ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي من نوع السيليكون PIN الدائري فائق الصغر بقطر 1.8 مم PD42-21C/TR8 - ذروة الحساسية عند 940 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

PD42-21C/TR8 هو صمام ثنائي ضوئي من السيليكون PIN عالي السرعة والحساسية، مصمم لتطبيقات الكشف عن الأشعة تحت الحمراء. وهو مُغلف بتغليف SMD مصغر دائري بقطر 1.8 مم، مع عدسة كروية منظر علوي، مصنوع من البلاستيك الأسود. يجعل هذا التصميم المدمج المنتج مناسبًا للتطبيقات المحدودة المساحة التي تتطلب استشعارًا موثوقًا للأشعة تحت الحمراء.

يتطابق الجهاز طيفيًا مع الثنائيات الباعثة للأشعة تحت الحمراء الشائعة، مما يحسن الأداء في الأنظمة التي يتم فيها إقرانه بمصدر للأشعة تحت الحمراء. تشمل مزاياه الرئيسية وقت استجابة سريع، وحساسية ضوئية عالية، وسعة تقاطع صغيرة، وهي عوامل حاسمة للكشف عن الإشارات عالية السرعة.

1.1 الميزات الأساسية والامتثال

• وقت استجابة سريع:يمكن من اكتشاف التغيرات السريعة في الإشارات الضوئية.
• حساسية ضوئية عالية:يوفر ناتجًا كهربائيًا قويًا من مستويات الإضاءة المنخفضة.
• سعة تقاطع صغيرة:تساهم في التشغيل عالي السرعة عن طريق تقليل ثوابت زمن RC.
• التغليف:يتم توريده على شريط بعرض 12 مم مثبت على بكرة قطرها 7 بوصات للتجميع الآلي.
• الامتثال البيئي:المنتج خالٍ من الرصاص، ومتوافق مع لوائح RoHS وEU REACH، وخالٍ من الهالوجين (Br<900 جزء في المليون، Cl<900 جزء في المليون، Br+Cl<1500 جزء في المليون).

1.2 التطبيقات المستهدفة

تم تصميم هذا الصمام الثنائي الضوئي للاستخدام في أنظمة إلكترونية متنوعة تتطلب كشفًا دقيقًا للأشعة تحت الحمراء.

• كاشفات ضوئية عالية السرعة
• آلات النسخ الضوئي
• آلات الألعاب والأجهزة التفاعلية
• أنظمة الأشعة تحت الحمراء العامة (مثل: مستشعرات القرب، نقل البيانات)

2. الغوص العميق في المواصفات الفنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تشغيل الجهاز خارج هذه الحدود قد يسبب تلفًا دائمًا.

• الجهد العكسي (V_R):32 فولت
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):-25°C إلى +85°C
• درجة حرارة التخزين (T_stg):-40°C إلى +85°C
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°C لمدة ≤5 ثوانٍ
• تبديد الطاقة (P_d):150 ملي واط عند أو أقل من درجة حرارة هواء حر 25°C

2.2 الخصائص الكهروضوئية (T_a=25°C)

تحدد هذه المعلمات أداء الصمام الثنائي الضوئي في الظروف النموذجية.

• عرض النطاق الطيفي (λ_0.5):730 نانومتر إلى 1100 نانومتر. الجهاز حساس عبر طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة.
• طول موجة ذروة الحساسية (λ_P):940 نانومتر. تحدث أقصى استجابة عند هذا الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء.
• الجهد في حالة الدائرة المفتوحة (V_OC):عادة 0.42 فولت عند إضاءته بـ 5 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر.
• تيار الدائرة القصيرة (I_SC):2.0 إلى 12 ميكرو أمبير (نموذجي 5.0 ميكرو أمبير) عند إضاءته بـ 1 ملي واط/سم² عند 875 نانومتر.
• تيار الضوء العكسي (I_L):2.0 إلى 12 ميكرو أمبير (نموذجي 5.0 ميكرو أمبير) عند V_R=5V عند إضاءته بـ 1 ملي واط/سم² عند 875 نانومتر. هذه هي المعلمة التشغيلية الأساسية في وضع التوصيل الضوئي.
• تيار الظلام (I_D):أقصى 10 نانو أمبير عند V_R=10V. هذا هو تيار التسرب في غياب الضوء.
• جهد الانهيار العكسي (V_BR):الحد الأدنى 32 فولت، نموذجي 170 فولت عند I_R=100μA.
• السعة الكلية (C_t):عادة 5 بيكو فاراد عند V_R=5V، f=1MHz. السعة المنخفضة هي مفتاح النطاق الترددي العالي.
• زمن الصعود/الهبوط (t_r, t_f):عادة 6 نانو ثانية لكل منهما عند V_R=10V، R_L=1kΩ. يحدد هذا سرعة الاستجابة الكهربائية لنبضة ضوئية.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات منحنيات الخصائص النموذجية الضرورية لمهندسي التصميم. بينما لا يتم توفير بيانات رسومية محددة في شكل نصي، فإن هذه المنحنيات توضح عادة العلاقة بين المعلمات الرئيسية، مما يساعد في التنبؤ بسلوك الجهاز في ظل ظروف غير قياسية.

