ورقة بيانات جهاز الإشعاع والكشف بالأشعة تحت الحمراء LTE-C216-P-W - عبوة 1206 (3.2x1.6x1.1 مم) - الطول الموجي القياسي 850 نانومتر - جهد التشغيل 1.4 فولت - تبديد الطاقة 100 ملي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

توضح هذه الوثيقة مواصفات مكون منفصل للإشعاع والكشف بالأشعة تحت الحمراء (IR). تم تصميم هذا الجهاز للتطبيقات التي تتطلب نقل واستقبال موثوق للإشارات تحت الحمراء. يجمع بين ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء (IRED) وعنصر استشعار داخل عبوة سطحية مدمجة واحدة. تعتمد التقنية الأساسية على مواد زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وزرنيخيد ألومنيوم الغاليوم (AlGaAs)، مُحسَّنة للعمل عند طول موجي قياسي يبلغ 850 نانومتر. يُستخدم هذا الطول الموجي بشكل شائع في الإلكترونيات الاستهلاكية ونقل البيانات نظرًا لتوازنه الجيد بين الأداء وتوفر المكونات.

الأهداف التصميمية الأساسية هي توفير حل يتميز بشدة إشعاعية عالية، وخصائص سرعة جيدة، وزاوية رؤية واسعة لتسهيل المحاذاة واستقبال الإشارة. يتم تغليف المكون في مقاس قياسي 1206، مما يجعله متوافقًا مع خطوط التجميع الآلي (pick-and-place) وعمليات اللحام بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء القياسية. ويُصنف على أنه منتج متوافق مع RoHS وصديق للبيئة.

1.1 الميزات والتطبيقات الرئيسية

يتضمن الجهاز عدة ميزات رئيسية تجعله مناسبًا للتصنيع الإلكتروني الحديث:

• الامتثال لمعايير RoHS والمنتجات الخضراء.
• مُعبأ في شريط ناقل 8 مم على بكرات قطر 7 بوصات للتجميع الآلي.
• متوافق مع معدات التركيب الآلي.
• مصمم لتحمل ملفات تعريف اللحام بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء القياسية.
• يتوافق مع أبعاد العبوة القياسية EIA.
• يبعث عند طول موجي قياسي (λp) يبلغ 850 نانومتر.
• يستخدم نوع العبوة السطحية الشائع 1206 (SMD).

تشمل التطبيقات النموذجية لهذا المكون، على سبيل المثال لا الحصر:

• باعث الأشعة تحت الحمراء لوحدات التحكم عن بُعد (مثل أجهزة التلفزيون، أنظمة الصوت).
• مستشعر الأشعة تحت الحمراء المثبت على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للكشف عن القرب، أو استشعار الأجسام، أو استقبال البيانات.
• روابط نقل البيانات اللاسلكية بالأشعة تحت الحمراء للاتصالات قصيرة المدى.
• أنظمة إنذار الأمان التي تستخدم حزم الأشعة تحت الحمراء.

2. الغوص العميق في المواصفات الفنية

يقدم هذا القسم تحليلاً مفصلاً وموضوعيًا لخصائص الجهاز الكهربائية والبصرية والحرارية. يتم تحديد جميع المعلمات عند درجة حرارة محيطة (TA) تبلغ 25 درجة مئوية ما لم يُذكر خلاف ذلك.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه الحدود القيم التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت أو عند هذه الظروف ويجب تجنبه في التصميمات الموثوقة.

• تبديد الطاقة (Pd):100 ملي واط. هذه هي أقصى طاقة إجمالية يمكن للعبوة تبديدها كحرارة.
• تيار التشغيل الذروي (IFP):800 مللي أمبير. هذا هو الحد الأقصى المسموح به للتيار النبضي، محدد في ظل ظروف 300 نبضة في الثانية بعرض نبضة 10 ميكروثانية.
• تيار التشغيل المستمر (IF):60 مللي أمبير. هذا هو الحد الأقصى لتيار التشغيل المستمر للعمل في الحالة المستقرة.
• الجهد العكسي (VR):5 فولت. أقصى جهد يمكن تطبيقه في الاتجاه العكسي عبر ثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء (IRED).
• نطاق درجة حرارة التشغيل:من -40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي صُمم الجهاز للعمل ضمنه.
• نطاق درجة حرارة التخزين:من -55°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي.
• ظروف اللحام بالأشعة تحت الحمراء:بحد أقصى 260°C لمدة 10 ثوانٍ. هذا يحدد حد درجة حرارة إعادة التدفق القصوى لعمليات اللحام الخالية من الرصاص.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

هذه هي معلمات الأداء النموذجية تحت ظروف التشغيل العادية. يجب على المصممين استخدام القيم النموذجية (Typ.) أو القصوى (Max.) حسب ما يناسب حسابات دائرة التصميم.

