ورقة بيانات LED من نوع IR29-01C/L510/R/TR8 - 1.2 مم دائري SMD - جهد أمامي 1.6 فولت - 940 نانومتر تحت الأحمر - طاقة 100 ميغاواط - وثيقة تقنية بالعربية

1. نظرة عامة على المنتج

يُعد IR29-01C/L510/R/TR8 ثنائيًا باعثًا للضوء تحت الأحمر (IR) جانويًا فائق الصغر، مُصممًا للتطبيقات ذات التركيب السطحي. يتميز بحزمة مزدوجة النهاية مضغوطة مصبوبة في بلاستيك شفاف مع عدسة علوية كروية، مُحسنة لانبعاث فعال للأشعة تحت الحمراء. يتطابق الناتج الطيفي للجهاز بشكل خاص مع الثنائيات الضوئية والترانزستورات الضوئية المصنوعة من السيليكون، مما يجعله مصدرًا مثاليًا لأنظمة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء. تشمل مزاياه الرئيسية الحجم الصغير، وانخفاض الجهد الأمامي، والامتثال لمعايير البيئة الحديثة مثل RoHS وREACH ومتطلبات الخلو من الهالوجين.

1.1 الميزات الأساسية والسوق المستهدف

تشمل الميزات الرئيسية لهذا المكون حزمته الصغيرة من نوع SMD، مما يسهل تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة عالية الكثافة. يساهم انخفاض الجهد الأمامي في تشغيل موفر للطاقة. يتم توريده على شريط بعرض 8 مم ملفوف على بكرة قطرها 7 بوصات، متوافق مع عمليات التجميع الآلي (pick-and-place). الجهاز خالٍ من الرصاص (Pb-free) ويتوافق مع اللوائح البيئية الصارمة، بما في ذلك الحدود المحتوى البروم (Br) والكلور (Cl). يستهدف ثنائي LED تحت الأحمر هذا بشكل أساسي المصممين والمهندسين الذين يطورون أنظمة تعتمد على الأشعة تحت الحمراء مثل أجهزة استشعار القرب، وكشف الأجسام، والمشفرات، ووحدات نقل البيانات حيث يكون الانبعاث المطابق الموثوق للأشعة تحت الحمراء أمرًا بالغ الأهمية.

2. المعلمات التقنية: تفسير موضوعي متعمق

يقدم هذا القسم تحليلاً مفصلاً للخصائص الكهربائية والبصرية والحرارية للجهاز كما هو محدد في ورقة البيانات.

2.1 التصنيفات القصوى المطلقة

تحدد التصنيفات القصوى المطلقة حدود الإجهاد التي بعدها قد يحدث تلف دائم للجهاز. هذه ليست ظروف تشغيل.

• التيار الأمامي المستمر (IF):50 مللي أمبير. هذا هو أقصى تيار مستمر يمكن تطبيقه باستمرار على LED.
• تيار الذروة الأمامي (IFP):500 مللي أمبير. يُسمح بهذا التيار العالي فقط في ظل ظروف النبض بعرض نبضة ≤ 100 ميكروثانية ودورة عمل ≤ 1%. هذا التصنيف مفيد للتطبيقات التي تتطلب نبضات قصيرة وعالية الكثافة.
• الجهد العكسي (VR):5 فولت. تجاوز جهد الانحياز العكسي هذا يمكن أن يسبب انهيار الوصلة.
• درجة حرارة التشغيل والتخزين (Topr, Tstg):من -40°C إلى +100°C. يضمن هذا النطاق الواسع الموثوقية في البيئات القاسية.
• درجة حرارة اللحام (Tsol):260°C كحد أقصى لمدة 5 ثوانٍ، مما يحدد ملف تعريف لحام إعادة التدفق.
• تبديد الطاقة (Pc):100 ميغاواط عند درجة حرارة محيطة 25°C أو أقل. هذه المعلمة حاسمة لتصميم إدارة الحرارة.

2.2 الخصائص الكهروضوئية

تحدد الخصائص الكهروضوئية (النموذجية عند Ta=25°C) الأداء المتوقع في ظل ظروف التشغيل العادية.

