ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء IR19-315C/TR8 - مقاس 0603 SMD - أبعاد 1.6x0.8x0.6mm - طول موجة 940 نانومتر - قدرة 130 ميلي واط

1. نظرة عامة على المنتج

IR19-315C/TR8 هو صمام ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر مصغر ومركب على السطح، موجود في حزمة قياسية 0603. تم تصميم هذا الجهاز لبعث الضوء عند طول موجة ذروة يبلغ 940 نانومتر، وهو متوافق بشكل مثالي مع الحساسية الطيفية للخلايا الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون. وظيفته الأساسية هي العمل كمصدر فعال للأشعة تحت الحمراء في أنظمة الاستشعار والاتصالات المختلفة.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

يقدم هذا المكون عدة مزايا رئيسية للتصميم الإلكتروني الحديث. بصمته الصغيرة SMD تسمح بتخطيطات لوحات دوائر مطبوعة عالية الكثافة، وهو أمر أساسي للإلكترونيات الاستهلاكية المدمجة وأجهزة إنترنت الأشياء. تم تصنيع الجهاز باستخدام مادة شريحة AlGaAs (ألومنيوم جاليوم زرنيخيد)، والتي توفر أداءً موثوقاً لانبعاث الأشعة تحت الحمراء. وهو مغلف بعدسة إيبوكسي شفافة تماماً، مما يضمن الحد الأدنى من امتصاص ضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث. المنتج متوافق بالكامل مع توجيهية RoHS (تقييد المواد الخطرة)، ولوائح الاتحاد الأوروبي REACH، ويتم تصنيعه خالياً من الهالوجين، مما يلبي معايير السلامة والبيئة الصارمة. تشمل التطبيقات المستهدفة الرئيسية وحدات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء التي تتطلب إخراجاً ثابتاً، ومستشعرات الكشف عن القرب أو الأشياء المركبة على اللوحة، وماسحات الباركود، وأنظمة أخرى متنوعة تعتمد على الأشعة تحت الحمراء.

2. تحليل متعمق للمعايير الفنية

إن الفهم الشامل لحدود الجهاز وخصائص تشغيله أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة موثوقة وضمان الأداء طويل الأمد.

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي إذا تم تجاوزها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل عند أو تحت هذه الحدود.

• التيار الأمامي المستمر (I_F): 65 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تطبيقه باستمرار على الصمام الثنائي الباعث للضوء.
• الجهد العكسي (V_R): 5 فولت. تجاوز هذا الجهد في الانحياز العكسي يمكن أن يسبب انهيار الوصلة.
• درجة حرارة التشغيل (T_opr): من -25°C إلى +85°C. نطاق درجة حرارة المحيط للتشغيل العادي.
• درجة حرارة التخزين (T_stg): من -40°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي.
• تبديد الطاقة (P_d): 130 ميلي واط عند أو أقل من درجة حرارة هواء حر 25°C. أقصى قدرة يمكن للحزمة تبديدها كحرارة.
• درجة حرارة اللحام (T_sol): 260°C لمدة لا تزيد عن 5 ثوانٍ، تنطبق على عمليات إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهروضوئية (T_a= 25°C)

تحدد هذه المعلمات أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل النموذجية. يتم تحديد جميع القيم عند درجة حرارة محيط 25°C.