• الشدة الإشعاعية (IE):3.0 ملي واط/ستراديان (نموذجي) عند تيار تشغيل (IF) قدره 20 مللي أمبير. يقيس هذا الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة على طول المحور.
• الطول الموجي للانبعاث الذروي (λPeak):850 نانومتر (نموذجي). الطول الموجي الذي تكون عنده طاقة الخرج البصرية في أقصى حد لها.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):50 نانومتر (نموذجي). نطاق الطول الموجي الذي تكون فيه الطاقة المنبعثة على الأقل نصف الطاقة القصوى، مما يشير إلى نقاء الطيف.
• جهد التشغيل (VF):1.4 فولت (نموذجي)، 1.8 فولت (أقصى) عند IF=20 مللي أمبير. انخفاض الجهد عبر ثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء (IRED) عند التوصيل.
• التيار العكسي (IR):10 ميكرو أمبير (أقصى) عند جهد عكسي (VR) قدره 5 فولت. تيار التسرب الصغير عندما يكون الجهاز متحيزًا عكسيًا.
• زمن الصعود/الهبوط (Tr/Tf):20 نانو ثانية (نموذجي). الوقت الذي يستغرقه الخرج البصري للصعود من 10% إلى 90% (أو الهبوط من 90% إلى 10%) من قيمته النهائية، مما يشير إلى سرعة التبديل.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):100 درجة (نموذجي). الزاوية الكاملة التي تكون عندها الشدة الإشعاعية نصف الشدة على المحور. تجعل الزاوية الأوسع محاذاة الباعث والكاشف أقل حساسية.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة ضرورية لفهم سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة. تسمح هذه الرسوم البيانية للمصممين باستقراء الأداء بما يتجاوز المواصفات أحادية النقطة.

3.1 التوزيع الطيفي

يظهر منحنى التوزيع الطيفي الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. بالنسبة لهذا الجهاز، يتركز المنحنى حول 850 نانومتر مع نصف العرض المحدد البالغ 50 نانومتر. هذه المعلومات حاسمة لاختيار المرشحات البصرية المتوافقة لجانب الكاشف لرفض ضوضاء الضوء المحيط.

3.2 تيار التشغيل مقابل جهد التشغيل (منحنى I-V)

يوضح هذا المنحنى العلاقة غير الخطية بين التيار المار عبر ثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء (IRED) والجهد عبره. يظهر جهد التشغيل النموذجي وكيف يزداد VF مع زيادة IF. يستخدم المصممون هذا لحساب قيمة المقاوم التسلسلي اللازمة لتحديد التيار عند التشغيل من مصدر جهد.

3.3 تيار التشغيل مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح هذا الرسم البياني كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به لتيار التشغيل المستمر مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. لضمان الموثوقية، يجب تقليل تيار التشغيل عند درجات الحرارة المرتفعة للحفاظ على درجة حرارة التقاطع وتبديد الطاقة ضمن الحدود الآمنة.

3.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة

يظهر هذا المنحنى اعتماد طاقة الخرج البصرية على درجة الحرارة. عادةً، تنخفض الشدة الإشعاعية مع ارتفاع درجة حرارة التقاطع. يجب أخذ هذه الخاصية في الاعتبار في التطبيقات التي تتطلب خرجًا بصريًا مستقرًا على نطاق واسع من درجات الحرارة.

3.5 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل تيار التشغيل

هذا منحنى رئيسي يظهر طاقة الخرج البصرية كدالة لتيار التشغيل. يكون خطيًا بشكل عام على نطاق كبير ولكنه قد يشبع عند التيارات العالية جدًا. يستخدم المصممون هذا لتحديد تيار التشغيل المطلوب لتحقيق قوة إشارة محددة.