• الشدة الإشعاعية (IE):عادة 25 ميغاواط/ستراديان عند IF=20mA، و 100 ميغاواط/ستراديان عند IF=70mA (نبضي). تقيس الشدة الإشعاعية الطاقة البصرية المنبعثة لكل وحدة زاوية صلبة، مما يشير إلى سطوع مصدر الأشعة تحت الحمراء.
• الطول الموجي الذروي (λp):940 نانومتر. هذا هو الطول الموجي الذي تكون فيه الطاقة البصرية المنبعثة في الحد الأقصى، ويتطابق تمامًا مع حساسية الذروة لكاشفات السيليكون الضوئية الشائعة.
• عرض النطاق الطيفي (Δλ):عادة 30 نانومتر. هذا يحدد نطاق الأطوال الموجية المنبعثة، ومركزها حول الطول الموجي الذروي.
• الجهد الأمامي (VF):عادة 1.30 فولت، بحد أقصى 1.60 فولت عند IF=20mA. عند IF=70mA (نبضي)، يكون عادة 1.50 فولت بحد أقصى 2.00 فولت. هذا الجهد الأمامي المنخفض مفيد لتصميمات الدوائر منخفضة الجهد.
• التيار العكسي (IR):أقصى 10 ميكرو أمبير عند VR=5V، مما يشير إلى جودة وصلة جيدة.
• زاوية الرؤية (2θ1/2):15 درجة. تشير زاوية الرؤية الضيقة هذه إلى حزمة مركزة، وهي سمة مميزة لثنائيات LED الجانبية ذات العدسة، ومفيدة لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء الموجهة.

3. تحليل منحنيات الأداء

تتضمن ورقة البيانات عدة منحنيات مميزة توفر نظرة أعمق على سلوك الجهاز في ظل ظروف مختلفة.

3.1 التيار الأمامي مقابل درجة الحرارة المحيطة

يُظهر هذا الرسم البياني تخفيض أقصى تيار أمامي مسموح به مع زيادة درجة الحرارة المحيطة. لمنع ارتفاع درجة الحرارة وضمان الموثوقية طويلة الأجل، يجب تقليل التيار الأمامي عند التشغيل فوق 25°C. يُظهر المنحنى عادة انخفاضًا خطيًا من التيار المقنن عند 25°C إلى الصفر عند درجة حرارة الوصلة القصوى.

3.2 الشدة الإشعاعية مقابل التيار الأمامي

يوضح هذا الرسم العلاقة بين تيار القيادة (IF) وقوة الخرج البصري (الشدة الإشعاعية). تكون خطية بشكل عام في نطاق التشغيل العادي، مما يؤكد أن الخرج البصري يتناسب طرديًا مع التيار. ومع ذلك، عند التيارات العالية جدًا، قد تنخفض الكفاءة بسبب التأثيرات الحرارية.

3.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي

يصور منحنى IV هذا العلاقة الأسية النموذجية للثنائي. يقع جهد "الركبة" حول قيمة VF النموذجية. فهم هذا المنحنى ضروري لتصميم دائرة القيادة المحددة للتيار.

3.4 التوزيع الطيفي

يعرض هذا الرسم البياني القدرة الإشعاعية النسبية كدالة للطول الموجي، ومركزها عند 940 نانومتر بعرض نطاق محدد. يؤكد بصريًا المطابقة الطيفية لكاشفات السيليكون، والتي لها حساسية ذروة في نطاق 800-1000 نانومتر.

3.5 الشدة الإشعاعية النسبية مقابل الإزاحة الزاوية

يحدد الرسم البياني القطبي هذا نمط الإشعاع أو ملف الحزمة لـ LED. يتم تأكيد زاوية الرؤية 15 درجة (العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى، FWHM) هنا. يخلق التصميم الجانبي ذو العدسة نمط الانبعاث الاتجاهي هذا، وهو أمر بالغ الأهمية لمحاذاة LED مع كاشف في مجموعة مستشعر.

4. المعلومات الميكانيكية والمتعلقة بالحزمة

4.1 أبعاد الحزمة

الجهاز عبارة عن حزمة SMD فائقة الصغر دائرية بقطر 1.2 مم. يحدد الرسم التفصيلي للأبعاد جميع القياسات الحرجة بما في ذلك قطر الجسم، والارتفاع، وتباعد الأطراف، وأبعاد الوسادة. التسامحات الرئيسية هي عادة ±0.1 مم ما لم يُذكر خلاف ذلك. الأبعاد الدقيقة حيوية لتصميم بصمة PCB وضمان التركيب المناسب أثناء التجميع.

