ورقة بيانات مكون باعث ومستقبل الأشعة تحت الحمراء LTE-S9511T-E - الطول الموجي القياسي 940 نانومتر - زاوية رؤية 25 درجة - تبديد طاقة 100 ميلي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTE-S9511T-E مكونًا منفصلاً للأشعة تحت الحمراء مُصممًا لمجموعة واسعة من التطبيقات البصرية الإلكترونية. ينتمي إلى عائلة من الأجهزة المصممة هندسيًا لتقديم حلول تتطلب طاقة عالية وسرعة عالية وخصائص بصرية محددة. تم بناء المكون باستخدام تقنية زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وهي التقنية القياسية لبواعث الأشعة تحت الحمراء، لتحقيق مقاييس الأداء المستهدفة.

1.1 الميزات الأساسية والمزايا

يتضمن الجهاز عدة ميزات رئيسية تجعله مناسبًا لتجميع الإلكترونيات الحديثة والمعايير البيئية. فهو متوافق مع توجيهات RoHS، مما يصنفه كمنتج صديق للبيئة. تم تصميم التغليف لتكون له توافقية مع التصنيع بالحجم الكبير، حيث يتم توريده على شكل شريط بعرض 8 مم ملفوف على بكرات قطرها 7 بوصات، وهو متوافق مع معدات التركيب الآلي. علاوة على ذلك، يمكن للمكون تحمل عمليات لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء، وهو شرط حاسم لخطوط تجميع تقنية التركيب السطحي (SMT). يتوافق الغلاف نفسه مع معايير EIA، مما يضمن التوافقية الميكانيكية.

1.2 التطبيقات المستهدحة والسوق

التطبيق الأساسي لهذا المكون هو باعث للأشعة تحت الحمراء. تجعل خصائصه مناسبًا تمامًا للتكامل في أنظمة مثل أجهزة التحكم عن بعد للإلكترونيات الاستهلاكية، وروابط نقل البيانات اللاسلكية القائمة على الأشعة تحت الحمراء، وإنذارات الأمان، وتطبيقات الاستشعار الأخرى. وهو مخصص للتكوينات المثبتة على لوحات الدوائر المطبوعة، مما يوفر مصدرًا مضغوطًا وموثوقًا للضوء تحت الأحمر.

2. المواصفات الفنية والتفسير الموضوعي

يقدم هذا القسم تحليلاً موضوعياً مفصلاً للمعلمات الكهربائية والبصرية والحرارية للجهاز كما هي محددة في ورقة البيانات.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل العادي.

• تبديد الطاقة (Pd):100 ميلي واط. هذه هي أقصى كمية من الطاقة يمكن للجهاز تبديدها كحرارة دون تجاوز حدوده الحرارية.
• تيار الأمامي الذروي (I_FP):1 أمبير. هذا هو الحد الأقصى المسموح به للتيار في ظل ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية). وهو أعلى بكثير من تصنيف التيار المستمر، مما يسلط الضوء على قدرة الجهاز على التشغيل النبضي الشائع في نقل البيانات والتحكم عن بعد.
• تيار الأمامي المستمر (I_F):50 مللي أمبير. أقصى تيار أمامي مستمر يمكن للجهاز التعامل معه.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. تطبيق جهد عكسي أعلى من هذا يمكن أن يؤدي إلى انهيار وصلة أشباه الموصلات.
• نطاق درجة حرارة التشغيل (T_op):من -40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة الذي يتم فيه تحديد عمل الجهاز بشكل صحيح.
• نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg):من -55°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي.
• ظروف اللحام بالأشعة تحت الحمراء:يتحمل 260°C لمدة أقصاها 10 ثوانٍ. هذا يحدد تحمل ملف تعريف لحام إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

هذه هي معلمات الأداء النموذجية المقاسة عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C في ظل ظروف الاختبار المحددة.

