مستند تقني: ثنائي باعث للضوء أصفر ذو عدسة مبعثرة LTSN-B680VSST - أبعاد العبوة - جهد أمامي 1.8-2.4 فولت - شدة إضاءة 710-1400 مللي كانديلا

1. نظرة عامة على المنتج

يُفصّل هذا المستند مواصفات ثنائي باعث للضوء (LED) من نوع جهاز التركيب السطحي (SMD). يتميز الجهاز بعدسة مبعثرة ويستخدم مادة أشباه الموصلات AlInGaP (فوسفيد الألومنيوم إنديوم الغاليوم) لإنتاج الضوء الأصفر. تم تصميم ثنائيات LED من نوع SMD لعمليات التجميع الآلي للوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، حيث تقدم شكلاً مضغوطاً مناسباً للتطبيقات ذات المساحة المحدودة.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

تشمل المزايا الأساسية لهذا الـ LED توافقه مع معدات الالتقاط والوضع الآلي وعمليات لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء (IR)، وهي معايير قياسية في التصنيع الإلكتروني ذو الأحجام الكبيرة. يتم تعبئته على شريط ناقل بارز (بتباعد 8 مم) ملفوف على بكرات قطرها 7 بوصات، مما يسهل التعامل والتجميع بكفاءة. يتوافق الجهاز مع معايير الصناعة ذات الصلة ومصمم للاستخدام في نطاق واسع من الإلكترونيات الاستهلاكية والصناعية. تشمل التطبيقات المستهدفة معدات الاتصالات، وأجهزة أتمتة المكاتب، والأجهزة المنزلية، وأنظمة التحكم الصناعي، وتطبيقات اللافتات أو العروض الداخلية التي تتطلب إضاءة مؤشر موثوقة.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

يتم تحديد أداء الـ LED تحت ظروف اختبار محددة، عادةً عند درجة حرارة محيطة (Ta) تبلغ 25°م. فهم هذه المعلمات أمر بالغ الأهمية لتصميم الدائرة الكهربائية وتوقع الأداء.

2.1 القيم القصوى المطلقة

تحدد هذه القيم حدود الإجهاد التي إذا تجاوزها الجهاز قد يتعرض لتلف دائم. لا يُنصح بالتشغيل خارج هذه الحدود. تشمل الحدود الرئيسية أقصى تبديد للطاقة يبلغ 120 ملي واط، وتيار أمامي مستمر (IF) يبلغ 50 ملي أمبير، وتيار أمامي ذروي يبلغ 80 ملي أمبير تحت ظروف النبض (دورة عمل 1/10، عرض النبضة 0.1 مللي ثانية). أقصى جهد عكسي (VR) هو 5 فولت. تم تصنيف الجهاز للتشغيل والتخزين ضمن نطاق درجة حرارة يتراوح من -40°م إلى +100°م.

2.2 الخصائص الكهربائية والبصرية

هذه هي معلمات الأداء النموذجية تحت ظروف التشغيل العادية. تتراوح شدة الإضاءة (Iv)، وهي مقياس للسطوع المُدرك، من حد أدنى 710 مللي كانديلا إلى حد أقصى 1400 مللي كانديلا عند تشغيله بتيار أمامي 20 ملي أمبير. زاوية المشاهدة (2θ1/2)، والمعرفة بالزاوية الكاملة التي تنخفض فيها الشدة إلى نصف قيمتها المحورية، تبلغ عادةً 120 درجة، مما يشير إلى نمط مشاهدة واسع مناسب لمصابيح المؤشر. يتراوح الجهد الأمامي (VF) عند 20 ملي أمبير من 1.8 فولت إلى 2.4 فولت، وهو أمر مهم لحساب قيم المقاوم التسلسلي وتصميم مصدر الطاقة. الطول الموجي السائد (λd)، الذي يحدد اللون المُدرك، محدد بين 586.5 نانومتر و 592.5 نانومتر، مما يضعه في المنطقة الصفراء من الطيف. التيار العكسي (IR) منخفض جداً عادةً، بحد أقصى 10 ميكرو أمبير عند الجهد العكسي الكامل البالغ 5 فولت.

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

لضمان الاتساق في الإنتاج الضخم، يتم فرز ثنائيات LED إلى مجموعات أداء (Bins). وهذا يسمح للمصممين باختيار قطع تلبي متطلبات محددة للجهد والسطوع واللون.

