ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء IR26-91C/L510/2D - عبوة SMD مقاس 3.0x1.0 مم - طول موجي 940 نانومتر - جهد أمامي 1.6 فولت - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

الصمام الثنائي IR26-91C/L510/2D هو صمام ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء صغير الحجم للتركيب السطحي (SMD). وهو مُغلف بعبوة مدمجة مقاس 3.0 مم × 1.0 مم مصنوعة من بلاستيك شفاف مع عدسة كروية من الأعلى. الوظيفة الأساسية لهذا المكون هي إصدار ضوء الأشعة تحت الحمراء بطول موجي ذروة يبلغ 940 نانومتر (نانومتر)، وهو مطابق طيفيًا لحساسية الصمامات الثنائية الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون الشائعة. وهذا يجعله مصدرًا مثاليًا لأنظمة الاستشعار والاتصالات بالأشعة تحت الحمراء التي تتطلب اقترانًا بصريًا دقيقًا.

1.1 الميزات والمزايا الأساسية

يقدم الجهاز عدة مزايا تقنية وامتثال رئيسية. ميزته البصرية الأساسية هي الطول الموجي الذروة 940 نانومتر، والذي تم اختياره للحصول على أداء أمثل مع الكواشف القائمة على السيليكون مع تقديم نقل جوي جيد. كهربائيًا، يتميز بجهد أمامي منخفض نموذجي يبلغ 1.3 فولت عند 20 مللي أمبير، مما يساهم في تشغيل موفر للطاقة. يتم تصنيع المكون ليكون خاليًا من الرصاص ويتوافق مع توجيهية الاتحاد الأوروبي لتقييد المواد الخطرة (RoHS) ولائحة تسجيل وتقييم وترخيص وتقييد المواد الكيميائية (REACH). كما أنه مصنف على أنه خالٍ من الهالوجين، حيث يقل محتوى البروم (Br) والكلور (Cl) كل منهما عن 900 جزء في المليون (جزء في المليون) ويقل مجموعهما المشترك عن 1500 جزء في المليون.

1.2 التطبيقات المستهدفة

تم تصميم هذا الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء للاستخدام في أنظمة الأشعة تحت الحمراء المتنوعة. تشمل التطبيقات النموذجية مستشعرات القرب، وكشف الأجسام، والمفاتيح غير اللمسية، والمشفرات البصرية، وروابط نقل البيانات قصيرة المدى. يجعل شكله الصغير وتصميمه SMD مناسبًا لعمليات التجميع الآلي في الإلكترونيات الاستهلاكية، والأتمتة الصناعية، ووحدات الاستشعار الداخلية للسيارات.

2. تحليل المعلمات التقنية

يقدم هذا القسم تفسيرًا تفصيليًا وموضوعيًا للمعلمات الكهربائية والبصرية والحرارية الرئيسية المحددة في ورقة البيانات. يعد فهم هذه التقييمات أمرًا بالغ الأهمية لتصميم دائرة موثوقة وضمان الأداء طويل المدى للجهاز.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد الحدود القصوى المطلقة حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. هذه التقييمات ليست للتشغيل المستمر. يتم تقييم التيار الأمامي المستمر (I_F) عند 65 مللي أمبير. يُسمح بتيار أمامي ذروة أعلى بكثير (I_FP) يبلغ 700 مللي أمبير، ولكن فقط تحت ظروف النبض الصارمة: عرض النبضة ≤ 70 ميكروثانية (μs) ودورة عمل ≤ 0.7%. الحد الأقصى لجهد الانعكاس (V_R) هو 5 فولت، مما يشير إلى أن الصمام الثنائي الباعث للضوء لديه تحمل منخفض جدًا للانحياز العكسي. يمكن للجهاز العمل في درجات حرارة محيطة (T_opr) من -40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية ويتم تخزينه (T_stg) من -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية. الحد الأقصى لدرجة حرارة اللحام (T_sol) أثناء إعادة التدفق هو 260 درجة مئوية لمدة لا تزيد عن 5 ثوانٍ. تبديد الطاقة (P_d) عند درجة حرارة هواء حر تبلغ 25 درجة مئوية أو أقل هو 100 ملي واط. كما يتميز بحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، مع تقييم نموذج جسم الإنسان (HBM) بحد أدنى 2000 فولت وتقييم نموذج الآلة (MM) بحد أدنى 200 فولت.

