مصباح الأشعة تحت الحمراء LED 5 مم بغلاف شفاف - أبعاد 5 مم - جهد أمامي 1.8 فولت - شدة إشعاعية 4.81 ملي واط/ستراديان - ورقة البيانات الفنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُفصّل هذا المستند مواصفات ثنائي باعث للضوء (LED) عالي القدرة ومصغر للأشعة تحت الحمراء (IR)، مُحاط بغلاف بلاستيكي شفاف. الجهاز هو باعث ذو رؤية أمامية مُصمم للتطبيقات التي تتطلب إضاءة موثوقة بالأشعة تحت الحمراء. وظيفته الأساسية هي تحويل التيار الكهربائي إلى إشعاع تحت أحمر، يُستخدم عادةً في أنظمة الاستشعار والكشف والاتصالات، حيث يُقترن غالبًا بكاشف ضوئي متوافق.

2. تحليل مُعمّق للمعايير الفنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

صُمم الجهاز للعمل بشكل موثوق ضمن حدود بيئية وكهربائية محددة. تجاوز هذه الحدود قد يتسبب في تلف دائم.

• تبديد الطاقة:150 ملي واط. هذه هي أقصى قدرة يمكن للجهاز تبديدها بأمان على شكل حرارة تحت أي ظروف تشغيل.
• تيار الذروة الأمامي:2 أمبير. هذا هو أقصى تيار نابض مسموح به، محدد في ظروف 300 نبضة في الثانية بعرض نبضة 10 ميكروثانية. وهو أعلى بكثير من التصنيف المستمر، مما يسمح بانبعاثات ضوئية قصيرة وعالية الكثافة.
• التيار الأمامي المستمر:100 ملي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تطبيقه على الـ LED إلى أجل غير مسمى دون خطر التلف.
• الجهد العكسي:5 فولت. تطبيق جهد انحياز عكسي أكبر من هذه القيمة يمكن أن يؤدي إلى انهيار التقاطع شبه الموصل.
• نطاق درجة حرارة التشغيل:من -40°م إلى +85°م. يتم ضمان عمل الجهاز ضمن هذا النطاق لدرجة الحرارة المحيطة.
• نطاق درجة حرارة التخزين:من -55°م إلى +100°م. يمكن تخزين الجهاز دون تشغيل ضمن هذا النطاق الأوسع لدرجة الحرارة.
• درجة حرارة لحام الأطراف:260°م لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم الغلاف. هذا يُحدد تحمل المظهر الحراري لعمليات التجميع.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس هذه المعايير عند درجة حرارة محيطة قياسية تبلغ 25°م وتُحدد أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل العادية. شرط الاختبار لمعظم المعايير البصرية هو تيار أمامي (I_F) بقيمة 20 ملي أمبير.

• التوهين الإشعاعي عند الفتحة (E_e):0.64 ملي واط/سم² (الحد الأدنى). يقيس هذا القدرة الإشعاعية لكل وحدة مساحة عند فتحة الباعث. إنه معيار رئيسي للتطبيقات التي يوضع فيها الباعث بالقرب من كاشف.
• الشدة الإشعاعية (I_E):4.81 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى). هذه هي القدرة الإشعاعية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة (ستراديان). وهي المقياس الأساسي لـ "سطوع" خرج الـ LED في طيف الأشعة تحت الحمراء وهي حاسمة لحساب الإضاءة على مسافة.
• طول موجة الانبعاث الذروي (λ_الذروة):880 نانومتر (النمطي). يُصدر الجهاز ضوءًا تحت أحمر يتركز حول هذا الطول الموجي. هذا في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، وهي غير مرئية للعين البشرية ولكن يمكن للكاشفات الضوئية السيليكونية اكتشافها بسهولة.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):50 نانومتر (الحد الأقصى). يحدد هذا نطاق الطول الموجي الذي تكون فيه القدرة الضوئية المنبعثة على الأقل نصف قيمتها الذروية. تشير قيمة 50 نانومتر إلى ناتج طيفي عريض بشكل معتدل، وهو نموذجي لمصابيح الأشعة تحت الحمراء القياسية.
• الجهد الأمامي (V_F):1.3 فولت (الحد الأدنى)، 1.8 فولت (الحد الأقصى) عند I_F=20 ملي أمبير. هذا هو انخفاض الجهد عبر الـ LED أثناء التشغيل. وهو ضروري لتصميم دائرة تحديد التيار.
• 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):40° (النمطي). هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى (على المحور). توفر زاوية 40° شعاعًا عريضًا، مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب تغطية منطقة واسعة.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة تمثيلات بيانية لسلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