3.1 رتبة الجهد الأمامي (Vf)

يتم تصنيف ثنائيات LED بناءً على انخفاض الجهد الأمامي عند 20 ملي أمبير. رموز المجموعات D2 و D3 و D4 تتوافق مع نطاقات الجهد 1.80-2.00 فولت، 2.00-2.20 فولت، و 2.20-2.40 فولت على التوالي، مع تسامح ±0.1 فولت لكل مجموعة. يساعد اختيار ثنائيات LED من نفس مجموعة Vf في الحفاظ على تجانس التيار عند توصيل أجهزة متعددة على التوازي.

3.2 رتبة شدة الإضاءة (Iv)

يتم تصنيف السطوع إلى مجموعات V1 (710-875 مللي كانديلا)، V2 (875-1120 مللي كانديلا)، و W1 (1120-1400 مللي كانديلا) عند 20 ملي أمبير، مع تسامح 11% لكل مجموعة. وهذا يسمح بمطابقة مستويات السطوع عبر مجموعة من ثنائيات LED.

3.3 رتبة الطول الموجي السائد (Wd)

يتم تصنيف اللون (الطول الموجي) إلى رموز J (586.5-589.5 نانومتر) و K (589.5-592.5 نانومتر)، مع تسامح ±1 نانومتر. وهذا يضمن اتساق اللون، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي يكون فيها المظهر الموحد مهماً.

4. تحليل منحنيات الأداء

بينما يتم الإشارة إلى بيانات رسومية محددة في ورقة البيانات، فإن المنحنيات النموذجية لمثل هذه الأجهزة تقدم رؤى قيمة. يُظهر منحنى التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي (I-V) العلاقة الأسية، وهي بالغة الأهمية لتحديد نقطة التشغيل. يُظهر منحنى شدة الإضاءة مقابل التيار الأمامي عادةً علاقة شبه خطية ضمن نطاق التشغيل، ولكن قد يحدث تشبع عند التيارات الأعلى. يُظهر منحنى التوزيع الطيفي طول موجه انبعاث ذروي (λp) حوالي 591 نانومتر مع عرض نصف طيفي (Δλ) يقارب 15 نانومتر، مما يحدد نقاء اللون. يتغير الأداء أيضاً مع درجة الحرارة؛ تنخفض شدة الإضاءة عموماً مع زيادة درجة حرارة الوصلة.

5. المعلومات الميكانيكية ومواصفات العبوة

يُحاط الـ LED بغلاف SMD قياسي. يتم توفير رسومات أبعاد مفصلة، تحدد الطول والعرض والارتفاع وتباعد الأطراف وهندسة العدسة. هذه الأبعاد حاسمة لتصميم البصمة على لوحة الدوائر المطبوعة. يتضمن المستند تصميمات نمط اللحام الموصى به (Pad) لضمان لحام موثوق، مع تحديد حجم وتباعد المسارات لضمان تكوين وصلة لحام صحيحة أثناء إعادة التدفق. للجهاز علامة قطبية، عادةً مؤشر الكاثود على الغلاف، والتي يجب محاذاتها بشكل صحيح مع بصمة الـ PCB.

6. إرشادات اللحام والتجميع

6.1 ملف تعريف إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء الموصى به

لعمليات اللحام الخالية من الرصاص، يُوصى بملف تعريف متوافق مع J-STD-020B. تشمل المعلمات الرئيسية درجة حرارة تسخين أولية تتراوح بين 150-200°م، ودرجة حرارة ذروية للجسم لا تتجاوز 260°م، ووقت فوق السيولة (TAL) مصمم خصيصاً لمعجون اللحام المحدد. يجب أن يقتصر إجمالي وقت التسخين الأولي على 120 ثانية كحد أقصى. هذه الظروف ضرورية لمنع التلف الحراري لغلاف الـ LED أو العدسة الإيبوكسية.

6.2 ظروف التخزين

ثنائيات LED حساسة للرطوبة. عند تخزينها في كيس الحاجز الرطوبي الأصلي المغلق مع مجفف، يجب الاحتفاظ بها عند ≤ 30°م و ≤ 70% رطوبة نسبية، مع فترة استخدام موصى بها خلال سنة واحدة. بمجرد فتح الكيس، يجب أن تكون بيئة التخزين ≤ 30°م و ≤ 60% رطوبة نسبية. يجب تجفيف المكونات المعرضة للظروف المحيطة لأكثر من 168 ساعة عند حوالي 60°م لمدة 48 ساعة على الأقل قبل اللحام لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة \"الفشار\" (popcorning) أثناء إعادة التدفق.

