ورقة بيانات باعث ومستقبل الأشعة تحت الحمراء - غلاف شفاف - جهد أمامي 1.6 فولت - شدة إشعاعية تصل إلى 7.669 ملي واط/ستراديان - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

تحدد هذه الوثيقة مواصفات مكون باعث ومستقبل الأشعة تحت الحمراء (IR) مصغر ومنخفض التكلفة، مُحاط بغلاف بلاستيكي شفاف. تم تصميم الجهاز للتطبيقات ذات الرؤية الطرفية، مما يعني أن منطقة الاستشعار/الإشعاع النشطة موجودة في نهاية الغلاف. يتم اختياره وتصنيفه وفقًا لنطاقات محددة من الشدة الإشعاعية والاستضاءة الإشعاعية للفتحة، مما يضمن أداءً متسقًا للتطبيقات التي تتطلب ناتجًا بصريًا دقيقًا أو حساسية عالية. يسمح الغلاف الشفاف بنقل فعال للضوء تحت الأحمر مع توفير حماية فيزيائية للشريحة شبه الموصلة.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تم تصنيف الجهاز للعمل بشكل موثوق ضمن الحدود القصوى المطلقة التالية، والتي قد يؤدي تجاوزها إلى تلف دائم. يتم تحديد تبديد الطاقة عند 90 ملي واط. بالنسبة للعمل النبضي، يمكنه تحمل تيار أمامي ذروي قدره 1 أمبير تحت ظروف 300 نبضة في الثانية بعرض نبضة 10 ميكروثانية. الحد الأقصى للتيار الأمامي المستمر هو 60 مللي أمبير. يمكن للمكون تحمل جهد عكسي يصل إلى 5 فولت. نطاق درجة حرارة التشغيل هو من -40°C إلى +85°C، بينما يمتد نطاق درجة حرارة التخزين من -55°C إلى +100°C. بالنسبة للتجميع، يمكن لحام الأطراف عند درجة حرارة 260°C لمدة 5 ثوانٍ، مقاسة على مسافة 1.6 مم من جسم الغلاف.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد جميع المعلمات الكهربائية والبصرية عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C. تحدد المعلمات الرئيسية أداء الجهاز تحت ظروف الاختبار القياسية.

• الاستضاءة الإشعاعية للفتحة (E_e):تمثل هذه المعلمة، المقاسة بوحدة ملي واط/سم²، كثافة الطاقة البصرية الساقطة على المنطقة النشطة للمستقبل. يتم اختبارها بتيار أمامي (I_F) قدره 20 مللي أمبير. يتم تصنيف القيم، حيث تتراوح من حد أدنى 0.096 ملي واط/سم² (الفئة A1) إلى حد أقصى نموذجي 1.020 ملي واط/سم² (الفئة C).
• الشدة الإشعاعية (I_E):تُقاس بوحدة ملي واط/ستراديان، وهي تحدد الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة لباعث الأشعة تحت الحمراء. يتم اختبارها أيضًا عند I_F=20 مللي أمبير، وتتراوح من 0.722 ملي واط/ستراديان (الفئة A1) إلى 7.669 ملي واط/ستراديان (الفئة C).
• طول موجة الذروة للإشعاع (λ_الذروة):يتركز ناتج باعث الأشعة تحت الحمراء عند طول موجة اسمي يبلغ 940 نانومتر.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):عرض النطاق الطيفي، حيث تكون الشدة على الأقل نصف قيمة الذروة، هو عادةً 50 نانومتر، مما يشير إلى مصدر أشعة تحت حمراء ذو نطاق ضيق نسبيًا.
• الجهد الأمامي (V_F):انخفاض الجهد عبر الجهاز عند مرور تيار 20 مللي أمبير هو عادةً 1.6 فولت، بحد أقصى 1.6 فولت.
• التيار العكسي (I_R):عند تطبيق جهد انحياز عكسي 5 فولت، يكون تيار التسرب بحد أقصى 100 ميكرو أمبير.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):الانتشار الزاوي الذي تنخفض عنده الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها عند 0 درجة (على المحور) هو 60 درجة. وهذا يحدد نمط الحزمة أو مجال الرؤية.

3. شرح نظام التصنيف

يستخدم المكون نظام تصنيف يعتمد بشكل أساسي على خصائصه البصرية الناتجة. وهذا يضمن أن الأجهزة ضمن فئة محددة لها أداء متطابق بشكل وثيق، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب اتساقًا، مثل المصفوفات أو أنظمة باعث-مستقبل المزدوجة.

