مصباح الأشعة تحت الحمراء 5 مم - 850 نانومتر - 30-45 ميجاوات/ستراديان - ورقة البيانات الفنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُفصّل هذا المستند مواصفات ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر منفصل (IRED) مُصمم لمجموعة واسعة من التطبيقات البصرية الإلكترونية. تم تصميم الجهاز لتقديم إخراج إشعاعي عالٍ مع خاصية جهد أمامي منخفض، مما يجعله مناسبًا للتصاميم الحساسة للطاقة. انبعاثه الأساسي في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، ومركزه عند طول موجي ذروة يبلغ 850 نانومتر.

تشمل المزايا الأساسية لهذا المكون قدرته على العمل بتيار عالٍ، مما يترجم مباشرة إلى إخراج طاقة بصرية عالية. يتم تغليفه بتنسيق قياسي 5 مم مع عدسة شفافة، مما يوفر زاوية رؤية واسعة للإضاءة أو الاستقبال لمنطقة واسعة. وهذا يجعله خيارًا متعدد الاستخدامات للأنظمة التي تتطلب إشارات تحت حمراء موثوقة.

يغطي السوق المستهدف وسيناريوهات التطبيق النموذجية الإلكترونيات الاستهلاكية، وضوابط الصناعة، وأنظمة الأمان. تشمل الاستخدامات الشائعة أجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء للتلفزيونات ومعدات الصوت، وروابط البيانات اللاسلكية قصيرة المدى، وأجهزة استشعار كشف التسلل في إنذارات الأمان، والمشفرات البصرية. تم تحسين معايير أدائه للعمل النبضي، وهو المعيار في بروتوكولات التحكم عن بعد ونقل البيانات.

2. تحليل متعمق للمعايير الفنية

2.1 المواصفات القصوى المطلقة

قد يؤدي تشغيل الجهاز خارج هذه الحدود إلى تلف دائم. يتم تصنيف الحد الأقصى للتيار الأمامي المستمر عند 80 مللي أمبير، مع تيار أمامي ذروة يبلغ 1 أمبير مسموح به في ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكروثانية). الحد الأقصى لتبديد الطاقة هو 200 ميغاواط، وهو ما يحدد التصميم الحراري للتطبيق. يمكن للجهاز تحمل جهد عكسي يصل إلى 5 فولت، على الرغم من أنه غير مصمم للعمل في هذا النظام. نطاقات درجة حرارة التشغيل والتخزين هي -40°C إلى +85°C و -55°C إلى +100°C على التوالي، مما يضمن الموثوقية عبر البيئات القاسية. يجب إجراء لحام الأطراف عند 260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، مع وضع طرف المكواة على الأقل 1.6 مم من جسم الإيبوكسي.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم قياس معايير الأداء الرئيسية في حالة اختبار قياسية لتيار أمامي 50 مللي أمبير (I_F) ودرجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25°C.

• الشدة الإشعاعية (I_E):إخراج الطاقة البصرية لكل زاوية صلبة، يتراوح من حد أدنى 30 ميغاواط/ستراديان إلى قيمة نموذجية 45 ميغاواط/ستراديان. هذا مقياس مباشر لسطوع LED في اتجاهه الأساسي.
• طول موجة الانبعاث الذروة (λ_P):الطول الموجي الاسمي هو 850 نانومتر، مما يضعه في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو مثالي لكاشفات الضوء السيليكونية وأقل وضوحًا للعين البشرية من الأطوال الموجية الأقصر.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):حوالي 50 نانومتر. هذا يُحدد عرض النطاق الطيفي، مشيرًا إلى نطاق الأطوال الموجية المنبعثة حول الذروة.
• الجهد الأمامي (V_F):عادة 1.6 فولت، بحد أقصى 2.0 فولت عند I_F=50 مللي أمبير. انخفاض V_Fهي ميزة رئيسية للأجهزة عالية الكفاءة التي تعمل بالبطارية.
• التيار العكسي (I_R):حد أقصى 100 ميكرو أمبير عند V_R=5 فولت. هذه المعلمة لأغراض الاختبار فقط؛ الجهاز غير مخصص للعمل بالتحيز العكسي.
• زمن الصعود/الهبوط (T_r/T_f):30 نانوثانية. تتيح سرعة التبديل السريع هذه العمل النبضي عالي التردد لنقل البيانات.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):30 درجة. هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى، مما يحدد انتشار الحزمة.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة ضرورية لتصميم الدائرة وتوقع الأداء.

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

يُظهر هذا المنحنى العلاقة بين التيار المتدفق عبر LED والجهد عبره. إنه غير خطي، نموذجي للثنائي. يسمح المنحنى للمصممين بتحديد جهد القيادة اللازم لتيار تشغيل مرغوب وحساب تبديد الطاقة (V_F* I_F). من الواضح انخفاض جهد الركبة من V_Fالنموذجي البالغ 1.6 فولت.