• شدة الإشعاع (I_e): هذه هي القدرة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة، مقاسة بالميلي واط لكل ستراديان (mW/sr). عند تيار أمامي (I_F) قدره 20 مللي أمبير، تكون القيمة النموذجية 0.6 mW/sr. تحت التشغيل النبضي (I_F=100mA، عرض النبضة ≤100μs، دورة العمل ≤1%)، يمكن أن تصل شدة الإشعاع إلى 4.0 mW/sr.
• طول موجة الذروة (λ_p): 940 نانومتر. هذا هو الطول الموجي الذي تكون فيه قدرة الإخراج البصرية في أقصى حد لها.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ): حوالي 45 نانومتر. يشير هذا إلى نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، ويقاس عادةً عند نصف أقصى شدة (العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى - FWHM).
• الجهد الأمامي (V_F): انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء عندما يتدفق التيار. عند I_F=20mA، تكون قيمة V_Fالنموذجية 1.2V، بحد أقصى 1.5V. تزداد هذه القيمة إلى 1.4V (نموذجي) و 1.8V (أقصى) عند I_F=100mA تحت ظروف النبض.
• التيار العكسي (I_R): أقصى 10 ميكرو أمبير عند تطبيق جهد عكسي 5V.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2): 140 درجة. هذه هي الزاوية الكاملة حيث تنخفض شدة الإشعاع إلى نصف قيمتها عند 0 درجة (على المحور). زاوية الرؤية الواسعة مفيدة للتطبيقات التي تتطلب تغطية منطقة واسعة.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يستخدم IR19-315C/TR8 نظام تصنيف لتصنيف الأجهزة بناءً على ناتج شدة إشعاعها. هذا يسمح للمصممين باختيار مكونات تلبي متطلبات سطوع محددة لتطبيقهم.

3.1 تصنيف شدة الإشعاع

يتم فرز الأجهزة إلى فئات (E، F، G) وفقاً لشدة إشعاعها المقاسة عند حالة اختبار I_F= 20 مللي أمبير.

• الفئة E: تتراوح شدة الإشعاع من حد أدنى 0.2 mW/sr إلى حد أقصى 1.0 mW/sr.
• الفئة F: تتراوح شدة الإشعاع من حد أدنى 0.5 mW/sr إلى حد أقصى 1.5 mW/sr.
• الفئة G: تتراوح شدة الإشعاع من حد أدنى 1.0 mW/sr إلى حد أقصى 2.5 mW/sr.

يضمن هذا التصنيف الاتساق داخل دفعة الإنتاج ويسمح بأداء بصري يمكن التنبؤ به في المنتج النهائي.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة. هذه المنحنيات أساسية للتصميم المتقدم وفهم التأثيرات غير الخطية.

4.1 التيار الأمامي مقابل درجة حرارة المحيط

يظهر هذا المنحنى تخفيض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي مع زيادة درجة حرارة المحيط. تنخفض قدرة الصمام الثنائي الباعث للضوء على تبديد الطاقة مع ارتفاع درجة الحرارة لمنع السخونة الزائدة. يجب على المصممين الرجوع إلى هذا الرسم البياني عند تشغيل الجهاز في بيئات مرتفعة الحرارة لضمان عدم تجاوز تيار القيادة لمنطقة التشغيل الآمنة.

4.2 توزيع الطيف

يوضح مخطط توزيع الطيف ناتج القدرة البصرية النسبية عبر أطوال موجية مختلفة. يؤكد الذروة عند 940 نانومتر وعرض النطاق الطيفي البالغ حوالي 45 نانومتر. هذا أمر بالغ الأهمية لضمان التوافق مع الاستجابة الطيفية لمستشعر الاستقبال.

3.3 طول موجة الذروة مقابل درجة حرارة المحيط

يصور هذا الرسم البياني كيف يتحول طول موجة الذروة (λ_p) مع تغيرات درجة حرارة الوصلة. عادةً، يزداد الطول الموجي قليلاً مع درجة الحرارة (معامل موجب). يجب أخذ هذا الانزياح في الاعتبار في تطبيقات الاستشعار الدقيقة حيث يكون مرشح المستقبل أو حساسيته مضبوطاً بدقة.

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

منحنى I-V أساسي لتصميم الدائرة. يظهر العلاقة الأسية بين التيار والجهد. جهد "الركبة" حوالي 1.2V. يستخدم هذا المنحنى لحساب قيمة المقاوم التسلسلي اللازمة لتحديد التيار إلى المستوى المطلوب عند التشغيل من مصدر جهد، كما تم التأكيد في الاحتياطات.

4.5 شدة الإشعاع النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يمثل هذا الرسم البياني القطبي زاوية الرؤية بصرياً. يوضح كيف تتناقص الشدة مع تحرك زاوية المراقبة بعيداً عن المحور المركزي (0°)، لتصل إلى 50% عند ±70° (ومن هنا جاءت زاوية الرؤية الكلية البالغة 140°). هذه المعلومات حيوية لتصميم المسار البصري والمحاذاة في النظام.

