ورقة بيانات باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-2871 - عبوة T-1 3/4 - جهد أمامي 1.6 فولت - طول موجة ذروة 940 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

توفر هذه الوثيقة المواصفات التقنية الكاملة لمكون باعث الأشعة تحت الحمراء (IR) عالي الأداء. تم تصميم الجهاز لتقديم شدة إشعاعية عالية ضمن زاوية رؤية ضيقة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب إضاءة موجهة بالأشعة تحت الحمراء. تشمل مزاياه الأساسية تصميمًا فعالاً من حيث التكلفة مجتمعًا مع خصائص أداء متخصصة لإخراج عالي الشدة. تشمل الأسواق المستهدفة الرئيسية الأتمتة الصناعية، وأنظمة الاستشعار، وكشف القرب، وروابط الاتصالات البصرية حيث يكون الضوء تحت الأحمر الموثوق والمركّز ضروريًا.

2. تحليل مفصل للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

يتم تحديد جميع التصنيفات عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية. قد يتسبب تجاوز هذه الحدود في تلف دائم للجهاز.

• تبديد الطاقة:90 ملي واط
• تيار أمامي ذروي:1 أمبير (تحت ظروف النبض: 300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية)
• التيار الأمامي المستمر (I_F):60 ملي أمبير
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت
• نطاق درجة حرارة التشغيل:من -40°C إلى +85°C
• نطاق درجة حرارة التخزين:من -55°C إلى +100°C
• درجة حرارة لحام الأطراف:260°C لمدة 5 ثوانٍ (مقاسة على بعد 1.6 مم من جسم العبوة)

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس معايير الأداء الرئيسية عند T_A=25°C مع تيار اختبار قياسي قدره I_F= 20 ملي أمبير، ما لم يُذكر خلاف ذلك.

• الجهد الأمامي (V_F):نموذجي 1.6 فولت، أقصى 1.6 فولت عند I_F=20mA. يحدد هذا المعلمة انخفاض الجهد عبر الباعث أثناء التشغيل.
• التيار العكسي (I_R):أقصى 100 ميكرو أمبير عند V_R=5V. يشير هذا إلى تيار التسرب عندما يكون الجهاز في حالة انحياز عكسي.
• طول موجة الانبعاث الذروة (λ_Peak):940 نانومتر. هذا هو الطول الموجي الذي يشع فيه الباعث أقصى طاقة بصرية له، مما يضعه في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):50 نانومتر. يحدد هذا عرض النطاق الترددي للضوء المنبعث، ويقاس بالعرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) لمنحنى التوزيع الطيفي.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):16 درجة. تؤكد زاوية الحزمة الضيقة هذه على إخراج الجهاز المركّز، ويُعرّف على أنه الزاوية الكاملة حيث تنخفض الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم تصنيف المكون إلى مجموعات أداء بناءً على إخراجه الإشعاعي. وهذا يسمح بالاختيار بناءً على مستويات الشدة المطلوبة. المعلمات الرئيسية المصنفة هي الاستضاءة الإشعاعية عند الفتحة (E_eبالملي واط/سم²) والشدة الإشعاعية (I_Eبالملي واط/ستراديان)، وكلاهما مقاس عند I_F=20mA.

• المجموعة أ: E_e: 0.44 - 0.96 ملي واط/سم²؛ I_E: 3.31 - 7.22 ملي واط/ستراديان.
• المجموعة ب: E_e: 0.64 - 1.20 ملي واط/سم²؛ I_E: 4.81 - 9.02 ملي واط/ستراديان.
• المجموعة ج: E_e: 0.80 - 1.68 ملي واط/سم²؛ I_E: 6.02 - 12.63 ملي واط/ستراديان.
• المجموعة د: E_e: 1.12 ملي واط/سم² (الحد الأدنى)؛ I_E: 8.42 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى). تمثل هذه المجموعة أعلى إخراج.

يجب على المصممين تحديد رمز المجموعة المطلوب لضمان أن الطاقة البصرية تلبي متطلبات الحساسية للتطبيق لنظام الكاشف.

4. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة تمثيلات بيانية لسلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

4.1 توزيع الطيف

يتركز منحنى الإخراج الطيفي (الشكل 1) بشكل حاد حول طول موجة الذروة 940 نانومتر مع نصف عرض محدد 50 نانومتر. هذه الخاصية حاسمة لمطابقة كواشف السيليكون الضوئية، التي تتمتع بأقصى حساسية في هذه المنطقة، ولضمان التوافق مع المرشحات البصرية لرفض الضوء المحيط.

