ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء IR204C-A - 3 مم T-1 - الطول الموجي 940 نانومتر - تيار أمامي 100 مللي أمبير

1. نظرة عامة على المنتج

يعد IR204C-A صمامًا ثنائيًا باعثًا للأشعة تحت الحمراء عالي الكثافة، مُحاط بحزمة بلاستيكية شفافة قياسية قطرها 3 مم (T-1). وظيفته الأساسية هي إصدار ضوء الأشعة تحت الحمراء عند طول موجي قمة يبلغ 940 نانومتر، مما يجعله متطابقًا طيفيًا مع كواشف الضوء السيليكونية الشائعة مثل الترانزستورات الضوئية والثنائيات الضوئية ووحدات الاستقبال بالأشعة تحت الحمراء. تم تصميم هذا الجهاز للتطبيقات التي تتطلب إرسالًا موثوقًا وفعالًا للأشعة تحت الحمراء.

1.1 المزايا الأساسية

• كثافة إشعاعية عالية:يوفر ناتجًا ضوئيًا قويًا، مناسبًا للتطبيقات متوسطة إلى بعيدة المدى.
• موثوقية عالية:مصمم لأداء مستقر وطويل الأمد.
• جهد أمامي منخفض:يبلغ 1.5 فولت نموذجيًا عند 20 مللي أمبير، مما يساهم في تشغيل موفر للطاقة.
• الامتثال البيئي:المنتج خالي من الرصاص، متوافق مع لوائح الاتحاد الأوروبي REACH، ويستوفي معايير الخلو من الهالوجين (Br < 900 جزء في المليون، Cl < 900 جزء في المليون، Br+Cl < 1500 جزء في المليون).
• حزمة قياسية:الشكل المألوف T-1 (3 مم) مع تباعد أطراف 2.54 مم يضمن سهولة التكامل في التصميمات الحالية ولوحات النماذج الأولية.

1.2 التطبيقات المستهدفة

• وحدات التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء ذات متطلبات الطاقة العالية.
• أنظمة نقل البيانات البصرية في الهواء الطلق.
• مستشعرات كشف الدخان.
• أنظمة الاستشعار والحواجز العامة بالأشعة تحت الحمراء.
• الأتمتة الصناعية وكشف الأجسام.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يقدم هذا القسم تفسيرًا تفصيليًا وموضوعيًا للمعايير الكهربائية والبصرية الرئيسية المحددة في ورقة البيانات. فهم هذه الحدود والقيم النموذجية أمر بالغ الأهمية لتصميم دائرة قوي.

2.1 القيم القصوى المطلقة

هذه هي حدود الإجهاد التي لا يجب تجاوزها تحت أي ظرف، حتى بشكل لحظي. التشغيل خارج هذه التقييمات قد يسبب تلفًا دائمًا.

• التيار الأمامي المستمر (I_F):100 مللي أمبير. يمكن تشغيل الصمام الثنائي بشكل مستمر عند هذا المستوى من التيار، بشرط احترام حدود تبديد الطاقة ودرجة الحرارة.
• التيار الأمامي الذروي (I_FP):1.0 أمبير. يُسمح بهذا التيار العالي فقط في ظل ظروف النبض (عرض النبضة ≤ 100 ميكروثانية، دورة العمل ≤ 1%). هذا مفيد لتحقيق ناتج إشعاعي لحظي عالٍ جدًا في التطبيقات ذات وضع الدفقات مثل أجهزة التحكم عن بعد بعيدة المدى.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت. للصمام الثنائي تحمل محدود للجهد العكسي. يجب توخي الحذر في تصميم الدائرة لمنع الانحياز العكسي الذي يتجاوز هذا الحد، والذي قد يحدث بسبب الأحمال الحثية أو تسلسل الطاقة غير الصحيح.
• تبديد الطاقة (P_d):150 مللي واط عند أو أقل من درجة حرارة هواء حر 25°مئوية. ينخفض هذا التقييم مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. يجب تخفيض تصنيف التيار التشغيلي الفعلي بناءً على درجة حرارة التقاطع للبقاء ضمن الحدود الآمنة.
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°مئوية كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ. هذا يحدد قيود ملف تعريف لحام إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعايير أداء الجهاز في ظل ظروف التشغيل العادية (Ta=25°مئوية).

