ورقة بيانات مكون الأشعة تحت الحمراء LTE-S9511-E - طول موجي 940 نانومتر - تيار أمامي 20 مللي أمبير - جهد أمامي 1.5 فولت - تبديد طاقة 100 ملي واط - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

مكون LTE-S9511-E هو مكون منفصل للأشعة تحت الحمراء مصمم لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب انبعاثًا و كشفًا موثوقًا للأشعة تحت الحمراء. وهو جزء من خط إنتاج شامل يلبي احتياجات الحلول ذات الطاقة العالية، السرعة العالية، وزوايا الرؤية الواسعة في مجال الأشعة تحت الحمراء.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تم هندسة هذا المكون لتلبية معايير التصنيع والبيئة الحديثة. إنه منتج صديق للبيئة متوافق مع توجيه RoHS، ويتم توريده على شريط بعرض 8 مم ملفوف على بكرات قطرها 13 بوصة ليتوافق مع معدات التركيب الآلي عالية السرعة. يدعم تصميمه عمليات لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء، مما يجعله مناسبًا لتجميع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) بكميات كبيرة. تشمل التطبيقات المستهدفة الرئيسية أنظمة التحكم عن بُعد، وحدات نقل البيانات اللاسلكية بالأشعة تحت الحمراء، أنظمة الإنذار الأمني، ومختلف الإلكترونيات الاستهلاكية والصناعية الأخرى التي تتطلب استشعارًا أو إشارات بالأشعة تحت الحمراء.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

تحدد المعلمات التالية الحدود التشغيلية وخصائص أداء الجهاز تحت الظروف القياسية (درجة حرارة المحيط = 25°م).

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات الحدود التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للجهاز. وهي ليست للتشغيل المستمر.

• تبديد الطاقة (Pd):100 ملي واط. هذه هي أقصى كمية من الطاقة يمكن للجهاز تبديدها على شكل حرارة.
• تيار الذروة الأمامي (I_FP):1 أمبير. هذا هو أقصى تيار نابض مسموح به تحت ظروف محددة (300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية).
• تيار التيار المستمر الأمامي (I_F):50 مللي أمبير. أقصى تيار أمامي مستمر للتشغيل الموثوق.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. لم يتم تصميم الجهاز للعمل بتحيز عكسي؛ قد يتسبب تجاوز هذا الجهد في انهيار الجهاز.
• نطاق درجة حرارة التشغيل (T_opr):من -40°م إلى +85°م. نطاق درجة حرارة المحيط للوظيفة الطبيعية للجهاز.
• نطاق درجة حرارة التخزين (T_stg):من -55°م إلى +100°م.
• ظروف اللحام بالأشعة تحت الحمراء:يتحمل 260°م لمدة أقصاها 10 ثوانٍ، مما يحدد تحمل ملف تعريف إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

هذه هي معلمات الأداء النموذجية المقاسة تحت ظروف اختبار محددة.

• الشدة الإشعاعية (I_E):4.0 (الحد الأدنى)، 6.0 (النموذجي) ملي واط/ستراديان. مقاسة عند I_F= 20 مللي أمبير. يشير هذا إلى ناتج الطاقة البصرية لكل زاوية صلبة.
• طول موجة الانبعاث الذروي (λ_Peak):940 نانومتر (النموذجي). الطول الموجي الذي يكون فيه الإشعاع تحت الأحمر المنبعث أقوى.
• عرض النصف الطيفي (Δλ):50 نانومتر (النموذجي). عرض النطاق الترددي للطيف المنبعث عند نصف شدة الذروة.
• الجهد الأمامي (V_F):1.2 (النموذجي)، 1.5 (الحد الأقصى) فولت. مقاسة عند I_F= 20 مللي أمبير. انخفاض الجهد عبر الجهاز عند التوصيل.
• التيار العكسي (I_R):10 ميكرو أمبير (الحد الأقصى). مقاسة عند V_R= 5 فولت. تيار تسرب صغير تحت التحيز العكسي.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):20 (الحد الأدنى)، 25 (النموذجي) درجة. الزاوية الكاملة حيث تنخفض الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها على المحور.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتوفر الجهاز في درجات أداء مختلفة، أو "صناديق"، بناءً على الشدة الإشعاعية. هذا يسمح للمصممين باختيار مكون يطابق بدقة متطلبات حساسية التطبيق أو طاقة الخرج.

