ورقة بيانات مكون LED بالأشعة تحت الحمراء - الطول الموجي القياسي 940 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

توفر هذه الوثيقة المواصفات التقنية لمكون ثنائي باعث للضوء (LED) يعمل بالأشعة تحت الحمراء (IR). التطبيق الأساسي لمثل هذه المكونات هو في الأنظمة التي تتطلب مصادر ضوء غير مرئية، مثل أجهزة التحكم عن بُعد، وأجهزة استشعار القرب، وإضاءة الرؤية الليلية، ونقل البيانات البصرية. الميزة الأساسية لهذا المكون المحدد هي انبعاثه عند طول موجي قياسي يبلغ 940 نانومتر، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات التي يرغب فيها في تقليل الانبعاث الضوئي المرئي، حيث أنه غير مرئي إلى حد كبير للعين البشرية. يشمل السوق المستهدف الإلكترونيات الاستهلاكية، والأتمتة الصناعية، وأنظمة الأمان، والتطبيقات السياراتية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يحدد المحتوى المقدم معيارًا ضوئيًا رئيسيًا: الطول الموجي القياسي (λp). هذا مواصفة حاسمة لمصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء.

2.1 الخصائص الضوئية

الطول الموجي القياسي (λp):940 نانومتر (nm). يحدد هذا المعيار الطول الموجي الذي يصدر فيه LED أقصى طاقة بصرية. يقع الطول الموجي 940 نانومتر ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. يُستخدم هذا الطول الموجي بشكل شائع لأن الثنائيات الضوئية السيليكونية، وهي المستقبلات النموذجية في أنظمة الأشعة تحت الحمراء، تتمتع بحساسية عالية حول هذا النطاق. علاوة على ذلك، فإن ضوء 940 نانومتر أقل وضوحًا كوهج أحمر خافت مقارنة بأطوال موجية أقصر للأشعة تحت الحمراء مثل 850 نانومتر، مما يجعله مفضلاً للإضاءة الخفية.

التحليل:يشير اختيار 940 نانومتر إلى أن هذا المكون مُحسَّن للكفاءة في أنظمة الكشف باستخدام أجهزة استشعار السيليكون القياسية وللتطبيقات التي تتطلب تلوثًا ضوئيًا مرئيًا منخفضًا. لم يتم تقديم شدة الإشعاع وزاوية الرؤية، وهما مواصفات تكميلية شائعة، ولكنهما حاسمان لحساب النطاق الفعال ومنطقة التغطية في التصميم.

2.2 المعايير الكهربائية

على الرغم من عدم ذكر قيم جهد التشغيل الأمامي (Vf)، والتيار الأمامي (If)، وجهد الانعكاس (Vr) المحددة في المقتطف، إلا أن هذه المعايير أساسية لأي LED. يجب على المصممين الرجوع إلى ورقة البيانات الكاملة للحصول على الحدود القصوى المطلقة وظروف التشغيل النموذجية لضمان التشغيل الموثوق وطول العمر. يتسبب تجاوز الحد الأقصى للتيار الأمامي بشكل أساسي في فشل LED بسبب توليد حرارة مفرطة.

2.3 الخصائص الحرارية

إدارة الحرارة أمر بالغ الأهمية لأداء LED وعمره الافتراضي. تشمل المعايير الرئيسية المقاومة الحرارية من الوصلة إلى الهواء المحيط (RθJA) ودرجة حرارة الوصلة القصوى (Tj max). من الضروري وجود غرفة تبريد فعالة من خلال غلاف LED ولوحة الدوائر المطبوعة (PCB) للحفاظ على Tj ضمن الحدود الآمنة، خاصة عند التشغيل بتيارات عالية أو في درجات حرارة محيطة مرتفعة.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتضمن تصنيع LED اختلافات طبيعية. يقوم نظام التصنيف (Binning) بتصنيف المكونات بناءً على معايير رئيسية لضمان الاتساق داخل دفعة الإنتاج.