3.6 مخطط نمط الإشعاع

رسم قطبي يصور التوزيع المكاني للضوء المنبعث. يؤكد الرسم البياني زاوية الرؤية الواسعة البالغة 100 درجة، ويظهر كيف تتناقص الشدة عند الزوايا بعيدًا عن المحور المركزي. هذا النمط حاسم لتصميم المسار البصري والمحاذاة في النظام.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 المخطط التفصيلي وأبعاد العبوة

يستخدم الجهاز عبوة SMD قياسية 1206. تشمل الأبعاد الرئيسية طول الجسم حوالي 3.2 مم، وعرض 1.6 مم، وارتفاع 1.1 مم. توفر ورقة البيانات رسمًا تفصيليًا للأبعاد مع تفاوتات تبلغ عادةً ±0.1 مم. يُشار إلى القطب السالب عادةً بواسطة علامة أو شكل محدد للوسادة.

4.2 تخطيط وسادة اللحام المقترح

يتم توفير نمط أرضي (footprint) موصى به لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). يتضمن هذا أبعاد الوسادة، والتباعد، والشكل لضمان وصلة لحام موثوقة أثناء إعادة التدفق مع تقليل مخاطر "الانقلاب" (tombstoning) أو جسور اللحام. الالتزام بهذه التوصيات مهم لعائد التصنيع.

4.3 مواصفات تغليف الشريط والبكرة

يتم توريد المكونات في شريط ناقل بارز ملفوف على بكرات قطر 7 بوصات (178 مم). تشمل أبعاد الشريط الرئيسية تباعد الجيوب، وحجم الجيب، وعرض الشريط. تحتوي كل بكرة على 3000 قطعة. يتوافق التغليف مع معايير ANSI/EIA 481-1-A-1994، مما يضمن التوافق مع مغذيات التشغيل الآلي القياسية.

5. إرشادات التجميع والتعامل والتطبيق

5.1 عملية اللحام وإعادة التدفق

الجهاز متوافق مع عمليات اللحام بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء. يُقترح ملف تعريف درجة حرارة إعادة تدفق مفصل، متوافق مع معايير JEDEC للتجميع الخالي من الرصاص. تشمل المعلمات الرئيسية:

• التسخين المسبق:150-200°C لمدة تصل إلى 120 ثانية كحد أقصى.
• درجة الحرارة القصوى:260°C كحد أقصى.
• الوقت فوق السائل:يجب ألا يتعرض المكون لدرجات حرارة أعلى من 260°C لأكثر من 10 ثوانٍ، ويجب ألا يتم إعادة التدفق أكثر من مرتين.

للحام اليدوي باستخدام المكواة، التوصية هي أقصى درجة حرارة طرف 300°C لمدة لا تزيد عن 3 ثوانٍ لكل وصلة. يُؤكد على أن ملف التعريف الأمثل يعتمد على تصميم لوحة الدوائر المطبوعة المحدد، ومعجون اللحام، والفرن، لذا فإن توصيف العملية ضروري.

5.2 التخزين والحساسية للرطوبة

المكونات حساسة للرطوبة. في كيسها الأصلي المحكم المضاد للرطوبة مع مجفف، يجب تخزينها عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية (RH) واستخدامها خلال عام واحد. بمجرد فتح الكيس، يجب ألا تتجاوز بيئة التخزين 30°C / 60% RH. يجب إعادة تدفق المكونات التي تم إزالتها من التغليف الأصلي خلال أسبوع واحد. للتخزين لفترات أطول خارج الكيس الأصلي، يجب تخزينها في حاوية محكمة مع مجفف أو في مجفف نيتروجين. تتطلب المكونات المخزنة بدون تغليف لأكثر من أسبوع الخبز (على سبيل المثال، عند 60°C لمدة 20 ساعة) قبل اللحام لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة "الفرقعة" (popcorning) أثناء إعادة التدفق.

5.3 التنظيف

إذا كان التنظيف مطلوبًا بعد اللحام، فيجب استخدام المذيبات القائمة على الكحول مثل كحول الأيزوبروبيل (IPA) فقط. يجب تجنب المنظفات الكيميائية القاسية أو العدوانية لأنها قد تتلف عدسة الإيبوكسي الخاصة بالعبوة.