3.2 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا الرسم البياني كيف يتدرج إخراج الطاقة البصرية مع تيار الإدخال. بشكل عام، تزداد الشدة الإشعاعية خطيًا مع التيار في نطاق التشغيل العادي. هذه الخطية مهمة لتطبيقات التعديل التناظري. يمكن للمصممين استخدام هذا لاختيار تيار قيادة مناسب لتحقيق مستوى سطوع محدد.

3.3 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة

هذا المنحنى حاسم لفهم التأثيرات الحرارية. تتناقص الشدة الإشعاعية لـ LED مع زيادة درجة حرارة التقاطع. يقوم هذا الرسم البياني بتحديد ذلك التخفيض، مُظهرًا طاقة الإخراج بالنسبة لقيمتها عند 25°C عبر نطاق درجة حرارة التشغيل. للتشغيل الموثوق، يجب النظر في الإدارة الحرارية للحفاظ على استقرار الإخراج، خاصة في تطبيقات التيار العالي أو درجة الحرارة المحيطة العالية.

3.4 التوزيع الطيفي

يوضح الرسم الطيفي شدة الضوء المنبعث عبر أطوال موجية مختلفة. يؤكد الذروة عند 850 نانومتر ونصف العرض التقريبي 50 نانومتر. هذه المعلومات حيوية عند مطابقة LED مع كاشف ضوئي، حيث تختلف استجابة الكاشف مع الطول الموجي.

3.5 مخطط نمط الإشعاع

يمثل هذا الرسم البياني القطبي زاوية الرؤية بصريًا. يُظهر النمط توزيع الشدة، مؤكدًا نصف الزاوية 30 درجة. يساعد في تصميم الأنظمة البصرية لمناطق تغطية محددة، مثل ضمان وجود المستقبل داخل حزمة LED.

4. معلومات الميكانيكية والتغليف

4.1 أبعاد الشكل الخارجي

يتوافق الجهاز مع غلاف LED دائري قياسي 5 مم. تشمل الأبعاد الرئيسية قطر الجسم 5.0 مم وارتفاع نموذجي 8.6 مم من أسفل الحافة إلى أعلى العدسة. تباعد الأطراف، المقاس حيث تخرج الأطراف من الغلاف، هو 2.54 مم قياسي (0.1 بوصة). التسامحات عادة ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يُسمح ببروز راتنج أقصى 1.5 مم تحت الحافة. يتم تحديد الأنود (الطرف الموجب) عادةً بطول الطرف الأطول.

5. إرشادات اللحام والتركيب

5.1 ظروف التخزين

يجب تخزين المكونات في بيئة أقل من 30°C ورطوبة نسبية 70%. بمجرد فتح العبوة الأصلية المغلقة، يجب استخدام المكونات خلال 3 أشهر في بيئة خاضعة للرقابة <25°C و <60% رطوبة نسبية لمنع أكسدة الأطراف، مما قد يؤثر على قابلية اللحام.

5.2 التنظيف

إذا كان التنظيف ضروريًا، فيجب استخدام المذيبات القائمة على الكحول فقط مثل كحول الأيزوبروبيل. قد تتلف المواد الكيميائية القاسية عدسة الإيبوكسي.

5.3 تشكيل الأطراف

إذا احتاجت الأطراف إلى الانحناء، فيجب القيام بذلك قبل اللحام وفي درجة حرارة الغرفة العادية. يجب إجراء الانحناء عند نقطة على الأقل 3 مم بعيدًا عن قاعدة عدسة LED. لا ينبغي استخدام قاعدة إطار الطرف كنقطة ارتكاز أثناء الانحناء لتجنب الإجهاد على التثبيت الداخلي للرقاقة.

5.4 عملية اللحام

اللحام اليدوي (المكواة):درجة حرارة قصوى 350°C لمدة لا تزيد عن 3 ثوانٍ لكل طرف. يجب ألا يكون طرف المكواة أقرب من 2 مم من قاعدة عدسة الإيبوكسي.
اللحام بالموجة:يتضمن الملف الشخصي الموصى به تسخينًا أوليًا حتى 100°C لمدة 60 ثانية كحد أقصى، يليه موجة لحام عند 260°C كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ. يجب ألا يكون موضع الغمس أقل من 2 مم من قاعدة العدسة.
تحذير هام:يجب تجنب غمس العدسة في اللحام. يمكن أن تسبب درجة الحرارة أو الوقت المفرط تشوه العدسة أو فشل كارثي. لا يناسب اللحام بإعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء (IR) نوع الغلاف المثقب هذا.