3.1 التوزيع الطيفي

يُظهر منحنى الناتج الطيفي (الشكل 1) الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد الانبعاث الذروي عند حوالي 880 نانومتر مع منحنى على شكل جرس مميز، يتضاءل على كلا الجانبين. يمكن تقدير نصف العرض بصريًا من هذا الرسم البياني.

3.2 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي

يوضح منحنى I-V (الشكل 3) العلاقة غير الخطية بين الجهد الأمامي المطبق والتيار الناتج. يُظهر خاصية التشغيل الأسي النموذجية للدايود. يمكن الرجوع إلى نطاق V_Fالمحدد عند 20 ملي أمبير على هذا المنحنى.

3.3 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا المنحنى (الشكل 5) كيف تزداد القدرة الضوئية الناتجة مع تيار القيادة. إنه خطي بشكل عام على نطاق كبير ولكنه قد يُظهر تشبعًا أو انخفاضًا في الكفاءة عند تيارات عالية جدًا. هذا الرسم البياني حاسم لتحديد تيار القيادة المطلوب لتحقيق مستوى إخراج مرغوب.

3.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة

يُظهر منحنى الاعتماد على درجة الحرارة (الشكل 4) أن القدرة الناتجة لـ LED تنخفض مع زيادة درجة حرارة التقاطع. هذه خاصية أساسية لمصادر الضوء شبه الموصلة. يسمح الرسم البياني للمصممين بتخفيض التصنيف المتوقع للإخراج لبيئات التشغيل ذات درجات الحرارة العالية.

3.5 مخطط الإشعاع

يوفر نمط الإشعاع القطبي (الشكل 6) تمثيلًا مرئيًا لزاوية الرؤية. يرسم الشدة النسبية مقابل الزاوية من المحور المركزي، مُظهرًا بوضوح نصف الزاوية 40° حيث تنخفض الشدة إلى 50%.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد الغلاف

يستخدم الجهاز غلافًا بلاستيكيًا شفافًا قياسيًا بقطر 5 مم، ذو رؤية أمامية (يشار إليه غالبًا باسم غلاف T-1 3/4). تشمل الملاحظات الأبعادية الرئيسية:

• يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات مع معادلاتها بالبوصة.
• ينطبق تسامح قياسي يبلغ ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• أقصى بروز للراتنج تحت الحافة هو 1.5 مم.
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم الغلاف.

الغلاف شفاف، مما يسمح لضوء الأشعة تحت الحمراء بالمرور بأقل امتصاص. الأطراف مصنوعة عادةً من سبيكة نحاسية مطلية بالقصدير.

4.2 تحديد القطبية

لهذا النمط من الأغلفة، يُشير الطرف الأطول عادةً إلى الأنود (التوصيل الموجب)، ويُشير الطرف الأقصر إلى الكاثود (التوصيل السالب). بالإضافة إلى ذلك، قد يكون للغلاف بقعة مسطحة على الحافة بالقرب من طرف الكاثود. يجب مراعاة القطبية الصحيحة لكي يصدر الجهاز الضوء.

5. إرشادات اللحام والتجميع

الحد الأقصى المطلق لحام الأطراف هو 260°م لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم الغلاف. هذا التصنيف مخصص لعمليات اللحام اليدوي أو لحام الموجة.

