ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي LTR-C155DD-G - الطول الموجي القياسي 940 نانومتر - جهد عكسي 5 فولت - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

الصمام الثنائي الضوئي LTR-C155DD-G هو مكون منفصل مصمم لتطبيقات الاستشعار في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. وهو جزء من عائلة واسعة من الأجهزة الكهروضوئية المخصصة للاستخدام في الأنظمة التي تتطلب كشفًا موثوقًا لإشارات الأشعة تحت الحمراء. وظيفته الأساسية هي تحويل ضوء الأشعة تحت الحمراء الساقط إلى تيار كهربائي، مما يتيح استخدامه كمستقبل أو عنصر استشعار.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

يقدم هذا المكون عدة مزايا رئيسية للمصممين. يتميز بنسبة إشارة إلى ضوضاء عالية، وهو أمر بالغ الأهمية للتمييز بين أوامر الأشعة تحت الحمراء الصالحة وضوضاء الضوء المحيط في بيئات مثل غرف المعيشة أو المكاتب. الجهاز متوافق مع معدات التركيب الآلي وعمليات لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء، مما يجعله مناسبًا لخطوط التصنيع الآلي ذات الأحجام الكبيرة. تشمل أسواقه المستهدفة الرئيسية الإلكترونيات الاستهلاكية لأنظمة التحكم عن بعد، وأنظمة الأمن والإنذار للكشف عن الحركة أو الحزم الضوئية، وتطبيقات مختلفة تتضمن نقل بيانات الأشعة تحت الحمراء قصيرة المدى.

1.2 الميزات

• متوافق مع توجيهات RoHS والمنتجات الصديقة للبيئة.
• يتميز بتغليف منظر علوي مع عدسة مسطحة شفافة للماء لاستجابة زاوية متسقة.
• يتم توريده على شريط بعرض 8 مم ملفوف على بكرات قطر 7 بوصات للتجميع الآلي.
• متوافق مع معدات التركيب الآلي (الالتقاط والوضع).
• يتحمل عمليات لحام إعادة التدفق القياسية بالأشعة تحت الحمراء.
• معبأ في هيئة قياسية وفقًا لمعيار EIA.

1.3 التطبيقات

• وحدات مستقبل الأشعة تحت الحمراء لأجهزة التحكم عن بعد (التلفزيون، مكيف الهواء، أجهزة الاستقبال).
• مستشعرات الأشعة تحت الحمراء المثبتة على لوحات الدوائر المطبوعة للاستشعار القريب أو كشف الأجسام.
• أنظمة إنذار أمنية تستخدم حزم الأشعة تحت الحمراء.
• روابط نقل بيانات لاسلكية بسيطة بالأشعة تحت الحمراء.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

تحدد الخصائص الكهربائية والبصرية الحدود التشغيلية وأداء الصمام الثنائي الضوئي. فهم هذه المعلمات أمر ضروري لتصميم الدائرة بشكل صحيح وضمان التشغيل الموثوق ضمن التطبيق المقصود.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات الحدود التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. وهي ليست للتشغيل المستمر.

• تبديد الطاقة (Pd):150 ملي واط كحد أقصى. هذه هي الطاقة الكلية التي يمكن للجهاز تبديدها كحرارة، تأتي بشكل أساسي من التيار العكسي وأي تيار ضوئي تحت إضاءة عالية.
• الجهد العكسي (VR):30 فولت كحد أقصى. تطبيق جهد أعلى من هذا في الاتجاه العكسي قد يسبب انهيارًا ويضر بتقاطع الصمام الثنائي الضوئي.
• نطاق درجة حرارة التشغيل (TA):من -40°C إلى +85°C. يتم ضمان عمل الجهاز ضمن نطاق درجة الحرارة المحيطة هذا.
• نطاق درجة حرارة التخزين (Tstg):من -55°C إلى +100°C. يمكن تخزين الجهاز دون تشغيل ضمن هذه الحدود.
• ظروف اللحام بالأشعة تحت الحمراء:يتحمل درجة حرارة قياسية تبلغ 260°C لمدة 10 ثوانٍ، وهو ما يتماشى مع ملفات إعادة التدفق الخالية من الرصاص النموذجية.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية (TA=25°C)

هذه هي معلمات الأداء النموذجية والمضمونة تحت ظروف الاختبار المحددة.

