ورقة بيانات الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء IR25-21C/TR8 - عبوة SMD عكسية - شريحة GaAlAs - عدسة شفافة - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يعد IR25-21C/TR8 صمامًا ثنائيًا باعثًا للأشعة تحت الحمراء صغير الحجم للتركيب السطحي (SMD). يتميز بتصميم عبوة عكسية مصبوبة بالبلاستيك الشفاف مع عدسة علوية كروية. الوظيفة الأساسية لهذا المكون هي إصدار ضوء الأشعة تحت الحمراء، حيث يتم مطابقة ناتجه الطيفي خصيصًا مع الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون، مما يجعله مصدرًا مثاليًا لتطبيقات الاستشعار المتنوعة.

تشمل المزايا الرئيسية لهذا الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) عبوته المزدوجة الطرف الصغيرة، مما يسهل تركيبها على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) ودمجها في التصاميم المحدودة المساحة. يعمل بجهد أمامي منخفض، مما يساهم في كفاءة الطاقة. يتوافق الجهاز مع معايير السلامة والبيئة الرئيسية، بما في ذلك RoHS وEU REACH، وهو خالٍ من الهالوجين، مما يضمن ملاءمته للتصنيع الإلكتروني الحديث.

1.1 دليل اختيار الجهاز

ينتمي IR25-21C/TR8 إلى فئة الصمامات الثنائية الباعثة للأشعة تحت الحمراء (IR LED). يستخدم مادة شريحة زرنيخيد ألومنيوم الغاليوم (GaAlAs)، المعروفة بكفاءة انبعاث الأشعة تحت الحمراء. العدسة شفافة، مما يسمح بأقصى نقل لضوء الأشعة تحت الحمراء دون تصفية الألوان.

2. المواصفات الفنية والتفسير الموضوعي

2.1 القيم القصوى المطلقة

يتم تحديد الحدود التشغيلية للجهاز تحت درجة الحرارة المحيطة القياسية (Ta=25°C). قد يتسبب تجاوز هذه التقييمات في حدوث تلف دائم.

• التيار الأمامي (I_F):100 مللي أمبير - أقصى تيار مستمر مسموح به عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء.
• الجهد العكسي (V_R):5 فولت - أقصى جهد يمكن تطبيقه في الاتجاه العكسي.
• تبديد الطاقة (P_d):120 ملي واط - أقصى قدرة يمكن للعبوة تبديدها كحرارة.
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):من -40°C إلى +85°C - نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الموثوق.
• درجة حرارة التخزين (T_stg):من -40°C إلى +85°C - نطاق درجة الحرارة الآمن لتخزين الجهاز عند عدم تشغيله.
• درجة حرارة اللحام (T_s):260°C لمدة 5 ثوانٍ كحد أقصى - درجة الحرارة القصوى والمدة التي يمكن للصمام الثنائي الباعث للضوء تحملها أثناء لحام إعادة التدفق.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

يتم قياس هذه المعلمات عند Ta=25°C وتحدد الأداء النموذجي للصمام الثنائي الباعث للضوء.

• الشعاعية (I_e):40 ملي واط/ستراديان (الحد الأدنى) @ I_F=20 مللي أمبير - هذه هي قدرة الإخراج البصرية لكل وحدة زاوية صلبة، وهي مقياس رئيسي للسطوع للمصادر الاتجاهية مثل الصمامات الثنائية الباعثة للضوء.
• الطول الموجي القمة (λ_p):940 نانومتر (نموذجي) - الطول الموجي الذي يصدر فيه الصمام الثنائي الباعث للضوء أكبر قدر من الطاقة البصرية. يتوافق هذا جيدًا مع ذروة حساسية كواشف الصور السيليكونية الشائعة.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):50 نانومتر (نموذجي) - نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، مقاسة عند نصف شدة الذروة (العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى).
• الجهد الأمامي (V_F):1.5 فولت (نموذجي) @ I_F=20 مللي أمبير - انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي الباعث للضوء عند التشغيل بالتيار المحدد. القيمة المنخفضة مفيدة للدوائر ذات الجهد المنخفض.
• زاوية الرؤية (2θ_1/2):±20° (نموذجي) - المدى الزاوي حيث تكون الشدة الشعاعية على الأقل نصف شدة الذروة. هذا يحدد عرض الحزمة.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة رسوم بيانية توضح سلوك الجهاز تحت ظروف مختلفة.