3.1 تصنيف الطول الموجي

بالنسبة لـ LED بالأشعة تحت الحمراء، يعتبر الطول الموجي القياسي هو معيار التصنيف الأساسي. قد يتم فرز المكونات في مجموعات ذات تسامح ضيق حول القيمة الاسمية 940 نانومتر (مثل 935 نانومتر إلى 945 نانومتر). يضمن ذلك أن جميع مصابيح LED في النظام لها خصائص انبعاث متطابقة تقريبًا، وهو أمر بالغ الأهمية لأداء المرشحات البصرية وضبط أجهزة الاستشعار في المستقبل.

3.2 تصنيف جهد التشغيل الأمامي

يتم أيضًا تصنيف مصابيح LED حسب جهد التشغيل الأمامي (Vf) عند تيار اختبار محدد. يساعد تجميع مصابيح LED ذات قيم Vf متشابهة في تصميم دوائر التشغيل، خاصة عند توصيل عدة مصابيح LED على التوالي، لضمان توزيع موحد للتيار والسطوع.

4. تحليل منحنيات الأداء

البيانات الرسومية ضرورية لفهم سلوك المكون تحت ظروف مختلفة.

4.1 منحنى التيار مقابل الجهد (I-V)

يظهر منحنى I-V العلاقة بين جهد التشغيل الأمامي والتيار المار عبر LED. إنه غير خطي. جهد "الركبة" هو النقطة التقريبية التي يبدأ فيها LED في التوصيل بشكل كبير وانبعاث الضوء. يساعد ميل المنحنى في منطقة التشغيل في تحديد المقاومة الديناميكية لـ LED.

4.2 خصائص درجة الحرارة

يعتمد أداء LED على درجة الحرارة. عادةً، ينخفض جهد التشغيل الأمامي (Vf) مع زيادة درجة حرارة الوصلة. على العكس من ذلك، تنخفض شدة الإضاءة أو الطاقة المشعة أيضًا مع ارتفاع درجة الحرارة. تعتبر الرسوم البيانية التي تُظهر الشدة النسبية مقابل درجة حرارة الوصلة وجهد التشغيل الأمامي مقابل درجة الحرارة حاسمة لتصميم الدوائر التي تعوض التأثيرات الحرارية.

3.3 التوزيع الطيفي

يرسم رسم بياني للتوزيع الطيفي الطاقة المشعة مقابل الطول الموجي. بالنسبة لـ LED 940 نانومتر، سيظهر هذا الرسم البياني ذروة مهيمنة عند أو بالقرب من 940 نانومتر مع عرض نطاق طيفي معين (مثل العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى - FWHM). يشير FWHM أضيق إلى مصدر ضوء أكثر أحادية اللون، وهو ما يمكن أن يكون مهمًا للتطبيقات التي تستخدم مرشحات بصرية.

5. المعلومات الميكانيكية ومواصفات الغلاف

يذكر المقتطف أنواع التغليف ولكن ليس غلاف LED المحدد (مثل 5 مم، 3 مم، جهاز سطح التثبيت مثل 0805 أو 1206). ستتضمن ورقة البيانات الكاملة رسمًا ميكانيكيًا مفصلاً.

5.1 رسم الأبعاد

مطلوب رسم بياني بالأبعاد، يوضح الطول والعرض والارتفاع وتباعد الأطراف (للتركيب عبر الفتحات)، أو أبعاد المسارات (لـ SMD). يجب تحديد التسامحات لجميع الأبعاد.

5.2 تصميم تخطيط المسارات (للمكونات السطحية SMD)

لحزم التركيب السطحي، يتم توفير نمط أرضي موصى به لـ PCB (البصمة). يتضمن ذلك حجم وشكل وتباعد المسارات النحاسية لضمان اللحام المناسب والاستقرار الميكانيكي.