• الشدة الإشعاعية (I_E):6.0 ميلي واط/ستراديان (نموذجي) عند I_F= 20 مللي أمبير. يقيس هذا الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة (ستراديان). إنها معلمة رئيسية لتحديد المدى الفعال وقوة الإشارة في التطبيق.
• الطول الموجي لذروة الانبعاث (λ_p):940 نانومتر (نموذجي). الطول الموجي الذي تكون فيه الطاقة البصرية المنبعثة في أقصى حد. هذا في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، غير مرئي للعين البشرية ولكنه يمكن اكتشافه بواسطة الصمامات الثنائية الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):50 نانومتر (نموذجي). يشير هذا إلى عرض النطاق الطيفي، أو نطاق الأطوال الموجية المنبعثة. قيمة 50 نانومتر شائعة في بواعث الأشعة تحت الحمراء القياسية المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم.
• جهد الأمامي (V_F):1.2 فولت (نموذجي)، 1.5 فولت (أقصى) عند I_F= 20 مللي أمبير. انخفاض الجهد عبر الجهاز عند مرور التيار. هذا أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة القيادة وحساب استهلاك الطاقة.
• التيار العكسي (I_R):10 ميكرو أمبير (أقصى) عند V_R= 5 فولت. تيار التسرب الصغير الذي يتدفق عندما يكون الجهاز متحيزًا عكسيًا.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):25 درجة (نموذجي). تُعرّف على أنها الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها على المحور المركزي. تشير زاوية 25 درجة إلى حزمة مركزة نسبيًا، مما يمكن أن يكون مفيدًا للاتصال الموجه أو الاستشعار.

3. تحليل منحنى الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح العلاقة بين المعلمات الرئيسية. هذه المنحنيات ضرورية لفهم سلوك الجهاز في ظل ظروف غير قياسية.

3.1 التوزيع الطيفي

يُظهر منحنى التوزيع الطيفي (الشكل 1) الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد الذروة عند حوالي 940 نانومتر وعرض النصف تقريبًا 50 نانومتر، مما يوفر تمثيلًا مرئيًا لنقاء الطيف للضوء المنبعث.

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

هذا المنحنى (الشكل 3) أساسي لأي جهاز أشباه موصلات. يظهر العلاقة غير الخطية بين التيار المار عبر باعث الأشعة تحت الحمراء والجهد عبره. سيتغير المنحنى مع درجة الحرارة، وهو أمر بالغ الأهمية لإدارة الحرارة في التصميم.

3.3 الاعتماد على درجة الحرارة

يصور الشكلان 2 و 4 كيفية تغير أداء الجهاز مع درجة الحرارة المحيطة. عادةً، يكون لجهد الأمامي للصمام الثنائي معامل درجة حرارة سالب (ينخفض مع زيادة درجة الحرارة)، بينما تنخفض قوة الخرج البصرية أيضًا بشكل عام مع ارتفاع درجة الحرارة. تسمح هذه الرسوم البيانية للمصممين بتخفيض تصنيف الأداء للبيئات عالية الحرارة.

3.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل تيار الأمامي

يوضح الشكل 5 كيف يتدرج خرج الضوء مع تيار القيادة. عادة ما يكون دون خطي؛ مضاعفة التيار لا تضاعف الخرج البصري. هذه العلاقة مهمة لتحديد نقطة التشغيل لتحقيق السطوع المطلوب أو قوة الإشارة بكفاءة.

3.5 نمط الإشعاع

يوضح الرسم البياني القطبي (الشكل 6) خريطة مفصلة للشدة المنبعثة كدالة للزاوية من المحور المركزي. يُظهر جهاز زاوية الرؤية 25 درجة هذا نمط حزمة يكون أقوى في المركز ويتلاشى نحو الحواف، وهو أمر بالغ الأهمية لتصميم النظام البصري، مثل المحاذاة مع مجال رؤية المستقبل.

4. المعلومات الميكانيكية والتغليف

4.1 الأبعاد الخارجية

توفر ورقة البيانات رسومات ميكانيكية مفصلة للمكون. تشمل الأبعاد الرئيسية حجم الجسم، وتباعد الأطراف، والارتفاع الكلي. يتميز المكون بغلاف بلاستيكي شفاف تمامًا مع عدسة رؤية جانبية، تشكل نمط إشعاع الضوء المنبعث. يتم توفير جميع الأبعاد الحرجة بتحمل قياسي يبلغ ±0.15 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.

