ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء HIR89-01C/1R - 3.0x2.8x1.9مم - 1.55 فولت - 850 نانومتر - 100 مللي واط

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد HIR89-01C/1R صمامًا ثنائيًا مصغرًا للانبعاث تحت الأحمر (IR) للتركيب السطحي، يستخدم حزمة MIDLED. وظيفته الأساسية هي انبعاث ضوء الأشعة تحت الحمراء عند طول موجة ذروة يبلغ 850 نانومتر (nm)، وهو مُحسّن طيفيًا للتوافق مع الخلايا الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون. وهذا يجعله مكونًا أساسيًا في أنظمة الاستشعار والاتصالات المختلفة التي تعمل بالضوء غير المرئي.

يتم تصنيع الجهاز من مادة رقاقة GaAlAs (غاليوم ألومنيوم زرنيخيد)، مُغلّفة في حزمة عدسة شفافة تمامًا. تشمل مزايا التصميم الرئيسية جهدًا أماميًا منخفضًا، مما يساهم في كفاءة الطاقة، وزاوية رؤية ضيقة نسبيًا تبلغ 30 درجة، مما يسمح بانبعاث موجه للأشعة تحت الحمراء. يلتزم المنتج بالمعايير البيئية والسلامة الحديثة، حيث أنه خالٍ من الرصاص، ومتوافق مع لوائح REACH التابعة للاتحاد الأوروبي، ومُصنّف على أنه خالٍ من الهالوجين.

1.1 الميزات الأساسية والامتثال

• الكفاءة الكهربائية:خصائص جهد أمامي منخفض.
• الأداء البصري:زاوية رؤية نموذجية 30 درجة للانبعاث الموجه.
• الامتثال البيئي:بناء خالٍ من الرصاص.
• الامتثال لـ RoHS:يتوافق المنتج مع توجيه تقييد المواد الخطرة.
• الامتثال لـ REACH:يلبي متطلبات لائحة الاتحاد الأوروبي الخاصة بتسجيل المواد الكيميائية وتقييمها والترخيص لها وتقييدها.
• خالٍ من الهالوجين:يحتوي على مستويات منخفضة جدًا من البروم (Br) والكلور (Cl)، وتحديدًا Br <900 جزء في المليون، Cl <900 جزء في المليون، و Br+Cl < 1500 جزء في المليون.

2. الغوص العميق في المواصفات الفنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. لا يتم ضمان التشغيل تحت هذه الظروف.

• التيار الأمامي المستمر (I_F):65 مللي أمبير
• التيار الأمامي الذروي (I_FP):200 مللي أمبير (عرض النبضة ≤500 ميكروثانية، دورة العمل ≤5%)
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):-40°C إلى +100°C
• درجة حرارة التخزين (T_stg):-40°C إلى +100°C
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°C (لمدة ≤5 ثوانٍ)
• تبديد الطاقة (P_d):100 مللي واط (عند أو أقل من درجة حرارة محيطة 25°C)

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات عند درجة حرارة محيطة قياسية تبلغ 25°C وتحدد أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل النموذجية.

• الشدة الإشعاعية (I_e):40 إلى 125 مللي واط/ستراديان (مقاسة عند I_F=70 مللي أمبير، نبضة 20 مللي ثانية). يتم تصنيف الجهاز إلى رتب (C: 40-80 مللي واط/ستراديان، D: 63-125 مللي واط/ستراديان).
• طول موجة الذروة (λ_p):850 نانومتر (نموذجي، عند I_F=100 مللي أمبير).
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):30 نانومتر (نموذجي، عند I_F=100 مللي أمبير).
• الجهد الأمامي (V_F):
  • 1.40 فولت إلى 1.70 فولت (عند I_F=20 مللي أمبير)
  • 1.55 فولت إلى 1.90 فولت (عند I_F=70 مللي أمبير، نبضة 20 مللي ثانية)
• التيار العكسي (I_R):10 ميكرو أمبير كحد أقصى (عند V_R=5 فولت).
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):30° (نموذجي، عند I_F=20 مللي أمبير).