• لحام إعادة التدفق:على الرغم من عدم تحديده صراحةً لإعادة التدفق، فإن حد 260°م يشير إلى أنه قد يتحمل بعض أشكال إعادة التدفق. ومع ذلك، يُوصى بشدة باستخدام شكل ذي درجة حرارة ذروة أقل (مثل 245°م) ومعدلات صعود/هبوط مضبوطة لتقليل الإجهاد الحراري على الغلاف البلاستيكي والوصلات السلكية الداخلية.
• احتياطات عامة:تجنب الإجهاد الميكانيكي المفرط على الأطراف. لا تثني الأطراف عند جذر الغلاف. استخدم تبريدًا حراريًا مناسبًا أثناء اللحام إذا لزم الأمر.
• ظروف التخزين:قم بالتخزين في بيئة جافة ومضادة للكهرباء الساكنة ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد (-55°م إلى +100°م) لمنع امتصاص الرطوبة والتدهور الآخر.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

هذا الباعث للأشعة تحت الحمراء مناسب لمجموعة متنوعة من التطبيقات الكهروضوئية، بما في ذلك:

• كشف الأجسام والاستشعار:يُستخدم في مستشعرات القرب، وعَدّادات الأجسام، وأنظمة كشف المستوى، وغالبًا ما يُقترن بترانزستور ضوئي مثل سلسلة LTR-3208 المذكورة لتشكيل قاطع ضوئي أو مستشعر عاكس.
• أنظمة التحكم عن بُعد:يعمل كمرسل في أجهزة التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء للإلكترونيات الاستهلاكية.
• روابط البيانات الضوئية:تمكين اتصال بيانات تسلسلي لاسلكي قصير المدى.
• أنظمة الأمان:يُستخدم في الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء لكاميرات الرؤية الليلية أو كجزء من حزم كشف التسلل.

6.2 اعتبارات التصميم

• تحديد التيار:الـ LED هو جهاز مدفوع بالتيار. استخدم دائمًا مقاومًا محددًا للتيار على التوالي أو دائرة قيادة تيار ثابت لمنع تجاوز الحد الأقصى للتيار الأمامي المستمر، خاصةً لأن الجهد الأمامي له نطاق (1.3V-1.8V).
• إدارة الحرارة:على الرغم من أن تبديد الطاقة منخفض، فإن التشغيل بتيارات مستمرة عالية أو في درجات حرارة محيطة عالية سيقلل من الناتج وعمر التشغيل. تأكد من التهوية الكافية إذا لزم الأمر.
• المطابقة البصرية:تشير ورقة البيانات إلى أن الجهاز متطابق ميكانيكيًا وطيفيًا مع ترانزستورات ضوئية محددة. يضمن استخدام الكاشف الموصى به الحساسية المثلى عند طول موجة الذروة 880 نانومتر والمحاذاة الفيزيائية في الوحدات المجمعة.
• حماية الدائرة:فكر في إضافة حماية ضد طفرات الجهد العكسي أو التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، حيث أن أقصى جهد عكسي هو 5 فولت فقط.

7. المقارنة الفنية والتمييز

تشمل الميزات الرئيسية التي تميز باعث الأشعة تحت الحمراء هذا:

• نطاقات الشدة المختارة:يتم فرز الأجهزة أو اختيارها لتلبية مواصفات شدة إشعاعية محددة، مما يضمن الاتساق في الإنتاج.
• خرج طاقة عالي:الحد الأدنى للشدة الإشعاعية البالغ 4.81 ملي واط/ستراديان عند 20 ملي أمبير هو تنافسي لغلاف 5 مم قياسي، مما يوفر قوة إشارة جيدة.
• زاوية رؤية واسعة (40°):يوفر تغطية واسعة، وهو مفيد للاستشعار عن قرب والاستشعار العاكس حيث تكون المحاذاة أقل أهمية.
• غلاف شفاف:على عكس الأغلفة الملونة أو المنتشرة، تزيد العدسة الشفافة من خرج الضوء الأمامي وهي محايدة تجاه لون الضوء المنبعث، وهو مثالي لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء.
• مطابق لسلسلة الكاشف:هذا يبسط التصميم والتوريد للأنظمة التي تستخدم الترانزستور الضوئي المقترن، مما يضمن التوافق البصري والميكانيكي.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير الفنية)

8.1 ما قيمة المقاوم التي يجب أن أستخدمها مع مصدر طاقة 5 فولت؟

باستخدام قانون أوم (R = (V_المصدر- V_F) / I_F) وبافتراض أن I_Fالهدف هو 20 ملي أمبير، تعتمد قيمة المقاوم على V_Fالفعلية. لتصميم أسوأ حالة يضمن ألا يتجاوز التيار 20 ملي أمبير أبدًا، استخدم الحد الأدنى لـ V_F(1.3 فولت). R = (5V - 1.3V) / 0.02A = 185 أوم. أقرب قيمة قياسية هي 180 أوم. هذا يوفر أقصى تيار يبلغ ~20.6 ملي أمبير، وهو آمن. تصنيف الطاقة: P = I²R = (0.02)² * 180 = 0.072 واط، لذا فإن مقاوم 1/8 واط أو 1/4 واط كافٍ.