4.2 تخطيط وسادة اللحام المقترح

تم تضمين نمط أرضي موصى به (البصمة) لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة. الالتزام بهذه الأبعاد أمر حيوي لضمان تكوين وصلة لحام مناسبة أثناء إعادة التدفق، وتحقيق قوة ميكانيكية جيدة، وتسهيل تبديد الحرارة من الجهاز.

4.3 تحديد القطبية

تطبق اصطلاحات قطبية الصمام الثنائي الباعث للضوء القياسية. يُشار إلى الكاثود عادةً بحافة مسطحة على جسم الغلاف، أو شق، أو طرف أقصر. يجب مراعاة القطبية الصحيحة أثناء التجميع لمنع التلف.

5. إرشادات التجميع والتعامل والموثوقية

5.1 دليل اللحام والتجميع

تم تصنيف الجهاز للحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء. تحدد ورقة البيانات معلمات الملف الشخصي الحرجة:

• التسخين المسبق:150–200°C.
• وقت التسخين المسبق:120 ثانية كحد أقصى.
• درجة الحرارة القصوى:260°C كحد أقصى.
• الوقت فوق درجة السيولة:10 ثوانٍ كحد أقصى (لحد أقصى دورتي إعادة تدفق).

للحام اليدوي بمكواة، التوصية هي درجة حرارة قصوى تبلغ 300°C لمدة لا تزيد عن 3 ثوانٍ لكل وصلة. تؤكد ورقة البيانات على أن الملف الشخصي الأمثل يعتمد على تصميم لوحة الدوائر المطبوعة المحدد، ومعجون اللحام، والفرن، وتوصي باستخدام ملفات تعريف قياسية من JEDEC كنقطة بداية.

5.2 ظروف التخزين

يحتوي المكون على مستوى حساسية الرطوبة (MSL) 3. هذا يعني:

• الكيس المغلق:يمكن تخزينه لمدة تصل إلى عام واحد عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية.
• بعد فتح الكيس:يجب تخزينه عند ≤30°C و ≤60% رطوبة نسبية. يجب إخضاع المكونات لإعادة التدفق في غضون أسبوع واحد (168 ساعة). إذا تم تخزينها لفترة أطول خارج الكيس الأصلي، فيجب تخزينها في خزانة جافة أو حاوية مغلقة مع مجفف. إذا تعرضت لأكثر من أسبوع، يلزم تجفيفها عند 60°C لمدة 20 ساعة على الأقل قبل اللحام لمنع تشقق الفشار أثناء إعادة التدفق.

5.3 التنظيف

إذا كان التنظيف ضروريًا بعد اللحام، فيجب استخدام المذيبات القائمة على الكحول فقط مثل كحول الأيزوبروبيل (IPA). قد تتسبب المواد الكيميائية القاسية أو العدوانية في تلف الغلاف البلاستيكي أو العدسة.

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد المكون في شريط حامل بارز مع شريط غطاء، ملفوف على بكرات قطرها 7 بوصات (178 مم). تحتوي كل بكرة على 3000 قطعة. يتوافق التغليف مع معايير ANSI/EIA-481-1-A-1994. تشمل المواصفات أبعاد الجيب، وعرض الشريط، وحجم محور البكرة لضمان التوافق مع آلات الاختيار والوضع الآلية.

7. اعتبارات تصميم التطبيق

7.1 تصميم دائرة القيادة

ملاحظة تصميم حرجة هي أن الصمام الثنائي الباعث للضوء هو جهاز يعمل بالتيار. تنصح ورقة البيانات بشدة بعدم توصيل عدة صمامات ثنائية باعثة للضوء مباشرة على التوازي من مصدر جهد واحد مع مقاوم واحد محدد للتيار (نموذج الدائرة B). بسبب الاختلافات الطبيعية في جهد الأمامي (V_F) للأجهزة الفردية، لن يتم توزيع التيار بالتساوي، مما يؤدي إلى اختلافات كبيرة في السطوع وإجهاد محتمل لأحد الأجهزة. الطريقة الموصى بها (نموذج الدائرة A) هي استخدام مقاوم محدد للتيار منفصل على التوالي مع كل صمام ثنائي باعث للضوء. هذا يضمن تيارًا موحدًا، وبالتالي شدة إشعاعية موحدة عبر جميع الأجهزة في المصفوفة.