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة ضرورية لتصميم الدوائر وإدارة الحرارة.

3.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح هذا الرسم البياني تخفيض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي المستمر مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. ينخفض تصنيف التيار خطيًا من 65 مللي أمبير عند 25°C إلى قيم أقل مع اقتراب درجة الحرارة من الحد الأقصى للتشغيل وهو 100°C. يجب على المصممين استخدام هذا المنحنى لضمان عدم تشغيل LED بشكل زائد في البيئات عالية الحرارة.

3.2 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى I-V)

يُظهر منحنى I-V العلاقة الأسية النموذجية للثنائيات. وهو أمر بالغ الأهمية لاختيار المقاوم المحدد للتيار المناسب. يمكن أن يؤدي زيادة صغيرة في الجهد تتجاوز V_Fالنموذجي إلى زيادة كبيرة، وربما مدمرة، في التيار، مما يبرز ضرورة وجود مقاوم على التوالي.

3.3 الشدة الإشعاعية مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا المنحنى أن الناتج البصري (الشدة الإشعاعية) يزداد مع التيار الأمامي، لكن العلاقة ليست خطية تمامًا، خاصة عند التيارات الأعلى. يساعد المصممين على اختيار نقطة تشغيل توازن بين السطوع والكفاءة وعمر الجهاز.

3.4 التوزيع الطيفي

يؤكد الرسم الطيفي أن الانبعاث يتركز عند 850 نانومتر بعرض كامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) نموذجي يبلغ 30 نانومتر. يضمن عرض النطاق الضيق هذا توافقًا جيدًا مع حساسية الذروة للكاشفات القائمة على السيليكون.

3.5 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يُعرِّف هذا الرسم البياني القطبي زاوية الرؤية البالغة 30° بصريًا، ويُظهر كيف تنخفض الشدة إلى نصف قيمتها القصوى عند ±15° من المحور المركزي. هذه المعلومات حيوية لتصميم النظام البصري، لتحديد انتشار الحزمة ومتطلبات المحاذاة.

4. المعلومات الميكانيكية وبيانات الحزمة

4.1 أبعاد الحزمة

يستخدم HIR89-01C/1R حزمة تركيب سطحي MIDLED مدمجة. الأبعاد الرئيسية (بالمليمترات) هي:

• الطول الإجمالي: 3.0 مم
• العرض الإجمالي: 2.8 مم
• الارتفاع الإجمالي: 1.9 مم
• تباعد الأطراف: 2.0 مم

التسامحات للأبعاد غير المحددة هي ±0.1 مم. يتم توفير رسم تفصيلي بأبعاد في ورقة البيانات لتصميم بصمة PCB.

4.2 تحديد القطبية

يتم تحديد الكاثود على الحزمة. تتضمن ورقة البيانات مخططًا يوضح علامة الكاثود، وهو أمر ضروري للتوجيه الصحيح أثناء التجميع لمنع توصيل انحياز عكسي.

4.3 أبعاد الشريط الحامل

يتم توريد الجهاز على شريط حامل بارز للتجميع الآلي (pick-and-place). يتم تحديد أبعاد الشريط لتكون متوافقة مع معدات SMT القياسية. يحتوي كل بكرة على 2000 قطعة.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 ملف تعريف إعادة التدفق للحام الخالي من الرصاص

يتم توفير ملف درجة حرارة موصى به لإعادة التدفق للحام الخالي من الرصاص. تشمل المعلمات الرئيسية:

• منطقة التسخين المسبق والنقع.
• درجة حرارة الذروة لا تتجاوز 260°C.
• الوقت فوق نقطة الانصهار (عادة 217°C).
• معدل التبريد.

يجب ألا يتم إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين.