3.1 المعلومات الضمنية للمنحنيات

بناءً على خصائص الصمام الثنائي الضوئي القياسية، يتم عادةً رسم العلاقات التالية:

• الاستجابة الطيفية:منحنى يوضح الاستجابة النسبية مقابل الطول الموجي، حيث يبلغ ذروته عند 940 نانومتر وينخفض إلى النصف عند 730 نانومتر و 1100 نانومتر.
• التيار مقابل الإضاءة (I_Lمقابل E_e):من المتوقع أن يكون خطيًا على نطاق واسع، مما يؤكد ملاءمة الصمام الثنائي الضوئي لقياس الضوء التناظري.
• السعة مقابل الجهد العكسي (C_tمقابل V_R):تنخفض السعة عادةً مع زيادة التحيز العكسي، مما يؤثر على استجابة التردد.
• تيار الظلام مقابل درجة الحرارة (I_Dمقابل T):يتضاعف تيار الظلام تقريبًا لكل ارتفاع 10°C في درجة الحرارة، وهو أمر بالغ الأهمية للتشغيل في درجات الحرارة العالية.

4. المعلومات الميكانيكية وبيانات التغليف

4.1 أبعاد التغليف

يأتي الصمام الثنائي الضوئي في غلاف دائري فائق الصغر بقطر جسم 1.8 مم. تحدد الرسومات الميكانيكية التفصيلية في ورقة البيانات جميع الأبعاد الحرجة بما في ذلك ارتفاع العدسة، وتباعد الأطراف، والمساحة الكلية. التسامحات عادةً ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم توفير تخطيط لوحة توصيل مقترح كمرجع لتصميم PCB، ولكن يُنصح المهندسون بتعديله بناءً على عملية التجميع المحددة ومتطلباتهم الحرارية.

4.2 تحديد القطبية والتركيب

يحتوي تغليف SMD على اتجاه محدد. يشير الرسم في ورقة البيانات إلى أطراف الكاثود والأنود. القطبية الصحيحة ضرورية لتشغيل الدائرة بشكل صحيح. يساعد الجسم البلاستيكي الأسود مع العدسة الكروية الشفافة في الحساسية الاتجاهية.

5. إرشادات اللحام والتجميع

التعامل السليم أمر حيوي للحفاظ على موثوقية الجهاز وأدائه.

5.1 التخزين والحساسية للرطوبة

• لا تفتح الكيس المقاوم للرطوبة حتى تصبح جاهزًا للاستخدام.
• قم بتخزين الأكياس غير المفتوحة عند 10°C~30°C ورطوبة نسبية ≤90%.
• استخدم خلال عام واحد من الشحن.
• بعد الفتح، يجب استخدام الأجهزة خلال 168 ساعة (عمر الأرضية) عند تخزينها في 10°C~30°C ورطوبة نسبية ≤60%. وإلا، يجب إعادة تجفيفها وتخزينها في كيس جاف.
• إجراء التجفيف: 96 ساعة عند 60°C ± 5°C ورطوبة نسبية <5%.

5.2 ظروف اللحام

• اللحام بإعادة التدفق:يتم توفير منحنى درجة حرارة موصى به. لا تتجاوز دورتي إعادة تدفق.
• اللحام اليدوي:استخدم مكواة لحام بدرجة حرارة طرف <350°C وقوة <25W. يجب أن يكون وقت التلامس لكل طرف <3 ثوانٍ. اسمح بفاصل 2 ثانية بين لحام كل طرف لمنع التلف الحراري.
• تجنب الإجهاد الميكانيكي على الجهاز أثناء التسخين وتجنب انحناء PCB بعد اللحام.

