ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر - وثيقة تقنية

1. نظرة عامة على المنتج

توفر هذه الوثيقة نظرة عامة تقنية شاملة لمكون الصمام الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر (IR LED). الوظيفة الأساسية لهذا الجهاز هي إصدار ضوء في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، تحديدًا عند طول موجي قياسي (λp) يبلغ 940 نانومتر (nm). هذا الطول الموجي غير مرئي للعين البشرية ولكنه فعال للغاية لمختلف تطبيقات الاستشعار والتحكم عن بُعد. تم تصميم المكون ليكون قابلاً للتكامل في التجميعات الإلكترونية التي تتطلب مصدر ضوء تحت أحمر موثوقًا وثابتًا.

تكمن الميزة الأساسية لهذا الصمام الثنائي تحت الأحمر في انبعاثه المحدد عند 940 نانومتر، وهو معيار شائع للإلكترونيات الاستهلاكية مثل أجهزة التحكم عن بُعد للتلفزيون وأجهزة استشعار القرب. يوفر هذا الطول الموجي توازنًا جيدًا بين حساسية كاشف السيليكون الضوئي ورفض الضوء المحيط. يشمل السوق المستهدف الإلكترونيات الاستهلاكية، والأتمتة الصناعية، وأنظمة الأمان، وأي تطبيق يتطلب ضوءًا غير مرئي للإشارة أو الكشف أو نقل البيانات.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يسلط جزء ملف PDF المقدم الضوء على معيار ضوئي واحد حاسم: الطول الموجي القياسي.

2.1 الخصائص الضوئية

الطول الموجي القياسي (λp): 940 نانومتر

هذا هو الطول الموجي الأبرز الذي يصدره الصمام الثنائي، حيث تكون الشدة الإشعاعية في أقصى حد لها. يعتبر ذروة 940 نانومتر مهمة لعدة أسباب:

• التوافق مع كاشف السيليكون:تتمتع الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون، وهي أكثر كواشف الأشعة تحت الحمراء شيوعًا، بحساسية قياسية تتراوح عادةً بين 800 نانومتر و950 نانومتر. يتوافق مصدر 940 نانومتر جيدًا مع هذا، مما يضمن كشفًا فعالاً وقوة إشارة قوية.
• انبعاث ضوء مرئي منخفض:بينما تصدر بعض صمامات LED تحت الحمراء القريبة توهجًا أحمر باهتًا، فإن صمامات LED ذات 940 نانومتر تكون غير مرئية عمليًا، مما يجعلها مثالية للتطبيقات السرية أو حيث يكون تسرب الضوء المرئي غير مرغوب فيه.
• مناعة ضد ضوء الشمس:يحتوي طيف الإشعاع الشمسي على حد أدنى محلي حول 940 نانومتر، مما يساعد أجهزة الاستشعار التي تستخدم هذا الطول الموجي على أن تكون أقل عرضة للتداخل من ضوء الشمس المحيط مقارنةً، على سبيل المثال، بصمامات LED ذات 850 نانومتر.

بينما يُظهر مقتطف ملف PDF الطول الموجي القياسي فقط، فإن ورقة البيانات الكاملة تشمل عادةً معايير ضوئية إضافية مثل الشدة الإشعاعية (بالملي واط لكل ستراديان، mW/sr)، وزاوية الرؤية (زاوية نصف الشدة بالدرجات)، وعرض النطاق الطيفي (العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى، FWHM، بالنانومتر).

2.2 المعايير الكهربائية

على الرغم من عدم ذكرها صراحةً في النص المقدم، فإن فهم الخصائص الكهربائية أمر أساسي للتصميم.

• جهد الأمام (Vf):انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي عند التشغيل بتياره المحدد. بالنسبة لصمامات LED تحت الحمراء النموذجية، يتراوح هذا غالبًا من 1.2 فولت إلى 1.6 فولت، ولكن القيمة الدقيقة تعتمد على مادة أشباه الموصلات وتصميم الشريحة. هذه المعلمة حاسمة لاختيار مقاومة محددة للتيار أو دائرة قيادة مناسبة.
• تيار الأمام (If):تيار التشغيل المستمر الموصى به، عادةً بين 20 مللي أمبير و100 مللي أمبير للحزم القياسية. يمكن أن يؤدي تجاوز الحد الأقصى لتيار الأمام إلى تدهور سريع أو فشل كارثي.
• الجهد العكسي (Vr):أقصى جهد يمكن أن يتحمله الصمام الثنائي عند انحيازه عكسيًا دون تلف، عادةً حوالي 5 فولت. يمكن أن يؤدي تجاوز هذا إلى انهيار تقاطع PN.
• تبديد الطاقة:يُحسب كـ Vf * If، وهذا يحدد الحمل الحراري على المكون ويؤثر على الحاجة إلى غرفة التبريد.

