ورقة بيانات LED الأشعة تحت الحمراء الدقيقة الدائرية 1.8 مم IR42-21C/TR8 - القطر 1.8 مم - الجهد 1.2 فولت - الطاقة 130 مللي واط - عدسة شفافة - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد IR42-21C/TR8 ثنائي باعث للأشعة تحت الحمراء دقيق الحجم ومركب على السطح، مُصمم للتطبيقات الإلكترونية الضوئية المدمجة. يتميز بغلاف دائري بقطر 1.8 مم مصنوع من بلاستيك شفاف تمامًا مع عدسة علوية كروية، مما يحسن إخراج الضوء. يستخدم الجهاز مادة شريحة زرنيخيد الغاليوم والألومنيوم (GaAlAs)، والتي تتطابق طيفيًا مع الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون، مما يضمن الكشف الفعال في أنظمة الاستشعار. أهداف التصميم الأساسية هي التصغير، والتوافق مع عمليات التجميع الآلي، والأداء الموثوق في مجموعة من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والصناعية.

1.1 المزايا الأساسية والسوق المستهدف

يقدم هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء عدة مزايا رئيسية للمصممين. يساهم جهد التشغيل الأمامي المنخفض (عادة 1.2 فولت) في تشغيل موفر للطاقة. المكون متوافق بالكامل مع لوائح الخالية من الرصاص (Pb-free)، وRoHS، وEU REACH، والخالية من الهالوجين (Br<900 جزء في المليون، Cl<900 جزء في المليون، Br+Cl<1500 جزء في المليون)، مما يجعله مناسبًا للأسواق العالمية ذات المعايير البيئية الصارمة. وهو متوافق مع عمليات لحام إعادة التدفق بالأشعة تحت الحمراء والطور البخاري، مما يسهل التجميع الآلي للوحات الدوائر المطبوعة بكميات كبيرة. تشمل الأسواق المستهدفة الرئيسية مصنعي أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء المدمجة، والحواجز الضوئية الدقيقة للأتمتة، ومحركات الأقراص المرنة (للأنظمة القديمة أو المتخصصة)، والمفاتيح الإلكترونية الضوئية للأغراض العامة، وأنظمة كشف الدخان حيث يكون مصدر الأشعة تحت الحمراء غير المرئي مطلوبًا.

2. تحليل متعمق للمعايير التقنية

يتم تعريف أداء IR42-21C/TR8 بمجموعة من التقييمات القصوى المطلقة والخصائص الكهروضوئية المقاسة عند درجة حرارة محيطة قياسية (Ta) تبلغ 25 درجة مئوية. يعد فهم هذه المعلمات أمرًا بالغ الأهمية لتصميم الدوائر الموثوقة وضمان عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء ضمن نطاق التشغيل الآمن (SOA).

2.1 التقييمات القصوى المطلقة

تحدد هذه التقييمات حدود الإجهاد التي قد يتسبب تجاوزها في حدوث تلف دائم للجهاز. لا ينبغي تجاوزها أبدًا، حتى للحظة. يتم تقييم التيار الأمامي المستمر (IF) عند 65 مللي أمبير. الحد الأقصى المسموح به للجهد العكسي (VR) هو 5 فولت. يمكن للجهاز العمل ضمن نطاق درجة حرارة محيطة (Topr) يتراوح من -25 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية ويتم تخزينه (Tstg) بين -40 درجة مئوية و +85 درجة مئوية. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة اللحام (Tsol) 260 درجة مئوية لمدة 5 ثوانٍ أو أقل أثناء عمليات إعادة التدفق. تبديد الطاقة الكلي (Pd) عند درجة حرارة هواء حر تبلغ 25 درجة مئوية أو أقل هو 130 مللي واط. يشكل تجاوز أي من هذه الحدود خطر الفشل الكارثي أو التدهور المتسارع.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد هذه المعلمات، التي تُقاس عادةً عند تيار أمامي (IF) قدره 20 مللي أمبير، الأداء الوظيفي للجهاز. شدة الإشعاع (Ie)، وهي مقياس للقوة الضوئية المنبعثة لكل زاوية صلبة، لها قيمة دنيا تبلغ 1.0 مللي واط/ستراديان وقيمة نموذجية تبلغ 3.0 مللي واط/ستراديان. الطول الموجي الذروي (λp) هو نموذجيًا 940 نانومتر، مما يضعه بقوة في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهو مثالي للكاشفات القائمة على السيليكون. عرض النطاق الطيفي (Δλ) هو نموذجيًا 45 نانومتر، مما يحدد نطاق الأطوال الموجية المنبعثة. الجهد الأمامي (VF) له قيمة نموذجية تبلغ 1.2 فولت وحد أقصى 1.5 فولت عند 20 مللي أمبير. التيار العكسي (IR) هو حد أقصى 10 ميكرو أمبير عند تطبيق انحياز عكسي 5 فولت. زاوية الرؤية (2θ1/2)، والمعرفة على أنها الزاوية الكاملة التي تنخفض عندها شدة الإشعاع إلى نصف قيمتها القصوى، هي نموذجيًا 30 درجة، مما يوفر حزمة مركزة بشكل معتدل.