2.2 الخصائص الكهروبصرية

يوفر جدول الخصائص الكهروبصرية قيمًا نموذجية وحدود قصوى/دنيا تحت ظروف اختبار محددة (Ta=25°C). الشدة الإشعاعية (I_e)، وهي مقياس للقوة البصرية لكل زاوية صلبة، تبلغ نموذجيًا 8.0 ملي واط لكل ستراديان (mW/sr) عند تيار أمامي 20 مللي أمبير. يتركز الطول الموجي الذروة (λ_p) عند 940 نانومتر. عرض النطاق الطيفي (Δλ)، الذي يمثل نطاق الأطوال الموجية المنبعثة عند نصف شدة الذروة، يبلغ نموذجيًا 45 نانومتر. يتراوح الجهد الأمامي (V_F) من 1.3 فولت نموذجي إلى حد أقصى 1.6 فولت عند 20 مللي أمبير. التيار العكسي (I_R) له قيمة قصوى تبلغ 10 ميكروأمبير (μA) عند تطبيق انحياز عكسي 5 فولت. زاوية الرؤية، المعرفة كالزاوية الكاملة حيث تنخفض الشدة إلى نصف قيمتها القصوى، غير متماثلة: حوالي 130 درجة على المحور X و 20 درجة على المحور Y. وهذا يخلق نمط إشعاعي بيضاوي للغاية، وهو اعتبار تصميمي بالغ الأهمية لتشكيل الحزمة ومحاذاة المستشعر.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح سلوك الجهاز تحت ظروف متغيرة. هذه المنحنيات ضرورية لفهم العلاقات غير الخطية والتصميم لبيئات تشغيل مختلفة.

3.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يظهر منحنى التخفيض هذا كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي المستمر مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند 25 درجة مئوية، يكون التقييم الكامل 65 مللي أمبير متاحًا. مع ارتفاع درجة الحرارة، يجب تقليل التيار لمنع تجاوز الحد الأقصى لدرجة حرارة التقاطع وحدود تبديد الطاقة، مما يضمن الموثوقية طويلة المدى.

3.2 التوزيع الطيفي

يمثل مخطط التوزيع الطيفي إخراج الضوء بيانياً كدالة للطول الموجي. يؤكد الذروة عند 940 نانومتر وعرض النطاق الطيفي التقريبي 45 نانومتر (العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى - FWHM). يظهر المنحنى أنه يتم إصدار القليل جدًا من الضوء المرئي (أقل من ~700 نانومتر)، وهو أمر مرغوب فيه للتشغيل المتخفي في أنظمة الأشعة تحت الحمراء.

3.3 الشدة الإشعاعية مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا المنحنى العلاقة بين تيار القيادة وقوة الإخراج البصرية. إنه خطي بشكل عام عند التيارات المنخفضة ولكن قد يُظهر تشبعًا أو كفاءة منخفضة عند التيارات العالية جدًا بسبب التأثيرات الحرارية. يستخدم المصممون هذا لتحديد تيار القيادة المطلوب لتحقيق مستوى إشارة محدد عند الكاشف.

3.4 أنماط الإشعاع الزاوي

تُظهر الرسوم البيانية المنفصلة للمحور X والمحور Y الشدة الإشعاعية النسبية كدالة للإزاحة الزاوية من المركز البصري (0°). نمط المحور X واسع جدًا (~130° نصف زاوية)، بينما نمط المحور Y أضيق بكثير (~20° نصف زاوية). يجب أخذ هذا النمط البيضاوي في الاعتبار عند محاذاة الصمام الثنائي الباعث للضوء مع مستشعر أو تصميم عناصر بصرية مثل العدسات أو الفتحات.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد العبوة والتفاوتات

يبلغ الحجم الاسمي لعبوة الجهاز 3.0 مم في الطول، و 1.0 مم في العرض، وارتفاع محدد. يتم توفير رسم أبعاد تفصيلي، بما في ذلك مواقع الوسادات، وشكل العدسة، ومؤشر القطبية (عادةً شق أو نقطة على جانب الكاثود). جميع الأبعاد غير المحددة لها تفاوت ±0.1 مم. كما يتم توضيح نمط وسادة لحام موصى به للتركيب الجانبي لضمان الاستقرار الميكانيكي المناسب وتشكيل وصلة اللحام أثناء إعادة التدفق.

