ورقة بيانات باعث الأشعة تحت الحمراء LTE-302 - حزمة جانبية - الطول الموجي القمة 940 نانومتر - الجهد الأمامي 1.6 فولت - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد LTE-302 باعثًا للأشعة تحت الحمراء (IR) منخفض التكلفة ومصغرًا، مُصممًا للتطبيقات التي تتطلب استشعارًا ضوئيًا موثوقًا. تكمن ميزته الأساسية في حزمته البلاستيكية الجانبية، والتي تتيح شكلاً مضغوطًا مناسبًا للتصاميم المحدودة المساحة. تم تصميم الجهاز ليتوافق ميكانيكيًا وطيفيًا مع ترانزستورات الضوء من سلسلة LTR-301، مما يبسط تصميم مقاطعات الضوء، وأجهزة استشعار كشف الأجسام، وأنظمة استشعار القرب. يشمل السوق المستهدف الإلكترونيات الاستهلاكية، والأتمتة الصناعية، وأنظمة الأمان، وتطبيقات الاستشعار المضمنة المختلفة التي تتطلب انبعاثًا فعالاً وموثوقًا للأشعة تحت الحمراء.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الخصائص الكهربائية والبصرية

يتم تحديد الأداء الكهربائي والبصري عند درجة حرارة محيطة (T_A) تبلغ 25 درجة مئوية. تشمل المعايير الرئيسية:

• الجهد الأمامي (V_F):عادةً 1.6 فولت عند تيار أمامي (I_F) بقيمة 20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.6 فولت. هذا المعيار حاسم لتصميم دائرة القيادة.
• الطول الموجي القمة للانبعاث (λ_القمة):940 نانومتر (nm). هذا الطول الموجي مثالي للتطبيقات التي تستخدم كواشف الضوء القائمة على السيليكون، والتي تتمتع بحساسية جيدة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو أقل وضوحًا للعين البشرية مقارنة بالأطوال الموجية الأقصر.
• نصف عرض الخط الطيفي (Δλ):50 نانومتر. يشير هذا إلى عرض النطاق الطيفي للضوء المنبعث، المتمركز حول الطول الموجي القمة.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):40 درجة. تُحدد هذا الانتشار الزاوي للإشعاع المنبعث حيث تكون الشدة على الأقل نصف الشدة القصوى.
• التيار العكسي (I_R):بحد أقصى 100 ميكرو أمبير عند جهد عكسي (V_R) بقيمة 5 فولت. يشير هذا المعيار إلى تيار التسرب عندما يكون الجهاز في حالة انحياز عكسي.

2.2 الحدود القصوى المطلقة

تُحدد هذه القيم الحدود التي قد يتسبب تجاوزها في تلف دائم للجهاز. لا يُقصد بها التشغيل المستمر.

• تبديد الطاقة (P_D):75 ملي واط.
• التيار الأمامي المستمر (I_F):50 مللي أمبير.
• التيار الأمامي القمة:1 أمبير في ظروف النبض (300 نبضة في الثانية، عرض النبضة 10 ميكرو ثانية).
• الجهد العكسي: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 الحزمة.

3. شرح نظام التصنيف

يستخدم LTE-302 نظام تصنيف يعتمد على شدته الإشعاعية ووقوع الإشعاع عند الفتحة. يقوم هذا النظام بتجميع الأجهزة ذات طاقة الخرج البصرية المتشابهة لضمان اتساق الأداء في التطبيق. يتم اختبار التصنيفات عند تيار أمامي بقيمة 20 مللي أمبير.

• الشدة الإشعاعية (I_E):تُقاس بوحدة ملي واط لكل ستراديان (mW/sr)، وتمثل الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة. تتراوح التصنيفات من B (0.662-1.263 mW/sr) إلى F (1.444 mW/sr كحد أدنى).
• وقوع الإشعاع عند الفتحة (E_e):تُقاس بوحدة ملي واط لكل سنتيمتر مربع (mW/cm²)، وتمثل كثافة الطاقة عند فتحة الباعث. تتوافق التصنيفات مع تصنيفات الشدة الإشعاعية، من B (0.088-0.168 mW/cm²) إلى F (0.192 mW/cm² كحد أدنى).