6. معلومات التغليف والطلب

يتم تغليف المكونات في أكياس مضادة للكهرباء الساكنة. تكوين التعبئة القياسي هو 1000 قطعة لكل كيس. يتم تعبئة ثمانية أكياس في صندوق داخلي، وثمانية صناديق داخلية تشكل صندوق شحن خارجي واحد، مما ينتج عنه إجمالي 64,000 قطعة لكل صندوق خارجي.

7. توصيات تصميم التطبيق

7.1 تصميم دائرة القيادة

أجهزة LED تعمل بالتيار. لضمان سطوع موحد ومنع احتكار التيار، يوصى بشدة باستخدام مقاوم محدد للتيار على التوالي لكل LED، حتى عند توصيل عدة مصابيح LED على التوازي بمصدر جهد. نموذج الدائرة البسيط (A) مع مقاوم على التوالي مع كل LED هو النهج الصحيح. النموذج البديل (B)، الذي يربط عدة مصابيح LED مباشرة على التوازي بدون مقاومات فردية، غير مرغوب فيه لأن الاختلافات الطفيفة في الجهد الأمامي (V_F) لكل LED ستسبب اختلافات كبيرة في توزيع التيار، وبالتالي، السطوع.

يمكن حساب قيمة المقاوم التسلسلي (R_s) باستخدام قانون أوم: R_s= (V_supply- V_F) / I_F, حيث I_Fهو تيار التشغيل المطلوب (مثلاً، 50 مللي أمبير) و V_Fهو الجهد الأمامي النموذجي من ورقة البيانات (مثلاً، 1.6 فولت).

7.2 الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)

هذا المكون حساس للتفريغ الكهروستاتيكي. يجب تنفيذ ضوابط ESD المناسبة أثناء التعامل والتركيب:

• يجب على الموظفين ارتداء أساور معصم مؤرضة أو قفازات مضادة للكهرباء الساكنة.
• يجب تأريض جميع محطات العمل والأدوات والمعدات بشكل صحيح.
• استخدام مؤينات لتحييد الشحنة الساكنة التي قد تتراكم على العدسة البلاستيكية.
• تخزين ونقل المكونات في عبوات موصلة أو مضادة للكهرباء الساكنة.

7.3 نطاق التطبيق والموثوقية

يُقصد بهذا المنتج للاستخدام في معدات الإلكترونيات التجارية والصناعية القياسية، بما في ذلك أتمتة المكاتب والاتصالات والأجهزة المنزلية. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب موثوقية استثنائية حيث قد يعرض الفشل الحياة أو الصحة للخطر (مثل الطيران، ودعم الحياة الطبية، وأنظمة سلامة النقل)، تكون الاستشارة والتأهيل المحددين ضروريين قبل التصميم.

8. المقارنة الفنية والتمييز

يتميز هذا IRED 850 نانومتر من خلال مزيجه منإخراج طاقة عالي(30-45 ميغاواط/ستراديان) وجهد أمامي منخفض(1.6 فولت نموذجي). مقارنة بمصابيح LED المرئية القياسية أو أجهزة IRED ذات الطاقة المنخفضة، يسمح هذا بإضاءة أكثر سطوعًا أو مدى أطول في الأجهزة التي تعمل بالبطارية. توفر زاوية الرؤية 30 درجة توازنًا جيدًا بين الشدة المركزة ومنطقة التغطية. تجعل سرعة التبديل السريعة 30 نانوثانية مناسبة لكل من أجهزة التحكم عن بعد البسيطة التشغيل/الإيقاف وبروتوكولات نقل البيانات عالية السرعة، على عكس الأجهزة الأبطأ المقتصرة على التبديل الأساسي.

9. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من دبوس متحكم دقيق 3.3 فولت أو 5 فولت؟
ج: لا. يجب عليك دائمًا استخدام مقاوم محدد للتيار على التوالي. لدبوس المتحكم الدقيق قدرة محدودة على توفير/استهلاك التيار ويخلو من تنظيم التيار الدقيق. من شأن توصيل LED مباشرة أن يتجاوز التيار الأقصى للدبوس على الأرجح، مما يتلف المتحكم الدقيق، ويمكن أن يدفع LED بشكل مفرط.

س: لماذا يكون تصنيف التيار العكسي للاختبار فقط، وليس للتشغيل؟
ج: LED هو ثنائي مُحسّن للتوصيل الأمامي. تطبيق جهد عكسي، حتى ضمن الحد الأقصى للتصنيف 5 فولت، لا يجعله يعمل بشكل مفيد. التيار العكسي المحدد هو معلمة تسرب تُستخدم لاختبار الجودة، وليس معلمة تصميم لتشغيل الدائرة.

