ورقة بيانات الصمام الثنائي الضوئي من السيليكون PIN - PD15-21B/TR8 - عبوة 1206 (1.6x0.8x0.55 مم) - نطاق طيفي 730-1100 نانومتر - ذروة 940 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد PD15-21B/TR8 صمامًا ثنائيًا ضوئيًا عالي الأداء من السيليكون PIN، مُحاطًا بغلاف مصغر لتقنية التركيب السطحي (SMD). تم تصميم هذا المكون خصيصًا لتطبيقات الاستشعار ضمن الطيف تحت الأحمر، مما يقدم حلاً مضغوطًا وموثوقًا للتصاميم الإلكترونية الحديثة التي تتطلب الكشف الضوئي.

1.1 المزايا الأساسية وتحديد موقع المنتج

تم هندسة هذا الجهاز لتقديم عدة فوائد رئيسية ضرورية للاستشعار الدقيق. يتميز بـوقت استجابة سريع، مما يمكنه من اكتشاف التغيرات السريعة في شدة الضوء، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات مثل العد والفرز واستشعار الموضع. تضمنالحساسية الضوئية العاليةالكشف الموثوق عن الإشارة حتى في ظروف الإضاءة المنخفضة. علاوة على ذلك، فإنالسعة الوصلة الصغيرةتساهم في أدائه عالي السرعة. يتم توريد المنتج بشريط قياسي صناعي بعرض 8 مم على بكرات قطرها 7 بوصات، مما يسهل عمليات التجميع الآلي. وهو متوافق تمامًا مع اللوائح البيئية، حيث أنه خالٍ من الرصاص، ومتوافق مع RoHS، ومتوافق مع EU REACH، وخالٍ من الهالوجين (مع البرومين <900 جزء في المليون، والكلور <900 جزء في المليون، ومجموعهما <1500 جزء في المليون).

1.2 السوق المستهدف والتطبيقات

تشمل الأسواق المستهدفة الرئيسية التشغيل الآلي الصناعي، والإلكترونيات الاستهلاكية، وأنظمة السلامة. يجعل حجمه المصغر وتنسيقه SMD منه مثاليًا للتطبيقات المقيدة بالمساحة. تشمل حالات الاستخدام النموذجية:

• المفاتيح الضوئية المصغرة:تُستخدم في كشف الأجسام، وكشف الورق في الطابعات، ومستشعرات الفتحات.
• العدادات وأجهزة الفرز:تُستخدم في خطوط التجميع لعد الأجزاء وفرزها بناءً على كشف الوجود/الغياب.
• مستشعرات الموضع:تُستخدم لكشف الحواف، والتبديل عند الحدود، وأنظمة التشفير الدوراني.
• أنظمة الأشعة تحت الحمراء التطبيقية:جزء لا يتجزأ من الأنظمة التي تستخدم باعثات الأشعة تحت الحمراء لنقل البيانات، واستشعار القرب، واستشعار الضوء المحيط.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يعد الفهم الشامل لمواصفات الجهاز أمرًا بالغ الأهمية لتصميم الدوائر المناسب ودمج النظام.

2.1 الحدود القصوى المطلقة

تحدد هذه التصنيفات الحدود التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا يُنصح بتشغيل الجهاز باستمرار عند هذه الحدود أو بالقرب منها.

• الجهد العكسي (V_R):32 فولت. هذا هو أقصى جهد يمكن تطبيقه في انحياز عكسي عبر أطراف الصمام الثنائي الضوئي.
• درجة حرارة التشغيل (T_opr):من -25°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة المحيطة للتشغيل الموثوق.
• درجة حرارة التخزين (T_stg):من -40°C إلى +85°C. نطاق درجة الحرارة للتخزين غير التشغيلي.
• درجة حرارة اللحام (T_sol):260°C كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ. هذا يحدد درجة حرارة ذروة ملف إعادة التدفق.
• تبديد الطاقة (P_d):150 ملي واط عند درجة حرارة هواء حر تبلغ 25°C أو أقل. هذا يحد من إجمالي الطاقة الكهربائية التي يمكن للجهاز التعامل معها بأمان.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعلمات، المقاسة عند درجة حرارة قياسية تبلغ 25°C، أداء الاستشعار الأساسي للصمام الثنائي الضوئي.

