلة لتحديد التيار. قم بتوصيل الترانزستور الضوئي في تكوين باعث مشترك مع مقاومة سحب لأعلى لإنشاء إشارة خرج رقمية تتبدل بناءً على الضوء المستلم.
2. التصميم الميكانيكي:قم بمحاذاة الباعث والكاشف بدقة باستخدام أبعاد العبوة، مع ضمان توجيه الحزمة بزاوية 20 درجة إلى المنطقة النشطة للكاشف. وفر مسارًا بصريًا نظيفًا.
3. اختيار المكونات:اختر باعثًا من المجموعة C أو D لضمان وصول إشارة قوية إلى الكاشف حتى لو تراكم الغبار على العدسات بمرور الوقت.
4. البرمجيات:نفذ منطق إزالة الارتداد للتمييز بين حافة الورق الحقيقية والاهتزاز أو الغبار.

11. مبدأ التشغيل

يعمل ديود باعث الضوء تحت الأحمر (IR LED) على مبدأ الإضاءة الكهربائية في وصلة أشباه الموصلات p-n. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة من النوع n والفجوات من المنطقة من النوع p عبر الوصلة. عندما تتحد حاملات الشحن هذه، فإنها تطلق الطاقة. في IR LED، يتم اختيار مادة أشباه الموصلات (عادةً ما تكون على أساس زرنيخيد الغاليوم - GaAs) بحيث تتوافق هذه الطاقة المُطلقة مع فوتون في طيف الأشعة تحت الحمراء (حوالي 940 نانومتر). تتناسب شدة الضوء المنبعث طرديًا مع معدل إعادة اتحاد حاملات الشحن، والذي يتم التحكم فيه بواسطة التيار الأمامي (IF). تقوم العبوة الشفافة بتغليف وحماية الشريحة شبه الموصلة مع السماح لفوتونات الأشعة تحت الحمراء بالهروب.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تستمر تكنولوجيا باعث الأشعة تحت الحمراء في التطور جنبًا إلى جنب مع اتجاهات الإلكترونيات الضوئية الأوسع. هناك دفع مستمر نحو كفاءة أعلى، مما يسمح بقوة خرج بصرية أكبر عند تيارات قيادة أقل، مما يقلل من استهلاك طاقة النظام وتوليد الحرارة. تصغير حجم العبوة هو اتجاه رئيسي آخر، مما يتيح التكامل في إلكترونيات المستهلك وأجهزة إنترنت الأشياء الأصغر حجمًا. علاوة على ذلك، هناك تطور نحو تحكم أكثر دقة في الطول الموجي وعرض نطاق طيفي أضيق للتطبيقات التي تتطلب تصفية طيفية محددة، كما في استشعار الغاز أو بيئات الضوضاء ذات الضوء المحيط العالي. يعد تكامل البواعث والكواشف في وحدات مستشعر ذكية واحدة مع معالجة إشارات مدمجة أيضًا مجالًا متناميًا، مما يبسط تصميم النظام للمستخدمين النهائيين.