ورقة بيانات جهاز الإشعاع والكشف بالأشعة تحت الحمراء LTE-C9501 - الطول الموجي 940 نانومتر - تيار أمامي 20 مللي أمبير - جهد أمامي نموذجي 1.2 فولت - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد مكون LTE-C9501 منفصلاً للأشعة تحت الحمراء، مُصمم لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب إشعاعاً و كشفاً موثوقاً للأشعة تحت الحمراء. وهو جزء من خط إنتاج شامل يلبي احتياجات الأنظمة الإلكترونية الحديثة حيث يُعد الأداء العالي، والتغليف المدمج، والتوافق مع عمليات التجميع الآلي عوامل حاسمة.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الأساسية لهذا المكون امتثاله لمعايير RoHS والمنتجات الصديقة للبيئة، مما يضمن الود البيئي. يتم توريده على شريط ناقل بعرض 12 مم على بكرات قطرها 7 بوصات، مما يجعله متوافقاً تماماً مع معدات التركيب الآلي عالية السرعة المستخدمة في خطوط تجميع لوحات الدوائر المطبوعة الحديثة. كما أن تصميم العبوة متوافق مع عمليات لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء، وهو المعيار الصناعي لتقنية التركيب السطحي (SMT). تضمن عبوته القياسية EIA التوافق الميكانيكي مع المكونات الأخرى ومكتبات التصميم. يستهدف الجهاز أسواقاً مثل الإلكترونيات الاستهلاكية لأجهزة التحكم عن بُعد، والأنظمة الصناعية والتجارية لنقل البيانات اللاسلكية بالأشعة تحت الحمراء، وأنظمة الأمان لوظائف الإنذار والاستشعار.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يتم تعريف أداء LTE-C9501 من خلال مجموعة من الحدود القصوى المطلقة والخصائص الكهربائية/البصرية التفصيلية. فهم هذه المعلمات أمر ضروري لتصميم دائرة موثوقة.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي. تشمل الحدود الرئيسية تبديد طاقة قدره 100 ملي واط، وتيار أمامي ذروة يبلغ 800 مللي أمبير في ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، نبضة 10 ميكروثانية)، وتيار أمامي مستمر قدره 60 مللي أمبير. يمكن للجهاز تحمل جهد عكسي يصل إلى 5 فولت، على الرغم من أنه غير مصمم للعمل في حالة الانحياز العكسي. يتراوح نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، مع نطاق تخزين أوسع من -55 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. يمكن للمكون تحمل لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء بدرجة حرارة ذروة تبلغ 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 10 ثوانٍ.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

تحدد هذه المعلمات، المقاسة عند درجة حرارة محيطة قياسية تبلغ 25 درجة مئوية، أداء الجهاز في ظل ظروف التشغيل النموذجية. تتراوح شدة الإشعاع (I_E) من حد أدنى 1.0 ملي واط/ستراديان إلى حد أقصى 6.0 ملي واط/ستراديان عند تشغيله بتيار أمامي (I_F) قدره 20 مللي أمبير. الطول الموجي الذروي للإشعاع (λ_p) هو 940 نانومتر، وهو ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة وغير مرئي للعين البشرية. عرض النصف الطيفي (Δλ) هو عادة 50 نانومتر. الجهد الأمامي (V_F) هو عادة 1.2 فولت، ويتراوح من 1.1 فولت إلى 1.5 فولت عند I_F=20 مللي أمبير. التيار العكسي (I_R) هو بحد أقصى 10 ميكرو أمبير عند تطبيق جهد عكسي (V_R) قدره 5 فولت. زاوية المشاهدة (2θ_1/2) هي 20 درجة، مما يحدد الانتشار الزاوي للإشعاع تحت الأحمر المنبعث حيث تنخفض الشدة إلى نصف قيمتها على المحور.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

لضمان أداء متسق في الإنتاج، يتم فرز LTE-C9501 في مجموعات مختلفة بناءً على شدة إشعاعه. وهذا يسمح للمصممين باختيار المكونات التي تلبي متطلبات الإخراج المحددة لتطبيقهم.