• تصنيف الشدة الإشعاعية / الاستضاءة الإشعاعية للفتحة:يتم تصنيف الجهاز إلى فئات تحمل علامات A1، A، B، C، و D. كل فئة تتوافق مع نطاق محدد من القيم الدنيا والنموذجية/القصوى لكل من الشدة الإشعاعية (I_E) والاستضاءة الإشعاعية للفتحة (E_e). على سبيل المثال، سيكون للجهاز في الفئة C قيمة I_Eبين 3.910 و 7.669 ملي واط/ستراديان وقيمة E_eبين 0.520 و 1.020 ملي واط/سم² عند تشغيله بتيار 20 مللي أمبير. وهذا يسمح للمصممين باختيار مكونات بمستوى الطاقة البصرية الدقيق المطلوب لتطبيقهم، مما يحسن قوة الإشارة وأداء النظام.

4. تحليل منحنى الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

• الشكل 1 - التوزيع الطيفي:يُظهر هذا المنحنى الشدة الإشعاعية النسبية كدالة لطول الموجة. يؤكد إشعاع الذروة عند 940 نانومتر ونصف العرض التقريبي البالغ 50 نانومتر، مما يوفر نظرة ثاقبة على نقاء الطيف للناتج تحت الأحمر.
• الشكل 2 - التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة:يصور هذا الرسم البياني تخفيض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي المستمر مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. وهو ضروري لإدارة الحرارة وضمان عمل الجهاز ضمن منطقة التشغيل الآمنة (SOA).
• الشكل 3 - التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي:هذا هو منحنى خاصية التيار-الجهد (I-V). يوضح العلاقة بين الجهد الأمامي المطبق والتيار الناتج، مسلطًا الضوء على جهد التشغيل النموذجي والمقاومة الديناميكية للجهاز.
• الشكل 4 - الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة:يوضح هذا المنحنى كيف تتغير قوة الناتج البصري (بالنسبة لقيمته عند 20 مللي أمبير و 25°C) مع درجة الحرارة. عادةً ما ينخفض ناتج الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) مع ارتفاع درجة الحرارة، ويقوم هذا الرسم البياني بتحديد هذه العلاقة كميًا.
• الشكل 5 - الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي:يُظهر هذا قوة الناتج البصري كدالة لتيار التشغيل. إنها علاقة فائقة الخطية بشكل عام، لكن المنحنى يساعد المصممين على فهم نقاط الكفاءة والتشبع عند مستويات تيار مختلفة.
• الشكل 6 - مخطط الإشعاع:يمثل هذا الرسم البياني القطبي زاوية الرؤية أو نمط الإشعاع بصريًا. تشير الدوائر المركزية إلى الشدة النسبية (من 0 في المركز إلى 1.0 في الحافة الخارجية)، وتظهر الخطوط الزاوية التوزيع. يتم تأكيد مواصفة 2θ_1/2= 60° من خلال النقاط التي يتقاطع فيها المنحنى مع دائرة الشدة النسبية 0.5.

5. معلومات الميكانيكا والتغليف

5.1 أبعاد الغلاف

يستخدم الجهاز غلافًا بلاستيكيًا مصغرًا ذو رؤية طرفية. تشمل الملاحظات الأبعادية الرئيسية: جميع الأبعاد بالمليمترات (مع البوصة بين قوسين)؛ التسامح القياسي هو ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك؛ أقصى بروز للراتنج تحت الحافة هو 1.5 مم؛ ويتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم الغلاف. يتم الرجوع إلى الرسم الأبعادي الدقيق في ورقة البيانات، والذي يحدد الطول الإجمالي، وقطر الجسم، وقطر الأطراف، والتباعد الحاسم لتصميم البصمة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

5.2 تحديد القطبية

لباعث/مستقبل الأشعة تحت الحمراء في غلاف ذو أطراف شعاعية، عادةً ما يتم الإشارة إلى القطبية من خلال الميزات الفيزيائية للجهاز، مثل جانب مسطح على جسم الغلاف أو أن يكون أحد الأطراف أقصر من الآخر. يجب الرجوع إلى طريقة التعريف المحددة مع رسم الغلاف التفصيلي. الاتصال الصحيح للقطبية ضروري للتشغيل السليم.

6. إرشادات اللحام والتجميع

المكون مناسب لعمليات اللحام القياسية. المعلمة الحرجة المحددة هي درجة حرارة لحام الأطراف: 260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مع تعريف نقطة القياس على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم الغلاف. هذا الإرشاد حاسم للحام الموجة أو اللحام اليدوي لمنع التلف الحراري للشريحة شبه الموصلة الداخلية أو الغلاف البلاستيكي. بالنسبة للحام بإعادة التدفق، يجب استخدام ملف تعريف قياسي للمكونات ذات الثقوب المارة ذات حدود حرارية مماثلة. يجب تخزين المكونات ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد من -55°C إلى +100°C في بيئة جافة لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يسبب ظاهرة "الفرقعة" أثناء إعادة التدفق.