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

يُظهر منحنى الخاصية I-V (الشكل 3) العلاقة الأسية النموذجية للديود شبه الموصل. يوفر جهد الأمامي المحدد 1.6 فولت (الحد الأقصى) عند 20 ملي أمبير البيانات اللازمة لتصميم دائرة القيادة المحددة للتيار. يساعد المنحنى في حساب تبديد الطاقة (V_F* I_F) تحت تيارات تشغيل مختلفة.

4.3 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا المنحنى (الشكل 5) كيف يتدرج ناتج الطاقة البصرية مع تيار القيادة. يكون خطيًا عادةً على نطاق كبير ولكنه قد يُظهر تشبعًا أو انخفاضًا في الكفاءة عند تيارات عالية جدًا. هذه البيانات ضرورية لتحديد نقطة التشغيل لتحقيق الناتج البصري المطلوب دون تجاوز الحدود القصوى المطلقة.

4.4 الاعتماد على درجة الحرارة

يُظهر منحنيان أداءً حراريًا مفصلاً. يُظهر الشكل 2 كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي مع زيادة درجة الحرارة المحيطة فوق 25 درجة مئوية، وهو اعتبار بالغ الأهمية للموثوقية. يصور الشكل 4 الشدة الإشعاعية النسبية كدالة لدرجة الحرارة المحيطة، ويُظهر الانخفاض النموذجي في كفاءة الإخراج مع ارتفاع درجة الحرارة، والذي يجب تعويضه في تطبيقات الاستشعار الدقيقة.

4.5 نمط الإشعاع

يؤكد مخطط الإشعاع القطبي (الشكل 6) بصريًا على زاوية الرؤية الضيقة البالغة 16 درجة. يُظهر النمط التوزيع المكاني للضوء تحت الأحمر المنبعث، وهو أمر حيوي لتصميم المحاذاة البصرية وضمان أن حجم البقعة المضيئة يلبي احتياجات التطبيق.

5. معلومات الميكانيكا والعبوة

5.1 نوع العبوة والأبعاد

يستخدم الجهاز عبوة مثقبة معدلة من نوع T-1 3/4 (5 مم). تشمل الملاحظات الأبعاد الرئيسية من الرسم:

• جميع الأبعاد بالمليمترات (يتم توفيرها بالبوصة بين قوسين).
• التحمل القياسي هو ±0.25 مم (±0.010 بوصة) ما لم تتطلب ميزة محددة تحملاً مختلفًا.
• أقصى بروز للراتنج تحت حافة العبوة هو 1.0 مم (0.039 بوصة).
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج فيها الأطراف من جسم العبوة، وهو أمر مهم لتصميم بصمة اللوحة المطبوعة (PCB).

تم تصميم العبوة لعمليات اللحام الموجي القياسي أو اللحام اليدوي.

5.2 تحديد القطبية

في العبوات المثقبة، يُشار إلى القطبية عادةً بنقطة مسطحة على حافة العبوة أو بأطراف بأطوال مختلفة (الطرف الأطول عادةً هو الأنود). يجب الرجوع إلى الرسم الأبعاد في ورقة البيانات لمخطط الترميز الدقيق. القطبية الصحيحة ضرورية لمنع تطبيق انحياز عكسي يتجاوز حد 5 فولت.

6. إرشادات اللحام والتجميع

الالتزام الصارم بملامح اللحام ضروري لمنع التلف الحراري لشريحة أشباه الموصلات وعدسة الإيبوكسي.

• درجة حرارة اللحام:يمكن للأطراف تحمل درجة حرارة 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 5 ثوانٍ. يتم أخذ هذا القياس على بعد 1.6 مم (0.063 بوصة) من جسم العبوة.
• توصية العملية:للحام الموجي، يمكن تطبيق ملامح قياسية مع مراحل التسخين المسبق، والإقامة، والتبريد. يجب عدم تجاوز حد 260°C/5s عند وصلة الطرف بالجسم.
• التنظيف:إذا كان التنظيف مطلوبًا، استخدم مذيبات متوافقة مع مادة الإيبوكسي للعبوة لتجنب تعكر أو تشقق العدسة.
• ظروف التخزين:يجب تخزين الأجهزة في كيس الحاجز الرطوبي الأصلي ضمن درجات الحرارة في نطاق التخزين المحدد (-55°C إلى +100°C) وفي بيئة منخفضة الرطوبة لمنع أكسدة الأطراف.