3.1 تصنيف شدة الإشعاع

تصنف قائمة رموز التصنيف الأجهزة إلى ثلاث مجموعات بناءً على الحد الأدنى والأقصى لشدة الإشعاع المقاسة عند I_F=20 مللي أمبير. يغطي التصنيف A الأجهزة ذات الشدة من 1.0 إلى 2.0 ملي واط/ستراديان. يغطي التصنيف B من 2.0 إلى 3.0 ملي واط/ستراديان. يغطي التصنيف C من 3.0 إلى 6.0 ملي واط/ستراديان. يتم تطبيق تسامح +/-15% على الشدة داخل كل تصنيف. يساعد نظام التصنيف هذا في التطبيقات حيث تكون قوة الإشارة المتسقة أمراً بالغ الأهمية، كما هو الحال في روابط نقل البيانات أو أجهزة استشعار القرب.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر البيانات الرسومية نظرة أعمق حول كيفية تصرف الجهاز في ظل ظروف متغيرة، وهو أمر حيوي لتصميم نظام قوي.

4.1 توزيع الطيف

يُظهر منحنى توزيع الطيف (الشكل 1) شدة الإشعاع النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد الذروة عند 940 نانومتر وعرض النصف الطيفي البالغ 50 نانومتر، مما يشير إلى عرض النطاق الترددي للضوء تحت الأحمر المنبعث. هذه المعلومات مهمة لمطابقة الحساسية الطيفية لأجهزة الكشف الضوئي المقابلة ولتصفية ضوضاء الضوء المحيط.

4.2 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح هذا المنحنى (الشكل 2) العلاقة بين التيار الأمامي المسموح به ودرجة الحرارة المحيطة. مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي بسبب القيود الحرارية للوصلة شبه الموصلة. منحنى تخفيض التصنيف هذا ضروري لضمان عمل الجهاز ضمن نطاق التشغيل الآمن (SOA) في جميع الظروف البيئية.

4.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي

يُظهر منحنى خاصية التيار-الجهد (IV) (الشكل 3) العلاقة غير الخطية بين التيار الأمامي والجهد الأمامي. يساعد في تصميم دائرة تحديد التيار لثنائي الباعث الضوئي. شكل المنحنى نموذجي للثنائي، مع جهد تشغيل يبلغ حوالي 1 فولت.

4.4 شدة الإشعاع النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة والتيار الأمامي

يوضح الشكلان 4 و5 كيف تتغير قوة الإخراج البصرية مع درجة الحرارة وتيار التشغيل. ينخفض الإخراج بشكل عام مع زيادة درجة الحرارة (الشكل 4) ويزداد مع تيار التشغيل (الشكل 5)، وإن لم يكن بالضرورة خطياً. هذه المنحنيات ضرورية لتعويض الإخراج في البيئات متغيرة الحرارة أو لتصميم دوائر سطوع ثابت.

4.5 نمط الإشعاع

يمثل مخطط الإشعاع القطبي (الشكل 6) زاوية المشاهدة بصرياً. تكون الشدة أعلى على طول المحور المركزي (0 درجة) وتنخفض بشكل متماثل إلى نصف قيمتها عند +/-10 درجة من المحور، مما يؤكد مواصفات زاوية المشاهدة الإجمالية البالغة 20 درجة. هذا النمط مهم للمحاذاة البصرية في أنظمة مثل أجهزة التحكم عن بُعد أو روابط البيانات.

5. المعلومات الميكانيكية ومواصفات العبوة

5.1 الأبعاد الخارجية

توفر ورقة البيانات رسومات ميكانيكية مفصلة للمكون. يتم تحديد جميع الأبعاد بالمليمترات، مع تسامح قياسي يبلغ ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. العبوة هي شكل قياسي EIA مع عدسة بلاستيكية شفافة للإشعاع من الأعلى.

5.2 تخطيط لوحة اللحام المقترح

يتم توفير نمط أرضي موصى به (تصميم لوحة اللحام) لتخطيط لوحة الدوائر المطبوعة. يضمن اتباع هذه الأبعاد تكوين وصلة لحام صحيحة أثناء إعادة التدفق، وقوة ميكانيكية جيدة، ومحاذاة صحيحة للمكون.