4.2 شريط الناقل والتغليف على بكرات

للتجميع الآلي (pick-and-place)، يتم توريد الصمامات الثنائية الباعثة للضوء في شريط ناقل بارز ملفوف على بكرات. توفر ورقة البيانات الأبعاد الدقيقة لجيوب الشريط الناقل، والخطوة، ومواصفات البكرة. تحتوي البكرة القياسية على 2000 قطعة. هذه المعلومات حيوية لتكوين مغذيات معدات التجميع بشكل صحيح.

5. إرشادات اللحام والتجميع

يعد التعامل واللحام المناسبين أمرًا بالغ الأهمية لمنع تلف الصمام الثنائي الباعث للضوء وضمان موثوقية وصلة اللحام.

5.1 ملف تعريف لحام إعادة التدفق

المكون مناسب لعمليات لحام إعادة التدفق الخالية من الرصاص. يتم توفير ملف تعريف درجة حرارة موصى به، يتضمن عادةً مراحل التسخين المسبق، والنقع، وإعادة التدفق (درجة حرارة الذروة ≤ 260 درجة مئوية لمدة ≤ 5 ثوانٍ)، والتبريد. يجب ألا يتجاوز عدد دورات إعادة التدفق ثلاثة لتقليل الإجهاد الحراري على العبوة البلاستيكية والروابط السلكية الداخلية.

5.2 اللحام اليدوي وإعادة العمل

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب توخي الحذر الشديد. يجب أن تكون درجة حرارة طرف مكواة اللحام أقل من 350 درجة مئوية، ويجب أن يقتصر وقت التلامس لكل طرف على 3 ثوانٍ أو أقل. يوصى باستخدام مكواة منخفضة الطاقة (≤25 واط). لإعادة العمل، يُقترح استخدام مكواة لحام برأس مزدوج لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد وتجنب الإجهاد الميكانيكي على وصلات اللحام. يجب تقييم جدوى وتأثير إعادة العمل مسبقًا.

5.3 الحساسية للرطوبة والتخزين

عبوة SMD حساسة للرطوبة. يجب تخزين الجهاز في كيسه الأصلي المضاد للرطوبة مع مجفف عند ≤30 درجة مئوية و ≤90% رطوبة نسبية (RH). العمر الافتراضي قبل فتح الكيس هو سنة واحدة. بعد الفتح، يجب تخزين المكونات عند ≤30 درجة مئوية و ≤70% رطوبة نسبية واستخدامها خلال 168 ساعة (7 أيام). إذا تم تجاوز هذه الشروط أو أشار المجفف إلى التشبع، فإنه يلزم معالجة بالخبز عند 60 ±5 درجة مئوية لمدة لا تقل عن 24 ساعة قبل الاستخدام لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة \"الفرقعة\" أثناء إعادة التدفق.

6. اعتبارات تصميم التطبيق

6.1 تصميم دائرة القيادة

ملاحظة تصميم حرجة هي الحاجة إلى تحديد التيار. يجب تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء بمصدر تيار أو، بشكل أكثر شيوعًا، مصدر جهد على التوالي مع مقاومة محددة للتيار. تحذر ورقة البيانات صراحةً من أن تحولًا طفيفًا في الجهد يمكن أن يتسبب في تغيير كبير في التيار، مما قد يؤدي إلى الاحتراق. يمكن حساب قيمة المقاومة (R_limit) باستخدام قانون أوم: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F، حيث V_Fهو الجهد الأمامي للصمام الثنائي الباعث للضوء عند التيار المطلوب I_F. استخدام الحد الأقصى لـ V_F(1.6 فولت) لهذا الحساب يضمن ألا يتجاوز التيار الهدف تحت جميع الظروف.