يسمح هذا التصنيف للمصممين باختيار الأجهزة ذات طاقة الخرج البصرية المطلوبة لمسافة الاستشعار المحددة وحساسية المستقبل، مما يضمن تشغيلًا موثوقًا للنظام.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

4.1 التوزيع الطيفي (الشكل 1)

يُظهر هذا المنحنى الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي. يؤكد الانبعاث القمة عند 940 نانومتر ونصف العرض الطيفي البالغ حوالي 50 نانومتر. الشكل نموذجي لـ LED الأشعة تحت الحمراء من نوع AlGaAs.

4.2 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 3)

منحنى الخاصية IV (التيار-الجهد) هذا أساسي لتصميم دائرة تحديد التيار. يُظهر العلاقة الأسية النموذجية للدايود. يسمح المنحنى بتقدير انخفاض الجهد عند تيارات غير حالة الاختبار البالغة 20 مللي أمبير.

4.3 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل التيار الأمامي (الشكل 5)

يوضح هذا الرسم البياني أن طاقة الخرج البصرية تكون تقريبًا خطية مع التيار الأمامي ضمن نطاق التشغيل الموصى به. تشغيل LED خارج حدوده القصوى لن ينتج عنه زيادات متناسبة في الخرج ويعرضه لخطر التلف.

4.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 4)

يُظهر هذا المنحنى اعتماد الخرج البصري على درجة الحرارة. تتناقص الشدة الإشعاعية مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. يجب أخذ هذا التخفيض في الاعتبار في التطبيقات العاملة في درجات حرارة عالية لضمان احتفاظ نظام الاستشعار بقوة إشارة كافية.

4.5 مخطط الإشعاع (الشكل 6)

يمثل هذا الرسم القطبي زاوية الرؤية (2θ_1/2= 40°) بشكل مرئي. يُظهر التوزيع الزاوي للإشعاع المنبعث، وهو أمر مهم لمحاذاة الباعث مع الكاشف وفهم مجال الاستشعار.

5. معلومات الميكانيكا والحزمة

يستخدم الجهاز حزمة بلاستيكية جانبية مصغرة. تشمل الملاحظات الأبعادية الرئيسية:

• يتم توفير جميع الأبعاد بالمليمترات مع البوصة بين قوسين.
• ينطبق تسامح عام قدره ±0.25 مم (±0.010") ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• يتم قياس تباعد الأطراف عند النقطة التي تخرج منها الأطراف من جسم الحزمة.
• يعني التوجه الجانبي أن المحور البصري الرئيسي موازٍ لسطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، وهو مثالي للاستشعار العاكس أو المقاطع عبر اللوحة.

استشر الرسم التفصيلي للحزمة في ورقة البيانات الأصلية للحصول على الأبعاد الدقيقة، بما في ذلك حجم الجسم، وطول الأطراف، وموقع الفتحة.

6. إرشادات اللحام والتجميع

المناولة الصحيحة حاسمة للموثوقية.

• اللحام:يمكن للأطراف تحمل درجة حرارة لحام تبلغ 260°C لمدة 5 ثوانٍ، بشرط تطبيق الحرارة على بعد 1.6 مم (0.063") على الأقل من جسم الحزمة البلاستيكية. يمنع هذا التلف الحراري للمادة العازلة الإيبوكسية وشريحة أشباه الموصلات.
• احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):على الرغم من عدم ذكر ذلك صراحةً لهذا الجهاز، فإن مصابيح LED تحت الحمراء حساسة عمومًا للتفريغ الكهروستاتيكي (ESD). يُوصى بإجراءات المناولة القياسية للـ ESD (استخدام أسوار معصم مؤرضة، رغوة موصلة) أثناء التجميع.
• التنظيف:إذا كان التنظيف مطلوبًا بعد اللحام، فاستخدم الطرق والمذيبات المتوافقة مع المكونات الإلكترونية المعزولة بالبلاستيك لتجنب تشقق الإجهاد أو تدهور المادة.