5.3 أبعاد عبوة الشريط والبكرة

تُظهر الرسومات التفصيلية أبعاد الشريط الناقل والبكرة مقاس 7 بوصات المستخدمة للمناولة الآلية. تم تصميم جيوب الشريط لتثبيت المكون بشكل آمن، ويتم إغلاقها بشريط غطاء علوي. تحتوي كل بكرة على 2000 قطعة. يتوافق التغليف مع مواصفات ANSI/EIA 481-1-A-1994، مما يضمن التوافق مع معدات الاختيار والتركيب القياسية.

6. إرشادات اللحام والتركيب

6.1 معلمات لحام إعادة التدفق (Reflow)

يتم تضمين ملف تعريف مقترح لإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء للعمليات الخالية من الرصاص. تشمل المعلمات الرئيسية منطقة تسخين أولية من 150-200 درجة مئوية، ووقت تسخين أولي يصل إلى 120 ثانية كحد أقصى، ودرجة حرارة ذروة لا تتجاوز 260 درجة مئوية، ووقت فوق هذه الذروة لمدة 10 ثوانٍ كحد أقصى. يعتمد الملف الشخصي على معايير JEDEC لضمان لحام موثوق دون الإضرار بالمكون. يتم التأكيد على أن الملف الشخصي الأمثل قد يختلف بناءً على تصميم لوحة الدوائر المطبوعة المحدد، ومعجون اللحام، والفرن المستخدم.

6.2 ظروف التخزين

للتغليف غير المفتوح المقاوم للرطوبة مع مجفف، يجب تخزين المكونات عند 30 درجة مئوية أو أقل ورطوبة نسبية 90% أو أقل، مع فترة استخدام موصى بها خلال عام واحد. بمجرد فتح العبوة الأصلية، يجب ألا تتجاوز بيئة التخزين 30 درجة مئوية أو 60% رطوبة نسبية. يجب لحام المكونات التي تم إزالتها من عبوتها الأصلية بإعادة التدفق في غضون أسبوع واحد بشكل مثالي. للتخزين لفترات أطول خارج الكيس الأصلي، يجب الاحتفاظ بها في حاوية محكمة الغلق مع مجفف أو في مجفف نيتروجين. يجب تجفيف المكونات المخزنة لأكثر من أسبوع خارج العبوة الأصلية عند حوالي 60 درجة مئوية لمدة 20 ساعة على الأقل قبل التجميع لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة "الفرقعة" أثناء إعادة التدفق.

6.3 التنظيف

إذا كان التنظيف ضرورياً بعد اللحام، يُوصى باستخدام المذيبات القائمة على الكحول مثل كحول الأيزوبروبيل.

6.4 اللحام اليدوي

إذا كان اللحام اليدوي بمكواة مطلوباً، يجب ألا تتجاوز درجة حرارة طرف مكواة اللحام 300 درجة مئوية، ويجب أن يقتصر وقت التلامس على 3 ثوانٍ كحد أقصى لكل وصلة لحام.

7. توصيات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

يُعد LTE-C9501 مناسباً للاستخدام كباعث للأشعة تحت الحمراء في وحدات التحكم عن بُعد للإلكترونيات الاستهلاكية (التلفزيونات، أنظمة الصوت). كما أنه قابل للتطبيق في أنظمة نقل البيانات اللاسلكية بالأشعة تحت الحمراء قصيرة المدى، كما هو الحال في بعض روابط البيانات القديمة أو قياس عن بعد المستشعرات البسيطة. علاوة على ذلك، يمكن استخدامه في أنظمة إنذار الأمان كجزء من مستشعر كسر الشعاع بالأشعة تحت الحمراء أو في تطبيقات استشعار القرب.