3.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يوضح الشكل 1 تخفيض أقصى تيار أمامي مسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. لمنع ارتفاع درجة الحرارة، يجب تقليل التيار عند التشغيل فوق 25°C. هذا المنحنى حاسم لتصميم إدارة الحرارة.

3.2 التوزيع الطيفي

يرسم الشكل 2 الشدة النسبية مقابل الطول الموجي، مؤكدًا الذروة عند حوالي 940 نانومتر وعرض النطاق ~50 نانومتر. هذه المطابقة مع استجابة كاشف السيليكون (التي تبلغ ذروتها حوالي 900-1000 نانومتر) تزيد من قوة الإشارة في أنظمة الاستشعار.

3.3 الشدة النسبية مقابل التيار الأمامي

يوضح الشكل 3 العلاقة بين الإخراج البصري وتيار القيادة. يزداد الإخراج مع التيار ولكن قد يصبح دون خطي عند التيارات العالية جدًا بسبب التسخين وانخفاض الكفاءة. التشغيل ضمن النطاق الموصى به يضمن أداءً مستقرًا.

3.4 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي

الشكل 4 هو منحنى خاصية I-V. يظهر العلاقة الأسية النموذجية للثنائي. يسلط المنحنى الضوء على أهمية استخدام مقاوم محدد للتيار أو محرك تيار ثابت، حيث أن زيادة صغيرة في الجهد بعد نقطة الركبة تسبب زيادة كبيرة، وربما مدمرة، في التيار.

3.5 الإزاحة الزاوية

يرسم الشكل 5 الشدة الشعاعية النسبية مقابل الزاوية من المحور المركزي، محدِّدًا نمط الانبعاث المكاني (لامبرتي أو غيره). هذا ضروري للتصميم البصري، لتحديد كيفية توزيع الضوء في المنطقة المستهدفة.

4. معلومات الميكانيكية والتعبئة

4.1 أبعاد العبوة

يتمتع الصمام الثنائي الباعث للضوء بمساحة تركيب SMD صغيرة. تشمل الأبعاد الرئيسية حجم جسم يبلغ حوالي 2.0 مم × 1.25 مم، بارتفاع حوالي 0.8 مم. تحدد الرسومات التفصيلية تخطيط الوسادات، تباعد الأطراف، وهندسة العدسة. التسامحات عادةً ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم توفير نمط أرضي مقترح (تخطيط الوسادات) لتصميم PCB ولكن يجب تحسينه بناءً على عمليات التصنيع المحددة ومتطلبات الحرارة.

4.2 تحديد القطبية

يتميز المكون بعلبة عكسية. يتم الإشارة إلى القطبية بواسطة علامة على الجسم أو عن طريق شكل مساحة تركيب العبوة. الاتجاه الصحيح حاسم لتشغيل الدائرة.

4.3 أبعاد الشريط الحامل

يتم توريد الجهاز على شريط حامل بارز بعرض 8 مم ملفوف على بكرة قطرها 7 بوصات. يتم تحديد درجة الشريط وأبعاد الجيب لضمان التوافق مع معدات التجميع الآلي للالتقاط والوضع. تحتوي كل بكرة على 2000 قطعة.

5. إرشادات اللحام والتجميع

5.1 التخزين والتعامل

الصمامات الثنائية الباعثة للضوء حساسة للرطوبة (MSL). يجب تخزين الأكياس الحاجزة للرطوبة غير المفتوحة تحت 30°C و 90% رطوبة نسبية. بمجرد الفتح، تكون "مدة الصلاحية" 168 ساعة (7 أيام) عند التخزين عند رطوبة نسبية ≤60%. يتطلب تجاوز ذلك الخبز (على سبيل المثال، 96 ساعة عند 60°C) قبل إعادة التدفق لمنع تلف "الانفجار" أثناء اللحام.

5.2 ملف تعريف لحام إعادة التدفق

يوصى بملف تعريف درجة حرارة إعادة التدفق الخالي من الرصاص. تشمل المعلمات الرئيسية منطقة تسخين مسبق، منحدر درجة حرارة تدريجي، درجة حرارة ذروة لا تتجاوز 260°C لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، ومرحلة تبريد مضبوطة. لا ينبغي إجراء إعادة التدفق أكثر من مرتين على نفس الجهاز.