7. توصيات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

يجعل الجمع بين الشدة العالية والحزمة الضيقة هذا الباعث مثاليًا لـ:

• استشعار القرب والوجود:يُستخدم في الحنفيات الأوتوماتيكية، وموزعات الصابون، ومجففات الأيدي، وكشف التواجد.
• مستشعرات بصرية صناعية:عد الأشياء، وكشف الحواف، واستشعار الموضع في خطوط التصنيع.
• الحواجز البصرية والمقاطعات:إنشاء حزمة مركزة لكشف الأشياء في أنظمة الأمان أو ستائر أمان الآلات.
• روابط بيانات قصيرة المدى:نقل البيانات بالأشعة تحت الحمراء (IrDA) حيث يقلل الضوء الموجه من التداخل واستهلاك الطاقة.
• إضاءة الرؤية الليلية:كمصدر ضوء غير مرئي لكاميرات المراقبة (CCTV) ذات المستشعرات الحساسة للأشعة تحت الحمراء.

7.2 اعتبارات التصميم

• دائرة القيادة:مصدر تيار ثابت أو مقاومة محددة للتيار على التوالي مع LED إلزامي لضبط I_F. احسب قيمة المقاومة باستخدام R = (V_supply- V_F) / I_F, باستخدام أقصى V_Fلتصميم آمن.
• إدارة الحرارة:بينما تبديد الطاقة منخفض، فإن التشغيل في درجات حرارة محيطة عالية أو بالقرب من أقصى تيار مستمر يتطلب الانتباه إلى منحنيات تخفيض التصنيف. تأكد من وجود تهوية كافية على اللوحة المطبوعة (PCB).
• المحاذاة البصرية:تتطلب الحزمة الضيقة محاذاة ميكانيكية دقيقة مع الكاشف الضوئي المقترن أو منطقة الهدف. استخدم مخطط نمط الإشعاع للتصميم البصري.
• الحماية الكهربائية:قم بتضمين حماية ضد توصيل الجهد العكسي والارتفاعات اللحظية للجهد على خط التغذية، حيث أن أقصى جهد عكسي هو 5 فولت فقط.
• اختيار المجموعة (Bin):اختر مجموعة الإخراج المناسبة (من أ إلى د) بناءً على حساسية المستقبل ونسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة للتطبيق. توفر المجموعات الأعلى طاقة بصرية أكبر ولكن قد يكون لها آثار على التكلفة.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً ببواعث الأشعة تحت الحمراء القياسية غير المركزة، يقدم هذا الجهاز مزايا مميزة:

• شدة إشعاعية أعلى في حزمة ضيقة:غالبًا ما يكون لبواعث الأشعة تحت الحمراء القياسية زوايا رؤية 30 درجة أو أكثر، مما يبعثر الضوء على مساحة أوسع. يركز هذا المكون إخراجه في حزمة 16 درجة، مما يوفر شدة أعلى على المحور، مما يترجم إلى مسافات استشعار أطول محتملة أو تيار قيادة مطلوب أقل لنفس الإشارة المستقبلة.
• مُحسّن للاستشعار:تقلل الحزمة الضيقة من احتمالية التداخل البصري في مصفوفات المستشعرات المتعددة وتقلل من الانعكاسات من الأسطح غير المقصودة، مما يحسن دقة النظام وموثوقيته.
• أداء فعال من حيث التكلفة:يوفر خاصية الحزمة المركزة المرتبطة غالبًا بالعبوات ذات العدسات الأكثر تكلفة، ولكن بتنسيق T-1 3/4 قياسي منخفض التكلفة.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س1: ما الفرق بين الاستضاءة الإشعاعية عند الفتحة (E_e) والشدة الإشعاعية (I_E)?

ج1: الشدة الإشعاعية (I_E, ملي واط/ستراديان) هي مقياس للطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة، تصف "تركيز" الحزمة. الاستضاءة الإشعاعية عند الفتحة (E_e, ملي واط/سم²) هي كثافة الطاقة الساقطة على سطح (مثل كاشف) على مسافة محددة، وتعتمد على كل من الشدة والمسافة. I_Eهي خاصية جوهرية للباعث؛ E_eتعتمد على هندسة النظام.