2.3 الخصائص الحرارية

يعتمد أداء وعمر الصمام الثنائي بشكل كبير على درجة حرارة التقاطع.

• المقاومة الحرارية (Rθj-a):مقاومة تدفق الحرارة من تقاطع أشباه الموصلات إلى الهواء المحيط، معبرًا عنها بالدرجات المئوية لكل واط (°C/W). تشير القيمة الأقل إلى قدرة أفضل على تبديد الحرارة.
• أقصى درجة حرارة تقاطع (Tj max):أعلى درجة حرارة مسموح بها عند تقاطع أشباه الموصلات. يؤدي التشغيل فوق هذا الحد إلى تقصير عمر الصمام الثنائي بشكل كبير. يعد تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) المناسب (الثقوب الحرارية، مساحة النحاس) ضروريًا للحفاظ على Tj ضمن الحدود.
• منحنى التخفيض (Derating):رسم بياني يوضح كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به لتيار الأمام مع زيادة درجة حرارة المحيط. هذه أداة تصميم حاسمة لضمان الموثوقية تحت جميع ظروف التشغيل.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

تعني الاختلافات التصنيعية أن صمامات LED ليست متطابقة. يصنف نظام التصنيف (Binning) المكونات بناءً على معايير رئيسية لضمان الاتساق داخل دفعة الإنتاج.

• تصنيف الطول الموجي/الطول الموجي القياسي:يتم فرز صمامات LED إلى مجموعات بناءً على طولها الموجي القياسي الفعلي، على سبيل المثال، 935-945 نانومتر، 940-950 نانومتر. وهذا يضمن اتساق اللون للتطبيق.
• تصنيف الشدة الإشعاعية/التدفق الضوئي:يتم تجميع المكونات حسب قوة إخراج الضوء المقاسة. على سبيل المثال، قد تُعرَّف المجموعات على أنها قيم دنيا/نموذجية/قصوى للشدة الإشعاعية عند تيار اختبار محدد.
• تصنيف جهد الأمام:يتم فرز صمامات LED حسب Vf الخاصة بها عند تيار اختبار. وهذا يساعد في تصميم دوائر أكثر تجانسًا، خاصةً عند توصيل عدة صمامات LED على التوالي.

يجب على المصممين تحديد المجموعات المطلوبة عند الطلب لضمان الأداء اللازم لتطبيقهم.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر البيانات الرسومية رؤية أعمق من المواصفات أحادية النقطة.

4.1 منحنى التيار مقابل الجهد (I-V)

يُظهر هذا المنحنى العلاقة بين جهد الأمام والتيار الأمامي. إنه غير خطي، ويظهر جهد "الركبة" (عادةً ~1.2 فولت لصمامات LED تحت الحمراء) فوقه يزداد التيار بسرعة مع زيادة طفيفة في الجهد. وهذا يؤكد أهمية التحكم في التيار، وليس التحكم في الجهد، لقيادة صمامات LED.

4.2 الخصائص الحرارية

تشمل الرسوم البيانية الرئيسية:

• جهد الأمام مقابل درجة حرارة التقاطع:يتمتع Vf بمعامل درجة حرارة سلبي، مما يعني أنه ينخفض مع زيادة درجة الحرارة. يمكن استخدام هذا لاستشعار درجة الحرارة.
• الشدة الإشعاعية مقابل درجة حرارة التقاطع:ينخفض إخراج الضوء عادةً مع ارتفاع درجة الحرارة. يشير ميل هذا المنحنى إلى الاستقرار الحراري للإخراج.
• الشدة النسبية مقابل تيار الأمام:يوضح كيف يتدرج إخراج الضوء مع تيار القيادة، عادةً في علاقة خطية أو شبه خطية قليلاً حتى تهيمن التأثيرات الحرارية.

4.3 التوزيع الطيفي

رسم بياني يرسم الشدة النسبية مقابل الطول الموجي. بالنسبة لصمام LED ذي 940 نانومتر، سيكون هذا المنحنى متمركزًا حول 940 نانومتر بعرض FWHM نموذجي يبلغ 40-50 نانومتر. يؤثر شكل وعرض هذا المنحنى على كيفية تفاعل الضوء مع المرشحات والكواشف.