7. توصيات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• مقاطعات الضوء / مفاتيح ذات فتحة:مقترنًا بترانزستور ضوئي متطابق (مثل LTR-301)، ينشئ الباعث حزمة. يؤدي مرور جسم عبر الفجوة إلى قطع الحزمة، مما يؤدي إلى إطلاق إشارة اكتشاف. يُستخدم في الطابعات، وآلات البيع، والعدادات الصناعية.
• استشعار الأجسام العاكسة:يتم وضع الباعث والكاشف جنبًا إلى جنب. يضيء الباعث سطحًا، ويستشعر الكاشف الضوء المنعكس. يُستخدم لكشف الورق، واستشعار مستوى السائل، وكشف القرب.
• التحكم الصناعي والأمان:يُستخدم في ستائر الأمان، وأجهزة استشعار الأبواب، وكشف العبث.

7.2 اعتبارات التصميم

• تحديد التيار:استخدم دائمًا مقاومًا على التوالي أو محرك تيار ثابت لتحديد التيار الأمامي إلى القيمة المطلوبة (مثل 20 مللي أمبير). احسب قيمة المقاوم باستخدام R = (V_المصدر- V_F) / I_F.
• المحاذاة البصرية:المحاذاة الميكانيكية الدقيقة بين الباعث والكاشف حاسمة لأقصى قوة إشارة، خاصة مع زاوية الرؤية البالغة 40 درجة.
• مناعة الضوء المحيط:للتشغيل الموثوق في بيئات ذات ضوء محيط متغير (مثل ضوء الشمس، أضواء الغرفة)، فكر في تعديل تيار تشغيل الباعث واستخدام دائرة اكتشاف متزامنة في المستقبل لتصفية إشارات الضوء المحيط المستمر.
• إدارة الحرارة:تأكد من أن الجهاز يعمل ضمن نطاق درجة حرارته المحدد. قلل الحد الأقصى للتيار الأمامي إذا اقتربت درجة الحرارة المحيطة من الحد الأعلى البالغ 85°C.

8. المقارنة التقنية والتمييز

يكمن التمييز الأساسي لـ LTE-302 في مجموعته المحددة من السمات:

• الحزمة الجانبية مقابل الرؤية العلوية:عامل الشكل الجانبي هو ميزة رئيسية للتطبيقات حيث يكون مسار الاستشعار موازيًا لـ PCB، مما يوفر مساحة رأسية مقارنة بالبواعث ذات الرؤية العلوية.
• متوافق مع سلسلة LTR-301:يضمن هذا التوافق الميكانيكي والطيفي المضمون تبسيط التصميم والشراء لوحدات مقاطعات الضوء، مما يضمن الأداء الأمثل دون الحاجة إلى محاذاة بصرية مخصصة أو تصفية طيفية.
• تصميم مصغر فعال من حيث التكلفة:يقدم توازنًا بين الأداء والحجم بتكلفة منخفضة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات الاستهلاكية ذات الحجم الكبير.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: ما هو الغرض من رموز التصنيف (B, C, D, E, F)؟

ج: تصنف الأجهزة بناءً على طاقة الخرج البصرية (الشدة الإشعاعية). تختار تصنيفًا لضمان أن نظام الاستشعار الخاص بك لديه قوة إشارة متسقة وكافية. لمسافات استشعار أطول أو كواشف ذات حساسية أقل، قد يكون التصنيف الأعلى (مثل E أو F) ضروريًا.

س: هل يمكنني تشغيل LED الأشعة تحت الحمراء هذا بمصدر طاقة 5 فولت مباشرة؟

ج: لا. الجهد الأمامي النموذجي هو 1.6 فولت. توصيله مباشرة بـ 5 فولت سيؤدي إلى تدفق تيار مفرط، مما يدمر الجهاز. يجب عليك دائمًا استخدام مقاوم محدد للتيار.