س2: هل يمكنني تشغيل هذا الباعث بمصدر طاقة 3.3 فولت؟

ج2: نعم، عادةً. مع جهد أمامي نموذجي V_Fبقيمة 1.6 فولت عند 20 ملي أمبير، يمكن استخدام مقاومة على التوالي لخفض الجهد المتبقي (3.3 فولت - 1.6 فولت = 1.7 فولت). ستكون قيمة المقاومة R = 1.7V / 0.02A = 85 أوم. ستكون مقاومة قياسية 82 أو 100 أوم مناسبة، مع إعادة حساب التيار الفعلي.

س3: لماذا طول موجة الذروة 940 نانومتر وليس 850 نانومتر؟

ج3: 940 نانومتر أقل وضوحًا للعين البشرية (تظهر باللون الأحمر الخافت أو غير مرئية) مقارنة بـ 850 نانومتر، مما يجعلها أفضل للإضاءة المتخفية. يتم اكتشاف كلا الطولين الموجيين بكفاءة بواسطة الثنائيات الضوئية السيليكونية، على الرغم من أن الحساسية أعلى قليلاً عند 850 نانومتر. يعتمد الاختيار على الحاجة إلى الوضوح مقابل أقصى استجابة للكاشف.

س4: كيف أفسر رموز التصنيف (أ، ب، ج، د)؟

ج4: تمثل المجموعات مجموعات مصنفة بناءً على الإخراج البصري المقاس في المصنع. المجموعة د لديها أعلى حد أدنى مضمون للإخراج، بينما المجموعة أ لديها الأقل. اختر مجموعة بناءً على الحد الأدنى للطاقة البصرية المطلوبة لدائرة المستقبل لتعمل بشكل موثوق تحت جميع الظروف (بما في ذلك تأثيرات درجة الحرارة والشيخوخة).

10. دراسة حالة للتصميم والاستخدام

السيناريو: تصميم عداد أوراق للطابعة.

يتم وضع الباعث وترانزستور ضوئي على جانبي مسار الورق. حزمة LTE-2871 الضيقة 16 درجة حاسمة. فهي تضمن تركيز الضوء مباشرة عبر الفجوة إلى الكاشف، مما يقلل من التشتت والانعكاسات من الميكانيكا الداخلية للطابعة، والتي قد تسبب عدادات خاطئة. سيتم اختيار باعث من المجموعة ج أو د لتوفير إشارة قوية حتى لو تراكم غبار الورق قليلاً على العدسة. ستستخدم دائرة القيادة تيارًا ثابتًا 20-40 ملي أمبير، وسيتم تصميم دائرة المستقبل لاكتشاف الانخفاض المميز في الإشارة عندما تقطع ورقة من الورق الحزمة المركزة. سيتم الرجوع إلى منحنيات تخفيض درجة الحرارة لضمان التشغيل الموثوق داخل الطابعة، حيث قد تصل درجة الحرارة المحيطة إلى 50-60 درجة مئوية.

11. مقدمة عن مبدأ التشغيل

باعث الأشعة تحت الحمراء هو ثنائي تقاطع p-n شبه موصل. عندما يكون منحازًا أماميًا (يتم تطبيق جهد موجب على الأنود بالنسبة للكاثود)، تتحد الإلكترونات والثقوب في المنطقة النشطة من مادة أشباه الموصلات (عادةً ما تكون على أساس زرنيخيد ألومنيوم جاليوم - AlGaAs). تطلق عملية إعادة التركيب هذه الطاقة في شكل فوتونات (جسيمات ضوئية). يحدد التركيب المحدد لطبقات أشباه الموصلات الطول الموجي للفوتونات المنبعثة؛ بالنسبة لهذا الجهاز، يتم هندسته ليكون 940 نانومتر، وهو في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. تحتوي العبوة المعدلة على عدسة إيبوكسي تشكل الضوء المنبعث إلى نمط الحزمة الضيقة المحدد، وتوازي الإخراج للتطبيقات الموجهة.

12. اتجاهات التكنولوجيا

في مجال بواعث الأشعة تحت الحمراء، تركز الاتجاهات العامة على زيادة الكفاءة (المزيد من طاقة الإخراج البصرية لكل واط مدخل كهربائي)، وتمكين سرعات تشغيل أعلى لاتصالات البيانات، وتطوير عبوات أجهزة التركيب السطحي (SMD) للتجميع الآلي. هناك أيضًا عمل مستمر لتوسيع خيارات الطول الموجي لتطبيقات استشعار محددة (مثل استشعار الغازات) ولدمج البواعث مع برامج التشغيل والمنطق التحكمي في وحدات ذكية. يبقى المبدأ الأساسي للإضاءة الكهربائية في مواد أشباه الموصلات أساسًا لهذه التكنولوجيا.