ورقة بيانات LED الأشعة تحت الحمراء HIR67-21C/L11/TR8 - الطول الموجي 850 نانومتر - زاوية رؤية 120 درجة - تيار أمامي 65 مللي أمبير - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد HIR67-21C/L11/TR8 ثنائي باعث عالي الأداء للأشعة تحت الحمراء (IR) مُصمم للتطبيقات ذات التثبيت السطحي. وهو مُغلف في حزمة SMD مصغرة ذات قمة مسطحة مصنوعة من بلاستيك شفاف يعمل كعدسة. تم تصميم الجهاز لبعث الضوء عند طول موجي ذروة يبلغ 850 نانومتر، مما يجعله متطابقًا طيفيًا مع الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية الشائعة المصنوعة من السيليكون. هذا المحاذاة أمر بالغ الأهمية لتعظيم كفاءة الكشف في الأنظمة الكهروضوئية.

تشمل مزاياه الأساسية جهدًا أماميًا منخفضًا، مما يساهم في كفاءة الطاقة، والتوافق مع عمليات لحام إعادة التدفق القياسية للأشعة تحت الحمراء والطور البخاري. كما أن المكون متوافق مع معايير السلامة والبيئة الرئيسية، حيث أنه خالٍ من الرصاص، ومتوافق مع RoHS، ومتوافق مع EU REACH، وخالٍ من الهالوجين، مستوفيًا الحدود المحددة لمحتوى البروم والكلور.

يغطي السوق المستهدف لهذا LED للأشعة تحت الحمراء قطاعات إلكترونية استهلاكية وصناعية متنوعة تتطلب استشعارًا موثوقًا للضوء غير المرئي.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 القيم القصوى المطلقة

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

• التيار الأمامي المستمر (IF):65 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تمريره باستمرار عبر LED.
• الجهد العكسي (VR):5 فولت. تجاوز جهد الانحياز العكسي هذا يمكن أن يتسبب في انهيار الوصلة.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين (Topr, Tstg):من -40°C إلى +100°C. يضمن هذا النطاق الواسع الموثوقية في البيئات القاسية.
• درجة حرارة اللحام (Tsol):260°C كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ، متوافقة مع ملفات تعريف إعادة التدفق الخالية من الرصاص.
• تبديد الطاقة (Pd):130 ملي واط عند أو أقل من درجة حرارة محيط 25°C. تخفيض تصنيف الطاقة ضروري في درجات الحرارة الأعلى.

2.2 الخصائص الكهروضوئية (درجة حرارة المحيط = 25°C)

تحدد هذه المعلمات أداء الجهاز تحت ظروف التشغيل النموذجية.

• الشدة الإشعاعية (Ie):عادة 2.0 ملي واط/ستراديان عند تيار أمامي (IF) قدره 20 مللي أمبير. تحت التشغيل النبضي (عرض النبضة 100 ميكروثانية، دورة عمل ≤1%) عند 100 مللي أمبير، يمكن أن تصل إلى 10 ملي واط/ستراديان.
• الطول الموجي الذروة (λp):850 نانومتر (نموذجي). هذا هو الطول الموجي الذي تكون فيه الطاقة الضوئية المنبعثة في أقصى حد.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):45 نانومتر (نموذجي). يشير هذا إلى نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، متمركزة حول الذروة.
• الجهد الأمامي (VF):عادة 1.45 فولت عند 20 مللي أمبير، بحد أقصى 1.65 فولت. عند 100 مللي أمبير (نبضي)، يتراوح من 1.80 فولت إلى 2.40 فولت.
• التيار العكسي (IR):أقصى 10 ميكرو أمبير عند جهد عكسي 5 فولت.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):120 درجة (نموذجي). هذه هي الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها الشدة الإشعاعية إلى نصف قيمتها القصوى، مما يشير إلى نمط حزمة واسع جدًا.