7. توصيات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

زوج باعث/مستقبل الأشعة تحت الحمراء هذا مناسب لمجموعة واسعة من تطبيقات استشعار القرب، وكشف الأشياء، ونقل البيانات. تشمل الاستخدامات الشائعة:

• استشعار الأشياء/القرب:في آلات البيع، أو الطابعات، أو المعدات الصناعية للكشف عن وجود أو غياب جسم ما.
• مستشعرات الفتحة:للكشف عن الورق في الطابعات أو التذاكر في أجهزة التحقق.
• روابط بيانات بسيطة:نقل بيانات الأشعة تحت الحمراء منخفض السرعة ومسافة قصيرة لأجهزة التحكم عن بعد أو قنوات اتصال معزولة.
• المشفرات:في المشفرات الدورانية أو الخطية لردود الفعل الموضعية، حيث تمر شفرة عازلة بين الباعث والمستقبل.

7.2 اعتبارات التصميم

عند التصميم باستخدام هذا المكون، يجب مراعاة عدة عوامل:

• تحديد التيار:للباعث، مقاومة على التوالي إلزامية لتحديد التيار الأمامي إلى المستوى المطلوب (≤60 مللي أمبير مستمر، ≤1 أمبير نبضي). يتم حساب القيمة باستخدام جهد التغذية (V_CC)، و I_Fالمطلوب، و V_Fالنموذجي (مثال: R = (V_CC- V_F) / I_F).
• انحياز وتضخيم المستقبل:يحتاج كاشف الضوء عادةً إلى انحياز عكسي (حتى 5 فولت) وتيار خرجته صغير جدًا (مرتبط بـ E_e). غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مضخم مقاومة النقل (TIA) لتحويل تيار الضوء الصغير هذا إلى إشارة جهد قابلة للاستخدام.
• المحاذاة البصرية:لتطبيقات باعث-مستقبل المزدوجة، المحاذاة الميكانيكية الدقيقة حاسمة لتعظيم قوة الإشارة. توفر زاوية الرؤية 60 درجة بعض التسامح.
• رفض الضوء المحيط:نظرًا لأن الجهاز حساس للضوء ذو طول موجة 940 نانومتر، يمكن أن يتأثر بأشعة الشمس أو مصادر الأشعة تحت الحمراء الأخرى. يمكن أن يؤدي استخدام إشارات الأشعة تحت الحمراء المضمنة والكشف المتزامن (مثل الناقل 38 كيلو هرتز الشائع في أجهزة التحكم عن بعد) إلى تحسين مناعة الضوضاء بشكل كبير.
• إدارة الحرارة:يجب الرجوع إلى منحنى التخفيض (الشكل 2) للبيئات عالية الحرارة لتجنب تجاوز تبديد الطاقة الأقصى.

8. المقارنة والتمييز التقني

مقارنة بمكونات الأشعة تحت الحمراء الأخرى، فإن المميزات الرئيسية لهذا الجهاز هيغلافه البلاستيكي الشفافوتصنيفه البصري الدقيق. تستخدم العديد من مصابيح LED وكاشفات الضوء تحت الحمراء أغلفة ملونة (مثل الأزرق، الأسود) التي ترشح الضوء المرئي ولكنها قد تخفف أيضًا طول موجة الأشعة تحت الحمراء المطلوب قليلاً. يوفر الغلاف الشفاف كفاءة نقل أعلى محتملة عند 940 نانومتر. يسمح التصنيف الدقيق للشدة الإشعاعية والاستضاءة بأداء نظام يمكن التنبؤ به ومتسق، وهي ميزة على الأجزاء غير المصنفة أو المصنفة بشكل فضفاض حيث يمكن أن يختلف الأداء بشكل كبير من وحدة إلى أخرى. الحجم المصغر والتكلفة المنخفضة يجعلانه مناسبًا للتطبيقات الاستهلاكية والتجارية ذات الحجم الكبير.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما الفرق بين الاستضاءة الإشعاعية للفتحة (E_e) والشدة الإشعاعية (I_E)?

ج: E_eهي مقياس لكثافة الطاقة (ملي واط/سم²) الساقطة على سطح (المنطقة النشطة للمستقبل). I_Eهي مقياس لناتج طاقة الباعث لكل زاوية صلبة (ملي واط/ستراديان). هما مرتبطان لكنهما يصفان أداء جانب المستقبل والباعث على التوالي.

س: هل يمكنني تشغيل الباعث بمصدر طاقة 5 فولت مباشرة؟

ج: لا. مع V_Fنموذجي 1.6 فولت، سيتسبب توصيل 5 فولت مباشرة في تيار مفرط، مما قد يدمر الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). يجب عليك استخدام مقاومة تحديد تيار.