• الجهد الأمامي (Vf):من 0.4V إلى 1.0V عند If=1mA. هذه المعلمة ذات صلة إذا تم تحيز الصمام الثنائي الضوئي في الاتجاه الأمامي عن طريق الخطأ؛ فهذا ليس نمط تشغيله الطبيعي.
• جهد الانهيار العكسي V(BR):30V كحد أدنى عند IR=100µA. هذا يؤكد أن الجهاز يمكنه التعامل بأمان مع أقصى جهد عكسي مقنن.
• التيار المظلم العكسي (ID):100 نانو أمبير كحد أقصى عند VR=5V، Ee=0mW/cm². هذا هو تيار التسرب عندما لا يكون هناك ضوء. التيار المظلم الأقل يحسن الحساسية للإشارات الضعيفة.
• جهد الدائرة المفتوحة (VOC):0.4V كحد أقصى عند λ=940nm، Ee=0.5mW/cm². هذا هو الجهد الناتج عن الصمام الثنائي الضوئي في الوضع الكهروضوئي (بدون تحيز خارجي) تحت الإضاءة.
• زمن الصعود (Tr) وزمن الهبوط (Tf):0.30µs و 0.28µs نموذجيًا، على التوالي، عند VR=10V، RL=1kΩ. تحدد هذه المعلمات سرعة التبديل، مما يجعل الجهاز مناسبًا لفك تشفير إشارات الأشعة تحت الحمراء المضمنة (مثلًا، من أجهزة التحكم عن بعد العاملة عند 38-40 كيلو هرتز).
• التيار الضوئي العكسي (Ip):16 µA نموذجي (10 µA كحد أدنى) عند VR=5V، λ=940nm، Ee=1mW/cm². هذا هو التيار الضوئي الناتج عندما يكون الصمام الثنائي في حالة تحيز عكسي، وهو وضع التشغيل القياسي للاستجابة الخطية والسرعة.
• تيار الدائرة القصيرة (Is):16 µA نموذجي تحت نفس ظروف Ip. في الوضع الكهروضوئي، هذا هو أقصى تيار يمكن للجهاز تقديمه.
• السعة الكلية (CT):14 بيكو فاراد نموذجي عند VR=3V، f=1MHz. تؤثر سعة التقاطع هذه على الاستجابة عالية التردد؛ السعة الأقل تسمح بعرض نطاق ترددي أعلى.
• الطول الموجي القياسي للاستشعار (λp):910 نانومتر نموذجي. الصمام الثنائي الضوئي أكثر حساسية لضوء الأشعة تحت الحمراء عند هذا الطول الموجي، مما يجعله مثاليًا للاقتران مع الثنائيات الباعثة للأشعة تحت الحمراء (IREDs) ذات 940 نانومتر.

3. تحليل منحنيات الأداء

تقدم الرسوم البيانية المقدمة رؤى مرئية لسلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

3.1 التيار الضوئي مقابل الإشعاعية

يظهر المنحنى العلاقة بين قوة الضوء الساقط (الإشعاعية Ee) والتيار الضوئي الناتج (Ip). بالنسبة للصمام الثنائي الضوئي الذي يعمل في المنطقة الخطية (تحيز عكسي)، تكون هذه العلاقة خطية بشكل نموذجي. يؤكد الرسم البياني أنه عند 1 mW/cm² من ضوء 940 نانومتر، يكون التيار الضوئي حوالي 16 µA، كما هو مذكور في الجدول. هذه الخطية حاسمة لتطبيقات الاستشعار التناظرية.