5.4 طريقة التشغيل وتصميم الدائرة

ملاحظة تصميم حرجة هي أن الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) هو جهاز يعمل بالتيار. عند تشغيل باعث الأشعة تحت الحمراء، يكون المقاوم المحدد للتيار على التوالي إلزاميًا عند استخدام مصدر جهد. يحدد هذا المقاوم تيار التشغيل (IF) إلى القيمة المطلوبة، محسوبًا باستخدام قانون أوم: R = (Vcc - VF) / IF. علاوة على ذلك، عند توصيل عدة باعثات على التوازي، يجب استخدام مقاوم محدد للتيار منفصل لكل جهاز لضمان تجانس الشدة، حيث يمكن أن يختلف جهد التشغيل (VF) قليلاً من وحدة إلى أخرى.

5.5 احتياطات التطبيق والاستخدام المقصود

المكون مخصص للمعدات الإلكترونية العامة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب موثوقية استثنائية حيث قد يعرض الفشل الحياة أو الصحة للخطر (مثل الطيران، الطبية، أنظمة سلامة النقل)، يلزم استشارة وتأهيل محددين، لأن هذه تتجاوز نطاق مواصفات الدرجة التجارية القياسية المقدمة في ورقة البيانات هذه.

6. المقارنة الفنية واعتبارات التصميم

مقارنةً بثنائيات الباعث للأشعة تحت الحمراء أو كواشف الضوء المنفصلة البسيطة، يقدم هذا الزوج المتكامل من الباعث والكاشف في عبوة واحدة تبسيطًا في التصميم من خلال ضمان خصائص بصرية متطابقة وقرب مادي، مما يمكن أن يكون مفيدًا للاستشعار العاكس. الطول الموجي 850 نانومتر أقل وضوحًا للعين البشرية من 940 نانومتر، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات حيث يكون التوهج الأحمر الخافت مقبولاً أو حتى يُستخدم كمؤشر حالة. زاوية الرؤية البالغة 100 درجة واسعة بشكل ملحوظ، مما يقلل من متطلبات دقة المحاذاة مقارنة بالأجهزة ذات الحزمة الأضيق.

يجب على المصممين النظر بعناية في المقايضة بين تيار التشغيل، والشدة الإشعاعية، وعمر الجهاز/توليد الحرارة. سيؤدي التشغيل عند أو بالقرب من الحدود القصوى المطلقة للتيار أو درجة الحرارة إلى تسريع الشيخوخة وتقليل الموثوقية طويلة المدى. يُوصى بتخطيط كافٍ للوحة الدوائر المطبوعة لتبديد الحرارة، خاصةً إذا كان التشغيل عند دورات عمل عالية أو درجات حرارة محيطة مرتفعة.

7. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات الفنية)

س: هل يمكنني تشغيل هذا الباعث للأشعة تحت الحمراء (IRED) مباشرة من دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة (microcontroller)؟

ج: لا. عادةً لا يمكن لدبوس وحدة التحكم الدقيقة توفير 20-60 مللي أمبير بأمان. يجب عليك استخدام GPIO للتحكم في ترانزستور (مثل MOSFET أو BJT) يقوم بتبديل التيار الأعلى من مصدر طاقة، مع مقاوم تسلسلي لضبط التيار المحدد.

س: ما الفرق بين الطول الموجي القياسي (λp) والطول الموجي السائد (λd)؟

ج: الطول الموجي القياسي هو نقطة أقصى طاقة طيفية. يتم اشتقاق الطول الموجي السائد من إدراك اللون على مخطط اللونية ويمثل طولًا موجيًا واحدًا يتطابق مع اللون المُدرك. بالنسبة لأجهزة الأشعة تحت الحمراء أحادية اللون، غالبًا ما يكونان متقاربين جدًا.