4.2 تحديد القطبية

يُشار إلى الكاثود عادة بواسطة علامة مرئية على الحزمة، مثل شق، أو حافة مسطحة، أو علامة خضراء. يجب أن يُظهر الرسم البياني للأبعاد في ورقة البيانات ميزة التعريف هذه بوضوح لمنع التركيب العكسي أثناء التجميع.

4.3 أبعاد الشريط الحامل والبكرة

يتم توريد المنتج في شريط حامل بارز بعرض 8 مم على بكرة قطرها 7 بوصات. توفر ورقة البيانات رسومات مفصلة لأبعاد الجيب، والخطوة، ومواصفات البكرة. تدعم هذه التغليف معدات التجميع الآلية عالية السرعة. تحتوي البكرة القياسية على 1500 قطعة.

5. إرشادات اللحام والتجميع

المناولة واللحام المناسبان أمران بالغا الأهمية للحفاظ على أداء الجهاز وموثوقيته.

5.1 ملف تعريف لحام إعادة التدفق

يوصى بملف تعريف درجة حرارة لحام إعادة التدفق الخالي من الرصاص (Pb-free). يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة القصوى 260°C، ويجب تحديد الوقت فوق 240°C (عادة إلى 5 ثوانٍ وفقًا للتصنيف القصوى المطلق). يجب التحكم في مراحل التسخين المسبق، والنقع، وإعادة التدفق، والتبريد لتقليل الصدمة الحرارية. لا ينبغي إجراء لحام إعادة التدفق أكثر من مرتين.

5.2 اللحام اليدوي

إذا كان اللحام اليدوي ضروريًا، فيجب توخي الحذر الشديد. يجب أن تكون درجة حرارة طرف مكواة اللحام أقل من 350°C، ويجب تحديد وقت التلامس مع كل طرف إلى 3 ثوانٍ أو أقل. يوصى بمكواة منخفضة الطاقة (≤25 واط). اسمح بوقت تبريد كافٍ بين لحام كل طرف لمنع تلف الحرارة للحزمة البلاستيكية.

5.3 التخزين وحساسية الرطوبة

يتم تعبئة ثنائيات LED في كيس مقاوم للرطوبة مع مجفف. تشمل الاحتياطات الرئيسية:

• لا تفتح الكيس حتى تصبح جاهزًا للاستخدام.
• قم بتخزين الأكياس غير المفتوحة عند ≤30°C و ≤60% رطوبة نسبية.
• استخدم في غضون عام واحد من الشحن.
• بعد الفتح، استخدم المكونات في غضون 168 ساعة (7 أيام) في ظل نفس ظروف التخزين.
• إذا تم تجاوز وقت التخزين أو أشار المجفف إلى الرطوبة، فإن العلاج بالخبز عند 60±5°C لمدة 24 ساعة على الأقل مطلوب قبل اللحام لمنع تأثير "الفشار" أثناء إعادة التدفق.

6. معلومات التعبئة والطلب

6.1 إجراء التعبئة

يتم تعبئة المكونات في كيس مقاوم للرطوبة من الألومنيوم المطبق يحتوي على مجفف. يتم وضع علامة على الكيس بمعلومات حرجة بما في ذلك رقم الجزء (P/N)، والكمية (QTY)، ورقم الدفعة (LOT No.)، ورموز أخرى ذات صلة مثل الطول الموجي الذروي (HUE).

6.2 دليل اختيار الجهاز

يستخدم الجهاز المحدد، IR29-01C/L510/R/TR8، مادة شريحة زرنيخيد ألومنيوم الغاليوم (GaAlAs) وعدسة شفافة. من المحتمل أن يرمز رقم الجزء نفسه إلى السمات الرئيسية: IR للأشعة تحت الحمراء، 29 قد يشير إلى سلسلة أو حجم، 01C قد يكون رمزًا متغيرًا، L510 قد يشير إلى سلة الطول الموجي الذروي، R للتعبئة على بكرة، و TR8 للشريط بعرض 8 مم.