5. معلومات الميكانيكا والحزمة

5.1 أبعاد الحزمة

يتوافق الجهاز مع بصمة الحزمة القياسية 0603 (1608 متري) SMD. تشمل الأبعاد الرئيسية طول الجسم 1.6 مم، وعرض 0.8 مم، وارتفاع 0.6 مم. يتم توفير نمط اللحام (تخطيط وسادات اللوحة الموصى به) وأبعاد الطرفية لضمان اللحام السليم والاستقرار الميكانيكي. جميع التفاوتات الأبعاد هي عادةً ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.

5.2 تحديد القطبية

يتم عادةً تمييز الكاثود على جسم الجهاز. يشير مخطط ورقة البيانات إلى جانب الكاثود، والذي يجب توجيهه بشكل صحيح على اللوحة وفقاً للبصمة الموصى بها. القطبية غير الصحيحة ستمنع الجهاز من إصدار الضوء وتطبيق الانحياز العكسي.

6. إرشادات اللحام والتركيب

التعامل السليم واللحام أمران بالغا الأهمية للحفاظ على موثوقية الجهاز وأدائه.

6.1 التخزين والحساسية للرطوبة

يتم تعبئة مصابيح LED في كيس مقاوم للرطوبة مع مجفف. تشمل الاحتياطات الرئيسية:

• لا تفتح الكيس حتى تصبح جاهزاً للاستخدام.
• قم بتخزين الأكياس غير المفتوحة عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية.
• استخدم خلال سنة واحدة من الشحن.
• بعد الفتح، قم بالتخزين عند ≤30°C و ≤60% رطوبة نسبية واستخدم خلال 168 ساعة (7 أيام).
• إذا تم تجاوز وقت التخزين أو أشار المجفف إلى الرطوبة، يلزم معالجة بالخبز عند 60 ±5°C لمدة لا تقل عن 24 ساعة قبل اللحام.

6.2 ملف درجة حرارة اللحام بإعادة التدفق (Reflow)

الجهاز متوافق مع عمليات إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء وطور البخار. يوصى بملف درجة حرارة لحام خالٍ من الرصاص، بدرجة حرارة ذروة 260°C لمدة لا تزيد عن 5 ثوانٍ. لا ينبغي إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين. يجب تجنب الإجهاد على جسم الصمام الثنائي الباعث للضوء أثناء التسخين وانحناء اللوحة بعد اللحام.

6.3 اللحام اليدوي والإصلاح

إذا كان اللحام اليدوي ضرورياً، استخدم مكواة لحام بدرجة حرارة طرف أقل من 350°C، وطبق الحرارة على كل طرف لمدة لا تزيد عن 3 ثوانٍ، واستخدم مكواة بقدرة تصنيفية 25 واط أو أقل. اسمح بفترة تبريد لا تقل عن ثانيتين بين الأطراف. لا يُنصح بالإصلاح، ولكن إذا كان لا مفر منه، فيجب استخدام مكواة لحام برأس مزدوج لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد لمنع الإجهاد الميكانيكي على وصلات اللحام. يجب التحقق من تأثير الإصلاح على خصائص الجهاز مسبقاً.

7. معلومات التعبئة والطلب

7.1 مواصفات الشريط والبكرة (Tape and Reel)

يتم توريد المكونات على شريط ناقل بارز بعرض 8 مم ملفوف على بكرة قياسية قطرها 7 بوصات. تحتوي كل بكرة على 4000 قطعة (4 آلاف قطعة/بكرة). يتم توفير أبعاد الشريط الناقل التفصيلية، بما في ذلك حجم الجيب، والخطوة، ومواصفات ثقب التروس، لضمان التوافق مع معدات الاختيار والوضع الآلية.