س: لماذا الطول الموجي القمة 940 نانومتر؟

ج: 940 نانومتر في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. إنه طول موجي شائع لأن كواشف الضوء السيليكونية (ترانزستورات الضوء، ثنائيات الضوء) تتمتع بحساسية جيدة هنا، وهو غير مرئي إلى حد كبير، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الاستشعار المنفصلة.

س: كيف تؤثر درجة الحرارة على الأداء؟

ج: كما هو موضح في الشكل 4، تتناقص الشدة الإشعاعية مع زيادة درجة الحرارة. في بيئة ساخنة، ستكون إشارة الخرج أضعف. صمم دائرةك بهامش كافٍ أو فكر في التعويض الحراري إذا كان التشغيل على نطاق واسع.

10. حالة تصميم واستخدام عملية

الحالة: تصميم مستشعر كشف الورق للطابعة.

يحتاج مهندس إلى اكتشاف وجود ورق في صينية التغذية. يضع باعث LTE-302 IR وترانزستور ضوئي LTR-301 على جانبي مسار الورق، مما ينشئ حزمة. عندما يكون الورق موجودًا، يحجب الحزمة، وينخفض خرج الترانزستور الضوئي. تتطلب زاوية الرؤية البالغة 40 درجة محاذاة دقيقة للمكونات على PCB لضمان أن الحزمة ضيقة بما يكفي للكشف الدقيق ولكنها واسعة بما يكفي للتسامح. يختار المهندس أجهزة من التصنيف D لضمان قوة إشارة قوية حتى لو تراكم الغبار بمرور الوقت. تقوم دائرة بسيطة بمقاوم 150 أوم بتحديد التيار إلى حوالي 20 مللي أمبير من مصدر 5 فولت (5V - 1.6V / 20mA ≈ 170Ω، باستخدام 150Ω لهامش طفيف). يتم توصيل خرج الترانزستور الضوئي بمقارن أو دخل متحكم دقيق لرقمنة إشارة الكشف.

11. مبدأ التشغيل

باعث الأشعة تحت الحمراء هو دايود شبه موصل. عندما يكون في حالة انحياز أمامي (جهد موجب مطبق على الأنود بالنسبة للكاثود)، تتحد الإلكترونات والثقوب في المنطقة النشطة من مادة أشباه الموصلات (عادةً زرنيخيد ألومنيوم جاليوم - AlGaAs). تُطلق عملية إعادة التركيب هذه الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يحدد التركيب المحدد لطبقات أشباه الموصلات الطول الموجي للفوتونات المنبعثة، والذي لـ LTE-302 يتركز عند 940 نانومتر. تحتوي الحزمة البلاستيكية على عدسة إيبوكسية تشكل الضوء المنبعث إلى نمط زاوية الرؤية المحدد.

12. اتجاهات التكنولوجيا

تُعد بواعث الأشعة تحت الحمراء مثل LTE-302 مكونات ناضجة وموثوقة. تشمل الاتجاهات العامة في المجال:

• زيادة التكامل:التحول نحو الوحدات التي تجمع بين الباعث، والكاشف، ودوائر تكييف الإشارة (مثل الدوائر المتكاملة ذات التعديل/إزالة التعديل المدمجة) لتبسيط التصميم وتحسين مناعة الضوضاء.
• التصغير:الاستمرار في تقليل حجم الحزمة (مثل حزم على مستوى الشريحة) لتناسب الإلكترونيات الاستهلاكية الأصغر حجمًا مثل الأجهزة القابلة للارتداء والهواتف الذكية فائقة النحافة.
• كفاءة أعلى:تطوير المواد والهياكل لتحقيق شدة إشعاعية أعلى لتيار تشغيل معين، مما يحسن عمر البطارية في الأجهزة المحمولة.
• متعددة الأطوال الموجية و VCSELs:للاستشعار المتقدم مثل وقت الطيران (ToF) والليدار، أصبحت ليزرات التجويف الرأسي السطحية (VCSELs) والمصفوفات أكثر شيوعًا، حيث تقدم طاقة أعلى وقدرات تعديل أسرع من مصابيح LED تحت الحمراء التقليدية.