س: كيف أختار الفئة المناسبة لتطبيقي؟

ج: اختر بناءً على قوة الإشارة المطلوبة. للاستشعار لمسافات طويلة أو ذو عاكسية منخفضة، توفر الفئة الأعلى (C، D) طاقة بصرية أكبر. لدوائر المستقبل قصيرة المدى أو عالية الحساسية، قد تكون الفئة الأقل كافية وأكثر فعالية من حيث التكلفة. قد يحدد الاتساق عبر وحدات متعددة في النظام أيضًا اختيار الفئة.

س: ماذا تعني مواصفة زاوية الرؤية للمستقبل؟

ج: بالنسبة للمستقبل، تحدد زاوية الرؤية 60 درجة (2θ_1/2) مجال رؤيته. سيتم اكتشاف الضوء الساقط داخل هذا المخروط بزاوية ±30 درجة من المحور بحساسية معقولة. سيتم تجاهل الضوء خارج هذه الزاوية إلى حد كبير، مما يمكن أن يساعد في رفض الضوء الشارد من اتجاهات غير مرغوب فيها.

10. مثال تطبيقي عملي

حالة تصميم: مستشعر نفاد الورق في طابعة

في هذا التطبيق، يتم تركيب باعث ومستقبل الأشعة تحت الحمراء على جانبي مسار الورق. عندما يكون الورق موجودًا، فإنه يعكس حزمة الأشعة تحت الحمراء من الباعث إلى المستقبل. عندما تكون صينية الورق فارغة، تنتقل الحزمة دون عائق ولا تنعكس مرة أخرى إلى المستقبل (أو تصطدم بسطح عاكس مختلف). تراقب دائرة المستقبل مستوى الإشارة المستلمة. خطوة تصميم رئيسية هي اختيار فئة مناسبة (مثل الفئة B) لضمان أن تكون الإشارة المنعكسة من الورق قوية بما يكفي للتمييز بشكل موثوق عن حالة "لا يوجد ورق"، حتى مع اختلافات في عاكسية الورق. يتم ضبط تيار تشغيل الباعث على 20 مللي أمبير عبر مقاومة، مما يوفر الناتج البصري المرجعي. يتم تغذية ناتج المستقبل إلى مقارن مع عتبة مضبوطة بين مستويات الجهد "الورق موجود" و"الورق غير موجود". تساعد زاوية الرؤية 60 درجة في ضمان عمل المستشعر حتى مع وجود سوء محاذاة طفيف أثناء تجميع الطابعة.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

يتكون الجهاز من مكونين شبه موصلين أساسيين: صمام ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) وصمام ثنائي ضوئي. يعملصمام LED تحت الأحمرعلى مبدأ الإضاءة الكهربائية. عند الانحياز الأمامي، تتحد الإلكترونات والفجوات في المنطقة النشطة لأشباه الموصلات، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات. تم هندسة التركيب المادي (عادةً على أساس زرنيخيد الغاليوم، GaAs) بحيث تتوافق طاقة الفوتون هذه مع طول موجة في طيف الأشعة تحت الحمراء، تحديدًا حوالي 940 نانومتر. يعملالصمام الثنائي الضوئيبشكل عكسي. يتم امتصاص الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات، مما يخلق أزواج إلكترون-فجوة. يتم فصل حاملات الشحنات هذه بواسطة المجال الكهربائي الداخلي للوصلة ذات الانحياز العكسي، مما يولد تيارًا ضوئيًا يتناسب مع شدة الضوء الساقط. يعمل الغلاف البلاستيكي الشفاف كعدسة ونافذة، لحماية الرقائق شبه الموصلة الحساسة مع السماح بمرور فعال للإشعاع تحت الأحمر بطول موجة 940 نانومتر.

12. اتجاهات وتطورات التكنولوجيا

في مجال الإلكترونيات الضوئية للاستشعار، هناك عدة اتجاهات ذات صلة بمكونات مثل هذا. هناك دفع مستمر نحوالتصغير, حيث أصبحت أغلفة الأجهزة ذات التركيب السطحي (SMD) أكثر انتشارًا من أنواع الثقوب المارة للتجميع الآلي.التكامل الأعلىهو اتجاه آخر، حيث يتم دمج الباعث، والمستقبل، ودائرة تكييف الإشارة (المضخم، المقارن) في وحدة واحدة، مما يبسط التصميم للمستخدمين النهائيين. يدفع الطلب علىتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاءورفض الضوء المحيط استخدام نطاقات أطوال موجية محددة وترشيح بصري متقدم مدمج في الغلاف. علاوة على ذلك، تدفع التطبيقات في إنترنت الأشياء (IoT) والأجهزة القابلة للارتداء الحاجة إلى مكونات ذاتاستهلاك طاقة أقلمع الحفاظ على نطاق استشعار وموثوقية كافيين. بينما يمثل هذا المكون المحدد حلاً ناضجًا وفعالاً من حيث التكلفة، غالبًا ما تتضمن التصميمات الأحدث هذه المتطلبات المتطورة.