5.2 اللحام اليدوي

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب توخي الحذر الشديد:

• استخدم مكواة لحام بدرجة حرارة طرف < 350°C.
• حدد وقت اللحام لكل طرف إلى ≤ 3 ثوانٍ.
• استخدم مكواة بقدرة تصنيفية ≤ 25 واط.
• اترك فاصلًا زمنيًا لا يقل عن ثانيتين بين لحام كل طرف لمنع الصدمة الحرارية.

5.3 الإصلاح وإعادة العمل

يُحظى بشدة الإصلاح بعد اللحام. إذا كان لا مفر منه، فيجب استخدام مكواة لحام برأس مزدوج لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد، لتقليل الإجهاد على حزمة LED. يجب التحقق من تأثير أي إعادة عمل على خصائص الجهاز بعد ذلك.

6. احتياطات التخزين والتعامل

6.1 الحساسية للرطوبة

حساس LED للرطوبة. تشمل الاحتياطات:

• لا تفتح كيس الحاجز المضاد للرطوبة إلا عند الاستعداد للاستخدام.
• قم بتخزين الأكياس غير المفتوحة عند ≤ 30°C و ≤ 90% رطوبة نسبية (RH).
• استخدم خلال عام واحد من الشحن.
• بعد الفتح، قم بالتخزين عند ≤ 30°C و ≤ 70% رطوبة نسبية.
• أكمل اللحام خلال 168 ساعة (7 أيام) من فتح الكيس.
• إذا تم تجاوز وقت التخزين أو أشار المجفف إلى دخول الرطوبة، فقم بتسخين المكونات عند 60 ±5°C لمدة 24 ساعة قبل الاستخدام.

6.2 حماية التيار

هام:مقاوم محدد للتيار خارجي إلزامي. تعني الخاصية الأسية I-V لـ LED أن زيادة صغيرة في الجهد يمكن أن تسبب طفرة كبيرة في التيار، مما يؤدي إلى احتراق فوري. يجب حساب قيمة المقاوم بناءً على جهد الإمداد والتيار الأمامي المطلوب، مع مراعاة V_F range.

7. معلومات التعبئة والطلب

7.1 إجراء التعبئة

يتم تعبئة مصابيح LED في كيس ألومنيوم مقاوم للرطوبة يحتوي على مجفف. يتم وضع علامة على الكيس بمعلومات حرجة.

7.2 مواصفات الملصق

يتضمن الملصق حقولًا لـ:

• CPN (رقم جزء العميل)
• P/N (رقم جزء الشركة المصنعة: HIR89-01C/1R)
• QTY (الكمية)
• CAT (الرتب، على سبيل المثال، C أو D للشدة الإشعاعية)
• HUE (طول موجة الذروة)
• LOT No. (رقم الدفعة القابل للتتبع)
• أصل الإنتاج
• مستوى الحساسية للرطوبة (MSL)

7.3 دليل اختيار الجهاز

HIR89-01C/1R هو رقم الجزء الوحيد في هذه السلسلة، ويتميز برقاقة GaAlAs وعدسة شفافة تمامًا.

8. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

8.1 التطبيقات النموذجية

• أنظمة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء:مستشعرات القرب، كشف الأشياء، مفاتيح لامسية.
• المشفرات البصرية:استشعار الموضع والسرعة في المحركات.
• نقل البيانات:روابط بيانات بالأشعة تحت الحمراء قصيرة المدى (مثل أجهزة التحكم عن بُعد، IrDA).
• رؤية الآلة:إضاءة للكاميرات ذات مرشحات الأشعة تحت الحمراء.
• أنظمة الأمان:إضاءة نشطة لكاميرات الرؤية الليلية.

