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 لهذا الجهاز هو في الأنظمة التي تتطلب مصادر ضوء غير مرئية، مثل أجهزة التحكم عن بُعد، ومستشعرات القرب، وإضاءة الرؤية الليلية. تكمن الميزة الأساسية لهذا المكون في طوله الموجي القياسي المحدد، الذي تم تحسينه ليكون متوافقًا مع كواشف الضوء القائمة على السيليكون ويوفر وضوحًا منخفضًا للعين البشرية. يشمل السوق المستهدف الإلكترونيات الاستهلاكية، والأتمتة الصناعية، وأنظمة الأمان، والتطبيقات السياراتية التي تتطلب إشارات أو استشعارًا بالأشعة تحت الحمراء موثوقًا.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

تحدد البيانات المقدمة معيارًا ضوئيًا رئيسيًا لهذا LED بالأشعة تحت الحمراء.

2.1 الخصائص الضوئية

المعيار الأكثر أهمية المحدد هو الطول الموجي القياسي (λp).

• الطول الموجي القياسي (λp):940 نانومتر (nm). تشير هذه القيمة إلى النقطة المحددة في الطيف الكهرومغناطيسي حيث يصدر LED أقصى قدرة بصرية له. يقع الطول الموجي 940 نانومتر بشكل قاطع ضمن نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR). هذا الطول الموجي مفيد بشكل خاص لأنه يتوافق جيدًا مع ذروة حساسية الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية الشائعة القائمة على السيليكون، مما يضمن نقل واستقبال إشارة فعال. علاوة على ذلك، فإن ضوء 940 نانومتر أقل وضوحًا كوهج أحمر خافت مقارنة بأطوال موجية أقصر للأشعة تحت الحمراء مثل 850 نانومتر، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات الخفية.

لم يتم توفير المعايير الضوئية النموذجية الأخرى لـ LED بالأشعة تحت الحمراء، مثل شدة الإشعاع (بالميلي واط لكل ستراديان، mW/sr)، وزاوية الرؤية (بالدرجات)، وجهد التشغيل الأمامي عند تيار محدد، بشكل صريح في المقتطف ولكنها ضرورية لتصميم الدائرة الكامل.

2.2 المعايير الكهربائية

بينما لم يتم سرد قيم محددة في النص المقدم، يتم تعريف السلوك الكهربائي لـ LED بالأشعة تحت الحمراء من خلال عدة معايير رئيسية يجب على المصمم أخذها في الاعتبار.

• جهد التشغيل الأمامي (Vf):انخفاض الجهد عبر LED عندما يمرر تيارًا. بالنسبة لـ LEDs بالأشعة تحت الحمراء النموذجية القائمة على زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، يتراوح هذا عادةً من 1.2 فولت إلى 1.6 فولت عند تيارها الأمامي الاسمي.
• تيار التشغيل الأمامي (If):تيار التشغيل المستمر الموصى به. تجاوز الحد الأقصى المقنن للتيار الأمامي يمكن أن يؤدي إلى تدهور سريع أو فشل كارثي.
• الجهد العكسي (Vr):أقصى جهد يمكن أن يتحمله LED عند انحيازه في الاتجاه غير الموصّل. عادةً ما يكون لـ LEDs بالأشعة تحت الحمراء تصنيف جهد عكسي منخفض جدًا (غالبًا حوالي 5 فولت) وهي عرضة للتلف من طفرات الجهد العكسي.
• تبديد الطاقة:إجمالي الطاقة الكهربائية المحولة إلى حرارة وضوء (Vf * If). إدارة حرارية مناسبة ضرورية لمنع ارتفاع درجة الحرارة.

2.3 الخصائص الحرارية

تعد الإدارة الحرارية أمرًا بالغ الأهمية لطول عمر LED وأدائه المستقر.

