ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي من نوع PIN سليكوني PD438B بقطر 4.8 مم - عدسة سوداء - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد PD438B صمامًا ثنائيًا ضوئيًا سليكونيًا من نوع PIN عالي الأداء، مُصممًا للتطبيقات التي تتطلب استجابة سريعة وحساسية عالية للضوء تحت الأحمر. وهو مُغلف في غلاف بلاستيكي أسطواني جانبي مدمج بقطر 4.8 مم. الميزة الرئيسية لهذا الجهاز هي غلافه الإيبوكسي، المُصمم ليعمل كمرشح مُدمج للأشعة تحت الحمراء (IR). يتطابق هذا المرشح المدمج طيفيًا مع باعثات الأشعة تحت الحمراء الشائعة، مما يعزز نسبة الإشارة إلى الضوضاء من خلال تمرير الطول الموجي المستهدف للأشعة تحت الحمراء بشكل انتقائي بينما يُضعف الضوء المرئي غير المرغوب فيه.

تشمل المزايا الأساسية لـ PD438B أوقات استجابة سريعة، وحساسية ضوئية عالية، وسعة تقاطع صغيرة، مما يجعله مناسبًا لدوائر الكشف عالية السرعة. تم تصنيع الجهاز باستخدام مواد خالية من الرصاص (Pb-free) ويتوافق مع اللوائح البيئية ذات الصلة مثل RoHS و EU REACH، مما يضمن ملاءمته للتصنيع الإلكتروني الحديث.

الأسواق والتطبيقات الرئيسية المستهدفة لهذا الصمام الثنائي الضوئي هي في الإلكترونيات الاستهلاكية والاستشعار الصناعي. إنه مناسب تمامًا للاستخدام ككاشف ضوئي عالي السرعة في أنظمة مثل الكاميرات وأجهزة تسجيل الفيديو (VCRs) والكاميرات الفيديوية. كما تجعل خصائصه مكونًا موثوقًا به في مختلف مفاتيح التبديل الضوئية ووحدات الاستشعار حيث يكون الكشف الدقيق عن إشارات الأشعة تحت الحمراء أمرًا بالغ الأهمية.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تم تصميم الجهاز للعمل بشكل موثوق ضمن الحدود البيئية والكهربائية المحددة. قد يتسبب تجاوز هذه الحدود القصوى المطلقة في حدوث تلف دائم.

• الجهد العكسي (VR):32 فولت. هذا هو أقصى جهد يمكن تطبيقه في انحياز عكسي عبر أطراف الصمام الثنائي الضوئي.
• تبديد الطاقة (Pd):150 ملي واط. يأخذ هذا التصنيف في الاعتبار إجمالي الطاقة التي يمكن للجهاز تحملها، بشكل أساسي من تيار التسرب العكسي تحت الانحياز.
• درجة حرارة التشغيل (Topr):من -40°C إلى +85°C. نطاق الأداء المضمون للصمام الثنائي الضوئي أثناء التشغيل العادي.
• درجة حرارة التخزين (Tstg):من -40°C إلى +100°C. نطاق درجة الحرارة الآمن للجهاز عندما لا يكون موصولاً بالطاقة.
• درجة حرارة اللحام (Tsol):260°C لمدة قصوى تبلغ 5 ثوانٍ. يحدد هذا قيود ملف تعريف لحام إعادة التدفق لمنع تلف الغلاف.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعلمات، المقاسة عند درجة حرارة قياسية تبلغ 25°C، أداء الكشف الضوئي الأساسي لـ PD438B.