• عرض النطاق الطيفي (λ_0.5):من 730 نانومتر إلى 1100 نانومتر. هذا هو نطاق الطول الموجي حيث تكون استجابة الصمام الثنائي الضوئي على الأقل نصف قيمته القصوى. يشير إلى الحساسية للضوء تحت الأحمر القريب.
• طول موجة الحساسية القصوى (λ_P):940 نانومتر (نموذجي). تمت مطابقة الجهاز طيفيًا مع الثنائيات الباعثة للأشعة تحت الحمراء (IREDs) الشائعة العاملة عند هذا الطول الموجي، مما يزيد من كفاءة النظام إلى أقصى حد.
• تيار الدائرة القصيرة (I_SC):0.8 ميكرو أمبير (نموذجي) تحت إشعاع (E_e) بقدرة 1 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر. هذا هو التيار الضوئي الناتج عند تشغيل الصمام الثنائي الضوئي في الوضع الكهروضوئي (انحياز صفري).
• تيار الضوء العكسي (I_L):من 0.2 ميكرو أمبير (الحد الأدنى) إلى 0.8 ميكرو أمبير (نموذجي) تحت إشعاع بقدرة 1 ملي واط/سم² عند 940 نانومتر مع جهد انحياز عكسي (V_R) بقيمة 5 فولت. هذه المعلمة ذات صلة بتشغيل الوضع الضوئي التوصيلي، حيث يتم تطبيق انحياز عكسي خارجي لتحسين السرعة والخطية.
• تيار الظلام (I_D):10 نانو أمبير (الحد الأقصى) مع V_R=10 فولت في ظلام تام (E_e=0). هذا هو تيار التسرب الصغير الذي يتدفق حتى في حالة عدم وجود ضوء. يعد تيار الظلام المنخفض ضروريًا لنسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة، خاصة في تطبيقات الإضاءة المنخفضة.
• جهد الانهيار العكسي (BV_R):32 فولت (الحد الأدنى)، 170 فولت (نموذجي) مقاسًا عند تيار عكسي قدره 100 ميكرو أمبير. يشير هذا إلى جهد انهيار عالٍ جدًا، مما يوفر هامش تشغيل واسعًا أقل من الحد الأقصى المطلق البالغ 32 فولت.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح كيف تختلف المعلمات الرئيسية مع ظروف التشغيل.

3.1 تخفيض تصنيف الطاقة

الشكل 1: تبديد الطاقة مقابل درجة الحرارة المحيطةيوضح كيف ينخفض أقصى تبديد طاقة مسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة فوق 25°C. يجب على المصممين تخفيض تصنيف الطاقة وفقًا لذلك لمنع الإجهاد الحراري الزائد.

3.2 الاستجابة الطيفية

الشكل 2: الحساسية الطيفيةيصور بيانيًا الاستجابة النسبية للصمام الثنائي الضوئي عبر الطيف الضوئي، مؤكدًا ذروته عند 940 نانومتر وعرض النطاق المحدد 730-1100 نانومتر.

3.3 الاعتماد على درجة الحرارة

الشكل 3: تيار الظلام مقابل درجة الحرارة المحيطةيوضح أن تيار الظلام يتضاعف تقريبًا لكل ارتفاع بمقدار 10°C في درجة الحرارة. هذا سلوك أساسي لأشباه الموصلات ويجب مراعاته في التطبيقات عالية الحرارة أو الدقيقة.الشكل 4: تيار الضوء العكسي مقابل الإشعاع (E_e)يوضح العلاقة الخطية بين قوة الضوء الساقط والتيار الضوئي الناتج، وهي خاصية رئيسية للثنائيات الضوئية PIN.