6.3 التنظيف

إذا كان التنظيف بعد اللحام ضرورياً، فيجب استخدام المذيبات المحددة فقط. يُعد غمر الـ LED في كحول الإيثيل أو كحول الأيزوبروبيل في درجة حرارة الغرفة لأقل من دقيقة واحدة مقبولاً. قد تتسبب المواد الكيميائية غير المحددة في إتلاف مادة الغلاف أو العدسة.

7. معلومات التعبئة والطلب

تتكون التعبئة القياسية من ثنائيات LED موضوعة في شريط ناقل بارز (تباعد 8 مم) ومختومة بشريط غطاء. يُلف هذا الشريط على بكرة قياسية قطرها 7 بوصات (178 مم). تحتوي كل بكرة كاملة على 2000 قطعة. بالنسبة للكميات الأقل من بكرة كاملة، قد يكون الحد الأدنى للعبوة 500 قطعة. تتوافق التعبئة مع مواصفات ANSI/EIA-481.

8. اقتراحات التطبيق

8.1 دوائر التطبيق النموذجية

ثنائيات LED هي أجهزة تعمل بالتيار. لضمان سطوع مستقر وموحد، خاصة عند استخدام عدة ثنائيات LED، يجب تشغيل كل LED بمقاومة محددة للتيار على التوالي. يتم حساب قيمة المقاومة (R) باستخدام الصيغة: R = (Vcc - VF) / IF، حيث Vcc هو جهد التغذية، VF هو الجهد الأمامي للـ LED (استخدم القيمة القصوى لحساب أسوأ حالة تيار)، و IF هو التيار الأمامي المطلوب (مثلاً، 20 ملي أمبير). لا يُنصح بتشغيل ثنائيات LED على التوازي بدون مقاومات فردية بسبب الاختلافات في VF، مما قد يؤدي إلى اختلال كبير في التيار وعدم تجانس السطوع.

8.2 اعتبارات التصميم

ضع البيئة الحرارية في الاعتبار. التشغيل عند أو بالقرب من الحد الأقصى للتيار المقنن سيولد حرارة أكثر، مما قد يقلل من الناتج الضوئي وعمر التشغيل. قد تكون هناك حاجة إلى مساحة نحاسية كافية في الـ PCB أو فتحات حرارية (Thermal Vias) لتبديد الحرارة في التطبيقات ذات التيار العالي أو درجة الحرارة المحيطة المرتفعة. تأكد من أن تخطيط الـ PCB يتطابق مع هندسة المسارات الموصى بها للحصول على لحام موثوق. خذ بعين الاعتبار زاوية المشاهدة الواسعة (120°) عند تصميم أدلة الضوء أو الإطارات.

9. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنةً بثنائيات LED القديمة ذات الثقب المار (Through-Hole)، يوفر نوع SMD هذا توفيراً كبيراً في المساحة، وملاءمة أفضل للتجميع الآلي، وغالباً ما تكون موثوقية محسنة بسبب عدم وجود روابط سلكية. ضمن فئة ثنائيات LED الصفراء من نوع SMD، تشمل عوامل التمييز الرئيسية لهذا الجزء مزيجه المحدد من شدة الإضاءة العالية (حتى 1400 مللي كانديلا)، وزاوية المشاهدة الواسعة، واستخدام تقنية AlInGaP، والتي تقدم عادةً كفاءة أعلى واستقراراً أفضل لدرجة الحرارة مقارنة ببعض مواد أشباه الموصلات الأخرى للضوء الأصفر. يوفر هيكل التصنيف (Binning) التفصيلي للمصممين تحكماً دقيقاً في اتساق اللون والسطوع.

10. الأسئلة الشائعة بناءً على المعلمات التقنية

س: ما قيمة المقاومة التي يجب استخدامها لمصدر طاقة 5 فولت؟

ج: باستخدام أقصى جهد أمامي VF وهو 2.4 فولت والتيار المستهدف IF وهو 20 ملي أمبير: R = (5V - 2.4V) / 0.020A = 130 أوم. ستكون مقاومة قياسية 130 أو 150 أوم مناسبة، مع التحقق من تبديد الطاقة الفعلي في المقاومة.