3. تحليل منحنيات الأداء

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

3.1 تبديد الطاقة مقابل درجة حرارة المحيط

يُظهر هذا الرسم البياني كيف ينخفض أقصى تبديد طاقة مسموح به مع زيادة درجة حرارة المحيط. يجب على المصممين استخدام هذا المنحنى لضمان عمل LED ضمن منطقة التشغيل الآمنة الخاصة به، خاصة في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. يكون تخفيض التصنيف خطيًا، بدءًا من 130 ملي واط عند 25°C وصولاً إلى الصفر عند درجة حرارة الوصلة القصوى.

3.2 التوزيع الطيفي

يرسم منحنى التوزيع الطيفي الشدة النسبية مقابل الطول الموجي. يؤكد الانبعاث الذروة عند 850 نانومتر وعرض النطاق الطيفي البالغ حوالي 45 نانومتر. هذه المعلومات حيوية لاختيار كواشف الضوء المطابقة والمرشحات البصرية.

3.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (منحنى IV)

هذه العلاقة غير الخطية بالغة الأهمية لتصميم دائرة تحديد التيار. يُظهر المنحنى أن زيادة صغيرة في جهد التغذية تتجاوز الجهد الأمامي النموذجي VF تؤدي إلى زيادة كبيرة وربما مدمرة في التيار، مما يؤكد الحاجة إلى تنظيم تيار مناسب (مثل مقاومة متسلسلة أو محرك تيار ثابت).

3.4 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يمثل هذا الرسم البياني القطبي زاوية الرؤية 120 درجة بصريًا. تكون الشدة أعلى عند 0 درجة (عمودي على سطح LED) وتنخفض بشكل متماثل إلى 50% من قيمتها القصوى عند ±60 درجة من المركز.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد الغلاف

يتم توفير LED في حزمة SMD مدمجة. تشمل الأبعاد الرئيسية حجم الجسم، تباعد الأطراف، والارتفاع الكلي. جميع الأبعاد بالمليمترات بتحمل قياسي ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يساهم تصميم العدسة ذات القمة المسطحة في زاوية الرؤية الواسعة.

4.2 تحديد القطبية

يُشار إلى الكاثود عادةً بعلامة على الغلاف، مثل شق، نقطة، أو طرف مقصوص. يجب مراعاة القطبية الصحيحة أثناء التجميع لمنع تلف الانحياز العكسي.

4.3 مواصفات الشريط الحامل والبكرة

يتم توريد المكونات في شريط بعرض 8 مم على بكرات قطرها 7 بوصات، وهو معيار لتجميع الالتقاط والوضع الآلي. تحتوي كل بكرة على 2000 قطعة. يتم توفير أبعاد الشريط الحامل التفصيلية (حجم الجيب، المسافة، إلخ) لضمان التوافق مع معدات التجميع الآلي.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 التخزين والحساسية للرطوبة

تعتبر LEDs حساسة للرطوبة (MSL). تشمل الاحتياطات:

• لا تفتح الكيس المقاوم للرطوبة حتى تكون مستعدًا للاستخدام.
• قم بتخزين الأكياس غير المفتوحة عند ≤30°C و ≤90% رطوبة نسبية. استخدم خلال سنة واحدة.
• بعد الفتح، استخدم المكونات خلال 168 ساعة (7 أيام) عند تخزينها في ≤30°C و ≤70% رطوبة نسبية.
• إذا تم تجاوز وقت التخزين أو أشار المجفف إلى الرطوبة، قم بالتسخين عند 60±5°C لمدة 24 ساعة قبل الاستخدام.

5.2 لحام إعادة التدفق

يتم توفير ملف تعريف درجة حرارة موصى به لإعادة التدفق الخالية من الرصاص. النقاط الرئيسية:

• يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة القصوى 260°C.
• يجب التحكم في الوقت فوق نقطة السيولة (مثل 217°C).
• يجب ألا يتم إجراء إعادة التدفق أكثر من مرتين.
• تجنب الإجهاد الميكانيكي على الغلاف أثناء التسخين والتبريد.