• عرض النطاق الطيفي (λ0.5):من 400 نانومتر إلى 1100 نانومتر. يحدد هذا نطاق الطول الموجي حيث تكون استجابة الصمام الثنائي الضوئي على الأقل نصف قيمته القصوى. يؤكد الحساسية من الضوء الأزرق المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة.
• طول موجة الحساسية القصوى (λp):940 نانومتر (نموذجي). يكون الصمام الثنائي الضوئي أكثر حساسية للضوء تحت الأحمر عند هذا الطول الموجي، وهو معياري للعديد من مصابيح LED تحت الحمراء وأنظمة التحكم عن بُعد.
• الجهد الدائرة المفتوحة (VOC):0.35 فولت (نموذجي) تحت إشعاع (Ee) قدره 5 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر. هذا هو الجهد الناتج عن الصمام الثنائي الضوئي في الوضع الكهروضوئي (بدون انحياز خارجي) تحت ظروف الإضاءة المحددة.
• تيار الدائرة القصيرة (ISC):18 ميكرو أمبير (نموذجي) تحت 1 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر. هذا هو التيار الضوئي الناتج عندما تكون أطراف الصمام الثنائي مقصورة، مما يمثل أقصى خرج تيار لمستوى إضاءة معين.
• تيار الضوء العكسي (IL):18 ميكرو أمبير (نموذجي) عند VR=5V تحت 1 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر. هذا هو التيار الضوئي المقاس عندما يكون الصمام الثنائي في انحياز عكسي، وهو وضع التشغيل القياسي للاستجابة الخطية وعالية السرعة.
• التيار المظلم (Id):5 نانو أمبير (نموذجي)، 30 نانو أمبير (أقصى) عند VR=10V في ظلام تام. هذا هو تيار التسرب الصغير الذي يتدفق حتى في حالة عدم وجود ضوء. التيار المظلم المنخفض أمر بالغ الأهمية للكشف عن إشارات الضوء الضعيفة.
• جهد الانهيار العكسي (BVR):170 فولت (نموذجي)، 32 فولت (الحد الأدنى). الجهد الذي يزداد عنده التيار العكسي بشكل حاد. يجب دائمًا الحفاظ على جهد التشغيل العكسي أقل بكثير من هذه القيمة.
• السعة الكلية (Ct):25 بيكو فاراد (نموذجي) عند VR=3V و 1 ميجا هرتز. تؤثر سعة التقاطع هذه بشكل مباشر على سرعة الجهاز؛ السعة الأقل تتيح أوقات استجابة أسرع.
• زمن الصعود/الهبوط (tr/tf):50 نانو ثانية / 50 نانو ثانية (نموذجي) مع VR=10V ومقاوم حمل (RL) بقيمة 1 كيلو أوم. تحدد هذه المعلمات مدى سرعة تغير تيار خرج الصمام الثنائي الضوئي استجابة لنبضة ضوئية، مما يحدد قدرته عالية السرعة.

يتم تحديد التفاوتات للمعايير الرئيسية: شدة الإضاءة (±10%)، الطول الموجي السائد (±1 نانومتر)، والجهد الأمامي (±0.1 فولت)، مما يضمن الاتساق في دفعات الإنتاج.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح كيف تختلف المعايير الرئيسية مع ظروف التشغيل. هذه المنحنيات ضرورية لمصممي الدوائر.

3.1 الحساسية الطيفية

يُظهر منحنى الاستجابة الطيفية الحساسية النسبية للصمام الثنائي الضوئي عبر الأطوال الموجية المختلفة. سيكون ذروته بشكل حاد حول 940 نانومتر بسبب الإيبوكسي المدمج لتصفية الأشعة تحت الحمراء، مع انخفاض كبير في الحساسية في الطيف المرئي (400-700 نانومتر). هذا المنحنى بالغ الأهمية لضمان تطابق الكاشف مع الطول الموجي للباعث.

3.2 التيار المظلم مقابل درجة الحرارة المحيطة

يُظهر هذا المنحنى عادةً زيادة أسية في التيار المظلم (Id) مع ارتفاع درجة الحرارة المحيطة. يجب على المصممين مراعاة زيادة مستوى الضوضاء هذا في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية أو عند الكشف عن إشارات ضوئية ضعيفة جدًا.

3.3 التيار الضوئي العكسي مقابل الإشعاع (Ee)

يوضح هذا الرسم البياني العلاقة الخطية بين قوة الضوء الساقط (الإشعاع) والتيار الضوئي الناتج (IL) عندما يكون الصمام الثنائي في انحياز عكسي. الخطية هي ميزة رئيسية للصمامات الثنائية الضوئية من نوع PIN، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات قياس الضوء.

3.4 السعة الطرفية مقابل الجهد العكسي

تنخفض سعة التقاطع (Ct) مع زيادة جهد الانحياز العكسي (VR). يسمح هذا المنحنى للمصممين باختيار جهد انحياز تشغيل يحقق التوازن الأمثل بين السرعة (سعة أقل عند جهد أعلى) واستهلاك الطاقة/الحرارة.

3.5 زمن الاستجابة مقابل مقاومة الحمل

يتأثر زمن الصعود/الهبوط (tr/tf) بثابت الوقت RC الناتج عن سعة تقاطع الصمام الثنائي الضوئي ومقاومة الحمل الخارجية (RL). يُظهر هذا المنحنى كيف يزيد زمن الاستجابة مع مقاومات الحمل الأكبر، مما يوجه اختيار RL للسرعة المطلوبة في دوائر مضخم التحويل الحالي إلى الجهد.