5.3 تحديد القطبية

يجب الإشارة بوضوح إلى طريقة تحديد الأنود والكاثود. بالنسبة لمصابيح LED ذات التركيب عبر الفتحات، يكون الكاثود عادةً هو الطرف الأقصر أو الطرف المجاور لنقطة مسطحة على العدسة. بالنسبة لمصابيح LED السطحية، تشير علامة مثل نقطة أو شق أو زاوية مظللة على الغلاف إلى الكاثود.

6. إرشادات اللحام والتركيب

6.1 ملف تعريف لحام الريفو (Reflow)

للمكونات السطحية، يلزم وجود ملف تعريف تفصيلي للريفو. يتضمن ذلك درجة حرارة وزمن التسخين المسبق، وزمن النقع، ودرجة الحرارة القصوى، والزمن فوق نقطة الانصهار (TAL)، ومعدل التبريد. يمنع الالتزام بهذا الملف الصدمة الحرارية ويضمن وصلات لحام موثوقة.

6.2 احتياطات السلامة

تشمل الاحتياطات العامة: تجنب الإجهاد الميكانيكي على عدسة LED، واستخدام حماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) أثناء التعامل (حيث أن مصابيح LED حساسة للتفريغ الكهروستاتيكي)، وضمان عدم وجود تلوث على السطح البصري. بالنسبة للأجزاء ذات التركيب عبر الفتحات، يجب أن يتم ثني الأطراف على مسافة كافية من جسم الغلاف.

6.3 ظروف التخزين

يجب تخزين مصابيح LED في بيئة باردة وجافة، عادةً ضمن نطاق محدد لدرجة الحرارة والرطوبة. غالبًا ما يتم توريدها في عبوات حساسة للرطوبة مع مجفف، وقد تتطلب تجفيفًا قبل الاستخدام إذا تم فتح العبوة لفترة طويلة.

7. معلومات التغليف والطلب

يسرد مقتطف PDF عناصر التغليف بشكل صريح، وهو جزء رئيسي من المحتوى المقدم.

7.1 مواصفات التغليف

يتم تعريف هرمية التغليف على النحو التالي:

• الكيس المضاد للكهرباء الساكنة:الحاوية الأساسية، مصممة لحماية المكونات من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) والرطوبة.
• الصندوق الداخلي:صندوق أو صينية تحمل عدة أكياس مضادة للكهرباء الساكنة أو بكرات من المكونات.
• الصندوق الخارجي:صندوق الشحن الرئيسي الذي يحتوي على عدة صناديق داخلية.

7.2 الكمية في العبوة

يجب تحديد الكمية المحددة لمكونات LED لكل كيس مضاد للكهرباء الساكنة، ولكل صندوق داخلي، ولكل صندوق خارجي. الكميات الشائعة هي مضاعفات 1000 أو 2000 أو 5000 قطعة للأجزاء السطحية على بكرات، أو أعداد محددة للتغليف السائب.

7.3 معلومات الملصقات

يجب أن يحتوي كل مستوى من مستويات التغليف على ملصق يشير إلى رقم القطعة، والكمية، ورمز التاريخ، ورقم الدفعة، ومستوى الحساسية للكهرباء الساكنة/الرطوبة (MSL).

7.4 قواعد تسمية رقم الموديل

عادةً ما يرمز رقم القطعة الكامل إلى السمات الرئيسية. على سبيل المثال، قد يشير رقم الموديل إلى حجم الغلاف، والطول الموجي القياسي، وزاوية الرؤية، ومجموعة التدفق الضوئي. قد يعني رمز مثل "IR940-45D" LED بالأشعة تحت الحمراء، 940 نانومتر، زاوية رؤية 45 درجة، ومجموعة شدة إشعاعية محددة 'D'.

8. توصيات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

هذا LED بالأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر مناسب لـ:

• أجهزة التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء:للتلفزيونات، وأنظمة الصوت، وأجهزة الاستقبال.
• أجهزة استشعار القرب والحضور:في الهواتف الذكية، والأجهزة المنزلية، والحنفيات الأوتوماتيكية.
• إضاءة الرؤية الليلية:مقترنة بكاميرات حساسة للأشعة تحت الحمراء في أنظمة الأمان والمراقبة.
• المفاتيح البصرية والمشفرات:للكشف عن الموضع أو الدوران.
• نقل البيانات:في الأجهزة المتوافقة مع IrDA للاتصال اللاسلكي قصير المدى.