7.2 إجراءات التعبئة

يتم إغلاق البكرات داخل كيس ألومنيوم مقاوم للرطوبة مع مجفف. توفر الملصقات على الكيس معلومات رئيسية مثل رقم الجزء (P/N)، ورقم جزء العميل (CPN)، والكمية (QTY)، ورتبة التصنيف (CAT)، وطول موجة الذروة (HUE)، ورقم الدفعة (LOT No.)، وبلد التصنيع.

8. توصيات تصميم التطبيقات

8.1 تحديد التيار إلزامي

أهم قاعدة تصميم هي الاستخدام الإلزامي لمقاوم محدد للتيار على التوالي. للجهد الأمامي لصمام LED معامل درجة حرارة سالب ويمكن أن يختلف قليلاً بين الوحدات. يمكن أن تسبب زيادة صغيرة في الجهد زيادة كبيرة، وربما مدمرة، في التيار. يمكن حساب قيمة المقاوم (R) باستخدام قانون أوم: R = (V_supply- V_F) / I_F، حيث V_Fهو الجهد الأمامي عند التيار المطلوب I_F.

8.2 إدارة الحرارة

بينما تتمتع حزمة 0603 بكتلة حرارية محدودة، يجب الانتباه إلى تبديد الطاقة، خاصة عند التشغيل بتيارات أعلى أو في درجات حرارة محيط عالية. يجب اتباع منحنى التخفيض. يمكن أن يساعد ضمان مساحة نحاسية كافية متصلة بوسادات التبريد (إن وجدت) أو أطراف الجهاز في تبديد الحرارة إلى اللوحة.

8.3 اعتبارات التصميم البصري

زاوية الرؤية الواسعة البالغة 140° تجعل هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء مناسباً للتطبيقات التي تتطلب إضاءة واسعة، مثل مستشعرات القرب. للحزم الموجهة أو طويلة المدى، قد تكون البصريات الثانوية (العدسات) مطلوبة. طول موجة 940 نانومتر غير مرئي للعين البشرية، مما يجعله مثالياً للتشغيل المتخفي، ولكن من المهم ملاحظة أن بعض مستشعرات الكاميرا الرقمية من الدرجة الاستهلاكية يمكنها اكتشافه، والذي قد يظهر كوهج أرجواني.

9. المقارنة والتمييز الفني

يميز IR19-315C/TR8 نفسه ضمن فئة مصابيح LED تحت الحمراء 0603 من خلال مزيجه المحدد من مادة AlGaAs وطول موجة الذروة 940 نانومتر. تقدم مصابيح LED من نوع AlGaAs عموماً كفاءة وموثوقية جيدة عند هذا الطول الموجي. مقارنة بمصابيح LED القائمة على GaAs، يمكن أن يكون لأجهزة AlGaAs خصائص جهد أمامي ودرجة حرارة مختلفة قليلاً. زاوية الرؤية الواسعة البالغة 140° هي ميزة ملحوظة مقارنة ببعض المنافسين الذين يقدمون حزم أضيق، مما يجعلها أكثر تنوعاً لتطبيقات استشعار المنطقة.

10. الأسئلة الشائعة (FAQ)

10.1 ما هو الغرض من رموز التصنيف (E، F، G)؟

تصنف رموز التصنيف مصابيح LED بناءً على ناتج شدة إشعاعها المقاس. هذا يسمح للمصممين باختيار مستوى سطوع ثابت لمنتجهم. على سبيل المثال، التطبيق الذي يتطلب إخراجاً بصرياً أعلى سيحدد مكونات الفئة G.

10.2 هل يمكنني تشغيل هذا الصمام مباشرة من دبوس متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت أو 5 فولت؟

لا، يجب ألا تقوم بتوصيله مباشرة. الجهد الأمامي المنخفض للصمام الثنائي الباعث للضوء (عادة 1.2 فولت) يعني أن توصيله مباشرة بمصدر 3.3 فولت أو 5 فولت بدون مقاوم محدد للتيار سيتسبب في تدفق تيار مفرط، مما يدمر الجهاز على الفور. مطلوب دائماً مقاوم على التوالي.