7.2 إدارة الحرارة

بينما يكون تبديد الطاقة القصوى المطلقة 100 ميلي واط، يجب أن يظل التشغيل العملي أقل بكثير من هذا الحد، خاصة في درجات الحرارة المحيطة الأعلى. يجب الرجوع إلى منحنيات تخفيض التصنيف (الشكل 2، الشكل 4). من الضروري وجود مساحة كافية من النحاس على لوحة الدوائر المطبوعة (يساعد استخدام تخطيط الوسادة المقترح) لتوصيل الحرارة بعيدًا عن وصلة الجهاز للحفاظ على الأداء والعمر الطويل.

7.3 التصميم البصري

تؤثر زاوية الرؤية 25 درجة وغلاف العدسة الجانبية على كيفية توجيه طاقة الأشعة تحت الحمراء. للحصول على أداء مثالي في رابط استشعار أو اتصال، يجب محاذاة نمط إشعاع الباعث مع ملف تعريف الحساسية الزاوية للمستقبل. الرسم البياني للإشعاع (الشكل 6) ضروري لهذه المحاذاة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب نمط حزمة مختلف، قد تكون العدسات الخارجية أو العواكس ضرورية.

8. المقارنة الفنية والتمييز

يتم وضع LTE-S9511T-E، بطوله الموجي القياسي 940 نانومتر، لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء العامة. تشمل عوامل التمييز الرئيسية غلافه الجانبي، وهو مفيد للإضاءة الجانبية أو متطلبات المسار البصري المحددة، وتوافقه مع عمليات التجميع الآلي. مقارنة بالأجهزة ذات زوايا الرؤية الأوسع (مثل 60-120 درجة)، يقدم هذا المكون شدة محورية أعلى لتيار قيادة معين، مما يمكن أن يترجم إلى مدى أطول أو استهلاك طاقة أقل للروابط الموجهة. طوله الموجي 940 نانومتر هو معيار شائع، مما يضمن توافقية واسعة مع مستقبلات الأشعة تحت الحمراء والمرشحات المصممة لذلك الطيف.

9. الأسئلة المتكررة (بناءً على المعلمات الفنية)

س1: هل يمكنني تشغيل هذا الباعث للأشعة تحت الحمراء مباشرة من دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة؟

ج: يعتمد ذلك على قدرة دبوس GPIO على توفير التيار. عند تيار قيادة نموذجي يبلغ 20 مللي أمبير، يجب أن يكون GPIO قادرًا على توفير هذا القدر على الأقل. دائمًا ما تكون هناك حاجة إلى مقاوم على التوالي للحد من التيار، ويتم حسابه كالتالي: R = (V_supply- V_F) / I_F. لمصدر جهد 3.3 فولت و V_Fيساوي 1.2 فولت عند 20 مللي أمبير، R = (3.3 - 1.2) / 0.02 = 105 أوم. سيكون المقاوم 100 أوم خيارًا قياسيًا.

س2: ما الفرق بين الطول الموجي القياسي (λ_p) والطول الموجي السائد (λ_d)?

ج: الطول الموجي القياسي هو الطول الموجي عند النقطة القصوى لمنحنى توزيع القدرة الطيفية. يتم اشتقاق الطول الموجي السائد من قياس الألوان ويمثل اللون المُدرك. بالنسبة لبواعث الأشعة تحت الحمراء أحادية اللون، تكون عادةً قريبة جدًا، لكن λ_pهو المواصفة الفنية القياسية للأداء البصري الإلكتروني.