7.2 اعتبارات التصميم

تشغيل التيار:استخدم دائماً مقاومة تحديد تيار على التوالي أو مشغل تيار ثابت لضبط التيار الأمامي (I_F). لا تتجاوز الحدود القصوى المطلقة للتيار المستمر أو النبضي. راجع منحنى تخفيض التصنيف للتشغيل في درجات الحرارة العالية.
التصميم البصري:ضع في اعتبارك زاوية المشاهدة البالغة 20 درجة عند تصميم العدسات أو العواكس لتجميع أو تركيز حزمة الأشعة تحت الحمراء. للاستقبال، تأكد من أن جهاز الكشف الضوئي المقترن (ثنائي ضوئي أو ترانزستور ضوئي) لديه حساسية طيفية مناسبة حول 940 نانومتر.
التصميم الكهربائي:على الرغم من أن الجهاز يمكنه تحمل جهد عكسي قدره 5 فولت، إلا أنه غير مصمم للعمل في حالة الانحياز العكسي. تأكد من أن تصميمات الدوائر تمنع تطبيق جهد عكسي كبير أثناء التشغيل العادي أو التغيرات العابرة.
إدارة الحرارة:تأكد من أن تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة يوفر تخفيفاً حرارياً كافياً، خاصة إذا كان التشغيل بالقرب من تصنيفات التيار القصوى، لمنع ارتفاع درجة الحرارة والتدهور المبكر.

7.3 احتياطات وموثوقية

يُقصد بالمكون استخدامه في المعدات الإلكترونية القياسية. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب موثوقية استثنائية حيث قد يعرض الفشل الحياة أو الصحة للخطر (مثل الطيران، الأجهزة الطبية، أنظمة السلامة)، تكون الاستشارة والتأهيل المحددان ضروريين. التزم دائماً بظروف التخزين والتعامل واللحام المحددة للحفاظ على موثوقية وأداء المكون.

8. المقارنة التقنية والتمييز

بينما تركز ورقة البيانات على جزء واحد، فإن المميزات الرئيسية لـ LTE-C9501 ضمن فئته تشمل طوله الموجي المحدد 940 نانومتر، والذي يوفر توازناً جيداً بين قوة الإخراج والتوافق مع أجهزة الكشف الضوئية المصنوعة من السيليكون مع كونه أقل وضوحاً من مصادر 850 نانومتر. العدسة الشفافة (على عكس الملونة) تعظم إخراج الضوء. تجعل عبوته وتوافقه مع عمليات SMT الآلية مناسبة للإنتاج الضخم. توفر مجموعات شدة الإشعاع المصنفة مرونة في التصميم وتحسين التكلفة بناءً على قوة الإشارة المطلوبة.

9. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هو الغرض من الطول الموجي 940 نانومتر؟
ج: ضوء الأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر غير مرئي للعين البشرية، مما يجعله مثالياً للتشغيل المتخفي في أجهزة التحكم عن بُعد وأنظمة الأمان. كما يتم اكتشافه بكفاءة بواسطة الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون الشائعة.

س: هل يمكنني تشغيل هذا الثنائي الباعث للضوء مباشرة من دبوس متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت أو 5 فولت؟
ج: لا. يجب عليك استخدام مقاومة تحديد تيار على التوالي. احسب قيمة المقاومة باستخدام قانون أوم: R = (V_المصدر- V_F) / I_F. على سبيل المثال، مع مصدر جهد 3.3 فولت، V_F=1.2 فولت، و I_F=20 مللي أمبير: R = (3.3 - 1.2) / 0.02 = 105 أوم. استخدم القيمة القياسية التالية، مثل 100 أوم.

س: ما الفرق بين شدة الإشعاع (ملي واط/ستراديان) وشدة الإضاءة؟
ج: تقيس شدة الإشعاع الطاقة البصرية (بالواط) لكل زاوية صلبة، وهي ذات صلة بجميع الأطوال الموجية. يتم ترجيح شدة الإضاءة بحساسية العين البشرية وتستخدم للضوء المرئي. نظراً لأن هذا جهاز يعمل بالأشعة تحت الحمراء، فإن شدة الإشعاع هي المقياس الصحيح.

س: لماذا تعتبر حساسية رطوبة التخزين مهمة؟
ج: يمكن للمكونات السطحية (SMD) المغلقة بالبلاستيك امتصاص الرطوبة من الهواء. أثناء الحرارة العالية لعملية لحام إعادة التدفق، يمكن لهذه الرطوبة المحتبسة أن تتبخر بسرعة، مما يتسبب في انفصال داخلي أو تشقق ("الفرقعة")، مما قد يدمر الجهاز. يمنع التخزين والتجفيف المناسبان حدوث ذلك.