• درجة حرارة الوصلة (Tj):درجة الحرارة في المنطقة النشطة لشريحة أشباه الموصلات. الحد الأقصى المسموح به لـ Tj هو حد حرج.
• المقاومة الحرارية (Rθj-a):تشير هذه المعلمة، المقاسة بالدرجات المئوية لكل واط (°C/W)، إلى مدى فعالية انتقال الحرارة من وصلة LED إلى الهواء المحيط. تشير القيمة الأقل إلى قدرة أفضل على تبديد الحرارة. يؤثر تصميم التغليف بشكل كبير على هذه القيمة.
• منحنى تخفيض التصنيف (Derating Curve):رسم بياني يوضح كيف ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي مع زيادة درجة حرارة المحيط أو درجة حرارة الوصلة. التشغيل ضمن هذه الحدود ضروري للموثوقية.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

ينتج تصنيع LED بكميات كبيرة عن اختلافات في المعايير الرئيسية. التصنيف (Binning) هو عملية فرز المكونات إلى مجموعات (صناديق) بناءً على الأداء المقاس لضمان الاتساق للمستخدم النهائي.

3.1 تصنيف الطول الموجي

لهذا LED بالأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر، سيتم اختبار المكونات وفرزها في صناديق بناءً على طولها الموجي القياسي الفعلي. على سبيل المثال، قد تُعرَّف الصناديق على أنها 935-940 نانومتر، 940-945 نانومتر، إلخ. هذا يسمح للمصممين باختيار LEDs ذات تسامح طول موجي أضيق إذا كان تطبيقهم يتطلب مطابقة طيفية دقيقة.

3.2 تصنيف شدة الإشعاع / القدرة البصرية

يتم أيضًا تصنيف LEDs وفقًا لإخراجها الإشعاعي. هذا أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب سطوعًا موحدًا أو قوة إشارة محددة. يتم تعريف الصناديق بقيم دنيا وعليا لشدة الإشعاع (على سبيل المثال، 20-25 mW/sr، 25-30 mW/sr) عند تيار اختبار قياسي.

3.3 تصنيف جهد التشغيل الأمامي

لتبسيط تصميم دائرة تحديد التيار وضمان سلوك متسق في المصفوفات المتوازية، يتم تصنيف LEDs حسب جهد التشغيل الأمامي (Vf). قد تجمع الصناديق الشائعة LEDs ذات Vf بين 1.2V-1.3V، 1.3V-1.4V، وهكذا.

4. تحليل منحنيات الأداء

البيانات الرسومية ضرورية لفهم سلوك الجهاز تحت ظروف تشغيل مختلفة.

4.1 منحنى خاصية التيار-الجهد (I-V)

يرسم هذا المنحنى تيار التشغيل الأمامي (If) مقابل جهد التشغيل الأمامي (Vf). يظهر العلاقة الأسية النموذجية للثنائي. يستخدم المنحنى لتحديد نقطة التشغيل ولتصميم مقاوم محدد للتيار أو دائرة قيادة مناسبة. جهد "الركبة"، حيث يبدأ التيار في الزيادة بسرعة، هو ميزة رئيسية.

4.2 الاعتماد على درجة الحرارة

توضح عدة منحنيات تأثيرات درجة الحرارة.

• جهد التشغيل الأمامي مقابل درجة الحرارة:يظهر عادةً أن Vf ينخفض خطيًا مع زيادة درجة حرارة الوصلة (حوالي -2mV/°C لـ LEDs بالأشعة تحت الحمراء). هذا مهم لمشغلات التيار الثابت.
• شدة الإشعاع مقابل درجة الحرارة:يوضح كيف ينخفض الإخراج البصري مع ارتفاع درجة الحرارة. هذا التخفيض في التصنيف (derating) أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تعمل في درجات حرارة محيطة عالية.
• التوزيع الطيفي النسبي مقابل درجة الحرارة:يوضح كيف قد يتحول الطول الموجي القياسي قليلاً (عادةً إلى أطوال موجية أطول) مع زيادة درجة الحرارة.