تحدد قائمة رموز الصناديق الحد الأدنى والأقصى للشدة الإشعاعية لكل درجة عند تيار اختبار قدره 20 مللي أمبير:

• الصندوق K:من 4 إلى 6 ملي واط/ستراديان
• الصندوق L:من 5 إلى 7.5 ملي واط/ستراديان
• الصندوق M:من 6 إلى 9 ملي واط/ستراديان
• الصندوق N:من 7 إلى 10.5 ملي واط/ستراديان

يضمن اختيار رمز صندوق أعلى (مثل N بدلاً من K) عادةً حدًا أدنى أعلى للناتج البصري، مما يمكن أن يكون حاسمًا لتحقيق مدى أطول أو نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل في النظام.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات للخصائص توضح سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة. هذه المنحنيات أساسية لتصميم الدوائر التفصيلي وفهم المقايضات في الأداء.

4.1 التوزيع الطيفي

يظهر منحنى (الشكل 1) الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الطول الموجي. يؤكد انبعاث الذروة عند 940 نانومتر وعرض النصف الطيفي التقريبي البالغ 50 نانومتر، وهو نموذجي لبواعث الأشعة تحت الحمراء القائمة على زرنيخيد الغاليوم (GaAs). هذا الطيف الواسع مناسب للاستخدام مع الكواشف الضوئية السيليكونية، والتي تتمتع بحساسية واسعة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة.

4.2 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى I-V)

يصور هذا المنحنى (الشكل 3) العلاقة غير الخطية بين التيار والجهد. يظهر أن الجهد الأمامي يزداد مع التيار، بدءًا من حوالي 1.0 فولت ويقترب من 1.5 فولت عند 100 مللي أمبير. هذا المنحنى حيوي لتصميم دائرة تحديد التيار.

4.3 خصائص درجة الحرارة

توضح منحنيات متعددة اعتماد الجهاز على درجة حرارة المحيط (T_a).

- التيار الأمامي مقابل درجة حرارة المحيط (الشكل 2):على الأرجح يوضح كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي مع زيادة درجة حرارة المحيط لمنع تجاوز حد تبديد الطاقة.

- الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة حرارة المحيط (الشكل 4):يوضح أن طاقة الخرج البصرية تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة. معامل الحرارة السالب هذا هو اعتبار رئيسي للتطبيقات التي تعمل في بيئات حرارية متغيرة، حيث قد يتطلب تعويضًا حراريًا في دائرة القيادة أو الاستقبال للحفاظ على أداء ثابت.

4.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي

يظهر هذا المنحنى (الشكل 5) أن الشدة الإشعاعية تتناسب بشكل عام مع التيار الأمامي، ولكن العلاقة قد تصبح دون خطية عند تيارات عالية جدًا بسبب التسخين وانخفاض الكفاءة. يساعد في تحديد تيار التشغيل الأمثل لمستوى الخرج المطلوب.

4.5 مخطط الإشعاع

يمثل المخطط القطبي (الشكل 6) زاوية الرؤية بصريًا. تكون الشدة أعلى عند 0° (على المحور) وتتناقص بشكل متماثل، لتصل إلى النصف عند حوالي ±12.5° (لزاوية رؤية 25°). هذا النمط حاسم لمحاذاة الباعث مع الكاشف أو لتصميم البصريات لتشكيل الحزمة.