8.2 اعتبارات التصميم

دائرة التشغيل:يوصى باستخدام مصدر تيار ثابت بدلاً من مصدر جهد مع مقاومة متسلسلة للحصول على إخراج مستقر، خاصة مع تغيرات درجة الحرارة. يجب أن يكون التشغيل مصنفًا للتيار الأمامي لـ LED.
التصميم البصري:يجب أن تكون مادة العدسة أو الغطاء بين LED والهدف شفافة لضوء 940 نانومتر. العديد من البلاستيك مناسبة، ولكن قد تخفف بعض أنواع الزجاج أو المواد الملونة الإشارة.
غرفة التبريد:تأكد من وجود مساحة نحاسية كافية على PCB أو مشتت حراري خارجي إذا كان التشغيل بتيارات مستمرة عالية.
مطابقة المستقبل:يجب أن يكون الكاشف الضوئي (مثل الترانزستور الضوئي، الثنائي الضوئي) ذا حساسية قصوى حول 940 نانومتر. يمكن للمرشح البصري المطابق لطيف LED تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء عن طريق حجب الضوء المحيط.

9. المقارنة التقنية

مقارنة بمصابيح LED أخرى بالأشعة تحت الحمراء، يقدم مكون 940 نانومتر مزايا ومقايضات محددة.

مقارنة بـ LED 850 نانومتر بالأشعة تحت الحمراء:غالبًا ما توفر مصابيح LED 850 نانومتر إخراجًا إشعاعيًا أعلى قليلاً لنفس المدخلات الكهربائية بسبب كفاءة المواد الأفضل عند ذلك الطول الموجي. ومع ذلك، فإن 850 نانومتر تنبعث منها وهج أحمر خافت يمكن رؤيته في الظروف المظلمة، وهو ما قد يكون غير مرغوب فيه للتطبيقات الخفية. 940 نانومتر غير مرئي عمليًا، مما يجعله متفوقًا للإضاءة المنفصلة.

مقارنة بـ LED المرئية:المميز الأساسي هو الطول الموجي. تمكن مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء من وظائف غير مرئية للمستخدمين، مما يسمح بميزات مثل التشغيل التلقائي (أجهزة الاستشعار) أو التحكم (أجهزة التحكم عن بُعد) دون انبعاث ضوء مشتت.

10. الأسئلة الشائعة (FAQs)

س: لماذا يعتبر الطول الموجي القياسي 940 نانومتر مهمًا؟
ج: إنه يطابق النطاق عالي الحساسية لأجهزة الكشف الضوئي السيليكونية الشائعة مع تقليل انبعاث الضوء المرئي إلى الحد الأدنى، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات أجهزة الاستشعار والإضاءة الخفية.

س: كيف أقوم بتشغيل هذا LED؟
ج: استخدم دائرة تشغيل تيار ثابت. التنفيذ البسيط هو مصدر جهد مع مقاومة محددة للتيار، محسوبة باستخدام جهد التشغيل الأمامي النموذجي لـ LED (Vf) والتيار الأمامي المطلوب (If) من ورقة البيانات الكاملة: R = (Vsource - Vf) / If.

س: هل يمكنني رؤية الضوء من هذا LED؟
ج: الطول الموجي 940 نانومتر خارج الطيف المرئي لمعظم البشر. قد يدرك بعض الأفراد وهجًا أحمر عميقًا جدًا في ظروف مظلمة للغاية، ولكنه غير مرئي إلى حد كبير. ومع ذلك، يمكن لكاميرا الهاتف الذكي رؤيته بوضوح عادةً، لأن مستشعرات الكاميرا حساسة للأشعة تحت الحمراء القريبة.