5.3 الإصلاح وإعادة العمل

لا يُنصح بالإصلاح بعد اللحام. إذا كان لا مفر منه، استخدم مكواة لحام برأسين لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد ورفع المكون بالتساوي. تحقق دائمًا من وظيفة الجهاز بعد أي إعادة عمل.

6. معلومات التغليف والطلب

6.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم تغليف الجهاز في شريط ناقل بأبعاد محددة في ورقة البيانات. الكمية القياسية هي 1000 قطعة لكل بكرة 7 بوصات. تضمن أبعاد الشريط التوافق مع معدات التقاط ووضع SMD القياسية.

6.2 معلومات الملصق

يحتوي ملصق البكرة على معلومات قياسية للتتبع والتجميع الصحيح: رقم جزء العميل (CPN)، رقم الجزء (P/N)، رقم الدفعة، الكمية، طول موجة الذروة (HUE)، الرتب (CAT)، المرجع (REF)، مستوى حساسية الرطوبة (MSL-X)، وأصل التصنيع.

7. اعتبارات تصميم التطبيق

7.1 حماية الدائرة

هام:يجب استخدام مقاوم محدد للتيار خارجي على التوالي مع الصمام الثنائي الضوئي عند التشغيل في وضع التوصيل الضوئي (تحيز عكسي). بدونه، يمكن أن يتسبب تغير جهد صغير في تيار كبير مفاجئ، مما قد يؤدي إلى احتراق الجهاز.

7.2 التحيز الكهربائي وتكييف الإشارة

يمكن استخدام الصمام الثنائي الضوئي في وضعين أساسيين:

• الوضع الكهروضوئي (تحيز صفري):يولد جهدًا (V_OC). يوفر ضوضاء منخفضة ولكن استجابة أبطأ.
• وضع التوصيل الضوئي (تحيز عكسي):يعمل بجهد عكسي (مثل 5V كما في المواصفات). هذا يقلل من سعة التقاطع (مما يسرع الاستجابة) ويحسن الخطية ولكنه يزيد من تيار الظلام. يُستخدم مضخم مقاومة النقل (TIA) بشكل شائع لتحويل التيار الضوئي (I_L) إلى إشارة جهد قابلة للاستخدام.

7.3 التصميم البصري

تحتوي العدسة الكروية على زاوية رؤية محددة. للحصول على اقتران أمثل، قم بمحاذاة مصدر الأشعة تحت الحمراء ضمن هذه الزاوية. يقلل السكن الأسود من الانعكاسات الداخلية والتداخل من الضوء المحيط.

8. المقارنة الفنية والتحديد

بالمقارنة مع الثنائيات الضوئية القياسية، يوفر PD42-21C/TR8 توازنًا بين السرعة (6 نانو ثانية)، والحساسية (5 ميكرو أمبير نموذجي عند 1 ملي واط/سم²)، وبصمة SMD مضغوطة للغاية. تجعل حساسيته القصوى عند 940 نانومتر منه تطابقًا مباشرًا للعديد من مصابيح LED للأشعة تحت الحمراء منخفضة التكلفة. السعة المنخفضة هي عامل تمييز رئيسي للتطبيقات عالية التردد مقارنة بالأجهزة ذات المناطق النشطة الأكبر.

9. الأسئلة الشائعة (FAQ)

9.1 ما الفرق بين I_SCو I_L?

I_SC(تيار الدائرة القصيرة) يتم قياسه بجهد صفري عبر الثنائي. I_L(تيار الضوء العكسي) يتم قياسه تحت تحيز عكسي مطبق (مثل 5V). في صمام ثنائي ضوئي PIN مصمم جيدًا، تكون هذه القيم متشابهة جدًا، كما هو موضح في ورقة البيانات (كلاهما نموذجي 5.0 ميكرو أمبير). I_Lهو المعلمة الأكثر عملية لتصميم الدائرة في التشغيل المتحيز.