3.2 الحساسية الطيفية

يرسم هذا الرسم البياني الحساسية الإشعاعية النسبية مقابل الطول الموجي. يظهر قمة حوالي 910 نانومتر واستجابة كبيرة في النطاق التقريبي من 800 نانومتر إلى 1050 نانومتر. تنخفض الحساسية بشكل حاد للضوء المرئي (أقل من 700 نانومتر)، وهو أمر مفيد لرفض ضوضاء الضوء المحيط من مصادر مثل المصابيح المتوهجة أو ضوء الشمس. تضمين مرشح، كما ذكر في الوصف، سيجعل هذا القطع أكثر حدة.

3.3 تبديد الطاقة الكلية مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح منحنى التخفيض هذا كيف ينخفض أقصى تبديد طاقة مسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. عند 25°C، يُسمح بـ 150 ملي واط كاملة. مع ارتفاع درجة الحرارة نحو الحد الأقصى للتشغيل وهو 85°C، ينخفض تبديد الطاقة المسموح به خطيًا. هذا أمر بالغ الأهمية لإدارة الحرارية في تصميم التطبيق لمنع ارتفاع درجة الحرارة.

3.4 مخطط الحساسية الزاوية

يصور المخطط القطبي الحساسية النسبية عند زوايا مختلفة للضوء الساقط. الصمام الثنائي الضوئي ذو العدسة المسطحة، مثل هذا، عادة ما يكون له زاوية رؤية واسعة نسبيًا (غالبًا حوالي ±60 درجة حيث تنخفض الحساسية إلى 50%). هذه الزاوية الواسعة مفيدة للمستقبلات التي تحتاج إلى التقاط الإشارات من منطقة واسعة دون محاذاة دقيقة.

4. المعلومات الميكانيكية والتغليف

4.1 الأبعاد الخارجية

يتوافق الجهاز مع مخطط تغليف قياسي في الصناعة. تشمل الأبعاد الرئيسية حجم الجسم، تباعد الأطراف، والارتفاع الكلي. تم تصميم التغليف لتقنية التركيب السطحي (SMT). جميع الأبعاد بالمليمترات مع تسامح قياسي ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك.

4.2 تحديد القطبية وتصميم الوسادة

يتم تمييز الكاثود عادة على العبوة. توفر ورقة البيانات أبعاد وسادة اللحام المقترحة لتخطيط لوحة الدوائر المطبوعة. يضمن تصميم الوسادة الموصى به وصلة لحام موثوقة واستقرارًا ميكانيكيًا سليمًا أثناء وبعد عملية إعادة التدفق. يُنصح باستخدام استنسل معدني بسمك من 0.1 مم إلى 0.12 مم لتطبيق معجون اللحام.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 ملف لحام إعادة التدفق

المكون مؤهل لعمليات لحام إعادة التدفق الخالية من الرصاص. يتم تقديم ملف درجة حرارة مقترح، يلتزم بمعايير JEDEC. تشمل المعلمات الرئيسية منطقة التسخين المسبق (150-200°C)، ودرجة حرارة قياسية لا تتجاوز 260°C، ووقت فوق السائل (TAL) يضمن تكوين وصلة لحام سليمة دون تعريض المكون لإجهاد حراري مفرط. يمكن للجهاز تحمل هذا الملف لمدة أقصاها 10 ثوانٍ عند درجة الحرارة القياسية، حتى مرتين.

5.2 اللحام اليدوي

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب إجراؤه بدرجة حرارة طرف مكواة اللحام لا تتجاوز 300°C، ويجب أن يقتصر وقت التلامس على 3 ثوانٍ كحد أقصى لكل وصلة. هذا يقلل من خطر التلف الحراري للشريحة شبه الموصلة أو العبوة البلاستيكية.

5.3 ظروف التخزين

لمنع امتصاص الرطوبة، الذي يمكن أن يسبب ظاهرة \"الفرقعة\" أثناء إعادة التدفق، يتم فرض ظروف تخزين محددة. في كيسه الأصلي المحكم المقاوم للرطوبة مع مجفف، يجب تخزين الجهاز عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية واستخدامه خلال عام واحد. بمجرد فتح الكيس، يجب تخزين المكونات عند ≤30°C و ≤60% رطوبة نسبية ومن الناحية المثالية معالجتها خلال أسبوع واحد. للتخزين لفترات أطول خارج التغليف الأصلي، يلزم التجفيف عند حوالي 60°C لمدة 20 ساعة على الأقل قبل اللحام.