5.3 اللحام اليدوي والإصلاح

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا:

• استخدم مكواة لحام بدرجة حرارة طرف<350°C.
• حدد وقت التلامس إلى ≤3 ثوانٍ لكل طرف.
• استخدم مكواة بقدرة تصنيفية ≤25 واط.
• اسمح بفترة تبريد ≥2 ثانية بين لحام كل طرف.
• تجنب إصلاح LEDs الملحومة. إذا كان لا مفر منه، استخدم مكواة لحام برأسين لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد وتقليل الإجهاد الحراري. تحقق من وظيفة الجهاز بعد أي محاولة إصلاح.

6. اقتراحات التطبيق

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

تدرج ورقة البيانات عدة تطبيقات، بما في ذلك:

• مشغلات الأقراص المرنة وأجهزة تسجيل الفيديو:لاستشعار الموضع واكتشاف نهاية الشريط.
• المفاتيح الكهروضوئية:تُستخدم في اكتشاف الأشياء، العد، واستشعار الموضع عن طريق إقران LED الأشعة تحت الحمراء بترانزستور ضوئي أو ثنائي ضوئي.
• الكاميرات:تُستخدم غالبًا في أنظمة الضبط التلقائي للبؤرة أو الإضاءة بالأشعة تحت الحمراء للرؤية الليلية.
• كاشفات الدخان:تُستخدم في كاشفات نوع التعتيم حيث تقطع جسيمات الدخان حزمة الأشعة تحت الحمراء بين LED ومستشعر.

6.2 اعتبارات التصميم

تحديد التيار:هذا هو الجانب الأكثر أهمية في التصميم. مقاومة متسلسلة خارجية إلزامية لتعيين تيار التشغيل وحماية LED من التيار الزائد الناتج عن تقلبات الجهد الطفيفة. يمكن حساب قيمة المقاومة (R) باستخدام قانون أوم: R = (Vsupply - VF) / IF، حيث VF هو الجهد الأمامي من ورقة البيانات عند تيار IF المطلوب.
إدارة الحرارة:للتشغيل المستمر بالقرب من أقصى تصنيف للتيار أو في درجات حرارة محيط عالية، ضع في اعتبارك تخطيط اللوحة PCB لتبديد الحرارة. تأكد من أن تبديد الطاقة (Pd = VF * IF) لا يتجاوز الحد الأقصى المخفض من منحنى تبديد الطاقة مقابل درجة الحرارة.
التصميم البصري:الحزمة العريضة 120° مناسبة للتطبيقات التي تتطلب تغطية واسعة. للحزم الأكثر تركيزًا، قد تكون هناك حاجة إلى عدسات أو عواكس خارجية. تأكد من أن مادة الغلاف شفافة لضوء الأشعة تحت الحمراء 850 نانومتر.

7. المقارنة التقنية والتمييز

بينما لا تقارن ورقة البيانات أجزاء منافسة محددة، فإن HIR67-21C/L11/TR8 يقدم مجموعة من الميزات تضعها في مكانة جيدة في السوق:

• زاوية رؤية واسعة (120°):تقدم تغطية أوسع من العديد من LEDs الأشعة تحت الحمراء القياسية، والتي غالبًا ما يكون لها زوايا رؤية حول 20-60 درجة.
• جهد أمامي منخفض:يساهم في استهلاك طاقة أقل وتوليد حرارة أقل مقارنة بـ LEDs ذات جهد أمامي VF أعلى.
• الامتثال البيئي:تجعله حالته الخالية من الرصاص، المتوافقة مع RoHS، REACH، والخالية من الهالوجين، مستوفيًا لمتطلبات اللوائح العالمية الصارمة، وهو ما يميزه في التصنيع الإلكتروني الحديث.
• خرج نبضي عالي:القدرة على تقديم 10 ملي واط/ستراديان تحت التشغيل النبضي (100 مللي أمبير) تجعله مناسبًا للتطبيقات التي تتطلب قوة إشارة لحظية عالية، مثل بروتوكولات استشعار أو اتصال معينة.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: لماذا تعتبر مقاومة تحديد التيار ضرورية تمامًا؟
ج: يُظهر منحنى IV العلاقة الأسية بين التيار والجهد لـ LED. تؤدي زيادة صغيرة في جهد التغذية تتجاوز الجهد الأمامي الاسمي VF إلى زيادة كبيرة جدًا وربما مدمرة في التيار. توفر المقاومة المتسلسلة انخفاض جهد خطي، مما يثبت التيار ويحمي LED.

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من دبوس متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت أو 5 فولت؟
ج: لا. تحتوي دبابيس المتحكم الدقيق على قدرة محدودة على توفير/استهلاك التيار (غالبًا 20-40 مللي أمبير) ولم يتم تصميمها لتشغيل LEDs قوية مباشرة. علاوة على ذلك، لا تزال بحاجة إلى مقاومة متسلسلة. استخدم دبوس المتحكم الدقيق للتحكم في ترانزستور أو MOSFET يقوم بتبديل التيار الأعلى المطلوب من قبل LED.

س: ماذا يعني "متطابق طيفيًا مع الثنائي الضوئي السيليكوني"؟
ج: تتمتع كواشف الضوء السيليكونية بحساسية ذروة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، حوالي 800-900 نانومتر. يقع الطول الموجي الذروة 850 نانومتر لهذا LED ضمن منطقة الحساسية العالية هذه، مما يضمن أقصى تحويل للضوء المنبعث إلى تيار كهربائي بواسطة الكاشف، مما يؤدي إلى نسبة إشارة إلى ضوضاء مثالية للنظام.

س: كيف أفسر شرط "عرض النبضة ≦100 ميكروثانية، دورة عمل ≦1%" لاختبار 100 مللي أمبير؟
ج: هذا يعني أن قيم الشدة الإشعاعية والجهد الأمامي الأعلى عند 100 مللي أمبير صالحة فقط عندما يكون LED في وضع النبض، وليس عند تشغيله بتيار مستمر. يجب أن تكون النبضة 100 ميكروثانية أو أقصر، ويجب أن يكون الوقت بين النبضات طويلًا بما يكفي بحيث تكون دورة العمل المتوسطة 1% أو أقل (مثل نبضة واحدة 100 ميكروثانية كل 10 مللي ثانية). هذا يمنع التسخين المفرط.

9. حالة عملية للتصميم والاستخدام

الحالة: تصميم مستشعر بسيط لاكتشاف الأشياء.
الهدف:اكتشاف مرور جسم بين LED الأشعة تحت الحمراء وترانزستور ضوئي.
المكونات:LED الأشعة تحت الحمراء HIR67-21C/L11/TR8، ترانزستور ضوئي سيليكوني مطابق، مقاومات، مقارن/مضخم عملياتي، أو متحكم دقيق.
الخطوات:

1. دائرة تشغيل LED:قم بتشغيل LED من مصدر طاقة 5 فولت. اختر تيار تشغيل، مثل 20 مللي أمبير للحصول على شدة جيدة وعمر طويل. احسب المقاومة المتسلسلة: R = (5V - 1.45V) / 0.020A = 177.5Ω. استخدم مقاومة قياسية 180Ω. تحقق من أن تبديد الطاقة في المقاومة و LED مقبول.
2. دائرة الكاشف:ضع الترانزستور الضوئي مقابل LED، بمحاذاة. عندما تكون حزمة الأشعة تحت الحمراء غير متقطعة، يوصل الترانزستور الضوئي، مما يخلق انخفاض جهد عبر مقاومة حمل. عندما يحجب جسم ما الحزمة، يتوقف الترانزستور الضوئي عن التوصيل، ويتغير الجهد.
3. تجهيز الإشارة:يمكن إدخال هذا التغيير في الجهد إلى مقارن لإنشاء إشارة رقمية نظيفة، أو مباشرة إلى دبوس محول التناظري إلى الرقمي (ADC) في المتحكم الدقيق لمزيد من المعالجة المتطورة.
4. اعتبارات:احمِ الإعداد من الضوء المحيط (الذي يحتوي على الأشعة تحت الحمراء) لمنع التشغيل الخاطئ. تساعد الحزمة 120° لـ LED في تحمل المحاذاة ولكن قد تتطلب أنبوبًا أو حاجزًا لتحديد مسار الاستشعار بدقة أكبر.