6.2 التصميم البصري والمحاذاة

بسبب نمط الحزمة البيضاوي للغاية (130° × 20°)، يلزم تصميم بصري دقيق. للتطبيقات التي تتطلب بقعة دائرية أو ملف تعريف إضاءة محدد، قد تكون هناك حاجة إلى بصريات ثانوية مثل العدسات أو العواكس. كما أن المحاذاة بين الصمام الثنائي الباعث للضوء والمستشعر الضوئي المقترن أكثر أهمية على طول المحور Y الضيق. يجب على المصممين الرجوع إلى رسوم الإزاحة الزاوية لفهم انخفاض الشدة.

6.3 إدارة الحرارة

على الرغم من أن تبديد الطاقة منخفض نسبيًا (100 ملي واط كحد أقصى)، إلا أن الإدارة الحرارية الفعالة لا تزال مهمة، خاصة في بيئات درجة الحرارة المحيطة العالية أو عند التشغيل بتيارات عالية. يجب اتباع منحنى التخفيض. يضمن توفير مساحة نحاسية كافية على اللوحة المطبوعة أسفل وحول وسادات الصمام الثنائي الباعث للضوء تبديد الحرارة والحفاظ على درجات حرارة تقاطع أقل، مما يحافظ على الكفاءة الضوئية والعمر الطويل.

7. المقارنة التقنية والتمييز

يميز IR26-91C/L510/2D نفسه في السوق من خلال مزيج محدد من المعلمات. طوله الموجي 940 نانومتر هو معيار شائع، ويوفر توازنًا جيدًا بين حساسية كاشف السيليكون وتداخل أقل من الضوء المحيط مقارنة بصمامات LED 850 نانومتر. الجهد الأمامي المنخفض جدًا (1.3 فولت نموذجي) هو ميزة رئيسية للدوائر المنطقية منخفضة الجهد أو التي تعمل بالبطارية، لأنه يقلل من هامش الجهد المطلوب للسائق. البصمة المدمجة مقاس 3.0x1.0 مم تسمح بتخطيطات لوحة مطبوعة عالية الكثافة. الامتثال لمعايير RoHS و REACH والخالية من الهالوجين يجعله مناسبًا للأسواق العالمية ذات اللوائح البيئية الصارمة. يمكن أن تكون زاوية الرؤية غير المتماثلة ميزة أو قيدًا، اعتمادًا على متطلبات التطبيق البصرية.

8. الأسئلة الشائعة (FAQ)

8.1 لماذا مقاومة تحديد التيار إلزامية؟

الصمام الثنائي الباعث للضوء هو صمام ثنائي ذو خاصية تيار-جهد (I-V) غير خطية. بعد جهد تشغيله، يتسبب زيادة طفيفة في الجهد في زيادة كبيرة جدًا في التيار. التشغيل مباشرة من مصدر جهد بدون مقاومة على التوالي سيسمح للتيار بالارتفاع بشكل لا يمكن السيطرة عليه، مما يتجاوز بسرعة الحد الأقصى المطلق للتصنيف ويدمر الجهاز. توفر المقاومة علاقة خطية وقابلة للتنبؤ بين جهد الإمداد وتيار الصمام الثنائي الباعث للضوء.

8.2 هل يمكنني تشغيل هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء باستخدام دبوس متحكم دقيق 3.3 فولت أو 5 فولت؟

نعم، ولكن هناك حاجة دائمًا إلى مقاومة على التوالي. على سبيل المثال، للتشغيل عند I_F=20 مللي أمبير من مصدر 3.3 فولت، بافتراض V_F=1.5 فولت: R = (3.3 فولت - 1.5 فولت) / 0.020 أمبير = 90 أوم. مقاومة قياسية 91 أوم ستكون مناسبة. يجب أن يكون دبوس المتحكم الدقيق قادرًا أيضًا على توفير أو استيعاب تيار 20 مللي أمبير المطلوب.

8.3 ما هو الغرض من الطول الموجي 940 نانومتر؟

ضوء الأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر غير مرئي للعين البشرية، مما يسمح بتشغيل متخفي. يتم امتصاصه بشدة بواسطة السيليكون، المادة المستخدمة في معظم الصمامات الثنائية الضوئية والترانزستورات الضوئية، مما يجعل الكشف فعالاً. كما أنه يتعرض لتداخل أقل من مصادر الضوء المحيط الشائعة (التي تحتوي على محتوى أقل من الأشعة تحت الحمراء عند 940 نانومتر مقارنة بـ 850 نانومتر) وأقل عرضة للضوضاء في مستشعرات التصوير.