10. أمثلة عملية للتصميم والاستخدام

المثال 1: جهاز إرسال بسيط للأشعة تحت الحمراء للتحكم عن بُعد:اقترن LTE-C9501 مع دائرة متكاملة للتعديل بتردد 38 كيلو هرتز (أو متحكم دقيق يولد إشارة PWM بتردد 38 كيلو هرتز) ومفتاح ترانزستور. تحدد مقاومة تحديد التيار I_Fإلى 20-40 مللي أمبير للحصول على مدى جيد. توفر الحزمة بزاوية 20 درجة منطقة تغطية معقولة لتوجيه جهاز التحكم عن بُعد نحو الجهاز.

المثال 2: مستشعر القرب بالأشعة تحت الحمراء:ضع باعث LTE-C9501 وترانزستور ضوئي مطابق جنباً إلى جنب، متجهين في نفس الاتجاه. سيعكس الجسم الذي يمر من الأمام ضوء الأشعة تحت الحمراء مرة أخرى إلى الكاشف. استخدم التشغيل النبضي للباعث والكشف المتزامن في دائرة المستقبل لرفض الضوء المحيط. يسمح نظام التصنيف باختيار باعث بإخراج كافٍ لمسافة الاستشعار المطلوبة.

المثال 3: رابط بيانات:لنقل البيانات التسلسلية البسيطة عبر مسافات قصيرة، قم بتشغيل الثنائي الباعث للضوء بإشارة البيانات من خلال دائرة تعزيز التيار. تدعم القدرة عالية السرعة للمادة شبه الموصلة الأساسية (المشار إليها في وصف خط الإنتاج) التعديل للبيانات. سيتم استخدام ثنائي ضوئي مطابق مع مضخم تحويل التيار إلى جهد في نهاية المستقبل.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

يُعد LTE-C9501، باعتباره باعثاً للأشعة تحت الحمراء، ثنائي باعث للضوء (LED). جوهره هو شريحة شبه موصلة، تُصنع عادةً من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) للإشعاع بطول 940 نانومتر. عند تطبيق جهد أمامي عبر وصلة P-N، تتحد الإلكترونات والفجوات، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يحدد التركيب المادي المحدد (فجوة النطاق) للمادة شبه الموصلة الطول الموجي للضوء المنبعث، والذي في هذه الحالة هو 940 نانومتر، في منطقة الأشعة تحت الحمراء. تقوم العبوة الإيبوكسية الشفافة بتغليف الشريحة، وتوفر الحماية الميكانيكية، وتدمج عدسة تشكل الضوء المنبعث في نمط زاوية المشاهدة المحدد البالغ 20 درجة.

12. الاتجاهات والتطورات التقنية

لا تزال المكونات المنفصلة للأشعة تحت الحمراء مثل LTE-C9501 لبنات أساسية في الإلكترونيات. تشمل الاتجاهات الرئيسية المؤثرة في هذا المجال الاستمرار في الطلب على التصغير والتكامل الأعلى، مما يؤدي إلى عبوات مجمعة قد تشمل كل من الباعث والكاشف في غلاف واحد. هناك أيضاً اتجاه نحو كفاءة أعلى (مزيد من الإخراج البصري لكل مدخل كهربائي) وسرعة أعلى لنقل بيانات أسرع. أصبح اعتماد عمليات التصنيع الخالية من الرصاص والمتوافقة مع RoHS، كما هو الحال في هذا المكون، معياراً عالمياً الآن. علاوة على ذلك، فإن التوافق مع معدات الاختيار والتركيب الآلية ولحام إعادة التدفق ضروري للإنتاج الضخم الفعال من حيث التكلفة. بينما أصبحت الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) والوحدات النمطية أكثر شيوعاً، تقدم المكونات المنفصلة مرونة في التصميم، ومزايا تكلفة على نطاق واسع، وغالباً ما تكون الحل المفضل للتصميمات البصرية المخصصة أو المحسنة.