3.4 الاستجابة الزاوية

الشكل 5: الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاويةيوضح الحساسية الاتجاهية للجهاز. يوفر الغلاف الإيبوكسي الأسود مع العدسة الكروية زاوية رؤية محددة، مما يؤثر على كيفية محاذاة الصمام الثنائي الضوئي مع مصدر الضوء في تصميم النظام.

4. معلومات الميكانيكا والغلاف

4.1 أبعاد الغلاف

يتوافق الجهاز مع البصمة القياسية SMD 1206 (3216 متري): طوله حوالي 1.6 مم، وعرضه 0.8 مم، وارتفاعه 0.55 مم (باستثناء قبة العدسة). يتم توفير رسومات أبعاد مفصلة مع تفاوتات ±0.1 مم لتصميم نمط اللحام على اللوحة المطبوعة (PCB). يتم إعطاء تخطيط وسادة مقترح كمرجع، ولكن يُنصح المصممين بتعديله بناءً على عملية تصنيع اللوحة المطبوعة المحددة ومتطلباتها الحرارية.

4.2 تحديد القطبية

يتم تشكيل الصمام الثنائي الضوئي في إيبوكسي أسود. عادةً ما يتم تمييز الطرف الكاثود أو تحديده في رسم مخطط الغلاف. يعد الاتصال الصحيح للقطبية ضروريًا للتشغيل السليم في وضع الانحياز العكسي (الضوئي التوصيلي).

5. إرشادات اللحام والتجميع

المناولة الصحيحة أمر بالغ الأهمية للحفاظ على موثوقية الجهاز وأدائه.

5.1 التخزين والحساسية للرطوبة

الجهاز حساس للرطوبة. لا يجب فتح كيس الحاجز للرطوبة إلا عند الاستعداد للاستخدام. بعد الفتح، تكون "مدة الصلاحية على الأرض" 168 ساعة (7 أيام) عند التخزين في درجة حرارة 10-30°C ورطوبة نسبية ≤60%. يجب إعادة تعبئة الأجهزة غير المستخدمة مع مجفف. إذا تم تجاوز مدة الصلاحية على الأرض أو أشار المجفف إلى امتصاص الرطوبة، فإن الخبز عند 60°C ±5°C ورطوبة نسبية <5% لمدة 96 ساعة مطلوب قبل الاستخدام.

5.2 لحام إعادة التدفق

يوصى بملف درجة حرارة لحام خالٍ من الرصاص، بدرجة حرارة ذروة تبلغ 260°C كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ. لا يجب إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين. يجب تجنب الإجهاد على جسم المكون أثناء التسخين وانحناء اللوحة المطبوعة بعد اللحام.

5.3 اللحام اليدوي وإعادة العمل

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فاستخدم مكواة لحام بدرجة حرارة طرف أقل من 350°C وسعة 25 واط أو أقل. يجب أن يكون وقت التلامس لكل طرف أقل من 3 ثوانٍ، مع فترات تزيد عن ثانيتين بين لحام كل طرف. لا يُنصح بشدة بإعادة العمل. إذا كان لا مفر منه، فيجب استخدام مكواة لحام برأس مزدوج متخصصة لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد، ويجب التحقق من تأثير ذلك على خصائص الجهاز مسبقًا.

6. معلومات التعبئة والطلب

6.1 مواصفات الشريط والبكرة

يتم توريد المنتج بشريط حامل بارز بعرض 8 مم على بكرات قطرها 7 بوصات (178 مم). تحتوي كل بكرة على 2000 قطعة. يتم توفير أبعاد الشريط الحامل والبكرة التفصيلية لضمان التوافق مع معدات الالتقاط والوضع الآلية.