8.4 كيف يمكنني تحديد الأنود والكاثود؟

تتضمن العبوة علامة قطبية. راجع رسم أبعاد العبوة في ورقة البيانات. من الشائع أن يتم تمييز الكاثود بنقطة خضراء، أو شق في العبوة، أو زاوية مشطوفة. سيؤدي اتصال القطبية غير الصحيح إلى منع الصمام الثنائي الباعث للضوء من إصدار الضوء، وإذا تم تطبيق جهد عكسي يتجاوز 5 فولت، فقد يتلف الجهاز.

9. دراسة حالة تصميم عملية

فكر في تصميم مستشعر بسيط لكشف الأجسام باستخدام هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء وترانزستور ضوئي من السيليكون. يتم تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء بواسطة مصدر 5 فولت من خلال مقاومة 180 أوم (تحديد التيار إلى ~20 مللي أمبير، بافتراض V_F=1.5 فولت). يتم وضع الترانزستور الضوئي على بعد بضعة سنتيمترات، ومحاذاة على نفس المحور البصري. عندما لا يكون هناك جسم، لا يصل ضوء الأشعة تحت الحمراء من الصمام الثنائي الباعث للضوء إلى الترانزستور الضوئي، ويكون إخراجه منخفضًا. عندما يمر جسم بينهما، فإنه يعكس بعض ضوء الأشعة تحت الحمراء على الترانزستور الضوئي، مما يتسبب في زيادة تيار إخراجه. يمكن تضخيم هذه الإشارة وإدخالها في مقارن أو ADC متحكم دقيق للكشف عن وجود الجسم. يعني نمط الحزمة البيضاوي للصمام الثنائي الباعث للضوء أن منطقة الكشف الفعالة للمستشعر ستكون أوسع أفقيًا من رأسيًا، وهو ما يجب مراعاته عند تحديد مجال رؤية المستشعر.

10. مبدأ التشغيل

يعمل الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء (IR LED) على مبدأ الإضاءة الكهربائية في مادة شبه موصلة. يستخدم IR26-91C/L510/2D شريحة زرنيخيد الغاليوم والألومنيوم (GaAlAs). عندما يتم تطبيق جهد أمامي يتجاوز جهد فجوة النطاق للصمام الثنائي، يتم حقن الإلكترونات من منطقة النوع n عبر وصلة p-n إلى منطقة النوع p، ويتم حقن الثقوب في الاتجاه المعاكس. تندمج حاملات الشحنة هذه (الإلكترونات والثقوب) في المنطقة النشطة من الوصلة. الطاقة المنطلقة أثناء هذا الاندماج تُصدر كفوتونات (جزيئات ضوء). يحدد التركيب المحدد لأشباه الموصلات GaAlAs طاقة فجوة النطاق، والتي تحدد مباشرة الطول الموجي للفوتونات المنبعثة - في هذه الحالة، يتركز حول 940 نانومتر في طيف الأشعة تحت الحمراء.

11. اتجاهات الصناعة

يستمر سوق الصمامات الثنائية الباعثة للأشعة تحت الحمراء في التطور. تشمل الاتجاهات الرئيسية السعي لتحقيق شدة إشعاعية وكفاءة أعلى من عبوات أصغر لتمكين استشعار أكثر قوة في الأجهزة المدمجة. هناك تكامل متزايد للصمامات الثنائية الباعثة للأشعة تحت الحمراء مع السائقين والمستشعرات في وحدات كاملة أو أنظمة في عبوة (SiP). يتنوع الطلب على أطوال موجية محددة؛ بينما يظل 940 نانومتر معيارًا، تكتسب أطوال موجية مثل 850 نانومتر (للمراقبة) و 1050 نانومتر/1300 نانومتر (لتطبيقات استشعار محددة) زخمًا. علاوة على ذلك، فإن السعي لتحقيق استهلاك أقل للطاقة وتحسين الموثوقية في التطبيقات السيارات (مثل المراقبة داخل المقصورة)، والاستهلاكية (مثل التعرف على الوجه)، وإنترنت الأشياء الصناعية يدفع التقدم في تكنولوجيا الشرائح، والتغليف، والإدارة الحرارية لبواعث الأشعة تحت الحمراء.