س: ما هو الغرض من الكيس المضاد للكهرباء الساكنة؟
ج: يحمي LED من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، والذي يمكن أن يتلف الوصلة شبه الموصلة حتى لو لم يشعر الشخص بالتفريغ.

11. حالات استخدام عملية

دراسة حالة 1: موزع الصابون الأوتوماتيكي.يتم إقران LED بالأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر مع ترانزستور ضوئي لإنشاء مستشعر قرب. يصدر LED باستمرار حزمة غير مرئية. عندما تقطع اليد الحزمة، يؤدي التغيير في الضوء المكتشف إلى تشغيل محرك المضخة. يضمن الطول الموجي 940 نانومتر أن العملية سلسة وبدون أي مؤشر ضوئي مرئي.

دراسة حالة 2: جهاز تحكم تلفزيوني بعيد المدى.يتم استخدام مجموعة من مصابيح LED 940 نانومتر في جهاز تحكم عن بُعد عالمي. تسمح الشدة الإشعاعية العالية (المضمونة من خلال التصنيف المناسب وتيار التشغيل) للإشارة بالوصول إلى مستشعر التلفزيون من زوايا واسعة ومسافات أطول. يمنع عدم وجود ضوء مرئي التشتيت في مسرح منزلي مظلم.

12. مقدمة عن المبدأ العلمي

ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (IR LED) هو ثنائي شبه موصل من نوع p-n. عند انحيازه للأمام، تتحد الإلكترونات من المنطقة n مع الفجوات من المنطقة p في المنطقة النشطة. تُطلق عملية إعادة التركيب هذه الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). يتم تحديد الطول الموجي المحدد للفوتونات المنبعثة بواسطة طاقة فجوة النطاق لمواد أشباه الموصلات المستخدمة في بناء LED (عادةً ألومنيوم جاليوم زرنيخيد - AlGaAs لـ 940 نانومتر). تؤدي فجوة النطاق الأكبر إلى طول موجي أقصر (ضوء أزرق)، وتؤدي فجوة النطاق الأصغر إلى طول موجي أطول (ضوء أحمر أو أشعة تحت حمراء). إخراج 940 نانومتر هو نتيجة مباشرة لهندسة تركيب أشباه الموصلات لتحقيق طاقة فجوة النطاق المحددة هذه.

13. اتجاهات التطوير

يتم دفع مجال مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء من خلال الطلب على كفاءة أعلى، وحزم أصغر، وتكامل أكبر.

زيادة الكفاءة:يركز البحث على تحسين الكفاءة الكمومية الداخلية (نسبة إعادة تركيب الإلكترونات والفجوات التي تنتج فوتونات) وكفاءة استخراج الضوء (إخراج الفوتونات المتولدة من مادة أشباه الموصلات). يؤدي هذا إلى إخراج إشعاعي أعلى لنفس المدخلات الكهربائية، مما يتيح عمر بطارية أطول في الأجهزة المحمولة.

التصغير:يدفع الاتجاه نحو الإلكترونيات الاستهلاكية الأصغر حجمًا تطوير مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء في حزم تركيب سطحية أصغر حجمًا (مثل 0402، 0201 مقاسات متري) مع الحفاظ على الأداء أو تحسينه.

الحلول المتكاملة:هناك اتجاه نحو دمج LED بالأشعة تحت الحمراء، والكاشف الضوئي، ومنطق التحكم في وحدة أو شريحة واحدة. هذا يبسط التصميم للمستخدمين النهائيين، ويقلل من بصمة PCB، ويحسن موثوقية النظام من خلال ضمان خصائص بصرية متطابقة.

أطوال موجية جديدة:بينما تهيمن 850 نانومتر و 940 نانومتر، يتم تطوير أطوال موجية أخرى للتطبيقات المتخصصة، مثل التحليل الطيفي، واستشعار الغازات، والاتصالات البصرية باستخدام الألياف البصرية البلاستيكية.