• الكثافة الإشعاعية (I_e):هذا هو المقياس الأساسي لقوة الخرج البصري لكل زاوية صلبة (مللي واط/ستراديان).
  • عند I_F= 20 مللي أمبير (تيار مستمر): القيمة النموذجية هي 7.8 مللي واط/ستراديان، مع حد أدنى 4.0 مللي واط/ستراديان.
  • عند I_F= 100 مللي أمبير (نبضي): ترتفع الكثافة الإشعاعية النموذجية بشكل ملحوظ.
  • عند I_F= 1 أمبير (نبضي): يمكنه تقديم ناتج نموذجي يبلغ 390 مللي واط/ستراديان، مما يظهر قدرته على التشغيل النبضي عالي الطاقة.
• الطول الموجي القمة (λ_p):940 نانومتر (نموذجي). هذا الطول الموجي مثالي لأنه يتوافق جيدًا مع ذروة حساسية كواشف الضوء القائمة على السيليكون، بينما يكون غير مرئي إلى حد كبير للعين البشرية وله نفاذية جوية جيدة.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):حوالي 45 نانومتر (نموذجي). هذا يحدد العرض الطيفي للضوء المنبعث عند نصف أقصى كثافة له (FWHM).
• الجهد الأمامي (V_F):
  • عند 20 مللي أمبير: 1.5 فولت نموذجي، 1.2 فولت كحد أدنى، وهو أمر بالغ الأهمية لحساب قيم المقاومة التسلسلية.
  • عند 100 مللي أمبير (نبضي): 1.4 فولت نموذجي، 1.8 فولت كحد أقصى. يزداد V_Fمع التيار بسبب مقاومة الصمام الثنائي.
  • عند 1 أمبير (نبضي): 2.6 فولت نموذجي، 4.0 فولت كحد أقصى، مما يظهر زيادة كبيرة في ظل ظروف النبض عالي التيار.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):40 درجة (نموذجي). هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الكثافة الإشعاعية إلى نصف قيمتها على المحور. توفر زاوية 40 درجة توازنًا جيدًا بين تركيز الحزمة والتغطية.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

تتضمن ورقة البيانات جدول تصنيف للكثافة الإشعاعية، وهي ممارسة شائعة لتصنيف مصابيح LED بناءً على الأداء المقاس.

3.1 تصنيف الكثافة الإشعاعية

تحت شرط I_F= 20 مللي أمبير، يتم فرز مصابيح LED إلى فئات (K, L, M, N) بناءً على كثافتها الإشعاعية المقاسة.

• الفئة K:4.0 - 6.4 مللي واط/ستراديان
• الفئة L:5.6 - 8.9 مللي واط/ستراديان
• الفئة M:7.8 - 12.5 مللي واط/ستراديان
• الفئة N:11.0 - 17.6 مللي واط/ستراديان

تضمين التصميم:للتطبيقات التي تتطلب قوة إشارة بصرية متسقة (مثل أجهزة التحكم عن بعد بنطاق محدد)، فإن تحديد فئة أضيق (مثل فئة واحدة) أو فئة دنيا أعلى يضمن أداءً أكثر تجانسًا عبر وحدات الإنتاج. يُشار عادةً إلى رمز الفئة في معلومات الطلب أو على ملصق المنتج.

4. تحليل منحنيات الأداء

توفر منحنيات الخصائص النموذجية رؤى قيمة حول سلوك الجهاز في ظل ظروف متغيرة.

4.1 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (الشكل 4)

يظهر منحنى التيار-الجهد هذا العلاقة الأسية. سينتقل المنحنى مع درجة الحرارة؛ عادةً ما ينخفض الجهد الأمامي مع زيادة درجة حرارة التقاطع لتيار معين.

4.2 الكثافة النسبية مقابل درجة الحرارة المحيطة (الشكل 7)

هذا الرسم البياني بالغ الأهمية للإدارة الحرارية. ينخفض الناتج الإشعاعي لصمام LED مع ارتفاع درجة حرارة تقاطعه. يحدد المنحنى هذا التخفيض، ويخبر المصممين أن درجات الحرارة المحيطة الأعلى أو تبديد الحرارة غير الكافي سيؤدي إلى خرج بصري أقل. يجب أخذ ذلك في الاعتبار في الأنظمة المصممة للعمل عبر النطاق الكامل من -40°مئوية إلى +85°مئوية.

4.3 التوزيع الطيفي والطول الموجي القمة مقابل درجة الحرارة (الشكل 2 والشكل 3)

يظهر الشكل 2 طيف الانبعاث النموذجي المتمركز عند 940 نانومتر. يوضح الشكل 3 كيف يتحول الطول الموجي القمة مع درجة الحرارة. عادةً ما تظهر مصابيح LED تحت الحمراء معامل درجة حرارة موجب للطول الموجي (أي أن λ_pيزداد مع درجة الحرارة). هذا التحول مهم في التطبيقات التي يكون فيها للكاشف استجابة طيفية ضيقة.