6.2 مواصفات الملصق

يتضمن ملصق البكرة معلومات قياسية مثل رقم جزء العميل (CPN)، ورقم جزء الشركة المصنعة (P/N)، ورقم الدفعة، والكمية، وطول موجة الذروة (HUE)، والرتب (CAT)، والمرجع (REF)، ومستوى الحساسية للرطوبة (MSL-X)، وبلد التصنيع.

7. اعتبارات تصميم التطبيق

7.1 حماية الدائرة

ملاحظة حرجة:تحذر ورقة البيانات صراحةً من أنه يجبيجباستخدام مقاومة محددة للتيار خارجية على التوالي مع الصمام الثنائي الضوئي. بدون هذه المقاومة، يمكن أن يتسبب تحول طفيف في الجهد في تغيير كبير في التيار، مما قد يؤدي إلى احتراق الجهاز على الفور. يجب حساب قيمة المقاومة بناءً على جهد الإمداد وأقصى تيار ضوئي متوقع.

7.2 أوضاع الانحياز

يمكن استخدام الصمام الثنائي الضوئي في وضعين أساسيين:

1. الوضع الكهروضوئي (انحياز صفري):ينشئ الصمام الثنائي الضوئي جهدًا/تيارًا عند إضاءته، دون تطبيق انحياز خارجي. يوفر هذا الوضع تيار ظلام وضوضاء منخفضين جدًا ولكن له أوقات استجابة أبطأ.
2. الوضع الضوئي التوصيلي (انحياز عكسي):يتم تطبيق جهد عكسي خارجي (مثل 5 فولت كما في حالة الاختبار). هذا يوسع منطقة الاستنزاف، مما يقلل من سعة الوصلة وبالتالي يزيد السرعة وعرض النطاق. كما يحسن الخطية ولكنه يزيد من تيار الظلام.

يعتمد الاختيار على متطلبات التطبيق للسرعة مقابل أداء الضوضاء.

7.3 الواجهة مع المضخمات

لتضخيم التيار الضوئي الصغير (نطاق الميكرو أمبير)، يُستخدم عادةً دائرة مضخم المعاوقة العابرة (TIA). تحول هذه الدائرة تيار الصمام الثنائي الضوئي إلى جهد خرج متناسب. تشمل اعتبارات التصميم الرئيسية لمضخم المعاوقة العابرة اختيار مضخم عملياتي بتيار انحياز إدخال منخفض وضوضاء منخفضة، وحساب المقاومة والمكثف للتغذية المرتدة للكسب وعرض النطاق المطلوب مع الحفاظ على الاستقرار.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بالترانزستورات الضوئية، يقدم هذا الصمام الثنائي الضوئي من السيليكون PIN سرعة وخطية فائقتين بسبب منطقته الجوهرية، مما يقلل السعة. يعتمد استجابه بشكل بحت على الضوء الساقط، على عكس الترانزستور الضوئي الذي له كسب تيار ويمكن أن يكون أبطأ وأقل خطية. مقارنةً بالثنائيات الضوئية الأخرى، يوفر غلافه 1206 توازنًا جيدًا بين التصغير وسهولة المناولة/التجميع، بينما يعد جهد الانهيار العالي والمطابقة الطيفية المحددة مع باعثات الأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر مزايا مميزة لتطبيقات الاستشعار تحت الحمراء المستهدفة.

9. الأسئلة الشائعة (FAQ)

9.1 ما الفرق بين I_SCو I_L?

I_SC(تيار الدائرة القصيرة) يُقاس بصفر فولت عبر الثنائي (الوضع الكهروضوئي). I_L(تيار الضوء العكسي) يُقاس مع تطبيق جهد انحياز عكسي (الوضع الضوئي التوصيلي). I_Lعادةً ما يكون قريبًا جدًا من I_SCللثنائيات الضوئية PIN.

9.2 لماذا تعتبر المقاومة المتسلسلة إلزامية؟

يعمل الصمام الثنائي الضوئي، عند إضاءته، بشكل أساسي كمصدر تيار. إذا تم توصيله مباشرة بمصدر جهد بدون مقاومة متسلسلة، فلا توجد آلية للحد من التيار، مما يؤدي إلى تبديد طاقة مفرط وفشل فوري.