3. تحليل منحنيات الأداء

توفر ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توضح كيفية اختلاف المعلمات الرئيسية مع ظروف التشغيل. هذه الرسوم البيانية ضرورية لفهم السلوك في العالم الحقيقي بما يتجاوز المواصفات أحادية النقطة عند 25 درجة مئوية.

3.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يُظهر هذا المنحنى العلاقة بين التيار الأمامي المستمر المسموح به ودرجة الحرارة المحيطة. مع زيادة درجة الحرارة المحيطة، ينخفض الحد الأقصى المسموح به للتيار الأمامي بشكل خطي. هذا التخفيض ضروري لمنع تجاوز درجة حرارة الوصلة لحدها، والذي يرتبط بتقييم تبديد الطاقة. يجب على المصممين استخدام هذا الرسم البياني لاختيار تيار تشغيل مناسب لأقصى درجة حرارة محيطة متوقعة لتطبيقهم.

3.2 التوزيع الطيفي

يرسم منحنى التوزيع الطيفي شدة الإشعاع النسبية مقابل الطول الموجي. يؤكد بصريًا الطول الموجي الذروي البالغ 940 نانومتر وعرض النطاق الطيفي البالغ حوالي 45 نانومتر. المنحنى غير متماثل، وهو نموذجي لأطياف انبعاث الصمام الثنائي الباعث للضوء. هذه المعلومات حاسمة للتطبيقات التي تتطلب تطابقًا طيفيًا محددًا مع منحنى استجابة الكاشف الضوئي.

3.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي

منحنى الخاصية IV (التيار-الجهد) هذا غير خطي، مثل جميع الثنائيات. يُظهر أن زيادة صغيرة في الجهد الأمامي تتجاوز جهد "الركبة" تؤدي إلى زيادة كبيرة وأسية في التيار الأمامي. يؤكد هذا على الأهمية القصوى لاستخدام مقاوم محدد للتيار على التوالي أو محرك تيار ثابت لمنع الانفجار الحراري وتدمير الصمام الثنائي الباعث للضوء بسبب التيار الزائد.

3.4 شدة الإشعاع النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يوضح هذا الرسم البياني القطبي نمط الانبعاث المكاني للصمام الثنائي الباعث للضوء. يتم تسوية الشدة إلى قيمتها القصوى عند 0 درجة (على المحور). يُظهر المنحنى كيف تنخفض الشدة مع زيادة زاوية الرصد، مما يحدد زاوية الرؤية البالغة 30 درجة حيث تكون الشدة 50٪ من الذروة. النمط بشكل عام لامبرتي (شبيه بجيب التمام) لهذه الحزمة ذات الشكل القبة، وهو مفيد لحساب الإشعاع عند الكاشف.

4. معلومات الميكانيكا والتغليف

4.1 أبعاد الحزمة

يتم وضع الجهاز في حزمة SMD دائرية مدمجة بقطر 1.8 مم. توفر الرسومات الميكانيكية التفصيلية في ورقة البيانات جميع الأبعاد الحرجة، بما في ذلك ارتفاع الجسم، وتباعد الأطراف، وهندسة العدسة. جميع الأبعاد بالمليمترات، مع تسامحات قياسية تبلغ ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. يتم توفير تخطيط وسادة مقترح لتصميم لوحة الدوائر المطبوعة، ولكن يُشار صراحة إلى أن هذا للإشارة فقط ويجب تعديله بناءً على متطلبات العملية الفردية واحتياجات إدارة الحرارة.