5. المعلومات الميكانيكية والتغليف

5.1 الأبعاد الخارجية

يتوافق الجهاز مع عبوة قياسية من معهد EIA. تشمل الأبعاد الرئيسية حجم الجسم، تباعد الأطراف، والارتفاع الكلي. جميع الأبعاد مقدمة بالمليمترات مع تسامح نموذجي يبلغ ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. تتميز العبوة بعدسة بلاستيكية شفافة تمامًا بتكوين رؤية جانبية، مما يوجه الضوء المنبعث بشكل عمودي على مستوى لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

5.2 الأبعاد المقترحة لوسادة اللحام

يوفر مخطط الأبعاد الموصى بها لنمط أرضية PCB لضمان تكوين وصلة لحام مناسبة واستقرار ميكانيكي أثناء وبعد عملية إعادة التدفق. الالتزام بهذه الإرشادات أمر بالغ الأهمية لعائد التصنيع والموثوقية طويلة المدى.

5.3 تحديد القطبية

يُشار إلى الكاثود عادةً بجانب مسطح، أو شق، أو طرف أقصر على العبوة. يجب مراعاة القطبية الصحيحة أثناء التجميع، حيث أن تطبيق جهد عكسي يتجاوز الحد الأقصى للتصنيف يمكن أن يتلف الجهاز على الفور.

6. إرشادات اللحام والتجميع

6.1 معلمات لحام إعادة التدفق

يتوافق الجهاز مع عمليات إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء. تشمل الظروف الموصى بها:

- التسخين المسبق:من 150 إلى 200°م لمدة أقصاها 120 ثانية.

- درجة حرارة الذروة:260°م كحد أقصى.

- الوقت فوق درجة السيولة:10 ثوانٍ كحد أقصى (لحد أقصى دورتين لإعادة التدفق).

تتوافق هذه المعلمات مع معايير JEDEC ومواصفات معجون اللحام الخالي من الرصاص الشائعة. يجب توصيف ملف التعريف لتصميم PCB المحدد، المكونات، والفرن المستخدم.

6.2 ظروف التخزين

يتمتع الجهاز بمستوى حساسية الرطوبة (MSL) 3.

- العبوة المغلقة:قم بالتخزين عند ≤30°م و ≤90% رطوبة نسبية. الاستخدام خلال سنة واحدة من تاريخ ختم الكيس.

- العبوة المفتوحة:للمكونات المزالة من الكيس المضاد للرطوبة، يجب ألا تتجاوز بيئة التخزين 30°م/60% رطوبة نسبية. يوصى بإكمال إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء خلال أسبوع واحد (168 ساعة). للتخزين لفترات أطول خارج التغليف الأصلي، استخدم حاوية محكمة الإغلاق مع مجفف. يجب خبز المكونات المخزنة لأكثر من أسبوع عند حوالي 60°م لمدة 20 ساعة على الأقل قبل اللحام لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة "انفشار الذرة" أثناء إعادة التدفق.

6.3 التنظيف

إذا كان التنظيف ضروريًا بعد اللحام، استخدم المذيبات القائمة على الكحول مثل كحول الأيزوبروبيل. يجب تجنب المواد الكيميائية القاسية أو العدوانية.

7. التغليف ومعلومات الطلب

7.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد الجهاز على شريط حامل بعرض 8 مم ملفوف على بكرات قطرها 13 بوصة (330 مم). تحتوي كل بكرة على حوالي 9000 قطعة. يتوافق التغليف مع مواصفات ANSI/EIA 481-1-A-1994. يحتوي الشريط على غطاء علوي محكم، ويُسمح بحد أقصى جيبين متتاليين فارغين للمكونات.

8. اقتراحات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• أجهزة التحكم عن بُعد:للتلفزيونات، أنظمة الصوت، والإلكترونيات الاستهلاكية الأخرى.
• نقل البيانات بالأشعة تحت الحمراء:اتصال لاسلكي أحادي الاتجاه قصير المدى لأجهزة الاستشعار أو إشارات التحكم.
• أنظمة الأمان:كجزء من حزم كشف التسلل أو أجهزة استشعار القرب.
• كشف الأجسام:أجهزة استشعار مثبتة على PCB للعد، استشعار الموضع، أو كشف الحواف.