5.3 اللحام اليدوي وإعادة العمل

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب استخدام مكواة لحام بدرجة حرارة طرف أقل من 350°C وقوة أقل من 25 واط. يجب أن يكون وقت التلامس لكل طرف أقل من 3 ثوانٍ. لإعادة العمل، يُقترح استخدام مكواة لحام برأسين لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد وتجنب الإجهاد الميكانيكي. يجب التحقق من تأثير ذلك على خصائص الجهاز بعد أي إعادة عمل.

5.4 احتياطات حرجة

• حماية التيار:مقاوم خارجي على التوالي إلزامي للحد من التيار الأمامي. يعني منحنى I-V الحاد أن التقلبات الطفيفة في الجهد يمكن أن تسبب تيارًا زائدًا كارثيًا.
• الإجهاد الميكانيكي:تجنب تطبيق قوة على جسم الصمام الثنائي الباعث للضوء أثناء أو بعد اللحام. لا تثني لوحة الدوائر المطبوعة بالقرب من الصمام الثنائي الباعث للضوء المثبت.

6. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء المثبتة على PCB:تُستخدم كمصدر للضوء في أجهزة استشعار القرب، وكشف الأشياء، وترميز الموضع.
• حواجز الضوء/المفاتيح البصرية المصغرة:مقترنة بكاشف ضوئي لإنشاء حزمة قابلة للقطع للعد، أو ستائر السلامة، أو مفاتيح الحد.
• محركات الأقراص المرنة (قديمة):استُخدمت تاريخيًا لكشف المسار.
• كاشفات الدخان:تُستخدم في كاشفات النوع المعتم حيث تبعثر جسيمات الدخان حزمة من الضوء.

6.2 اعتبارات التصميم

• دائرة القيادة:تنفيذ مصدر تيار ثابت أو مصدر جهد مع مقاوم محدد للتيار محسوب بدقة (R = (V_supply- V_F) / I_F).
• المحاذاة البصرية:تتطلب زاوية الرؤية ±20° محاذاة دقيقة مع الكاشف المستقبل للحصول على اقتران إشارة مثالي، خاصة في تطبيقات الحزمة الضيقة.
• إدارة الحرارة:تأكد من وجود مساحة نحاسية كافية في PCB أو ثقوب حرارية لتبديد الحرارة، خاصة عند القيادة بتيارات أعلى أو في درجات حرارة محيطة مرتفعة.
• الضوضاء الكهربائية:في دوائر الاستشعار التناظرية الحساسة، فكر في حماية أو تعديل إشارة قيادة الصمام الثنائي الباعث للضوء لتمييزها عن الضوء المحيط والضوضاء الكهربائية.

7. المقارنة الفنية والتمييز

مقارنةً بصمامات الأشعة تحت الحمراء القياسية، تقدم عبوة IR25-21C/TR8 العكسية مظهرًا جانبيًا أقل محتملاً ونمط إشعاع مختلف. المميز الرئيسي لها هو المطابقة الطيفية المحددة مع السيليكون، والتي يمكن أن تنتج نسب إشارة إلى ضوضاء أعلى في أنظمة الكاشف من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء ذات الأطوال الموجية خارج الذروة. يجعل الامتثال للمعايير الخالية من الهالوجين والبيئية الحديثة منها مناسبة لمبادرات الإلكترونيات الخضراء.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات الفنية)

8.1 لماذا يعتبر المقاوم المحدد للتيار ضروريًا تمامًا؟

تعني خاصية I-V الأسية للثنائي أنه بعد ركبة الجهد الأمامي (حوالي 1.5 فولت)، يزداد التيار بشكل كبير مع زيادة طفيفة في الجهد. بدون مقاوم لتحديد نقطة التشغيل، يمكن أن تدفع الاختلافات الطفيفة في مصدر الطاقة أو تغيرات درجة الحرارة التيار إلى ما بعد الحد الأقصى البالغ 100 مللي أمبير، مما يدمر الصمام الثنائي الباعث للضوء على الفور.