5. المعلومات الميكانيكية وبيانات التغليف

يذكر ملف PDF مصطلحات التغليف ولكنه يفتقر إلى رسم أبعاد.

• نوع الحزمة:تشمل الحزم الشائعة لصمامات LED تحت الحمراء 3 مم، 5 مم مع أطراف شعاعية، وحزم الأجهزة المركبة على السطح (SMD) مثل 0805، 1206، أو حزم IR متخصصة.
• الأبعاد:سيحدد الرسم الميكانيكي المفصل الطول والعرض والارتفاع وقطر/تباعد الأطراف (للتركيب عبر الثقب)، أو أبعاد الوسادة (لـ SMD).
• تصميم الوسادة/نمط اللحام:بالنسبة لأجزاء SMD، فإن بصمة PCB الموصى بها (حجم الوسادة، الشكل، والتباعد) أمر بالغ الأهمية للحام موثوق وقوة ميكانيكية.
• تحديد القطبية:صمامات LED هي ثنائيات ويجب توصيلها بالقطبية الصحيحة. يتم التعريف عادةً عبر حافة مسطحة على العدسة، أو طرف أنود أطول، أو كاثود معلم على جسم حزمة SMD.

6. إرشادات اللحام والتجميع

يضمن التعامل السليم الموثوقية.

• ملف إعادة التدفق (Reflow):بالنسبة لمكونات SMD، يجب اتباع ملف زمني-حراري يحدد التسخين المسبق، والنقع، ودرجة حرارة ذروة إعادة التدفق (عادةً 260 درجة مئوية كحد أقصى لبضع ثوانٍ)، ومعدلات التبريد.
• اللحام اليدوي:إذا كان ذلك ممكنًا، يتم توفير إرشادات لدرجة حرارة المكواة (<350 درجة مئوية) وأقصى وقت لحام لكل طرف (على سبيل المثال، 3 ثوانٍ) لمنع التلف الحراري لعدسة الإيبوكسي أو أشباه الموصلات.
• احتياطات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):صمامات LED حساسة للتفريغ الكهروستاتيكي. يجب أن يتم التعامل في محطات عمل محمية من ESD باستخدام معدات مؤرضة. يسلط ذكر "الكيس الكهروستاتيكي" في ملف PDF الضوء على هذا المطلب.
• ظروف التخزين:يجب تخزين المكونات في بيئة جافة وخاضعة للتحكم (على سبيل المثال،<40 درجة مئوية / 40% رطوبة نسبية) لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يتسبب في ظاهرة "الفشار" أثناء إعادة التدفق.

7. معلومات التغليف والطلب

يسرد جزء ملف PDF عدة مستويات للتغليف.

• الكيس الكهروستاتيكي:الحاجز الأساسي للرطوبة و ESD للمكونات السائبة أو البكرات.
• الصندوق الداخلي:يحتوي على عدة أكياس كهروستاتيكية أو بكرات.
• الصندوق الخارجي:صندوق الشحن الرئيسي الذي يحتوي على عدة صناديق داخلية.
• كمية التعبئة:الكمية القياسية لكل بكرة (على سبيل المثال، 1000 قطعة)، أو لكل كيس، أو لكل صندوق.
• وضع العلامات:يجب أن تتضمن الملصقات رقم الجزء، والكمية، ورمز التاريخ، ورقم الدفعة/اللوت، ومستوى حساسية الرطوبة/ESD (MSL).
• قاعدة ترقيم الموديل:يتضمن رقم الجزء الكامل عادةً سمات رئيسية مشفرة مثل نوع الحزمة، ومجموعة الطول الموجي، ومجموعة الشدة، ومجموعة جهد الأمام.

8. توصيات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• أجهزة التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء:للتلفزيونات، وأجهزة الاستقبال، وأنظمة الصوت. يعتبر الطول الموجي 940 نانومتر هو المعيار الصناعي.
• أجهزة استشعار القرب والوجود:تُستخدم في الهواتف الذكية (لتعطيل شاشات اللمس أثناء المكالمات)، والحنفيات الأوتوماتيكية، وموزعات الصابون.
• كشف الأشياء والعد:في الأتمتة الصناعية، وآلات البيع، والحزم الأمنية.
• نقل البيانات الضوئي:لروابط البيانات قصيرة المدى ومنخفضة السرعة (كان IrDA معيارًا شائعًا).
• إضاءة الرؤية الليلية:مقترنة بكاميرات حساسة للأشعة تحت الحمراء للمراقبة في ظروف الإضاءة المنخفضة.