9.3 كيف أختار جهد التشغيل العكسي؟

للعمل في الوضع الضوئي التوصيلي، يمكن استخدام جهد عكسي بين 5 فولت وقيمة أقل بأمان من الحد الأقصى البالغ 32 فولت. يقلل الانحياز العكسي الأعلى من السعة أكثر (زيادة السرعة) ولكنه يزيد أيضًا من تيار الظلام قليلاً. نقطة التشغيل الشائعة هي 5 فولت أو 12 فولت.

10. دراسة حالة التصميم والاستخدام

الحالة: عد الأجسام على حزام ناقل

يتم وضع صمام ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (940 نانومتر) على جانب واحد من الحزام الناقل، ويتم وضع الصمام الثنائي الضوئي PD15-21B/TR8 مباشرة في المقابل. تقطع الأجسام التي تمر بينهما شعاع الأشعة تحت الحمراء. يتم تشغيل الصمام الثنائي الضوئي في الوضع الضوئي التوصيلي مع انحياز عكسي 5 فولت يتم توفيره من خلال مقاومة متسلسلة 10 كيلو أوم للحماية. يتم مراقبة انخفاض الجهد عبر مقاومة حمل (أو خرج مضخم المعاوقة العابرة المتصل بالصمام الثنائي الضوئي) بواسطة متحكم دقيق. يشير الانخفاض المفاجئ في هذا الجهد إلى وجود جسم، مما يؤدي إلى تشغيل العد. يسمح وقت الاستجابة السريع للصمام الثنائي الضوئي بالعد الدقيق للأجسام المتحركة بسرعة عالية. يسهل الغلاف الصغير 1206 التكامل في رأس مستشعر مضغوط.

11. مبدأ التشغيل

الصمام الثنائي الضوئي PIN هو جهاز أشباه موصلات به منطقة جوهرية (I) واسعة ومشوبة بشكل خفيف محصورة بين مناطق من النوع P والنوع N. عندما تضرب الفوتونات ذات الطاقة الأكبر من فجوة النطاق لأشباه الموصلات الجهاز، فإنها تخلق أزواج إلكترون-فجوة في المنطقة الجوهرية. تحت تأثير المجال الكهربائي المدمج (أو انحياز عكسي مطبق خارجيًا)، يتم فصل حاملات الشحن هذه، مما يولد تيارًا ضوئيًا يتناسب مع شدة الضوء الساقط. تقلل المنطقة الجوهرية من سعة الوصلة، مما يتيح أوقات استجابة أسرع مقارنة بالثنائيات الضوئية PN القياسية.

12. اتجاهات الصناعة

يستمر الاتجاه في الإلكترونيات الضوئية نحو مزيد من التصغير، ودمج أعلى، وأداء محسن. هناك طلب متزايد على أجهزة الاستشعار في الإلكترونيات الاستهلاكية (الهواتف الذكية، الأجهزة القابلة للارتداء)، والسيارات (ليدار، مراقبة السائق)، وإنترنت الأشياء الصناعي. تحتل الثنائيات الضوئية مثل PD15-21B/TR8، التي توفر توازنًا بين الأداء والحجم والتكلفة، مكانة جيدة في هذه الأسواق. قد تشمل التطورات المستقبلية ثنائيات ضوئية متكاملة مع تضخيم على الشريحة وواجهات رقمية، بالإضافة إلى أجهزة حساسة لأطوال موجية محددة لتطبيقات التحليل الطيفي.

إخلاء المسؤولية: المعلومات الواردة في هذه الوثيقة هي للرجوع الفني. يجب على المصممين التحقق من جميع المعلمات والتأكد من أن تطبيقهم يعمل ضمن الحدود القصوى المطلقة المحددة. يمكن أن يختلف الأداء مع ظروف التشغيل.