8.2 ماذا يعني "التطابق الطيفي مع كاشف الصور السيليكوني"؟

للكواشف الضوئية والترانزستورات الضوئية القائمة على السيليكون منحنى استجابة محدد؛ فهي أكثر حساسية للضوء حول 800-1000 نانومتر. يقع انبعاث الذروة لهذا الصمام الثنائي الباعث للضوء عند 940 نانومتر مباشرة ضمن منطقة الحساسية العالية هذه، مما يضمن تحويل الكاشف لأقصى قدر من الطاقة البصرية للصمام الثنائي الباعث للضوء إلى تيار كهربائي، مما يحسن كفاءة النظام ونطاقه.

8.3 ما مدى أهمية مدة الصلاحية البالغة 168 ساعة؟

إنها مهمة جدًا للتجميع الموثوق. يمكن أن يتبخر الرطوبة الممتصة في العبوة البلاستيكية بسرعة أثناء عملية لحام إعادة التدفق عالية الحرارة، مما يتسبب في انفصال داخلي، أو تشققات، أو تلف سلك الربط ("الانفجار"). الالتزام بمدة الصلاحية أو إجراء الخبز المناسب يمنع هذا النمط من الفشل.

9. مثال عملي لحالة الاستخدام

تصميم عداد أوراق:في آلة مكتبية، يمكن تثبيت IR25-21C/TR8 على جانب واحد من مسار الورق، مقابل ترانزستور ضوئي مباشرة على الجانب الآخر. عندما لا يكون هناك ورق، تصل حزمة الأشعة تحت الحمراء إلى الكاشف، مما يولد إشارة عالية. عندما تمر ورقة، تقطع الحزمة، مما يتسبب في انخفاض إشارة الكاشف. يتم عد هذا الحدث بواسطة متحكم دقيق. الطول الموجي 940 نانومتر غير مرئي ولا يتأثر بضوء الغرفة المحيط. يسمح الجهد الأمامي المنخفض للنظام بالتشغيل بواسطة مصدر طاقة منطقي 3.3 فولت أو 5 فولت، مع مقاوم بسيط على التوالي (على سبيل المثال، (5 فولت - 1.5 فولت)/0.02 أمبير = 175 أوم) يضبط تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء إلى 20 مللي أمبير آمن.

10. مقدمة عن مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الباعث للأشعة تحت الحمراء (IR LED) هو ثنائي تقاطع p-n شبه موصل. عند انحيازه للأمام، يتم حقن الإلكترونات من المنطقة n والثقوب من المنطقة p في منطقة التقاطع. عندما تتحد حاملات الشحن هذه، فإنها تطلق الطاقة. في نظام مادة GaAlAs، يتم إطلاق هذه الطاقة بشكل أساسي كفوتونات (جزيئات ضوء) في طيف الأشعة تحت الحمراء (أطوال موجية أطول من الضوء الأحمر المرئي، عادةً من 700 نانومتر إلى 1 مم). يحدد التركيب المحدد لطبقات الغاليوم والألومنيوم والزرنيخيد طول موجة انبعاث الذروة. تعمل العبوة الإيبوكسية الشفافة كعدسة، تشكل الضوء المنبعث إلى نمط حزمة محدد.

11. اتجاهات وتطورات الصناعة

يستمر اتجاه الإلكترونيات الضوئية للاستشعار نحو التصغير، وكفاءة أعلى، والتكامل. بينما تظل الصمامات الثنائية الباعثة للضوء المنفصلة مثل IR25-21C/TR8 حيوية للمرونة والأداء، هناك سوق متنامية لوحدات الاستشعار المتكاملة التي تجمع الباعث، والكاشف، ودوائر تكييف الإشارة في عبوة واحدة. تبسط هذه الوحدات التصميم ولكنها قد تقدم تحسينًا أقل للتطبيقات المحددة. اتجاه آخر هو الطلب على تعديل عالي السرعة لتطبيقات اتصالات البيانات (مثل أجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء)، الأمر الذي يتطلب صمامات ثنائية باعثة للضوء بأوقات صعود/هبوط سريعة. أصبح الامتثال البيئي (RoHS، REACH، الخالي من الهالوجين) متطلبًا قياسيًا بدلاً من كونه ميزة تمييزية. تستمر تقنية الانبعاث الفعال للأشعة تحت الحمراء الأساسية في التحسين، مع البحث في أنظمة مواد جديدة مثل InGaN لنطاقات أطوال موجية مختلفة.