8.2 اعتبارات التصميم وطريقة القيادة

ثنائي الباعث للضوء (LED) هو جهاز يعمل بالتيار. لضمان شدة ثابتة وعمر أطول، يجب تشغيله بمصدر تيار أو مصدر جهد مع مقاومة محددة للتيار متسلسلة. يمكن حساب قيمة المقاومة (R_s) باستخدام قانون أوم: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. حيث V_Fهو الجهد الأمامي من ورقة البيانات عند تيار التشغيل المطلوب I_F. عند تشغيل عدة ثنائيات باعثة للضوء على التوازي، يوصى بشدة باستخدام مقاومة محددة للتيار منفصلة لكل ثنائي باعث للضوء لمنع احتكار التيار بسبب اختلافات طفيفة في جهدها الأمامي V_F characteristics.

9. المقارنة التقنية والتمييز

يقدم مكون LTE-S9511-E، بطوله الموجي 940 نانومتر، ميزة رئيسية مقارنة بثنائيات الباعث للضوء المرئية أو الأطوال الموجية الأخرى للأشعة تحت الحمراء: فهو غير مرئي تقريبًا للعين البشرية، مما يجعله مثاليًا للتشغيل المتخفي. مقارنة ببواعث 850 نانومتر، عادةً ما يكون لـ 940 نانومتر ضوضاء خلفية إشعاع شمسي أقل، مما يمكن أن يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في ظروف الإضاءة المحيطة. تم تصميم عبوة العدسة ذات الرؤية الجانبية خصيصًا للتطبيقات التي تحتاج فيها حزمة الأشعة تحت الحمراء إلى السفر موازية لسطح PCB، وهو متطلب شائع في أجهزة الاستشعار من نوع الفتحة أو الألواح المضاءة من الحواف.

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

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 متسلسلة لتحديد التيار. على سبيل المثال، مع مصدر جهد 5 فولت وهدف تيار أمامي I_Fبقيمة 20 مللي أمبير (الجهد الأمامي V_F~1.2 فولت)، المقاومة R_s= (5 فولت - 1.2 فولت) / 0.02 أمبير = 190 أوم. ستكون مقاومة 200 أوم قيمة قياسية مناسبة.

س: ما الفرق بين "الشدة الإشعاعية" و "زاوية الرؤية"؟

ج: تقيس الشدة الإشعاعية (ملي واط/ستراديان) مقدار الطاقة البصرية المركزة في اتجاه معين (لكل ستراديان). تحدد زاوية الرؤية مدى اتساع تلك الحزمة. الجهاز ذو الشدة الإشعاعية العالية ولكن زاوية رؤية ضيقة جدًا يرسل حزمة قوية ولكن ضيقة. يتمتع هذا الجهاز بزاوية رؤية معتدلة تبلغ 25°، مما يوفر توازنًا جيدًا بين تركيز الحزمة والتغطية.

س: لماذا مستوى حساسية الرطوبة (MSL 3) مهم؟

ج: يمكن للعبوات البلاستيكية امتصاص الرطوبة من الهواء. أثناء عملية لحام إعادة التدفق عالية الحرارة، يمكن لهذه الرطوبة المحبوسة أن تتبخر بسرعة، مما يسبب انفصالًا داخليًا، تشققات، أو ظاهرة "انفشار الذرة"، مما يدمر الجهاز. اتباع إجراءات التخزين، المعالجة، والخبز المحددة أمر ضروري لمنع هذا النمط من الفشل.

11. تصميم عملي وحالة استخدام

الحالة: تصميم مستشعر بسيط لكشف الأجسام بالأشعة تحت الحمراء.