4.3 توزيع الطيف

يرسم هذا الرسم البياني القدرة الإشعاعية النسبية مقابل الطول الموجي. يظهر الذروة عند 940 نانومتر وعرض النطاق الطيفي (عادةً العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى، أو FWHM، غالبًا حوالي 40-50 نانومتر لـ LEDs بالأشعة تحت الحمراء). يشير عرض النطاق الأضيق إلى ضوء أكثر أحادية اللون.

5. معلومات الميكانيكا والتغليف

يحتوي المقتطف المقدم على تفاصيل تغليف محددة.

5.1 هرمية التغليف

يتم حماية المكون بواسطة نظام تغليف متعدد الطبقات:

• كيس الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي (ESD):الحاوية الأساسية لمكونات LED الفردية أو البكرات. هذا الكيس مصنوع من مادة تبديد للكهرباء الساكنة لمنع التلف الناتج عن التفريغ الكهروستاتيكي أثناء المناولة والتخزين.
• الصندوق الداخلي:صندوق أو صينية أصغر تحمل عدة أكياس ESD أو بكرات، مما يوفر بنية فيزيائية وحماية إضافية.
• الصندوق الخارجي:حاوية الشحن الرئيسية التي تحمل عدة صناديق داخلية. تم تصميمه للمتانة أثناء النقل والتخزين.

5.2 كمية التعبئة

يسرد المستند بوضوح "كمية التعبئة" كمعيار رئيسي. يشير هذا إلى عدد مكونات LED الفردية الموجودة داخل وحدة شحن قياسية واحدة (على سبيل المثال، لكل بكرة، لكل أنبوب، أو لكل كيس داخل الصندوق الداخلي). الكميات الشائعة هي 1000، 2000، أو 5000 قطعة لكل بكرة للأجهزة ذات التركيب السطحي.

5.3 الأبعاد الفيزيائية والقطبية

بينما لم يتم توفير الأبعاد الدقيقة، فإن عبوة LED نموذجية بالأشعة تحت الحمراء (مثل LED مثقوب 3 مم أو 5 مم، أو عبوة تركيب سطحي مثل 0805 أو 1206) سيكون لها رسم ميكانيكي مفصل. يحدد هذا الرسم طول الجسم، والعرض، والارتفاع، وتباعد الأطراف (pitch)، وأبعاد الأطراف. والأهم من ذلك، أنه يتضمن تحديد القطبية، عادةً للإشارة إلى الكاثود (الجانب السالب) عبر حافة مسطحة على العدسة، أو طرف أقصر، أو نقطة على العبوة، أو علامة محددة على قاعدة التثبيت.

6. إرشادات اللحام والتجميع

التجميع السليم أمر حيوي للموثوقية.

6.1 ملف تعريف لحام الريفلو

بالنسبة لـ LEDs بالأشعة تحت الحمراء ذات التركيب السطحي، يجب اتباع ملف تعريف ريفلو موصى به. وهذا يشمل:

• معدل التسخين المسبق / التصاعد:عادة 1-3 درجة مئوية في الثانية لتجنب الصدمة الحرارية.
• منطقة النقع (Soak Zone):فترة عند درجة حرارة أقل من نقطة انصهار اللحام (liquidus) لتفعيل المادة المساعدة (flux) ومعادلة درجة حرارة اللوحة.
• منطقة الريفلو (الانصهار):درجة الحرارة القصوى، التي يجب أن تكون عالية بما يكفي لإذابة اللحام (على سبيل المثال، 240-250 درجة مئوية لـ SAC305) ولكن منخفضة بما يكفي وقصيرة بما يكفي حتى لا تتلف LED (غالبًا ما تكون درجة حرارة جسم العبوة القصوى 260 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ).
• معدل التبريد:تبريد مضبوط لتصلب وصلات اللحام بشكل صحيح.