8.2 ملاحظات تصميم الدائرة

1. تحديد التيار:استخدم دائمًا مقاومًا على التوالي. احسب باستخدام R = (V_supply- V_F) / I_F. استخدم أقصى V_Fمن ورقة البيانات لضمان تيار آمن تحت جميع الظروف.
2. دائرة التشغيل:للعمل النبضي (مثل الاستشعار، الاتصالات)، تأكد من أن عرض النبضة ودورة العمل يظلان ضمن تصنيفات I_FPلتجنب ارتفاع درجة الحرارة.
3. إدارة الحرارة:ضع في اعتبارك منحنى التخفيض. في درجات الحرارة المحيطة العالية أو عند التركيب على لوحة بها مكونات أخرى تولد الحرارة، قلل تيار التشغيل وفقًا لذلك.
4. تخطيط PCB:اتبع نمط الأرضية الموصى به من الرسم ذي الأبعاد. تأكد من وجود تباعد كافٍ من المكونات الأخرى لتجنب التداخل الحراري أو البصري.

9. المقارنة الفنية والتحديد

يحدد HIR89-01C/1R نفسه باعتباره باعثًا للأشعة تحت الحمراء موثوقًا به وعام الغرض في حزمة SMD مصغرة. يعد طول موجته البالغ 850 نانومتر هو المعيار الصناعي للتوافق مع كاشفات السيليكون. مقارنة بمصابيح LED تحت الحمراء القديمة ذات الثقب، فإن تنسيق SMD الخاص به يمكّن من تجميع PCB آلي وأصغر. توفر زاوية الرؤية البالغة 30° توازنًا جيدًا بين تركيز الحزمة وتحمل المحاذاة للعديد من التطبيقات. يسمح توفير فرز تفصيلي (الرتب C و D) للمصممين باختيار الأجهزة بناءً على طاقة الخرج المطلوبة، والتي يمكن أن تكون حاسمة لتحقيق نطاق استشعار ثابت أو قوة إشارة.

10. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات الفنية)

10.1 لماذا مقاوم تحديد التيار ضروري للغاية؟

خاصية الثنائي لـ LED لها مقاومة ديناميكية منخفضة جدًا بمجرد تجاوز الجهد الأمامي. بدون مقاوم، يكون التيار محدودًا فقط بالمقاومة الداخلية للطاقة والأسلاك، والتي تكون عادة منخفضة جدًا، مما يؤدي إلى تيار زائد كارثي. يوفر المقاوم طريقة خطية وقابلة للتنبؤ وآمنة لضبط تيار التشغيل.

10.2 هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من دبوس متحكم دقيق 3.3V أو 5V؟

No.لدى دبابيس GPIO للمتحكم الدقيق حدود تيار مصدر/مصب (غالبًا 20-40 مللي أمبير) تكون عند أو أقل من التصنيف المستمر لهذا LED. والأهم من ذلك، لا يمكنها توفير تحديد التيار الضروري. يجب عليك استخدام GPIO للتحكم في ترانزستور أو MOSFET، والذي بدوره يشغل LED من خلال مقاوم محدد للتيار مناسب متصل بسكة الطاقة الرئيسية.

10.3 ما الفرق بين رتبتي الفرز C و D؟

تحدد الرتبتان C و D نطاقات مختلفة من الشدة الإشعاعية (I_e) المقاسة عند 70 مللي أمبير. تحتوي الرتبة C على نطاق خرج أقل (40-80 مللي واط/ستراديان)، بينما تحتوي الرتبة D على نطاق خرج أعلى (63-125 مللي واط/ستراديان). يمكن أن يوفر اختيار جهاز من الرتبة D طاقة بصرية أكبر لنطاق أطول أو كشف إشارة أكثر قوة، ولكن قد يكون ذلك بتكلفة أعلى قليلاً. سيتم الإشارة إلى الرتبة المحددة المطلوبة على ملصق الحزمة.