8.2 هل يمكنني تشغيله مباشرةً من طرف متحكم دقيق؟

عادةً، لا. لدى معظم أطراف الإدخال/الإخراج للأغراض العامة (GPIO) في المتحكمات الدقيقة حد تيار مصدر/مصرف يتراوح بين 20-40 ملي أمبير، وهو عند حافة نقطة تشغيل هذا الـ LED. حتى لو كان ضمن الحد، سينخفض جهد خرج الطرف تحت الحمل، مما يجعل التحكم في التيار غير دقيق. يُوصى دائمًا باستخدام ترانزستور (مثل NPN BJT أو N-channel MOSFET) كمفتاح يتم تشغيله بواسطة طرف المتحكم الدقيق للتحكم في تيار الـ LED بشكل مستقل.

8.3 كيف تؤثر درجة الحرارة على الأداء؟

كما هو موضح في الشكل 4، تنخفض الشدة الإشعاعية النسبية مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند +85°م، قد يكون الناتج 60-80% فقط من قيمته عند 25°م. على العكس من ذلك، في درجات الحرارة المنخفضة جدًا، قد يكون الناتج أعلى. يجب أخذ هذا في الاعتبار في حسابات حساسية النظام، خاصةً للتطبيقات الخارجية أو عالية الموثوقية. الجهد الأمامي (V_F) له أيضًا معامل درجة حرارة سالب، مما يعني أنه ينخفض قليلاً مع ارتفاع درجة الحرارة.

8.4 ما الفرق بين التوهين الإشعاعي عند الفتحة والشدة الإشعاعية؟

الشدة الإشعاعية (I_E, ملي واط/ستراديان)هي مقياس زاوي للقوة — تصف مقدار الطاقة المنبعثة في اتجاه محدد (لكل ستراديان). وهي مستقلة عن المسافة.التوهين الإشعاعي عند الفتحة (E_e, ملي واط/سم²)هو مقياس مساحي لكثافة الطاقة — يصف مقدار الطاقة التي تمر عبر وحدة مساحة عند فتحة المصدر. E_eأكثر صلة بالتطبيقات ذات المدى القريب جدًا حيث يكون الكاشف في الأساس على سطح الباعث، بينما I_Eيُستخدم مع قانون التربيع العكسي لحساب الإشعاع على مسافة.

9. دراسة حالة للتصميم والاستخدام

السيناريو: تصميم عداد أوراق لطابعة.

هناك حاجة إلى مستشعر قاطع ضوئي لحساب أوراق الورق التي تمر عبر آلية الطابعة. يحمل قوس على شكل حرف U باعث الأشعة تحت الحمراء على جانب وترانزستور ضوئي متطابق على الجانب الآخر. عندما لا يكون هناك ورق، يضرب ضوء الأشعة تحت الحمراء من الباعث الكاشف مباشرة، مما يجعله يوصل. عندما تمر ورقة عبر الفجوة، فإنها تحجب حزمة الأشعة تحت الحمراء، مما يتسبب في انخفاض توصيل الكاشف.

منطق اختيار المكونات:

• يتم اختيار باعث الأشعة تحت الحمراء هذا لـشدة إشعاعية عالية (4.81 ملي واط/ستراديان كحد أدنى)، مما يضمن وصول إشارة قوية إلى الكاشف حتى لو لم تكن محاذاة القوس مثالية أو إذا تراكم الغبار.
• إنزاوية الرؤية الواسعة 40°مفيدة لأنها توفر هامشًا لسوء المحاذاة الميكانيكية الطفيف بين الباعث والكاشف الموجود في ذراعي القوس المنفصلين.
• إنمطابقته الطيفية للترانزستور الضوئي LTR-3208يضمن أن الكاشف يكون أكثر حساسية عند طول موجة 880 نانومتر المنبعثة، مما يزيد من نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى الحد الأقصى.
• إنالغلاف الشفافمثالي لأنه لا يضعف ضوء الأشعة تحت الحمراء دون داعٍ.