يستخدم تصميم شائع مكون LTE-S9511-E كباعث وكاشف (في وضع الاستشعار العاكس) أو يستخدم ترانزستور ضوئي منفصل. يتم تشغيل الباعث بنبضات بتردد محدد (مثل 38 كيلوهرتز). تتضمن دائرة الكاشف مرشحًا مضبوطًا على هذا التردد. عندما يعكس جسم ما حزمة الأشعة تحت الحمراء إلى الكاشف، تسجل الدائرة إشارة. خطوات التصميم الرئيسية:

1. دائرة القيادة:استخدم ترانزستور (مثل NPN أو MOSFET بقناة N) يتم تشغيله بواسطة متحكم دقيق لنبض الثنائي الباعث للضوء بالتيار المطلوب (مثل نبضات 50 مللي أمبير) والتردد. قم بتضمين المقاومة المتسلسلة المحسوبة.

2. دائرة المستقبل:يتم تغذية ناتج الترانزستور الضوئي إلى مكبر ومرشح نطاقي مركزي عند تردد التعديل (38 كيلوهرتز). هذا يرفض الضوء المحيط (تيار مستمر وتردد منخفض) والضوضاء الأخرى تحت الحمراء.

3. المحاذاة:استخدم مخطط الإشعاع لمحاذاة الباعث والكاشف. للاستشعار العاكس، غالبًا ما يوضعان جنبًا إلى جنب بزاوية، مع تقاطع مجالات رؤيتهما عند مسافة الاستشعار المطلوبة.

4. تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة (PCB):ضع المكونات وفقًا لتخطيط الوسادة المقترح. تأكد من أن العدسة البلاستيكية الشفافة غير معوقة بواسطة طلاء اللحام أو مكونات أخرى.

12. مقدمة عن المبدأ

مكون LTE-S9511-E، باعتباره باعثًا للأشعة تحت الحمراء، هو ثنائي شبه موصل. عند تحيزه أماميًا، تتحد الإلكترونات والفجوات في المنطقة النشطة (المصنوعة من مواد مثل زرنيخيد الغاليوم GaAs أو زرنيخيد ألومنيوم غاليوم AlGaAs)، مما يطلق الطاقة على شكل فوتونات. يحدد التركيب المادي المحدد لهذه المواد الطول الموجي لهذه الفوتونات؛ في هذه الحالة، يتركز حول 940 نانومتر، وهو في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. العدسة ذات الرؤية الجانبية مصبوبة من الإيبوكسي الشفاف تمامًا، والذي يستخرج الضوء بكفاءة من شريحة أشباه الموصلات ويوجهه جانبياً. يمكن للجهاز أيضًا أن يعمل ككاشف لأن تقاطع PN لأشباه الموصلات يمكنه توليد تيار ضوئي صغير عند تعرضه لضوء ذي طاقة كافية (فوتونات ذات طول موجي أقصر من الطول الموجي القاطع للمادة). ومع ذلك، فإن وظيفته الأساسية والمحسنة هي الانبعاث.

13. اتجاهات التطور

يستمر مجال مكونات الأشعة تحت الحمراء المنفصلة في التطور. تشمل الاتجاهات:

- كفاءة أعلى:تطوير مواد وتراكيب أشباه موصلات جديدة (مثل آبار الكم المتعددة) لاستخراج المزيد من الطاقة البصرية لكل وحدة مدخل كهربائي، مما يقلل من توليد الحرارة واستهلاك الطاقة.

- سرعة متزايدة:لتطبيقات نقل البيانات، تمكن المكونات ذات أوقات الصعود/الهبوط الأسرع من تحقيق معدلات بيانات أعلى.

- التكامل:دمج الباعث، الكاشف، والمنطق التحكمي (مثل التعديل/إزالة التعديل) في عبوة أو وحدة واحدة يبسط التصميم ويحسن الأداء.

- التصغير:الاستمرار في تقليل حجم العبوة لتلبية متطلبات الإلكترونيات الاستهلاكية الأصغر حجمًا مع الحفاظ على مواصفات الأداء أو تحسينها.

- موثوقية محسنة:تحسين مواد وعمليات التغليف لتحمل ظروف بيئية أقسى وعمر تشغيلي أطول.