س3: لماذا يكون تصنيف التيار النبضي (1 أمبير) أعلى بكثير من تصنيف التيار المستمر (50 مللي أمبير)؟

ج: هذا بسبب القيود الحرارية. خلال نبضة قصيرة جدًا (10 ميكروثانية)، ليس لوصلة أشباه الموصلات الوقت لتسخين بشكل كبير، مما يسمح بتيار لحظي أعلى بكثير دون تجاوز درجة حرارة الوصلة القصوى. في التشغيل المستمر، تتراكم الحرارة باستمرار، لذلك يجب تحديد التيار للحفاظ على درجة الحرارة ضمن حدود آمنة.

10. أمثلة تطبيقية عملية

المثال 1: جهاز إرسال تحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء بسيط.يمكن استخدام LTE-S9511T-E باعتباره الباعث في جهاز تحكم عن بعد أساسي. تقوم وحدة تحكم دقيقة بتوليد إشارة رقمية معدلة (على سبيل المثال، حامل 38 كيلو هرتز) تتوافق مع بروتوكول أمر (مثل NEC، RC5). تقوم هذه الإشارة بتبديل ترانزستور يقود باعث الأشعة تحت الحمراء بتيار نبضي يصل إلى التصنيف الذروي 1 أمبير، مما يخلق دفقات من الضوء تحت الأحمر. تساعد الحزمة المركزة بزاوية 25 درجة على ضمان توجيه الإشارة نحو المستقبل.

المثال 2: مستشعر القرب أو اكتشاف الجسم.عند إقرانه بمستقبل ترانزستور ضوئي أو صمام ثنائي ضوئي منفصل، يمكن استخدام الباعث للكشف عن وجود أو غياب جسم ما. يضيء الباعث ضوء الأشعة تحت الحمراء عبر فجوة. عندما يعترض جسم ما الحزمة، تنخفض إشارة المستقبل، مما يؤدي إلى تشغيل حدث اكتشاف. يمكن أن يكون الغلاف الجانبي مفيدًا في تصميم مجموعات أجهزة استشعار مدمجة حيث يكون المسار البصري موازيًا للوحة الدوائر المطبوعة.

11. مبدأ التشغيل

LTE-S9511T-E هو صمام ثنائي باعث للضوء (LED) يعتمد على مادة أشباه الموصلات زرنيخيد الغاليوم (GaAs). عندما يتم تطبيق جهد أمامي عبر وصلة P-N، يتم حقن الإلكترونات والثقوب في المنطقة النشطة حيث تتحد. في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق المباشر مثل GaAs، يطلق هذا الاتحاد الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). تحدد فجوة النطاق الطاقي المحددة للمادة الطول الموجي للضوء المنبعث؛ بالنسبة لـ GaAs، يؤدي هذا إلى انبعاث الأشعة تحت الحمراء حول 940 نانومتر. العدسة الجانبية مصنوعة من الإيبوكسي الشفاف تمامًا الذي يغلف شريحة أشباه الموصلات ويشكل الضوء المنبعث إلى نمط الإشعاع المحدد.

12. السياق الصناعي والاتجاهات

تظل مكونات الأشعة تحت الحمراء المنفصلة مثل LTE-S9511T-E لبنات أساسية في الإلكترونيات. بينما تنمو وحدات المستشعرات المتكاملة (التي تجمع الباعث والمستقبل والمنطق في غلاف واحد) لتطبيقات محددة مثل استشعار الإيماءات، تقدم المكونات المنفصلة مرونة في التصميم وفعالية من حيث التكلفة للتطبيقات ذات الحجم الكبير، والقدرة على تحسين المسار البصري بشكل مستقل. تشمل الاتجاهات في الصناعة الطلب المستمر على التصغير، وكفاءة أعلى (مزيد من الخرج البصري لكل مدخل كهربائي)، وزيادة التوافق مع عمليات اللحام الخالية من الرصاص وعالية الحرارة. يتوافق جهاز RoHS والمنتج الصديق للبيئة هذا مع اللوائح البيئية العالمية التي تقود صناعة الإلكترونيات.