6.2 الاحتياطات الرئيسية

• الحماية من ESD:تعامل دائمًا مع المكونات في بيئة آمنة من ESD باستخدام أساور معصم مؤرضة وحصائر موصلة.
• مستوى حساسية الرطوبة (MSL):إذا كان ذلك ينطبق، سيكون للعبوة تصنيف MSL (على سبيل المثال، MSL 3). يجب خبز المكونات التي تتجاوز عمرها الافتراضي قبل الريفلو لمنع تلف "انفجار الفشار" (popcorning).
• التنظيف:استخدم فقط مواد التنظيف المتوافقة التي لن تتلف عدسة LED أو الإيبوكسي.
• الإجهاد الميكانيكي:تجنب تطبيق ضغط مباشر على عدسة LED أثناء التثبيت أو الاختبار.

6.3 ظروف التخزين

يجب تخزين المكونات في أكياس ESD الأصلية غير المفتوحة في بيئة خاضعة للرقابة. الظروف الموصى بها عادةً هي درجة حرارة بين 5 درجات مئوية و 30 درجة مئوية ورطوبة نسبية أقل من 60٪. تجنب التعرض لأشعة الشمس المباشرة، أو الغازات المسببة للتآكل، أو الغبار المفرط.

7. معلومات التغليف والطلب

تشير بيانات دورة الحياة للمستند إلى "مراجعة: 5" و"فترة انتهاء الصلاحية: للأبد"، مما يشير إلى أن هذا مستند مستقر وغير خاضع للتحكم في التقادم، صدر في 27 مايو 2013. تم تعريف مواصفات التغليف بوضوح في القسم 5.1. عادةً ما يتبع رمز الطلب أو رقم الموديل اصطلاح تسمية يشفر السمات الرئيسية مثل نوع العبوة، وصندوق الطول الموجي، وصندوق الشدة، وكمية التعبئة (على سبيل المثال، قد يشير "IR940-SMD1206-B2-2K" إلى LED بالأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر في عبوة 1206، صندوق شدة B2، مُورَّد على بكرة 2000 قطعة).

8. توصيات التطبيق

8.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• أجهزة التحكم عن بُعد بالأشعة تحت الحمراء:للتلفزيونات، وأنظمة الصوت، وأجهزة الاستقبال. الطول الموجي 940 نانومتر هو المعيار الصناعي.
• مستشعرات القرب والحضور:تُستخدم في الهواتف الذكية لتعطيل شاشات اللمس أثناء المكالمات، وفي الحنفيات الأوتوماتيكية، ومفاتيح إضاءة الأمان.
• عد الكشف عن الأشياء:في آلات البيع، وخطوط التجميع الصناعية، ومعدات الطباعة.
• إضاءة الرؤية الليلية:مقترنة بكاميرا حساسة للأشعة تحت الحمراء للمراقبة في ظروف الإضاءة المنخفضة.
• نقل البيانات البصرية:للاتصال التسلسلي قصير المدى ومنخفض السرعة (IrDA) أو وصلات البيانات الصناعية.

8.2 اعتبارات التصميم

• دائرة القيادة:استخدم دائمًا مقاومًا محددًا للتيار على التوالي أو مشغل تيار ثابت. لا تصل LED مباشرة بمصدر جهد أبدًا.
• تبديد الحرارة:للتشغيل بتيار عالي أو درجات حرارة محيطة عالية، تأكد من وجود مساحة نحاسية كافية في PCB أو مشتت حراري خارجي لإدارة المقاومة الحرارية لـ LED.
• التصميم البصري:ضع في اعتبارك زاوية رؤية LED. استخدم العدسات أو العواكس لتجميع أو نشر الحزمة حسب الحاجة للتطبيق.
• مطابقة كاشف الضوء:تأكد من أن كاشف الضوء المحدد (ثنائي ضوئي، ترانزستور ضوئي) له حساسية عالية عند 940 نانومتر. استخدم مرشح IR لحجب الضوء المرئي إذا كانت البيئة صاخبة.
• مناعة الضوضاء الكهربائية:في تطبيقات الاستشعار، قم بتعديل إشارة IR (على سبيل المثال، بحامل 38 كيلو هرتز) واستخدم مستقبل مضبوط لرفض تداخل الضوء المحيط من ضوء الشمس أو المصابيح الفلورية.