5.4 التنظيف

إذا كان التنظيف بعد اللحام مطلوبًا، فيجب استخدام المذيبات القائمة على الكحول مثل كحول الأيزوبروبيل فقط. يجب تجنب المنظفات الكيميائية القاسية أو العدوانية لأنها قد تتلف مادة العبوة أو العدسة.

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد المكون على شريط حامل بارز بشريط غطاء واقي. عرض الشريط 8 مم، ملفوف على بكرة قياسية قطر 7 بوصات (178 مم). تحتوي كل بكرة على 3000 قطعة. يتوافق التغليف مع مواصفات ANSI/EIA 481-1-A-1994، مما يضمن التوافق مع مغذيات التشغيل الآلي.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 تكوين الدائرة النموذجي

وضع التشغيل الأكثر شيوعًا للصمام الثنائي الضوئي مثل LTR-C155DD-G هو الوضع الضوئي التوصيلي. هنا، يتم تحيز الصمام الثنائي عكسيًا بجهد (مثل 5 فولت، كما في حالة الاختبار). التيار الضوئي الناتج يتناسب مع شدة الضوء. يمكن تحويل هذا التيار إلى جهد باستخدام مقاوم حمل (RL). تؤثر قيمة RL على كل من تأرجح جهد الخرج وعرض النطاق الترددي (السرعة) للدائرة بسبب ثابت الوقت RC المتكون مع سعة تقاطع الصمام الثنائي الضوئي (CT). للتطبيقات عالية السرعة مثل فك تشفير جهاز التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء 38 كيلو هرتز، يتم استخدام RL أصغر (مثل 1kΩ إلى 10kΩ). للحساسية الأعلى في ظروف الإضاءة المنخفضة، يُوصى باستخدام RL أكبر أو دائرة مضخم تحويل التيار إلى جهد (TIA).

7.2 اعتبارات التصميم البصري

لتحسين الأداء، يجب أن يكون مصدر الأشعة تحت الحمراء (IRED) له طول موجي انبعاث يتطابق مع الحساسية القياسية للصمام الثنائي الضوئي (حوالي 940 نانومتر). يمكن وضع مرشح بصري أمام الصمام الثنائي الضوئي لحجب الضوء المرئي، مما يحسن بشكل كبير نسبة الإشارة إلى الضوضاء في البيئات ذات الضوء المحيط القوي. زاوية الرؤية الواسعة للصمام الثنائي الضوئي تبسط المحاذاة البصرية ولكنها قد تجعله أيضًا أكثر عرضة للضوء الشارد؛ يمكن أن يساعد التظليل الميكانيكي في تحديد مجال الرؤية.

7.3 اعتبارات التخطيط

اتبع تخطيط وسادة اللحام الموصى به لضمان قابلية لحام جيدة وقوة ميكانيكية. في الدوائر التناظرية الحساسة، حافظ على المسارات من الأنود والكاثود للصمام الثنائي الضوئي قصيرة قدر الإمكان لتقليل التقاط الضوضاء والسعة الطفيلية. قد تكون التأريض المناسب والتدريع ضروريين في البيئات الكهربائية الصاخبة.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بالترانزستور الضوئي، يقدم الصمام الثنائي الضوئي مثل LTR-C155DD-G وقت استجابة أسرع (أقل من ميكروثانية مقابل ميكروثانية)، مما يجعله متفوقًا لنقل البيانات عالي السرعة أو استقبال الإشارات المضمنة. كما يوفر ناتجًا أكثر خطية بالنسبة لشدة الضوء. مقارنةً بالصمامات الثنائية الضوئية الأخرى، تشمل ميزاته الرئيسية تغليفًا قياسيًا للتجميع الآلي، والتوافق مع إعادة التدفق الخالية من الرصاص، وأداء عالي السرعة محدد مناسب لبروتوكولات الأشعة تحت الحمراء الاستهلاكية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

9.1 ما الفرق بين التيار الضوئي العكسي (Ip) وتيار الدائرة القصيرة (Is)?