8.2 اعتبارات التصميم

• دائرة القيادة:استخدم دائمًا مقاومة محددة للتيار على التوالي أو محرك تيار ثابت. احسب قيمة المقاومة باستخدام R = (جهد المصدر - Vf) / If.
• تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة (PCB):وفر مساحة نحاسية كافية أو ثقوب حرارية تحت الوسادة الحرارية للصمام الثنائي (إذا كان SMD) لتبديد الحرارة.
• التصميم البصري:ضع في اعتبارك العدسات أو الفتحات لتشكيل الحزمة. يجب أن تتطابق زاوية رؤية الصمام الثنائي مع مجال رؤية الكاشف.
• الترشيح:استخدم مرشحًا يمرر الأشعة تحت الحمراء على الكاشف لحجب الضوء المرئي وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
• التضمين:لتطبيقات الاستشعار، يمكن أن يؤدي تضمين إشارة IR (على سبيل المثال، عند 38 كيلو هرتز) واستخدام كاشف متزامن إلى رفض تداخل الضوء المحيط بشكل فعال.

9. مقارنة تقنية

مقارنة بمصادر الأشعة تحت الحمراء الأخرى:

• مقارنة بصمامات LED تحت الحمراء ذات 850 نانومتر:غالبًا ما يكون لصمامات LED ذات 850 نانومتر توهج أحمر باهت وهي أكثر عرضة للتداخل من ضوء الشمس ولكنها قد توفر شدة إشعاعية أعلى قليلاً لنفس تيار القيادة بسبب كفاءة المادة. يُفضل 940 نانومتر للتشغيل السري ورفض أفضل لضوء الشمس.
• مقارنة بالديودات الليزرية:توفر الليزرات حزمة متماسكة وضيقة مثالية للاستشعار بعيد المدى أو الدقيق ولكنها أكثر تكلفة، وتتطلب تدابير قيادة وسلامة أكثر تعقيدًا، ولها طيف انبعاث أضيق.
• مقارنة بمصادر الأشعة تحت الحمراء المتوهجة:تصدر المصادر القائمة على الفتيل أشعة تحت حمراء عريضة النطاق ولكنها غير فعالة، وبطيئة، وهشة، وتولد حرارة كبيرة.

يوفر صمام LED ذو 940 نانومتر توازنًا مثاليًا بين التكلفة والكفاءة والموثوقية والأداء للتطبيقات الاستهلاكية والصناعية السائدة.

10. الأسئلة الشائعة (FAQs)

س: لماذا لا يمكن رؤية صمام LED الخاص بي ذو 940 نانومتر؟

ج: تنخفض حساسية العين البشرية بشكل حاد بعد حوالي 750 نانومتر. يقع 940 نانومتر بعيدًا في طيف الأشعة تحت الحمراء وهو غير مرئي في الأساس، وهي ميزة رئيسية للعديد من التطبيقات.

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

ج: لا. يجب عليك دائمًا استخدام مقاومة محددة للتيار على التوالي. لا يمكن لدبوس GPIO الخاص بالمتتحكم الدقيق توفير تيار مستقر وقد يتلف بسبب جهد الأمام المنخفض للصمام الثنائي، مما قد يخلق حالة قريبة من الدائرة القصيرة.

س: كيف أحدد قيمة المقاومة المثلى؟

ج: استخدم قانون أوم: R = (Vs - Vf) / If. على سبيل المثال، مع Vs=5V، Vf=1.4V (نموذجي)، و If=20mA: R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 أوم. استخدم القيمة القياسية التالية (على سبيل المثال، 180Ω أو 220Ω).

س: ما هو الغرض من "الكيس الكهروستاتيكي" المذكور؟

ج: يحمي الصمام الثنائي من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) أثناء التخزين والنقل، مما قد يتلف تقاطع أشباه الموصلات الحساس حتى لو لم يكن الضرر مرئيًا على الفور.

س: هل تؤثر درجة حرارة المحيط على الأداء؟

ج: نعم، بشكل كبير. تنخفض الشدة الإشعاعية مع زيادة درجة الحرارة، وينخفض جهد الأمام. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، استشر منحنيات التخفيض وصمم إدارة الحرارة وفقًا لذلك.