4.4 نمط الإشعاع الزاوي (الشكل 6)

يصور هذا الرسم البياني القطبي الكثافة الإشعاعية النسبية كدالة للإزاحة الزاوية من المحور المركزي. يتم تأكيد زاوية الرؤية 40 درجة هنا. النمط بشكل عام لامبرتي أو شبه لامبرتي لهذا النوع من الحزمة، مما يعني أن الكثافة تتناسب تقريبًا مع جيب تمام زاوية الرؤية.

5. معلومات الميكانيكية والحزمة

5.1 أبعاد الحزمة

يستخدم الجهاز حزمة دائرية قياسية T-1 (قطر 3 مم). تشمل الملاحظات الأبعاد الرئيسية من ورقة البيانات:

• جميع الأبعاد بالمليمترات (مم).
• التسامحات القياسية هي ±0.25 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.
• تباعد الأطراف هو 2.54 مم (0.1 بوصة)، متوافق مع اللوحات المثقبة القياسية والعديد من المقابس.

سيتم تضمين رسم تفصيلي بأبعاد، يظهر قطر الجسم، شكل العدسة، طول وقطر الأطراف، ومستوى الجلوس.

5.2 تحديد القطبية

لصمام LED قياسي T-1، يتم تحديد الكاثود عادةً بنقطة مسطحة على حافة العدسة البلاستيكية و/أو بالطرف الأقصر. يجب الرجوع إلى ورقة البيانات للعلامة المحددة لهذا الجزء.

6. إرشادات اللحام والتجميع

• لحام إعادة التدفق:أقصى درجة حرارة للحام هي 260°مئوية، ويجب ألا يتجاوز الوقت عند أو فوق هذه الدرجة 5 ثوانٍ. ينطبق ملف تعريف إعادة التدفق الخالي من الرصاص القياسي.
• اللحام اليدوي:إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب استخدام مكواة ذات تحكم في درجة الحرارة، وتقليل وقت اللحام لكل طرف (عادةً < 3 ثوانٍ عند 350°مئوية) لمنع التلف الحراري للحزمة البلاستيكية وشريحة أشباه الموصلات.
• ظروف التخزين:نطاق درجة حرارة التخزين هو -40°مئوية إلى +85°مئوية. يجب الاحتفاظ بالمكونات في أكياس الحاجز الرطوبة الأصلية حتى الاستخدام لمنع امتصاص الرطوبة، مما قد يسبب \"انفجار الذرة\" أثناء إعادة التدفق.

7. معلومات التعبئة والطلب

7.1 مواصفات التعبئة

• التعبئة القياسية: 200 إلى 1000 قطعة لكل كيس.
• يتم تعبئة 5 أكياس في صندوق واحد.
• يتم تعبئة 10 صناديق في كرتون واحد.

7.2 معلومات الملصق

يحتوي ملصق المنتج على بيانات التتبع والمواصفات الرئيسية:

• CPN (رقم جزء العميل)
• P/N (رقم جزء الشركة المصنعة: IR204C-A)
• QTY (كمية التعبئة)
• الرتب/رموز الفئات (مثلًا للكثافة الإشعاعية)
• HUE (معلومات الطول الموجي القمة)
• رقم الدفعة (رقم دفعة قابل للتتبع)

8. توصيات تصميم التطبيق

8.1 تصميم دائرة القيادة

يجب تشغيل صمام LED بعنصر تحديد تيار، عادةً مقاومة متسلسلة مع مصدر جهد. يتم حساب قيمة المقاومة (R_s) كالتالي: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. استخدم أقصى V_Fمن ورقة البيانات لتيار التشغيل المختار لضمان عدم تجاوز التيار للقيمة المطلوبة. على سبيل المثال، لمصدر 5 فولت وهدف I_Fبقيمة 20 مللي أمبير باستخدام أقصى V_Fبقيمة 1.5 فولت: R_s= (5 - 1.5) / 0.02 = 175 أوم. ستكون مقاومة قياسية 180 أوم مناسبة. للتشغيل النبضي عند التيارات العالية، يلزم مفتاح ترانزستور (BJT أو MOSFET).