10.3 لماذا يعتبر طول موجة 940 نانومتر مهماً؟

940 نانومتر هو طول موجي شائع جداً لأنظمة الأشعة تحت الحمراء لأنه يقع ضمن منطقة حيث يكون لمكشافات الضوء السيليكونية (الخلايا الضوئية، الترانزستورات الضوئية) حساسية عالية. كما أنه أقل وضوحاً لضوضاء الضوء المحيط مقارنة بأطوال موجات الأشعة تحت الحمراء الأقصر مثل 850 نانومتر، وهو غير مرئي للعين البشرية، وهو أمر مرغوب فيه للإلكترونيات الاستهلاكية.

10.4 كم مرة يمكنني إعادة لحام هذا المكون بإعادة التدفق (Reflow)؟

تحدد ورقة البيانات أنه لا ينبغي إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين. تتعرض كل دورة إعادة تدفق المكون للإجهاد الحراري، مما قد يؤدي إلى تدهور وصلات الأسلاك الداخلية أو التغليف بالإيبوكسي.

11. دراسات حالة التصميم والاستخدام

11.1 مستشعر القرب البسيط

تطبيق شائع هو مستشعر كائن عاكس أساسي. يتم وضع IR19-315C/TR8 بجوار ترانزستور ضوئي من السيليكون على لوحة دوائر مطبوعة. يتم تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء بتيار نبضي (مثلاً، 20 مللي أمبير، 1 كيلو هرتز، دورة عمل 50%) عبر مقاوم. عندما يقترب جسم ما، فإنه يعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء على الترانزستور الضوئي، والذي يوصل وينتج إشارة. يساعد التشغيل النبضي في تمييز الإشارة عن ضوء الأشعة تحت الحمراء المحيط. تضمن زاوية الرؤية الواسعة للصمام الثنائي الباعث للضوء تغطية جيدة لمنطقة الكشف.

11.2 جهاز إرسال التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء

لأجهزة التحكم عن بعد التي تتطلب مدى أطول أو إخراج أعلى، يمكن تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء في وضع نبضي بتيارات أعلى، مثل 100 مللي أمبير مع دورة عمل منخفضة جداً (مثلاً، ≤1%). يستفيد هذا من شدة الإشعاع النبضي الأعلى (حتى 4.0 mW/sr) مع الحفاظ على متوسط الطاقة وتبديد الحرارة ضمن الحدود. عادةً ما يتم تعديل الإشارة عند تردد ناقل (مثلاً، 38 كيلو هرتز) للسماح للمستقبل بتصفية الضوضاء.

12. مبدأ التشغيل

IR19-315C/TR8 هو صمام ثنائي شبه موصل ذو وصلة p-n. عند تطبيق جهد أمامي يتجاوز طاقة فجوة النطاق الخاصة به، تندمج الإلكترونات من مادة AlGaAs من النوع n مع الفجوات من المادة من النوع p في المنطقة النشطة. تطلق عملية إعادة الاندماج هذه الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يحدد التركيب المحدد لأشباه الموصلات AlGaAs طاقة فجوة النطاق، والتي بدورها تحدد طول موجة الفوتونات المنبعثة - في هذه الحالة، حوالي 940 نانومتر، وهو في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة.

13. اتجاهات التكنولوجيا

تستمر تكنولوجيا مصابيح LED تحت الحمراء في التطور جنباً إلى جنب مع تكنولوجيا مصابيح LED المرئية. تشمل الاتجاهات تطوير أجهزة ذات كفاءة أعلى في تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوئية (مزيد من إخراج الضوء لكل واط كهربائي مدخل)، مما يقلل من استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة. هناك أيضاً عمل مستمر لتحسين أداء وموثوقية حزم SMD في درجات الحرارة العالية. علاوة على ذلك، فإن دمج مصابيح LED تحت الحمراء مع مشغلات وأجهزة استشعار في وحدات مدمجة هو اتجاه متزايد، مما يبسط تصميم النظام لتطبيقات مثل التعرف على الإيماءات والاستشعار ثلاثي الأبعاد (مثل وقت الطيران). يظل طول موجة 940 نانومتر معياراً مهيمناً بسبب تطابقه الأمثل مع كواشف السيليكون وقلة وضوحه.