4.2 تحديد القطبية والتغليف بالشريط الحامل

تتميز الحزمة بجانب مسطح أو علامة مماثلة للإشارة إلى الطرف الكاثود (السالب)، وهو أمر ضروري للتوجيه الصحيح أثناء التجميع. للإنتاج بكميات كبيرة، يتم توريد المكونات على بكرات شريط حامل. تتضمن ورقة البيانات أبعاد الشريط الحامل، مع تحديد حجم الجيب، والخطوة، وقطر البكرة. تحتوي البكرة القياسية على 1000 قطعة، وهو نموذجي لآلات الاختيار والوضع الآلية.

5. إرشادات اللحام والتجميع

المناولة واللحام المناسبان أمران حيويان للموثوقية. الصمام الثنائي الباعث للضوء حساس للرطوبة ويأتي في كيس حاجز للرطوبة مع مجفف.

5.1 التخزين والحساسية للرطوبة

قبل فتح الكيس المغلق، يجب تخزين مصابيح LED عند 30 درجة مئوية أو أقل و 90٪ رطوبة نسبية (RH) أو أقل. العمر الافتراضي هو سنة واحدة. بعد فتح الكيس، يجب الاحتفاظ بالمكونات عند 30 درجة مئوية / 60٪ رطوبة نسبية أو أقل ويجب استخدامها خلال 168 ساعة (7 أيام). إذا تم تجاوز وقت التخزين أو أشار المجفف إلى دخول الرطوبة، فإن العلاج بالخبز عند 60 ± 5 درجة مئوية لمدة 24 ساعة مطلوب قبل الاستخدام لإزالة الرطوبة الممتصة ومنع ظاهرة "الفرقعة" أثناء لحام إعادة التدفق.

5.2 معلمات لحام إعادة التدفق

الجهاز متوافق مع ملفات تعريف لحام إعادة التدفق الخالية من الرصاص (Pb-free). يوصى بملف درجة حرارة محدد، يتضمن عادة مرحلة تسخين أولي، ومنطقة نقع، ومنطقة درجة حرارة ذروة لا تتجاوز 260 درجة مئوية لمدة أقصاها 5 ثوانٍ، ومرحلة تبريد خاضعة للتحكم. لا ينبغي إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين. أثناء التسخين، لا ينبغي تطبيق أي إجهاد ميكانيكي على جسم الصمام الثنائي الباعث للضوء أو أطرافه، ولا ينبغي أن تتشوه لوحة الدوائر المطبوعة بعد اللحام.

5.3 اللحام اليدوي وإعادة العمل

إذا كان اللحام اليدوي لا مفر منه، فيجب توخي الحذر الشديد. يجب أن تكون درجة حرارة طرف مكواة اللحام أقل من 350 درجة مئوية، ويجب أن يقتصر وقت التلامس مع كل طرف على 3 ثوانٍ أو أقل. يوصى بمكواة منخفضة الطاقة (25 واط أو أقل). يجب مراعاة توقف لا يقل عن ثانيتين بين لحام كل طرف. لا يُنصح بشدة بإعادة العمل بعد اللحام الأولي. إذا كان ذلك ضروريًا تمامًا، فيجب استخدام مكواة لحام برأس مزدوج متخصصة لتسخين كلا الطرفين في وقت واحد ورفع المكون دون إجهاد الحزمة. احتمالية التلف أثناء إعادة العمل مرتفعة.

6. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

6.1 دوائر التطبيق النموذجية

أكثر دوائر التطبيق أساسية هي اتصال تسلسلي بسيط للصمام الثنائي الباعث للضوء، ومقاوم محدد للتيار، ومصدر جهد. يتم حساب قيمة المقاوم (R) باستخدام قانون أوم: R = (V_source - VF_LED) / IF. على سبيل المثال، مع مصدر 5 فولت، و VF بقيمة 1.2 فولت، و IF مطلوب بقيمة 20 مللي أمبير، R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 أوم. سيكون المقاوم 200 أوم قيمة قياسية مناسبة. لتشغيل أكثر استقرارًا، خاصة مع جهد مصدر متغير، يُفضل دائرة محرك تيار ثابت.