7. اقتراحات التطبيق

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

ثنائي LED تحت الأحمر هذا مناسب لمجموعة واسعة من تطبيقات الاستشعار والإرسال بالأشعة تحت الحمراء، بما في ذلك:

• استشعار القرب والوجود:يستخدم في الحنفيات الأوتوماتيكية، وموزعات الصابون، ومجففات الأيدي، والمفاتيح التي تعمل بدون لمس.
• كشف الأجسام والعد:في آلات البيع، والأتمتة الصناعية، وأنظمة الناقلات.
• المشفرات الضوئية:لاستشعار الموضع والسرعة في المحركات والمعدات الدوارة.
• نقل البيانات بالأشعة تحت الحمراء:في وحدات التحكم عن بُعد وروابط البيانات قصيرة المدى (يتطلب تضمينًا مناسبًا).
• أنظمة الأمان:كمصدر ضوء غير مرئي للكاميرات الرؤية الليلية وأجهزة استشعار كسر الحزمة.

7.2 اعتبارات التصميم وحماية الدائرة

تحديد التيار إلزامي:كما تم التحذير صراحة في ورقة البيانات، يجب دائمًا استخدام مقاوم محدد للتيار خارجي على التوالي مع LED. للجهد الأمامي معامل درجة حرارة سالب (ينخفض مع ارتفاع درجة الحرارة). بدون مقاوم، يمكن أن يؤدي زيادة طفيفة في جهد التغذية أو انخفاض في VF بسبب التسخين إلى زيادة كبيرة وغير مسيطر عليها في التيار، مما يؤدي إلى هروب حراري فوري وفشل الجهاز.

تصميم دائرة القيادة:للتشغيل بالتيار المستمر، يكون المقاوم المتسلسل البسيط المحسوب باستخدام قانون أوم (R = (Vcc - VF) / IF) كافيًا. للتشغيل النبضي لتحقيق شدة ذروة أعلى، يمكن استخدام مفتاح ترانزستور أو MOSFET مدفوع بمولد نبضات. تأكد من بقاء عرض النبضة ودورة العمل ضمن الحدود المحددة (≤100μs، ≤1%).

المحاذاة البصرية:تتطلب الحزمة الضيقة بزاوية 15 درجة محاذاة ميكانيكية دقيقة مع الكاشف الضوئي المستقبل لتعظيم قوة الإشارة. ضع في الاعتبار رسم نمط الإشعاع عند تصميم غلاف المستشعر.

8. المقارنة التقنية والتمييز

مقارنة بثنائيات LED تحت الحمراء القياسية ذات الانبعاث العلوي، تقدم الحزمة الجانبية (أو الجانبية) لـ IR29-01C ميزة مميزة في التطبيقات التي يجب فيها تركيب PCB موازيًا لمستوى الاستشعار. هذا يلغي الحاجة إلى أنابيب ضوئية أو بصريات إضافية لإعادة توجيه الحزمة بمقدار 90 درجة، مما يبسط التصميم الميكانيكي ويقلل عدد المكونات. يوفر طوله الموجي البالغ 940 نانومتر توازنًا جيدًا بين حساسية كاشف السيليكون وانخفاض الرؤية مقارنة بمصادر 850 نانومتر، مما يجعله أقل وضوحًا أثناء التشغيل. يسمح الحجم الصغير البالغ 1.2 مم بتصميمات مستشعرات مضغوطة للغاية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س1: لماذا مقاوم تحديد التيار ضروري للغاية؟
ج1: خاصية I-V لـ LED هي أسية. يمكن أن يؤدي تغيير طفيف في الجهد الأمامي (الذي ينخفض نفسه مع درجة الحرارة) إلى تغيير كبير في التيار. بدون مقاوم متسلسل لاستقرار التيار، يحدث هروب حراري، مما يدمر LED بسرعة.

س2: هل يمكنني تشغيل هذا LED مباشرة من دبوس متحكم دقيق 3.3V أو 5V؟
ج2: لا. تتمتع دبابيس المتحكم الدقيق بقدرة محدودة على توفير/استهلاك التيار (غالبًا 20-40 مللي أمبير كحد أقصى) ولم يتم تصميمها لتشغيل ثنائيات LED مباشرة. استخدم دائمًا دائرة قيادة (مثل ترانزستور) يتم التحكم فيها بواسطة دبوس MCU، مع مقاوم محدد للتيار على التوالي مع LED.