س: كيف أتصل بجانب الكاشف لهذا المكون؟

ج: تركز ورقة البيانات بشكل أساسي على خصائص الباعث. سيكون للكاشف (الصمام الثنائي الضوئي أو الترانزستور الضوئي) مجموعة المعلمات الخاصة به (التيار المظلم، الاستجابة، إلخ.) غير المدرجة بالكامل هنا. عادةً، يكون ناتج الكاشف تيارًا صغيرًا يتناسب مع ضوء الأشعة تحت الحمراء المستلم، والذي عادةً ما يتم تحويله إلى جهد باستخدام مضخم تحويل التيار إلى جهد (transimpedance amplifier) أو مقاوم حمل بسيط للكشف الرقمي بالعتبة.

س: لماذا حالة رطوبة التخزين مهمة جدًا؟

ج: يمكن لعبوات SMD امتصاص الرطوبة من خلال مركب التشكيل البلاستيكي. أثناء الحرارة العالية لعملية اللحام بإعادة التدفق، يمكن لهذه الرطوبة المحتبسة أن تتبخر بسرعة، مما يخلق ضغطًا داخليًا يمكن أن يتسبب في تشقق العبوة أو فصل الروابط الداخلية - وهو فشل يُعرف باسم "الفرقعة" (popcorning). تمنع إرشادات التخزين والخبز حدوث ذلك.

8. مثال تطبيقي عملي

حالة تصميم: مستشعر قرب/عائق بسيط

استخدام شائع هو مستشعر قطع الحزمة. يتم تشغيل الباعث بتيار نابض (على سبيل المثال، نبضات 20 مللي أمبير عند 38 كيلو هرتز) لتمييز إشارته عن الأشعة تحت الحمراء المحيطة. يستقبل الكاشف، الموضوع على مسافة قصيرة، هذه الإشارة. عندما يعترض جسم ما الحزمة، تنخفض الإشارة المستلمة. يتم تغذية ناتج الكاشف إلى دائرة متكاملة مستقبلة مزيلة للتضمين (demodulating receiver IC) أو وحدة تحكم دقيقة (microcontroller) مع منطق ترشيح لاكتشاف غياب تردد الموجة الحاملة، مما يؤدي إلى تشغيل خرج. تُبسط زاوية الرؤية الواسعة محاذاة الباعث والكاشف على جانبي المسار الذي تتم مراقبته.

9. مبدأ التشغيل

يعمل الجهاز على مبادئ الكهرضوئية الأساسية. الباعثهو ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء (IRED). عندما يكون متحيزًا أماميًا، تتحد الإلكترونات والفجوات في منطقة النشاط في أشباه الموصلات (GaAs/AlGaAs)، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات. يحدد فجوة النطاق (bandgap) للمادة طاقة الفوتون وبالتالي الطول الموجي، وهو 850 نانومتر في هذه الحالة. الكاشفهو عادةً صمام ثنائي ضوئي أو ترانزستور ضوئي مصنوع من السيليكون. عندما تضرب الفوتونات ذات الطاقة الكافية (أطوال موجية تصل عادةً إلى ~1100 نانومتر للسيليكون) منطقة الاستنزاف (depletion region) للكاشف، فإنها تولد أزواج إلكترون-فجوة. في الصمام الثنائي الضوئي، يخلق هذا تيارًا ضوئيًا عندما يكون متحيزًا عكسيًا. في الترانزستور الضوئي، يعمل التيار الضوئي كتيار قاعدة، مما يتسبب في تدفق تيار مجمع أكبر، مما يوفر كسبًا داخليًا.

10. اتجاهات التكنولوجيا

في مجال مكونات الأشعة تحت الحمراء المنفصلة، تشمل الاتجاهات تطوير أجهزة ذات طاقة خرج أعلى لمدى أطول، وسرعة محسنة لنقل بيانات أسرع، وترشيح طيفي محسن مدمج في عبوة الكاشف لتحقيق نسب إشارة إلى ضوضاء أعلى في البيئات ذات الإضاءة المحيطة القوية. هناك أيضًا اتجاه نحو التصغير بما يتجاوز عبوة 1206 (مثل 0805، 0603) لتوفير مساحة اللوحة، وإن كان ذلك غالبًا على حساب الطاقة البصرية أو زاوية الرؤية. يستمر السعي لتحقيق موثوقية وأداء أعلى في التطبيقات السياراتية والصناعية في دفع تطوير مكونات ذات نطاقات تشغيل أوسع لدرجة الحرارة وتغليف أكثر متانة.