6.2 اعتبارات التصميم لأنظمة الأشعة تحت الحمراء

عند تصميم نظام استشعار بالأشعة تحت الحمراء، يجب مراعاة عدة عوامل. المحاذاة البصرية بين صمام LED للأشعة تحت الحمراء والكاشف الضوئي أمر بالغ الأهمية، خاصة مع حزمة بزاوية 30 درجة. غالبًا ما يكون من الضروري رفض الضوء المحيط؛ يمكن تحقيق ذلك عن طريق تعديل تيار تشغيل الصمام الثنائي الباعث للضوء واستخدام دائرة كاشف متزامنة لتصفية ضوء المحيط المستمر. يجب مطابقة شدة الإشعاع وحساسية الكاشف لمسافة الاستشعار المطلوبة. يجب النظر في إدارة الحرارة إذا كان التشغيل بالقرب من التقييمات القصوى، حيث أن زيادة درجة حرارة الوصلة تقلل من إخراج الضوء وعمر التشغيل.

7. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بمصابيح LED للأشعة تحت الحمراء مثبتة عبر الثقوب وأكبر حجمًا، فإن الميزة الأساسية لـ IR42-21C/TR8 هي بصمتها الدقيقة لـ SMD، مما يتيح تصميمات لوحات دوائر مطبوعة أصغر حجمًا وأخف وزنًا وأكثر أتمتة. مقارنة بمصابيح LED الأخرى للأشعة تحت الحمراء من نوع SMD، فإن عوامل التمييز الرئيسية لها هي حجم حزمتها الدائرية المحدد البالغ 1.8 مم، والطول الموجي الذروي 940 نانومتر المُحسن للكاشفات السيليكونية، وامتثالها لأحدث اللوائح البيئية (الخالية من الهالوجين، REACH). العدسة الشفافة تمامًا، على عكس العدسة الملونة أو المنتشرة، تعظم نقل ضوء الأشعة تحت الحمراء، مما ينتج عنه شدة إشعاع أعلى لنفس المدخلات الكهربائية.

8. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعايير التقنية)

س: لماذا يعتبر المقاوم المحدد للتيار ضروريًا تمامًا؟

ج: يُظهر منحنى IV العلاقة الأسية بين الجهد والتيار للصمام الثنائي الباعث للضوء. يمكن أن تؤدي زيادة طفيفة في جهد المصدر أو انخفاض في الجهد الأمامي للصمام الثنائي الباعث للضوء (بسبب الحرارة) إلى حدوث طفرة هائلة وغير خاضعة للتحكم في التيار، مما يؤدي إلى الاحتراق الفوري. يوفر المقاوم معاوقة خطية مستقرة.

س: هل يمكنني تشغيل هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء مباشرة من طرف متحكم دقيق بجهد 3.3 فولت؟

ج: ربما، ولكن ليس بشكل مثالي. مع VF بقيمة 1.2 فولت، ستكون هناك حاجة إلى مقاوم على التوالي. التيار المتاح من طرف GPIO غالبًا ما يكون محدودًا (على سبيل المثال، 20-25 مللي أمبير). يجب عليك التأكد من أن إجمالي استهلاك التيار، بما في ذلك حساب المقاوم (R = (3.3V - 1.2V) / I_desired)، لا يتجاوز قدرة طرف GPIO على توفير التيار. للتيارات الأعلى أو مصابيح LED متعددة، يلزم وجود محرك ترانزستور.

س: ماذا يعني "متطابق طيفيًا مع الكاشف الضوئي السيليكوني"؟

ج: تتمتع الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون بحساسية ذروة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، حوالي 800-900 نانومتر. يقع انبعاث الذروة البالغ 940 نانومتر لهذا الصمام الثنائي الباعث للضوء ضمن منطقة الاستجابة العالية هذه، مما يضمن أقصى كفاءة لنقل الإشارة من مصدر الضوء إلى الكاشف، مما يؤدي إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء والنطاق في النظام.