تنفيذ الدائرة:يتم تشغيل الباعث بواسطة مصدر تيار ثابت 20 ملي أمبير للحصول على ناتج ثابت. يتم توصيل الترانزستور الضوئي في تكوين باعث مشترك مع مقاوم سحب لأعلى. يراقب مقارن أو طرف محول تناظري رقمي (ADC) في المتحكم الدقيق الجهد عند مجمع الترانزستور الضوئي. تسبب الورقة المارة انتقالًا مميزًا في الجهد، يتم عدّه بواسطة برنامج ثابت المتحكم الدقيق.

10. مقدمة عن مبدأ التشغيل

ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) هو ثنائي تقاطع p-n شبه موصل. عندما يتم تطبيق جهد أمامي يتجاوز الجهد المدمج للتقاطع، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة n عبر التقاطع إلى المنطقة p، ويتم حقن الفجوات من المنطقة p إلى المنطقة n. تندمج هذه حاملات الأقلية المحقونة (الإلكترونات في المنطقة p، الفجوات في المنطقة n) مع حاملات الأغلبية. في مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق مباشر مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو مركبات مماثلة تُستخدم لانبعاث الأشعة تحت الحمراء، يكون جزء كبير من عمليات الاندماج هذهإشعاعيًا.

أثناء الاندماج الإشعاعي، يتم إطلاق طاقة زوج الإلكترون-فجوة المندمج في شكل فوتون. يتم تحديد الطول الموجي (λ) لهذا الفوتون بواسطة طاقة فجوة النطاق (E_g) للمادة شبه الموصلة، وفقًا للمعادلة λ = hc / E_g، حيث h هو ثابت بلانك و c هي سرعة الضوء. لذروة انبعاث عند 880 نانومتر، تكون طاقة فجوة النطاق المقابلة حوالي 1.41 إلكترون فولت. يغلف الغلاف الإيبوكسي الشفاف رقاقة أشباه الموصلات، ويوفر الحماية الميكانيكية، ويعمل كعدسة لتشكيل نمط إشعاع الضوء المنبعث.

11. اتجاهات التكنولوجيا

بينما يظل المبدأ الأساسي لمصابيح الأشعة تحت الحمراء LED ثابتًا، تؤثر عدة اتجاهات على تطورها وتطبيقها:

• زيادة الطاقة والكفاءة:تؤدي التحسينات المستمرة في علوم المواد وتصميم الرقائق إلى أجهزة ذات شدة إشعاعية أعلى وكفاءة حائط-مقبس (القدرة الضوئية الخارجة / القدرة الكهربائية الداخلة)، مما يسمح إما بإشارات أكثر سطوعًا أو استهلاك طاقة أقل.
• التصغير:هناك اتجاه قوي نحو أغلفة الأجهزة ذات التركيب السطحي (SMD) (مثل 0805، 0603، مقياس الرقاقة) للتجميع الآلي، مما يقلل الحجم والتكلفة. يظل الغلاف ذو الثقب المار 5 مم شائعًا للنماذج الأولية، والاستخدام التعليمي، والتطبيقات التي تتطلب ناتجًا أعلى لكل جهاز أو تجميعًا يدويًا أسهل.
• تخصص الطول الموجي:بعد مصابيح LED الشائعة 850-940 نانومتر، هناك استخدام متزايد لأطوال موجية محددة لتطبيقات متخصصة، مثل 810 نانومتر لقياس التأكسج النبضي الطبي أو 1450 نانومتر لـ LiDAR الآمن للعين.
• التكامل:يتم دمج البواعث بشكل متزايد مع مشغلات، ومعدلات، وأحيانًا حتى كواشف في وحدات أو دوائر متكاملة واحدة، مما يبسط تصميم النظام لاتصالات البيانات والاستشعار.
• توسيع التطبيق:يستمر انتشار إنترنت الأشياء (IoT)، والأجهزة القابلة للارتداء، وليدار السيارات، والاستشعار الحيوي المتقدم (مثل التعرف على الوجه، وكشف الأوردة) في دفع الطلب على بواعث الأشعة تحت الحمراء الموثوقة منخفضة التكلفة ذات خصائص أداء محددة.