9. المقارنة التقنية

مقارنة بمصادر الأشعة تحت الحمراء الأخرى، يقدم هذا LED 940 نانومتر مزايا محددة.

• مقارنة بـ LEDs بالأشعة تحت الحمراء 850 نانومتر:ضوء 940 نانومتر أقل وضوحًا بكثير كوهج أحمر خافت، مما يجعله متفوقًا للمراقبة الخفية. ومع ذلك، فإن كواشف الضوء القائمة على السيليكون أقل حساسية قليلاً عند 940 نانومتر منها عند 850 نانومتر، وامتصاص الغلاف الجوي أعلى قليلاً.
• مقارنة بمصابيح الأشعة تحت الحمراء المتوهجة:تتمتع LEDs بكفاءة أعلى بكثير، ولها وقت استجابة أسرع (مما يتيح تعديلًا عالي السرعة)، وأكثر متانة ميكانيكيًا، ولها عمر تشغيلي أطول بكثير (عشرات الآلاف من الساعات).
• مقارنة بالثنائيات الليزرية:تمتلك LEDs ناتجًا طيفيًا أوسع ومنطقة انبعاث أكبر بكثير، مما ينتج حزمة منتشرة أسهل في التعامل معها للإضاءة العامة والاستشعار. كما أنها أقل تكلفة بشكل ملحوظ ولا تتطلب دائرة القيادة المعقدة ودوائر الأمان الخاصة بالثنائيات الليزرية.

10. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س1: ما هو الغرض من الطول الموجي القياسي 940 نانومتر؟
ج1: الطول الموجي 940 نانومتر هو الأمثل لأنه متوافق جيدًا مع حساسية كواشف الضوء القائمة على السيليكون بينما يكون غير مرئي تقريبًا للعين البشرية، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات الاستشعار الخفية والتحكم عن بُعد.

س2: كيف أحدد قيمة المقاوم المحدد للتيار الصحيحة؟
ج2: استخدم قانون أوم: R = (Vsupply - Vf) / If. يجب أن تعرف جهد مصدر الطاقة (Vsupply)، وجهد التشغيل الأمامي لـ LED (Vf) من ورقة البيانات الخاصة به أو صندوق التصنيف، والتيار الأمامي المطلوب (If). تأكد دائمًا من أن تصنيف قدرة المقاوم (P = (Vsupply - Vf) * If) كافٍ.

س3: هل يمكنني استخدام هذا LED في الهواء الطلق؟
ج3: نعم، ولكن مع احتياطات. قد تتدهور عدسة الإيبوكسي تحت التعرض الطويل للأشعة فوق البنفسجية. والأهم من ذلك، أن ضوء الشمس الساطع يحتوي على مكونات قوية للأشعة تحت الحمراء يمكن أن تشبع المستقبلات. استخدام المرشحات البصرية والإشارات المعدلة أمر ضروري للتشغيل الموثوق في الهواء الطلق.

س4: لماذا تعد الحماية من ESD مهمة جدًا لـ LEDs؟
ج4: وصلة أشباه الموصلات في LED حساسة للغاية للتفريغ الكهروستاتيكي عالي الجهد. يمكن لحدث ESD أن يقلل الناتج البصري على الفور، أو يزيد من تيار التسرب، أو يتسبب في فشل كامل دون أي تلف مرئي.

س5: إلى ماذا تشير "كمية التعبئة"؟
ج5: تحدد عدد مكونات LED الفردية الموردة في وحدة بيع قياسية واحدة، مثل تلك الموجودة على بكرة، أو في أنبوب، أو داخل كيس مضاد للكهرباء الساكنة. هذا أمر بالغ الأهمية لتخطيط الإنتاج وإدارة المخزون.

11. أمثلة عملية للاستخدام

11.1 مستشعر قرب بسيط

يمكن بناء مستشعر عاكس أساسي عن طريق وضع LED بالأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر وترانزستور ضوئي جنبًا إلى جنب. يتم تشغيل LED بتيار نابض. عندما يقترب جسم ما، فإنه يعكس ضوء IR مرة أخرى إلى الترانزستور الضوئي، مما يتسبب في زيادة تيار المجمع. يمكن لدائرة مقارنة بعد ذلك تشغيل إشارة خرج رقمية. يستخدم هذا التصميم في اكتشاف الورق في الطابعات وتفعيل مجففات الأيدي.