10.4 ما مدى أهمية تعليمات الحساسية للرطوبة والتسخين؟

مهمة للغاية. يمكن أن تتبخر الرطوبة الممتصة في الحزمة البلاستيكية أثناء عملية إعادة التدفق للحام عالية الحرارة، مما يسبب انفصالًا داخليًا أو تشققًا أو "انتفاشًا"، مما قد يتلف القطعة أو وصلات الأسلاك. يعد اتباع أوقات التخزين وإجراء عملية التسخين عند الحاجة أمرًا ضروريًا للحصول على عائد تجميع عالي وموثوقية طويلة الأمد.

11. دراسة حالة التصميم والاستخدام

11.1 تصميم مستشعر قرب بسيط

الهدف:كشف جسم على مسافة 10 سم.
التصميم:اقترن HIR89-01C/1R بترانزستور ضوئي من السيليكون مطابق. يتم تشغيل LED بواسطة إمداد طاقة 5 فولت من خلال مقاوم محدد للتيار. باستخدام V_Fالنموذجي البالغ 1.55 فولت عند 70 مللي أمبير، تكون قيمة المقاوم R = (5V - 1.55V) / 0.07A ≈ 49.3Ω (استخدم مقاومًا قياسيًا 51Ω). يتم تشغيل LED بنبض بتردد محدد (مثل 38 كيلو هرتز) باستخدام متحكم دقيق. يتم توصيل خرج الترانزستور الضوئي بجهاز استقبال مزيل للتعديل مضبوط على نفس التردد. يرفض هذا التصميم الضوء المحيط، ويتم اكتشاف وجود جسم بواسطة ضوء الأشعة تحت الحمراء المعدل المنعكس. تساعد الحزمة بزاوية 30° في تحديد منطقة الكشف.

12. مبدأ التشغيل

يعمل الصمام الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) على مبدأ الإضاءة الكهربائية في تقاطع p-n أشباه الموصلات. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة من النوع n والثقوب من المنطقة من النوع p عبر التقاطع. تتحد حاملات الشحن هذه في المنطقة النشطة (طبقة GaAlAs في هذه الحالة). يتم انبعاث الطاقة المنطلقة أثناء إعادة التركيب على شكل فوتونات (ضوء). تحدد طاقة فجوة النطاق المحددة لمادة أشباه الموصلات GaAlAs طول موجة الفوتونات المنبعثة، والتي لهذا الجهاز تتركز في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة عند 850 نانومتر. تشكل عدسة الإيبوكسي الشفافة تمامًا الضوء المنبعث إلى زاوية الرؤية المحددة.

13. اتجاهات التكنولوجيا

تستمر تكنولوجيا LED تحت الحمراء في التطور. تشمل الاتجاهات:

• كفاءة أعلى:تطوير مواد وهياكل أشباه موصلات جديدة (مثل آبار الكم المتعددة) لتحقيق مزيد من طاقة الخرج البصرية لكل وحدة من المدخلات الكهربائية (كفاءة أعلى في تحويل الطاقة).
• زيادة كثافة الطاقة:أجهزة قادرة على التعامل مع تيارات تشغيل أعلى في حزم أصغر لتطبيقات مثل LiDAR والاستشعار بعيد المدى.
• متعددة الأطوال الموجية و VCSELs:ظهور مصابيح LED وأشعة الليزر ذات التجويف الرأسي الباعثة للسطح (VCSELs) بأطوال موجية أخرى للأشعة تحت الحمراء (مثل 940 نانومتر لسلامة أفضل للعين، 1350 نانومتر/1550 نانومتر لـ LiDAR بعيد المدى) لتناسب احتياجات تطبيقية محددة.
• حلول متكاملة:دمج باعث الأشعة تحت الحمراء، ودائرة التشغيل، وأحيانًا الكاشف في وحدة واحدة لتبسيط التصميم وتحسين الأداء.

يمثل HIR89-01C/1R حلاً ناضجًا وفعالاً من حيث التكلفة وموثوقًا به لمجموعة واسعة من تطبيقات الأشعة تحت الحمراء السائدة.