3.6 تبديد الطاقة مقابل درجة الحرارة المحيطة

يشير منحنى التخفيض هذا إلى أقصى تبديد طاقة مسموح به كدالة لدرجة الحرارة المحيطة. مع زيادة درجة الحرارة، تنخفض أقصى طاقة آمنة يمكن للجهاز تحملها بشكل خطي، وهو أمر حيوي لإدارة الحرارة في تصميم النظام.

4. المعلومات الميكانيكية والمتعلقة بالغلاف

4.1 أبعاد الغلاف

يُغلف PD438B في غلاف أسطواني جانبي بقطر اسمي يبلغ 4.8 مم. يوفر الرسم الميكانيكي التفصيلي في ورقة البيانات جميع الأبعاد الحرجة بما في ذلك قطر الجسم والطول وتباعد الأطراف وقطر الأطراف. ينطبق تفاوت قياسي يبلغ ±0.25 مم على جميع أبعاد الغلاف ما لم يُذكر خلاف ذلك. تم تصميم التكوين الجانبي للتطبيقات حيث يكون مسار الضوء موازيًا لسطح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB).

4.2 تحديد القطبية

الصمام الثنائي الضوئي هو مكون مستقطب. عادةً ما يتم تحديد الكاثود بواسطة طرف أطول، أو بقعة مسطحة على الغلاف، أو علامة محددة. يُظهر مخطط الغلاف في ورقة البيانات بوضوح توصيلات الأنود والكاثود، والتي يجب مراعاتها أثناء التجميع لضمان الانحياز الصحيح (انحياز عكسي للتشغيل العادي).

5. إرشادات اللحام والتجميع

للحفاظ على الموثوقية ومنع التلف أثناء عملية التجميع، يجب اتباع شروط لحام محددة.

• لحام إعادة التدفق:المكون مناسب للتجميع السطحي باستخدام تقنيات لحام إعادة التدفق. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة اللحام القصوى 260°C، ويجب أن يقتصر الوقت فوق هذه درجة الحرارة على 5 ثوانٍ أو أقل لمنع التلف الحراري لغلاف الإيبوكسي والرقاقة شبه الموصلة.
• اللحام اليدوي:إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب استخدام مكواة لحام ذات تحكم في درجة الحرارة. يجب تقليل وقت التلامس مع الأطراف، ويوصى بتبريد الطرف بين نقطة الوصل وجسم الغلاف.
• ظروف التخزين:يجب تخزين الأجهزة في أكياسها الأصلية الحاجبة للرطوبة في بيئة خاضعة للتحكم ضمن نطاق درجة حرارة التخزين من -40°C إلى +100°C وبدرجة رطوبة منخفضة لمنع أكسدة الأطراف.

6. معلومات التعبئة والطلب

6.1 مواصفات التعبئة

تدفق التعبئة القياسي لـ PD438B هو كما يلي: يتم تعبئة 500 قطعة في كيس واحد مضاد للكهرباء الساكنة. ثم توضع ستة من هذه الأكياس في صندوق داخلي واحد. أخيرًا، يتم تعبئة عشرة صناديق داخلية في صندوق شحن رئيسي (خارجي) واحد، مما ينتج عنه إجمالي 30,000 قطعة لكل صندوق رئيسي.

6.2 مواصفات الملصق

يحتوي الملصق على العبوة على عدة معرفات رئيسية:

• CPN:رقم منتج العميل (إذا تم تعيينه).
• P/N:رقم منتج الشركة المصنعة (PD438B).
• QTY:كمية الأجهزة في العبوة.
• CAT, HUE, REF:رموز تمثل رتبة شدة الإضاءة، ورتبة الطول الموجي السائد، ورتبة الجهد الأمامي، على التوالي، للمنتجات التي يتم فرزها.
• LOT No:رقم الدفعة القابل للتتبع.

يضمن هذا التوسيم إمكانية التتبع والتعامل الصحيح مع المواد عبر سلسلة التوريد.