11.2 مصدر إضاءة تحت حمراء بعيدة المدى لكاميرات المراقبة

لكاميرات الأمان ذات الرؤية الليلية، يتم بناء مصفوفة من عدة LEDs عالية الطاقة 940 نانومتر. يتم تشغيل LEDs بواسطة مشغل تيار ثابت قادر على عدة مئات من الملي أمبير. توضع عدسة فريسنل أمام المصفوفة لتجميع الضوء في حزمة، مما يمد نطاق الإضاءة الفعال إلى عشرات الأمتار. تعد الإدارة الحرارية عبر مشتت حراري ألومنيوم كبير أمرًا بالغ الأهمية لهذا التصميم عالي الطاقة.

12. مبدأ التشغيل

ثنائي باعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (IR LED) هو جهاز وصلة أشباه موصلات من النوع p-n. عند انحيازه للأمام (تطبيق جهد موجب على الجانب p بالنسبة للجانب n)، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة n عبر الوصلة إلى المنطقة p، ويتم حقن الفجوات من المنطقة p إلى المنطقة n. تندمج حاملات الأقلية هذه مع حاملات الأغلبية في المناطق المعاكسة. في أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، الشائع استخدامه لـ LEDs بالأشعة تحت الحمراء، يطلق حدث الاندماج هذا الطاقة في شكل فوتون (جسيم ضوء). يتم تحديد الطول الموجي (اللون) للفوتون المنبعث بواسطة طاقة الفجوة (Eg) لمادة أشباه الموصلات، وفقًا للمعادلة λ = hc/Eg، حيث h هو ثابت بلانك و c هي سرعة الضوء. من خلال ضبط تركيب سبيكة أشباه الموصلات (على سبيل المثال، باستخدام AlGaAs أو InGaAs)، يمكن التحكم بدقة في الفجوة وبالتالي الطول الموجي المنبعث، مما يؤدي إلى الناتج 940 نانومتر المحدد هنا.

13. اتجاهات التكنولوجيا

يستمر مجال تكنولوجيا LED بالأشعة تحت الحمراء في التطور. تشمل الاتجاهات الرئيسية:

• زيادة الطاقة والكفاءة:تنتج التحسينات المستمرة في علوم المواد والتغليف LEDs بالأشعة تحت الحمراء ذات تدفق إشعاعي أعلى وكفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى بصرية (wall-plug efficiency) أفضل، مما يتيح أجهزة أصغر أو مدى أطول لنفس طاقة الإدخال.
• التصغير:يدفع السعي نحو إلكترونيات استهلاكية أصغر LEDs بالأشعة تحت الحمراء إلى عبوات تركيب سطحي أصغر حجمًا (على سبيل المثال، 0402، 0201) وعبوات على مستوى الشريحة (CSP).
• الحلول المتكاملة:هناك اتجاه نحو دمج LED بالأشعة تحت الحمراء، وكاشف الضوء، ودوائر القيادة، ومعالجة الإشارات (مثل رفض الضوء المحيط) في وحدة واحدة أو نظام في عبوة واحدة (SiP)، مما يبسط التصميم للمستخدمين النهائيين.
• التوسع في أطوال موجية جديدة:بينما يهيمن 850 نانومتر و 940 نانومتر، هناك اهتمام متزايد بأطوال موجية أخرى للأشعة تحت الحمراء لتطبيقات متخصصة، مثل 1050 نانومتر لـ LiDAR الآمن للعين أو نطاقات محددة لاستشعار الغاز.
• تحسين الإدارة الحرارية:تصاميم عبوات جديدة ذات مقاومة حرارية أقل ومواد ذات موصلية حرارية أفضل تزيد من عمر LEDs وتتيح تيارات قيادة أعلى.