س: هل يمكنني تشغيل هذا الـ LED بتيار 50 ملي أمبير بشكل مستمر؟

ج: بينما الحد الأقصى المطلق هو 50 ملي أمبير تيار مستمر، فإن التشغيل عند هذا الحد قد يقلل من العمر الافتراضي ويزيد من درجة حرارة الوصلة، مما قد يقلل من الناتج الضوئي. للحصول على أفضل موثوقية وأداء، يُوصى بالتشغيل عند أو أقل من تيار الاختبار النموذجي البالغ 20 ملي أمبير.

س: كيف يمكنني ضمان سطوع موحد في مصفوفة؟

ج: استخدم مقاومات محددة للتيار لكل LED، وإذا أمكن، حدد ثنائيات LED من نفس مجموعات شدة الإضاءة (Iv) والجهد الأمامي (Vf) أثناء الشراء.

س: هل هذا الـ LED مناسب للاستخدام الخارجي؟

ج: تحدد ورقة البيانات التطبيقات بما في ذلك اللافتات/العروض الداخلية. للاستخدام الخارجي، عوامل مثل مقاومة العدسة للأشعة فوق البنفسجية، ودورات درجة الحرارة الأوسع، والإغلاق المانع لتسرب الماء هي عوامل حاسمة ولم يتم تغطيتها صراحة هنا. إنه مصمم أساساً للبيئات الداخلية/المعتدلة.

11. حالة عملية للتصميم والاستخدام

السيناريو: تصميم لوحة مؤشرات حالة لموجه شبكة (Router).تتطلب اللوحة عشرة مصابيح مؤشر صفراء لإظهار نشاط الاتصال وحالة النظام. يختار المصمم هذا الـ LED لسطوعه وزاوية المشاهدة الواسعة وتوافقه مع التجميع الآلي. يتم توصيل كل LED بين دبوس GPIO لوحدة التحكم الدقيقة بجهد 3.3 فولت والأرضي عبر مقاومة تسلسلية 56 أوم (محسوبة لـ ~20 ملي أمبير عند جهد أمامي نموذجي VF يبلغ 2.2 فولت). يستخدم تخطيط الـ PCB بصمة المسارات الموصى بها. يحدد المصمم رمز المجموعة D3 لـ Vf و V2 لـ Iv لضمان سطوع وتيار سحب متسقين من دبابيس وحدة التحكم الدقيقة. توضع ثنائيات LED خلف لوحة أكريليك مبعثرة قليلاً. تخضع اللوحة المجمعة لعملية إعادة تدفق بالأشعة تحت الحمراء باستخدام ملف التعريف الخالي من الرصاص المحدد، مما يؤدي إلى وصلات لحام موثوقة ومؤشرات تعمل بكامل طاقتها.

12. مقدمة عن المبدأ

يعتمد انبعاث الضوء في هذا الـ LED على الإضاءة الكهربائية (Electroluminescence) في وصلة أشباه الموصلات من النوع p-n المصنوعة من مواد AlInGaP. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقن الإلكترونات والفجوات في المنطقة النشطة حيث تتحد. تُطلق الطاقة المنبعثة أثناء هذا الاتحاد كفوتونات (ضوء). يحدد التركيب المحدد لسبيكة AlInGaP طاقة فجوة النطاق، والتي بدورها تحدد الطول الموجي (اللون) للضوء المنبعث، في هذه الحالة اللون الأصفر. تحتوي العدسة المبعثرة على جسيمات مبعثرة تساعد على نشر الضوء، مما يخلق زاوية مشاهدة أوسع وأكثر تجانساً مقارنة بالعدسة الشفافة.

13. اتجاهات التطور

يستمر الاتجاه العام في ثنائيات LED من نوع SMD نحو كفاءة إضاءة أعلى (مزيد من الناتج الضوئي لكل واط من المدخلات الكهربائية)، مما يتيح عروضاً أكثر سطوعاً أو استهلاكاً أقل للطاقة. تتقلص أحجام العبوات باستمرار مع الحفاظ على الأداء البصري أو تحسينه. هناك أيضاً تركيز على تحسين اتساق اللون وتضييق تسامحات التصنيف (Binning) لتلبية متطلبات تطبيقات العروض عالية الجودة. علاوة على ذلك، فإن تحسين الموثوقية تحت ظروف درجة الحرارة والرطوبة الأعلى هو مجال تطوير مستمر لتوسيع نطاق التطبيقات المناسبة. يبقى السعي نحو توافق أوسع مع عمليات اللحام الخالية من الرصاص وعالية الحرارة معياراً قياسياً.