س3: ما الفرق بين الشدة الإشعاعية (mW/sr) والشدة الضوئية (mcd)؟
ج3: الشدة الضوئية (تقاس بالكانديلا) مرجحة بحساسية العين البشرية (منحنى الضوء)، وهي صفر تقريبًا في الطيف تحت الأحمر. تقيس الشدة الإشعاعية الطاقة البصرية الفعلية المنبعثة لكل زاوية صلبة، مما يجعلها المقياس الصحيح للأجهزة تحت الحمراء المخصصة للكشف الآلي، وليس البشري.

س4: كيف أفسر زاوية الرؤية 15 درجة؟
ج4: هذه هي زاوية العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM). تكون الشدة الإشعاعية في أعلى مستوياتها عند 0 درجة (مباشرة من جانب الحزمة) وتنخفض إلى 50% من قيمتها القصوى عند ±7.5 درجة من الخط المركزي، مما يجعل عرض الحزمة الكلي 15 درجة.

10. تصميم عملي وحالة استخدام

الحالة: تصميم مستشعر لموزع مناشف ورقية.يُعد IR29-01C مرشحًا مثاليًا. سيتم تركيبه على حافة PCB مواجهًا جانبياً عبر فتحة التوزيع. سيتم وضع ترانزستور ضوئي من السيليكون مطابق على الجانب المقابل. في الظروف العادية، يتم اكتشاف حزمة الأشعة تحت الحمراء. عندما تقطع اليد الحزمة، يقوم المتحكم الدقيق بتشغيل المحرك لتوزيع منشفة. تسمح الحزمة الجانبية بتركيب PCB عموديًا خلف اللوحة الأمامية، مع بروز LED والكاشف من خلال فتحات صغيرة، مما يخلق تصميمًا أنيقًا للغاية. الطول الموجي 940 نانومتر غير مرئي، لذلك لا يوجد توهج أحمر مشتت للانتباه. يجب على المصمم حساب المقاوم المتسلسل المناسب لتيار قيادة 20 مللي أمبير من خط نظام 5 فولت (R ≈ (5V - 1.3V) / 0.02A = 185Ω، ستكون القيمة القياسية 180Ω أو 200Ω مناسبة).

11. مقدمة عن المبدأ

ثنائي باعث للضوء تحت الأحمر (IR LED) هو ثنائي وصلة p-n شبه موصل يبعث ضوءًا تحت الأحمر غير مرئي عند انحيازه كهربائيًا في الاتجاه الأمامي. تندمج الإلكترونات مع الفجوات داخل الجهاز، وتطلق الطاقة في شكل فوتونات. يتم تحديد الطول الموجي للضوء المنبعث من خلال فجوة النطاق الطاقي لمادة أشباه الموصلات. بالنسبة لـ IR29-01C، يتم استخدام نظام مادة زرنيخيد ألومنيوم الغاليوم (GaAlAs) لإنتاج فوتونات ذات طاقة ذروية تتوافق مع طول موجي 940 نانومتر. تعمل الحزمة الإيبوكسية الشفافة كعدسة، تشكل الضوء المنبعث إلى حزمة مركزة. يتم تحقيق البناء الجانبي عن طريق تركيب الشريحة شبه الموصلة على جانبها داخل الحزمة، مما يتسبب في انبعاث الضوء موازيًا لمستوى PCB.

12. اتجاهات التطوير

يتجه تطور ثنائيات LED تحت الحمراء فائقة الصغر مثل IR29-01C نحو أحجام حزم أصغر (مثل حزم على مستوى الشريحة)، وشدة إشعاعية وكفاءة أعلى، ونطاقات تشغيل أوسع لدرجة الحرارة لدعم التطبيقات السياراتية والصناعية. التكامل هو اتجاه رئيسي آخر، مع أجهزة تجمع بين باعث الأشعة تحت الحمراء، ووحدة القيادة، وأحيانًا كاشف ضوئي في وحدة واحدة. هناك أيضًا تركيز على تحسين السرعة (قدرة التضمين) لتطبيقات اتصالات البيانات مثل رابطة البيانات بالأشعة تحت الحمراء (IrDA) وأجهزة التحكم عن بُعد للإلكترونيات الاستهلاكية. علاوة على ذلك، يستمر التطوير لتعزيز الموثوقية والمتانة ضد التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) والظروف البيئية القاسية.