يتم قياس التيار الضوئي العكسي (Ip) عندما يكون الصمام الثنائي الضوئي تحت جهد تحيز عكسي (مثل 5 فولت). هذه هي حالة التشغيل القياسية للاستجابة الخطية والسرعة. يتم قياس تيار الدائرة القصيرة (Is) عند صفر فولت عبر الصمام الثنائي (الوضع الكهروضوئي). القيمة النموذجية متشابهة، لكن الوضع الكهروضوئي له استجابة أبطأ وناتج تيار يعتمد على الجهد.

9.2 كيف أختار قيمة مقاوم الحمل (RL)?

يتضمن الاختيار مقايضة بين عرض النطاق الترددي وسعة الإشارة. لإشارة الأشعة تحت الحمراء 38 كيلو هرتز، الفترة حوالي 26 ميكروثانية. زمن الصعود/الهبوط للصمام الثنائي الضوئي (0.3 ميكروثانية) أسرع بكثير من هذا، لذا فهو ليس العامل المحدد. يجب أن يكون ثابت الوقت RC (RL * CT) أصغر بشكل ملحوظ من عرض النبضة التي تحتاج إلى اكتشافها. لمقاوم 1kΩ وسعة 14pF، ثابت الوقت هو 14 نانوثانية، وهو ممتاز للسرعة العالية. يعطي RL أكبر جهد خرج أكبر لنفس مستوى الضوء ولكنه يقلل عرض النطاق الترددي وقد يزيد الضوضاء.

9.3 لماذا يلزم التجفيف إذا تم تخزين الأجزاء خارج الكيس?

يمكن أن تمتص عبوات التركيب السطحي البلاستيكية الرطوبة من الهواء. أثناء عملية لحام إعادة التدفق عالية الحرارة، يمكن أن تتبخر هذه الرطوبة المحبوسة بسرعة، مما يخلق ضغطًا داخليًا يمكن أن يسبب انفصال الطبقات في العبوة أو تشقق الشريحة - وهي ظاهرة تُعرف باسم \"الفرقعة\". يزيل التجفيف هذه الرطوبة الممتصة، مما يمنع هذا النمط من الفشل.

10. مقدمة عن مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الضوئي هو تقاطع PN شبه موصل. عندما تصطدم فوتونات ذات طاقة أكبر من فجوة النطاق للشبه الموصل بمنطقة الاستنزاف في التقاطع، يمكنها إثارة الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مما يخلق أزواج إلكترون-فجوة. تحت تأثير المجال الكهربائي الداخلي (الكامن في التقاطع أو المعزز بجهد تحيز عكسي خارجي)، يتم فصل حاملات الشحنة هذه، مما يولد تيارًا قابلًا للقياس في دائرة خارجية. هذا التيار الضوئي يتناسب طرديًا مع شدة الضوء الساقط، بشرط أن يعمل الجهاز ضمن منطقته الخطية. يتم تحديد الطول الموجي القياسي للحساسية بواسطة طاقة فجوة النطاق لمادة الشبه الموصل المستخدمة.

11. اتجاهات التطوير

الاتجاه في مستشعرات الأشعة تحت الحمراء المنفصلة مثل الصمامات الثنائية الضوئية هو نحو تصغير أكبر للعبوات مع الحفاظ على معلمات الأداء أو تحسينها مثل التيار المظلم الأقل، السرعة الأعلى، ومقاومة محسنة لتشويش الضوء المحيط. التكامل هو اتجاه رئيسي آخر، حيث تجمع الأجهزة بين الصمام الثنائي الضوئي ومضخم مخصص، ومرشح، ومنطق رقمي في عبوة واحدة لإنشاء \"وحدات مستقبل الأشعة تحت الحمراء\" كاملة التي تبسط تصميم المنتج النهائي. هناك أيضًا دفع مستمر لموثوقية أعلى وتوافق مع معايير بيئية وتصنيعية أكثر صرامة، مثل تلك الخاصة بالتطبيقات السيارية أو الصناعية.