9.2 كيف أختار قيمة المقاوم المتسلسل؟

يحدد المقاوم التيار تحت أقصى إضاءة. احسب R ≥ (جهد التغذية) / (أقصى I_L). من المواصفات، أقصى I_Lهو 12 ميكرو أمبير. لتحيز 5V، يجب أن يكون R ≥ 5V / 12μA ≈ 417 كيلو أوم. القيمة الأولية الشائعة هي 100 كيلو أوم، والتي تحدد أيضًا عرض النطاق الترددي بالتزامن مع سعة التقاطع.

9.3 هل يمكن استخدام هذا المنتج للكشف عن الضوء المرئي؟

يبدأ نطاقه الطيفي من 730 نانومتر، وهو في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. لديه حساسية منخفضة جدًا للضوء المرئي (أطوال موجية أقل من 700 نانومتر). للضوء المرئي، سيكون الصمام الثنائي الضوئي ذو الحساسية القصوى في نطاق 550-650 نانومتر أكثر ملاءمة.

10. مثال عملي لاستخدام

السيناريو: مستشعر قرب بالأشعة تحت الحمراء في وحدة تحكم ألعاب.

1. إقران المكونات:يتم إقران PD42-21C/TR8 مع صمام LED للأشعة تحت الحمراء بموجة 940 نانومتر.
2. تصميم الدائرة:يتم تحيز الصمام الثنائي الضوئي عكسيًا بـ 3.3V من خلال مقاوم 100 كيلو أوم. يتم توصيل مخرجه بالمدخل العاكس لمضخم عملياتي مُهيأ كمضخم مقاومة نقل (TIA) بمقاوم تغذية مرتدة 1 ميجا أوم ومكثف تغذية مرتدة صغير (مثل 1 بيكو فاراد) لتحقيق استقرار الاستجابة.
3. التشغيل:يصدر صمام LED للأشعة تحت الحمراء إشارة نبضية. عندما يقترب جسم (مثل يد المستخدم)، فإنه يعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى الصمام الثنائي الضوئي. يحول مضخم مقاومة النقل (TIA) التيار الضوئي المتزايد إلى ارتفاع جهد يمكن قياسه.
4. المزايا:يسمح وقت الاستجابة السريع للصمام الثنائي الضوئي بالكشف السريع عن حركات اليد السريعة. حجمه الصغير يتناسب بسهولة مع غلاف وحدة التحكم المدمج. تضمن الحساسية العالية التشغيل الموثوق حتى مع إشارات الانعكاس الضعيفة.

11. مبدأ التشغيل

يتكون الصمام الثنائي الضوئي PIN من منطقة جوهرية (I) عريضة ومنخفضة التشويش محصورة بين مناطق أشباه الموصلات من النوع P والنوع N. عند التحيز العكسي، تصبح المنطقة الجوهرية مستنفدة بالكامل، مما يخلق مجالًا كهربائيًا كبيرًا. تمتص الفوتونات الساقطة ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات، مما يخلق أزواجًا من الإلكترونات والثقوب. يفصل المجال الكهربائي القوي هذه الحاملات بسرعة، مما يولد تيارًا ضوئيًا يتناسب مع شدة الضوء. مقارنة بالصمام الثنائي الضوئي PN القياسي، تقلل المنطقة الجوهرية العريضة من سعة التقاطع (مما يتيح سرعة عالية) وتزيد من حجم امتصاص الفوتونات (مما يحسن الحساسية).

12. اتجاهات الصناعة

يستمر الطلب على الكواشف الضوئية المصغرة عالية السرعة في النمو، مدفوعًا بالتطبيقات في الإلكترونيات الاستهلاكية (الهواتف الذكية، الأجهزة القابلة للارتداء)، والسيارات (LiDAR، الاستشعار داخل المقصورة)، والأتمتة الصناعية. تشمل الاتجاهات المزيد من التصغير، وتكامل الثنائيات الضوئية مع دوائر التضخيم والرقمنة على شريحة واحدة (مثل: أجهزة الاستشعار الضوئية المتكاملة)، وتعزيز الأداء في نطاقات أطوال موجية محددة لتطبيقات ناشئة مثل التعرف على الإيماءات والاستشعار ثلاثي الأبعاد. تمثل أجهزة مثل PD42-21C/TR8 حلاً ناضجًا وموثوقًا للتطبيقات الحساسة للتكلفة وعالية الحجم التي تتطلب كشفًا قويًا للأشعة تحت الحمراء.