8.2 الاعتبارات الحرارية

بينما تتمتع حزمة T-1 بقدرة محدودة على تبديد الحرارة، عند التيارات المستمرة حتى 100 مللي أمبير، فإن ضمان تدفق هواء كافٍ أو مراعاة تبديد الطاقة (P_d= V_F* I_F) أمر مهم. إذا تم التشغيل بشكل مستمر بالقرب من أقصى تيار في درجة حرارة محيطة عالية، فقد ترتفع درجة حرارة التقاطع، مما يقلل الناتج وقد يؤثر على العمر الافتراضي.

8.3 التصميم البصري

العدسة الشفافة مناسبة للاستخدام مع عدسات أو عواكس خارجية لتجميع الحزمة أو تشكيلها لتطبيقات محددة مثل الإرسال بعيد المدى. يتم نقل الطول الموجي 940 نانومتر جيدًا بواسطة العديد من المواد البلاستيكية الشائعة المستخدمة في العدسات والنوافذ.

9. المقارنة والتمييز التقني

يتموضع IR204C-A بمميزات رئيسية:

• قدرة طاقة نبضية عالية:يسمح تصنيف تيار الذروة 1 أمبير بناتج بصري لحظي عالٍ جدًا، وهي ميزة على مصابيح LED المصنفة فقط لتيارات نبضية أقل.
• حزمة قياسية مع أداء:يوفر كثافة إشعاعية أعلى في الحزمة الشائعة وسهلة الاستخدام T-1 مقارنة بالعديد من مصابيح LED تحت الحمراء الأساسية.
• الامتثال البيئي:الامتثال الكامل للوائح البيئية الحديثة (RoHS, REACH, الخلو من الهالوجين) هو ميزة كبيرة للمنتجات التي تستهدف الأسواق العالمية.
• المطابقة الطيفية:الذكر الصريح للمطابقة الطيفية مع الكواشف الشائعة يبسط عملية الاختيار للمصممين الذين يبنون أنظمة بصرية كاملة.

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

1. س: هل يمكنني تشغيل هذا الصمام الثنائي مباشرة من دبوس متحكم دقيق 3.3 فولت؟
   أ: لا. لا يمكن لدبوس متحكم دقيق توفير 20 مللي أمبير بشكل مستمر بأمان، وهو يفتقر إلى تحديد التيار. يجب عليك استخدام مقاومة متسلسلة ومفتاح ترانزستور. جهد V_Fلصمام LED (1.5 فولت) أقل من 3.3 فولت، لذا فهو متوافق من حيث الجهد، ولكن يجب التحكم في التيار خارجيًا.
2. س: ما الفرق بين الكثافة الإشعاعية (مللي واط/ستراديان) والقوة الإشعاعية (مللي واط)؟
   أ: الكثافة الإشعاعية هي الكثافة الزاوية - الطاقة لكل وحدة زاوية صلبة. القوة الإشعاعية (أو التدفق) هي الطاقة الكلية المنبعثة في جميع الاتجاهات. للعثور على الطاقة الكلية، ستقوم بتكامل الكثافة على نمط الانبعاث بأكمله. توفر ورقة البيانات الكثافة، وهي أكثر فائدة لحساب الإشعاع على مسافة في اتجاه معين.
3. س: لماذا يُفضل الطول الموجي القمة 940 نانومتر عن 850 نانومتر؟
   أ: 940 نانومتر أقل وضوحًا للعين البشرية (توهج أحمر داكن) من 850 نانومتر، مما يجعله أقل إلهاء في الأجهزة الاستهلاكية. كلاهما يتم كشفهما جيدًا بواسطة السيليكون، ولكن قد يكون لـ 940 نانومتر تداخل ضوء محيط أقل قليلاً من بعض المصادر مثل ضوء الشمس والمصابيح المتوهجة، والتي لها انبعاثات قوية في منطقة 850 نانومتر.
4. س: كيف أختار الفئة الصحيحة؟
   أ: إذا كان تطبيقك يتطلب قوة إشارة دنيا في المستقبل، فاستخدم القيمة الدنيا للفئة لضمان استيفاء جميع الأجزاء لها. على سبيل المثال، إذا كنت بحاجة إلى 6 مللي واط/ستراديان على الأقل، فحدد الفئة L أو أعلى. للتطبيقات الحساسة للتكلفة حيث يكون بعض التباين مقبولاً، قد تكون فئة أوسع أو العرض الافتراضي كافية.