س: ما مدى أهمية تعليمات الحساسية للرطوبة والخبز؟

ج: في غاية الأهمية لمكونات SMD. يمكن أن تتبخر الرطوبة الممتصة بسرعة أثناء عملية لحام إعادة التدفق عالية الحرارة، مما يتسبب في انفصال داخلي أو تشققات أو "فرقعة" تدمر الجهاز. يعد اتباع إجراءات التعامل مع مستوى الحساسية للرطوبة (MSL) أمرًا ضروريًا لعائد الإنتاج والموثوقية طويلة المدى.

9. دراسة حالة عملية للتصميم والاستخدام

السيناريو: تصميم مستشعر مضغوط للكشف عن الأجسام.يحتاج المصمم إلى إنشاء مستشعر للكشف عن الأجسام بدون تلامس لجهاز آلي صغير. المساحة محدودة، مما يتطلب مكون SMD. يختارون IR42-21C/TR8 لحجمه الصغير. يقترنونه بترانزستور ضوئي في تكوين عاكس رجعي: يتم وضع كلا المكونين جنبًا إلى جنب على نفس لوحة الدوائر المطبوعة، متجهين في نفس الاتجاه. يعكس الجسم الذي يمر من الأمام حزمة الأشعة تحت الحمراء مرة أخرى إلى الترانزستور الضوئي. يستخدم المصمم شدة الإشعاع النموذجية (3.0 مللي واط/ستراديان) وحساسية الترانزستور الضوئي لحساب التيار المطلوب لنطاق الكشف المطلوب البالغ 10 سم. ينفذون دائرة مؤقت 555 بسيطة لنبض الصمام الثنائي الباعث للضوء بتردد 1 كيلو هرتز، وتتضمن دائرة الكاشف مرشح تمرير نطاق مضبوط على 1 كيلو هرتز لرفض وميض الضوء المحيط بتردد 50/60 هرتز وضوء الشمس المستمر. يتم اختيار المقاوم المحدد للتيار لتوفير تشغيل بقوة 15 مللي أمبير، وهو ضمن تقييم الصمام الثنائي الباعث للضوء تمامًا، لضمان طول العمر. تتيح حزمة SMD المدمجة تركيب تجميع المستشعر بالكامل في غلاف عرضه أقل من 15 مم.

10. مبدأ التشغيل واتجاهات التكنولوجيا

10.1 مبدأ التشغيل

يعمل الصمام الثنائي الباعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) على مبدأ الإضاءة الكهربائية في وصلة أشباه الموصلات من النوع p-n. عند تطبيق جهد أمامي، يتم حقق الإلكترونات من المنطقة من النوع n والفجوات من المنطقة من النوع p عبر الوصلة. عندما تتحد حاملات الشحن هذه في المنطقة النشطة (شريحة GaAlAs في هذه الحالة)، يتم إطلاق الطاقة في شكل فوتونات (ضوء). فجوة النطاق الطاقي المحددة لمادة أشباه الموصلات GaAlAs تحدد الطول الموجي للفوتونات المنبعثة، والذي يكون في طيف الأشعة تحت الحمراء (940 نانومتر) لهذا الجهاز. تعمل حزمة الإيبوكسي الشفافة تمامًا كعدسة، تشكل الضوء المنبعث إلى زاوية الرؤية المحددة.

10.2 اتجاهات الصناعة

الاتجاه في الإلكترونيات الضوئية، كما هو الحال مع جميع الإلكترونيات، هو نحو مزيد من التصغير، وكفاءة أعلى، وتكامل أكبر. بينما يظل المبدأ الأساسي لصمام LED للأشعة تحت الحمراء ثابتًا، تُرى التطورات في تكنولوجيا التغليف (بصمات أصغر حجمًا مثل 0402 أو حزم على مستوى الشريحة)، وتحسين المواد الطبقية النموذجية لكفاءة أعلى للطاقة الحائطية (مزيد من إخراج الضوء لكل واط من المدخلات الكهربائية)، وتكامل المحركات ومنطق التحكم في وحدات LED "الذكية". هناك أيضًا دفعة مستمرة لمزيد من الخيارات الطيفية والأجهزة القادرة على العمل بسرعات تعديل أعلى لتطبيقات اتصالات البيانات (مثل IRDA). يظل الامتثال البيئي (الخالي من الهالوجين، وتصنيع بصمة كربونية أقل) محركًا قويًا عبر الصناعة.