7. ملاحظات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 دوائر التطبيق النموذجية

يُستخدم PD438B بشكل شائع في أحد تكويني الدائرة:

1. الوضع الكهروضوئي (انحياز صفري):يتم توصيل الصمام الثنائي الضوئي مباشرة بحمل عالي المعاوقة (مثل مدخل مضخم عملياتي). يوفر هذا الوضع أقل تيار مظلم وضوضاء ولكنه يتمتع باستجابة أبطأ وخطية أقل. إنه مناسب لقياس الضوء منخفض السرعة والدقيق.
2. الوضع الضوئي التوصيلي (انحياز عكسي):يتم توصيل الصمام الثنائي الضوئي مع الكاثود بجهد موجب والأنود بأرض افتراضية (على سبيل المثال، المدخل العاكس لمضخم التحويل الحالي إلى الجهد). هذا هو الوضع الموصى به لـ PD438B للاستفادة من قدراته عالية السرعة. يقلل الانحياز العكسي من سعة التقاطع (زيادة السرعة) ويحسن الخطية. تحدد قيمة مقاومة التغذية الراجعة في مضخم التحويل الحالي إلى الجهد الكسب (Vout = Iphoto * Rfeedback).

7.2 اعتبارات التصميم

• اختيار جهد الانحياز:اختر جهد انحياز عكسي (على سبيل المثال، من 5V إلى 10V) يوفر توازنًا جيدًا بين السرعة (سعة أقل) واستهلاك الطاقة. لا تتجاوز أقصى جهد عكسي يبلغ 32V.
• اختيار المضخم:للتطبيقات عالية السرعة، قم بإقران PD438B بمضخم عملياتي منخفض الضوضاء وعرض نطاق ترددي عالي مُكون كمضخم تحويل حالي إلى جهد. يجب أن يكون تيار انحياز المدخل وضوضاء الجهد للمضخم منخفضين حتى لا يقلل من إشارة الصمام الثنائي الضوئي.
• تخطيط لوحة الدوائر المطبوعة (PCB):اجعل الصمام الثنائي الضوئي والمضخم المرتبط به قريبين من بعضهما البعض لتقليل السعة الطفيلية والتقاط الضوضاء على العقدة عالية المعاوقة الحساسة. استخدم حلقة حماية متصلة بنقطة منخفضة المعاوقة (مثل خرج المضخم أو مستوى أرضي) حول توصيل أنود الصمام الثنائي الضوئي لتقليل تيارات التسرب.
• المحاذاة البصرية:تأكد من المحاذاة الميكانيكية المناسبة بين باعث الأشعة تحت الحمراء والصمام الثنائي الضوئي. تم تصميم الغلاف الجانبي لهذا الغرض. فكر في استخدام أنبوب أو حاجز لحجب الضوء المحيط والتداخل.

8. المقارنة التقنية والتمييز

يتميز PD438B في السوق من خلال عدة ميزات رئيسية:

• مرشح الأشعة تحت الحمراء المدمج:يعمل غلاف الإيبوكسي نفسه كمرشح، مما يلغي الحاجة إلى مكون مرشح منفصل، ويقلل من عدد الأجزاء والتكلفة، ويبسط عملية التجميع.
• غلاف جانبي:الشكل الأسطواني الجانبي مثالي للتطبيقات التي يكون فيها مسار الضوء موازيًا لـ PCB، كما في مستشعرات الفتحات وأنظمة الاستشعار الحافية وأنواع معينة من المشفرات.
• أداء متوازن:يقدم مزيجًا متوازنًا جيدًا من السرعة (50 نانو ثانية)، والحساسية (18 ميكرو أمبير عند 1 ملي واط/سم²)، والتيار المظلم المنخفض، مما يجعله خيارًا متعدد الاستخدامات لمجموعة واسعة من مهام الكشف عن الأشعة تحت الحمراء متوسطة إلى عالية السرعة.
• الامتثال البيئي:يجعل بناؤه الخالي من الرصاص وامتثاله لـ RoHS و REACH مناسبًا للأسواق العالمية ذات اللوائح البيئية الصارمة.

مقارنة بالصمامات الثنائية الضوئية الأكبر حجمًا، فإنه يوفر مساحة أصغر. مقارنة بالصمامات الثنائية الضوئية غير المفلترة، فإنه يوفر رفضًا متفوقًا لضوضاء الضوء المرئي المحيط.

9. الأسئلة الشائعة (FAQ)

س1: ما هو الغرض من العدسة الإيبوكسية السوداء؟

ج1: الإيبوكسي الأسود ليس للمظهر فقط؛ فهو مُصمم ليكون مرشحًا فعالًا للأشعة تحت الحمراء. ينقل الطول الموجي المستهدف للأشعة تحت الحمراء (ذروته عند 940 نانومتر) بينما يمتص الكثير من الضوء المرئي، مما يقلل بشكل كبير من التداخل من مصادر الضوء المحيطة مثل إضاءة الغرفة.