11. أمثلة عملية للتصميم والاستخدام

11.1 جهاز تحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء بعيد المدى

السيناريو:تصميم جهاز تحكم عن بعد يجب أن يعمل بشكل موثوق على مسافة 15 مترًا في غرفة معيشة مضاءة بشكل معتدل.
التنفيذ:استخدم الصمام الثنائي في الوضع النبضي. قم بتشغيله بنبضات قصيرة (مثل 50 ميكروثانية)، عالية التيار (مثل 500 مللي أمبير) باستخدام مفتاح MOSFET يتم التحكم فيه بواسطة شريحة ترميز. هذا يوفر كثافة إشعاعية ذروة عالية (راجع بيانات 1 أمبير النبضية) للإرسال بعيد المدى مع الحفاظ على متوسط الطاقة منخفضًا. يمكن إضافة عدسة بلاستيكية بسيطة لتجميع الحزمة بشكل أكبر. يقلل الطول الموجي 940 نانومتر من التوهج المرئي.

11.2 مستشعر القرب أو كشف الأجسام

السيناريو:إنشاء نظام كشف أجسام غير تلامسي بنطاق 10-50 سم.
التنفيذ:اقترن IR204C-A بترانزستور ضوئي متطابق. قم بتشغيل الصمام الثنائي بتيار مستمر معتدل (مثل 50 مللي أمبير) باستخدام مصدر تيار ثابت لخرج ضوئي مستقر. قم بتعديل تيار الصمام الثنائي بتردد محدد (مثل 38 كيلوهرتز) واستخدم مستقبل مضبوط على جانب الترانزستور الضوئي. تجعل تقنية التعديل هذه النظام مقاومًا للغاية لتقلبات الضوء المحيط (مثل ضوء الشمس أو أضواء الغرفة)، مما يحسن بشكل كبير نسبة الإشارة إلى الضوضاء والموثوقية.

12. مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) هو صمام ثنائي تقاطع p-n أشباه الموصلات. عند الانحياز الأمامي، تتحد الإلكترونات من المنطقة n مع الفجوات من المنطقة p في المنطقة النشطة. بالنسبة لصمام LED تحت الأحمر مثل IR204C-A، فإن فجوة نطاق الطاقة لمادة أشباه الموصلات (عادةً زرنيخيد الغاليوم ألومنيوم - GaAlAs كما هو موضح) تكون بحيث تتوافق الطاقة المنطلقة خلال عملية إعادة التركيب هذه مع فوتون في طيف الأشعة تحت الحمراء (حوالي 940 نانومتر طول موجي). تعمل الحزمة الإيبوكسية الشفافة كعدسة، تشكل الضوء المنبعث في زاوية الرؤية المميزة. تتناسب شدة الضوء المنبعث طرديًا مع التيار الأمامي المتدفق عبر الصمام الثنائي، حتى الحدود الفيزيائية للجهاز.

13. الاتجاهات التكنولوجية

تستمر تكنولوجيا مصابيح LED تحت الحمراء في التطور جنبًا إلى جنب مع تكنولوجيا مصابيح LED المرئية. تشمل الاتجاهات الرئيسية المؤثرة على أجهزة مثل IR204C-A:

• زيادة الكفاءة:يهدف البحث المستمر في علوم المواد إلى تحسين كفاءة الحائط-المقبس (الطاقة البصرية الخارجة / الطاقة الكهربائية الداخلة) لمصابيح LED تحت الحمراء، مما يسمح بناتج أعلى عند تيارات قيادة أقل أو تقليل توليد الحرارة.
• كثافة طاقة أعلى:يسمح تطوير حزم على مستوى الشريحة وتحسين مواد الإدارة الحرارية لمصابيح LED تحت الحمراء بتحمل تيارات مستمرة ونبضية أعلى في أشكال أصغر.
• التكامل:هناك اتجاه نحو دمج باعث الأشعة تحت الحمراء مع شريحة قيادة، أو كاشف ضوئي، أو حتى متحكم دقيق في وحدات واحدة لتطبيقات محددة (مثل مستشعرات القرب، التعرف على الإيماءات).
• دقة واستقرار الطول الموجي:تسمح التطورات في تقنيات النمو الطبقي بتحكم أضيق في الطول الموجي القمة وعرض النطاق الطيفي، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات مثل استشعار الغاز أو الاتصالات البصرية التي تستخدم تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي.
• توسيع نطاق التطبيق:يؤدي نمو مجالات مثل LiDAR للسيارات/الروبوتات، والتعرف على الوجه، ومراقبة الصحة (مثل قياس التأكسج النبضي) إلى زيادة الطلب على باعثات الأشعة تحت الحمراء عالية الأداء والموثوقية عبر أطوال موجية ومستويات طاقة مختلفة.

يمثل IR204C-A، بمواصفاته المتوازنة وحزمته القياسية، حلاً ناضجًا وموثوقًا في هذا المشهد التكنولوجي المتطور.