10. مقدمة عن المبدأ

تعمل الثنائيات الباعثة للضوء تحت الأحمر (IR LEDs) على نفس المبدأ الأساسي للـ LEDs المرئية: الإضاءة الكهربائية في مادة شبه موصلة. عندما يتم تطبيق جهد أمامي عبر وصلة p-n، تتحد الإلكترونات من المنطقة n مع الفجوات من المنطقة p. يطلق حدث إعادة التركيب هذا الطاقة. في LED للأشعة تحت الحمراء، يتم اختيار المادة شبه الموصلة (في هذه الحالة، زرنيخيد الغاليوم الألومنيوم - GaAlAs) بحيث تتوافق فجوة النطاق الطاقة مع انبعاث الفوتونات في طيف الأشعة تحت الحمراء (أطوال موجية أطول من الضوء الأحمر المرئي، عادة 700 نانومتر إلى 1 مم). يقع الطول الموجي 850 نانومتر في منطقة "الأشعة تحت الحمراء القريبة" (NIR)، وهي غير مرئية للعين البشرية ولكن يمكن اكتشافها بسهولة بواسطة أجهزة الاستشعار القائمة على السيليكون. يعمل الغلاف الإيبوكسي الشفاف ذو القمة المسطحة كختم بيئي وكعدسة لتشكيل نمط إشعاع الضوء المنبعث.

11. اتجاهات التطوير

يستمر مجال الإلكترونيات الضوئية للأشعة تحت الحمراء في التطور. تشمل الاتجاهات الرئيسية ذات الصلة بمكونات مثل HIR67-21C/L11/TR8:

• زيادة الكفاءة:يهدف البحث المستمر في علم المواد إلى تطوير هياكل شبه موصلة ذات كفاءة كمية داخلية أعلى (المزيد من الفوتونات لكل إلكترون) وتحسين استخراج الضوء من الغلاف، مما يؤدي إلى شدة إشعاعية أعلى لنفس طاقة الإدخال.
• التصغير:يدفع السعي نحو إلكترونيات أصغر وأكثر كثافة نحو حزم SMD أكثر إحكاما مع الحفاظ على الأداء البصري والخصائص الحرارية أو تحسينها.
• خيارات أطوال موجية محسنة:بينما تعتبر 850 نانومتر و 940 نانومتر شائعة، هناك تطور في أطوال موجية NIR أخرى لتطبيقات محددة، مثل 810 نانومتر للأجهزة الطبية أو نطاقات محددة لاستشعار الغازات.
• التكامل:تشمل الاتجاهات دمج LED الأشعة تحت الحمراء مع دائرة متكاملة محركة أو حتى مع كاشف الضوء في حزمة واحدة لإنشاء وحدات استشعار كاملة ومعايرة، مما يبسط تصميم النظام للمستخدمين النهائيين.
• امتثال أكثر صرامة:ستستمر اللوائح البيئية والمادية (RoHS، REACH، الخالية من الهالوجين) في أن تصبح أكثر صرامة، مما يدفع تطوير مواد تغليف وعمليات تصنيع جديدة تلبي هذه المتطلبات دون المساس بالأداء أو الموثوقية.