س: كيف أحسب المقاوم المطلوب لمصدر 5 فولت عند 50 مللي أمبير؟
ج: باستخدام V_Fالنموذجي البالغ 1.6 فولت: R = (5V - 1.6V) / 0.05A = 68 أوم. أقرب قيمة قياسية هي 68Ω. يجب أن تكون قدرة المقاوم على الأقل P = I²R = (0.05)²* 68 = 0.17W، لذا فإن مقاوم 1/4W كافٍ.

س: ما هو الغرض من الغلاف الشفاف إذا كان الضوء غير مرئي؟
ج: الإيبوكسي الشفاف شفاف للغاية لضوء الأشعة تحت الحمراء 850 نانومتر، مما يقلل من الخسائر البصرية داخل الغلاف نفسه. كانت العدسة الملونة ستمتص بعض إخراج الأشعة تحت الحمراء، مما يقلل الكفاءة. يسمح الغلاف الشفاف بأقصى شدة إشعاعية.

10. دراسة حالة التصميم والاستخدام

السيناريو: تصميم جهاز إرسال تحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء بسيط.
الهدف هو نقل أوامر مشفرة من وحدة محمولة باليد إلى مستقبل على بعد يصل إلى 10 أمتار في غرفة معيشة نموذجية.

اختيار المكونات:هذا IRED 850 نانومتر هو خيار ممتاز بسبب طاقة إخراجه العالية (لنطاق جيد)، وتشغيله بجهد منخفض (متوافق مع بطاريات صغيرة مثل خليتين AA توفران 3 فولت)، وسرعة تبديله السريعة (قادرة على التعامل مع تردد الناقل 38 كيلو هرتز الشائع الاستخدام في أجهزة التحكم عن بعد).

تصميم الدائرة:تتضمن دائرة الإرسال الأساسية متحكمًا دقيقًا يولد الكود المعدل. يقود دبوس المتحكم الدقيق ترانزستور (مثل NPN بسيط مثل 2N3904) في تكوين مفتاح. يتم وضع IRED ومقاوم تحديد التيار في دائرة المجمع للترانزستور. يعمل الترانزستور كمفتاح عالي السرعة، مما يسمح للمتحكم الدقيق بنبض LED بالتيار العالي المطلوب (مثلاً، نبضات 100 مللي أمبير) دون تحميل دبوس MCU مباشرة. يتم حساب قيمة المقاوم التسلسلي بناءً على جهد البطارية (3 فولت)، و V_FLED (~1.6 فولت)، وتيار النبض المطلوب.

اعتبارات:تضمن زاوية الرؤية الواسعة 30 درجة لـ LED أن جهاز التحكم عن بعد لا يحتاج إلى التوجيه بدقة نحو المستقبل. احتياطات ESD حرجة أثناء تجميع الوحدة المحمولة باليد. تضمن إرشادات التخزين بقاء مصابيح LED قابلة للحام أثناء عملية الإنتاج.

11. مبدأ التشغيل

ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (IRED) هو جهاز تقاطع أشباه موصلات من النوع p-n. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة من النوع n والثقوب من المنطقة من النوع p في منطقة التقاطع. عندما تتحد حاملات الشحنة هذه، يتم إطلاق الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يتم تحديد الطول الموجي المحدد للضوء المنبعث (850 نانومتر في هذه الحالة) بواسطة طاقة فجوة النطاق لمادة أشباه الموصلات، والتي تعتمد هنا على مركبات زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو زرنيخيد ألومنيوم غاليوم (AlGaAs). يقوم غلاف الإيبوكسي "الشفاف" بتغليف الرقاقة شبه الموصلة، ويوفر الحماية الميكانيكية، ويعمل كعدسة لتشكيل حزمة الإخراج.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تستمر مكونات الأشعة تحت الحمراء المنفصلة في التطور. تشمل الاتجاهات تطوير أجهزة ذات كثافة طاقة وكفاءة أعلى لتطبيقات المدى الطويل مثل LiDAR واستشعار وقت الطيران. هناك أيضًا دفعة نحو التصغير إلى عبوات أجهزة مثبتة على السطح (SMD) للتجميع الآلي وعوامل شكل أصغر. علاوة على ذلك، يتم تطوير مكونات ذات تسامحات طول موجي مُتحكم فيها بشكل أكثر إحكامًا وعرض نطاق طيفي أضيق لتطبيقات الاستشعار المتخصصة والاتصالات البصرية لتقليل التداخل وتحسين نسب الإشارة إلى الضوضاء. يبقى المبدأ الأساسي للإضاءة الكهربائية في تقاطعات أشباه الموصلات ثابتًا، لكن علوم المواد وتكنولوجيا التغليف تدفعان تحسينات الأداء.