11. حالات استخدام عملية

دراسة حالة 1: مستشعر القرب في الهاتف الذكي

يتم وضع صمام LED ذو 940 نانومتر بالقرب من سماعة الأذن. عندما تكون المكالمة نشطة، يصدر الصمام الثنائي نبضة قصيرة. يقيس كاشف ضوئي قريب الضوء المنعكس. إذا كان جسم (مثل أذن المستخدم) قريبًا، تكون إشارة الانعكاس قوية، ويتم تعطيل شاشة اللمس لمنع المدخلات العرضية. يضمن الطول الموجي 940 نانومتر عدم رؤية أي توهج مرئي أثناء المكالمة.

دراسة حالة 2: عداد الأشياء على الناقل الصناعي

يتم تركيب صمام LED تحت الأحمر وكاشف على جانبي الناقل المتحرك المتقابلين، مما يخلق حزمة. عندما يمر جسم، يكسر الحزمة، مما يؤدي إلى تشغيل عداد. يساعد استخدام إشارة 940 نانومتر مُضمَّنة النظام على تجاهل الإشعاع تحت الأحمر الثابت من الأجسام الساخنة أو الآلات في أرضية المصنع.

12. مبدأ التشغيل

صمام LED تحت الأحمر هو ثنائي تقاطع أشباه موصلات من النوع p-n. عند انحيازه للأمام (جهد موجب مطبق على الجانب p، الأنود)، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة n عبر التقاطع إلى المنطقة p، ويتم حقن الثقوب من المنطقة p إلى المنطقة n. تندمج حاملات الأقلية هذه مع حاملات الأغلبية في المناطق المعاكسة. في مادة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق المباشر مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو زرنيخيد ألومنيوم غاليوم (AlGaAs)، الشائعة الاستخدام في صمامات LED تحت الحمراء، يطلق حدث الاندماج هذا الطاقة في شكل فوتون (جسيم ضوء). يتم تحديد الطول الموجي (اللون) للفوتون المنبعث بواسطة طاقة فجوة النطاق (Eg) لمادة أشباه الموصلات، وفقًا للمعادلة λ ≈ 1240 / Eg (eV)، حيث λ بالنانومتر. بالنسبة لطول موجي 940 نانومتر، تبلغ طاقة فجوة النطاق حوالي 1.32 إلكترون فولت. يتم هندسة التركيب المادي المحدد (مثل AlGaAs) لتحقيق فجوة النطاق الدقيقة هذه.

13. اتجاهات التكنولوجيا

يتبع تطوير صمامات LED تحت الحمراء عدة اتجاهات رئيسية مدفوعة بمتطلبات التطبيق:

• زيادة الطاقة والكفاءة:تؤدي التحسينات المستمرة في علوم المواد وتصميم الشرائح إلى زيادة الشدة الإشعاعية وكفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوئية (الطاقة الضوئية الخارجة / الطاقة الكهربائية الداخلة)، مما يتيح مدى أطول أو استهلاك طاقة أقل.
• التصغير:تستمر أحجام الحزم في التقلص (على سبيل المثال، حزم على مستوى الشريحة) لتناسب الأجهزة الاستهلاكية الأصغر حجمًا مثل الأجهزة القابلة للارتداء والهواتف الذكية فائقة النحافة.
• الحلول المتكاملة:هناك اتجاه نحو وحدات تجمع بين الصمام الثنائي، والمحرك، والكاشف الضوئي، وأحيانًا حتى متحكم دقيق في حزمة واحدة، مما يبسط التصميم للمستخدمين النهائيين (على سبيل المثال، وحدات استشعار القرب الكاملة).
• التوسع في أطياف جديدة:بينما تهيمن أطوال 850 نانومتر و940 نانومتر، هناك اهتمام متزايد بأطوال موجية أخرى تحت الحمراء لتطبيقات متخصصة، مثل استشعار الغاز (باستخدام خطوط امتصاص محددة) أو تصوير الأنسجة البيولوجية المحسّن.
• تحسين إدارة الحرارة:تسمح تصاميم الحزم الجديدة ذات المقاومة الحرارية المنخفضة بتيارات قيادة أعلى وإخراج مستدام في البيئات المتطلبة.

تهدف هذه الاتجاهات إلى جعل الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء أكثر موثوقية، وصغر حجمًا، وكفاءة في استخدام الطاقة، وإتاحتها لمجموعة أوسع من التطبيقات، من LiDAR السيارات والمصادقة البيومترية إلى المراقبة البيئية المتقدمة.