س2: هل يجب أن أشغل PD438B بجهد انحياز عكسي أو بدونه؟

ج2: للتشغيل عالي السرعة (كما هو موضح بوقت صعود 50 نانو ثانية)، يوصى بشدة بتشغيل PD438B في الوضع الضوئي التوصيلي مع انحياز عكسي، عادةً بين 5V و 10V. هذا يقلل من سعة التقاطع ويحسن الخطية والسرعة.

س3: كيف أحول التيار الضوئي إلى إشارة جهد قابلة للاستخدام؟

ج3: الطريقة الأكثر شيوعًا وفعالية هي استخدام دائرة مضخم التحويل الحالي إلى الجهد (TIA). يتصل الصمام الثنائي الضوئي بين المدخل العاكس وخرج مضخم العمليات، مع مقاومة تغذية راجعة تحدد الكسب (Vout = -Iphoto * Rf). غالبًا ما تتم إضافة مكثف تغذية راجعة صغير بالتوازي مع المقاوم لتحقيق استقرار الدائرة وتحديد عرض النطاق الترددي.

س4: ما أهمية معلمة "التيار المظلم"؟

ج4: التيار المظلم هو التيار الصغير الذي يتدفق عبر الصمام الثنائي الضوئي عندما يكون في ظلام تام وتحت انحياز عكسي. يعمل كمصدر للضوضاء. التيار المظلم المنخفض (5 نانو أمبير نموذجي لـ PD438B) يعني أن الجهاز يمكنه اكتشاف إشارات ضوئية أضعف دون أن تحجب الإشارة بواسطة ضوضاءه الخاصة.

س5: هل يمكن استخدام هذا الصمام الثنائي الضوئي للكشف عن الضوء المرئي؟

ج5: بينما يبدأ نطاقه الطيفي عند 400 نانومتر (بنفسجي)، فإن حساسيته في الطيف المرئي تُضعف بشكل كبير بواسطة عدسة الإيبوكسي المفلترة للأشعة تحت الحمراء. تبلغ حساسيته القصوى بوضوح في الأشعة تحت الحمراء عند 940 نانومتر. للكشف الأساسي عن الضوء المرئي، سيكون الصمام الثنائي الضوئي بدون غلاف فلتر للأشعة تحت الحمراء أكثر ملاءمة.

10. مبادئ التشغيل

الصمام الثنائي الضوئي من نوع PIN هو جهاز شبه موصل به منطقة جوهرية (I) واسعة ومشوبة بشكل خفيف محصورة بين منطقة من النوع P ومنطقة من النوع N. عندما تصطدم الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق للشبه الموصل بالجهاز، فإنها تخلق أزواج إلكترون-فجوة في المنطقة الجوهرية. تحت تأثير مجال كهربائي انحياز عكسي خارجي، يتم فصل حاملات الشحن هذه، مما يولد تيارًا ضوئيًا يتناسب مع شدة الضوء الساقط. تتيح المنطقة الجوهرية الواسعة عدة مزايا: فهي تخلق منطقة استنزاف أكبر لامتصاص الفوتونات (زيادة الحساسية)، وتقلل من سعة التقاطع (زيادة السرعة)، وتسمح بالعمل عند جهود عكسية أعلى. يستخدم PD438B السيليكون، الذي له فجوة نطاق مناسبة للكشف عن الضوء من الطيف المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة.

11. إخلاء المسؤولية وملاحظات الاستخدام

المعلومات الواردة في هذه الوثيقة التقنية قابلة للتغيير دون إشعار. الرسوم البيانية والقيم النموذجية المقدمة هي للإرشاد التصميمي ولا تمثل مواصفات مضمونة. عند تنفيذ هذا المكون، يجب على المصممين الالتزام الصارم بالحدود القصوى المطلقة لمنع فشل الجهاز. لا تتحمل الشركة المصنعة أي مسؤولية عن أي ضرر ناتج عن استخدام هذا المنتج خارج ظروف تشغيله المحددة. لا يُقصد استخدام هذا المنتج في التطبيقات الحرجة للسلامة، أو دعم الحياة، أو العسكرية، أو السيارات، أو الفضاء الجوي دون استشارة مسبقة وتأهيل محدد.