ورقة بيانات LED UVC من نوع ELUC3535NUB - 3.5x3.5x1.3 مم - 5.0-7.5 فولت - 0.13 واط - 270-285 نانومتر - وثيقة تقنية باللغة العربية

1. نظرة عامة على المنتج

تمثل سلسلة ELUC3535NUB حلاً عالي الموثوقية قائم على السيراميك، مُصمم خصيصًا لتطبيقات الأشعة فوق البنفسجية من النوع C (UVC). تم تصميم هذا المنتج لتقديم أداء ثابت في البيئات الصعبة حيث تكون الفعالية الجرثومية أمرًا بالغ الأهمية. يعتمد بناؤه الأساسي على ركيزة سيراميكية، توفر إدارة حرارية فائقة مقارنة بالعبوات البلاستيكية التقليدية، وهو عامل حاسم للحفاظ على عمر LED واستقرار خرج الطاقة في تطبيقات UVC.

السوق المستهدف الرئيسي لهذا المكون هو قطاع التطهير والتعقيم. وهذا يشمل تطبيقات مثل أنظمة تنقية المياه، وأجهزة تعقيم الهواء، ومعدات تطهير الأسطح، وتعقيم الأدوات الطبية. يركز تصميم المنتج على العوامل الأساسية لهذه الاستخدامات: الطاقة البصرية في النطاق الجرثومي، والمتانة في البناء لطول العمر، والتوافق مع عمليات تجميع تقنية التركيب السطحي القياسية (SMT).

2. الغوص العميق في المعلمات التقنية

2.1 الحدود القصوى المطلقة

يتم تصنيف الجهاز لتحمل تيار أمامي مستمر أقصى (I_F) بقيمة 100 مللي أمبير. ومع ذلك، فإن حالة التشغيل النموذجية المحددة في معلومات الطلب هي 20 مللي أمبير. هذا التخفيض في التصنيف حاسم لضمان الموثوقية طويلة الأجل ومنع التدهور المتسارع للوصلة شبه الموصلة. الحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة (T_J) هو 100 درجة مئوية، مع مقاومة حرارية (R_th) من الوصلة إلى المحيط تبلغ 65 درجة مئوية/واط. قيمة المقاومة الحرارية هذه هي معلمة رئيسية لتصميم المشتت الحراري؛ حيث أن تجاوز درجة حرارة الوصلة يمكن أن يؤدي إلى فشل كارثي أو انخفاض كبير في خرج التدفق الإشعاعي.

يوفر الجهاز حماية من الكهرباء الساكنة تصل إلى 2 كيلو فولت (نموذج جسم الإنسان)، وهو مستوى حماية قياسي للمناولة في معظم بيئات التصنيع. نطاق درجة حرارة التشغيل هو من -30 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، ونطاق درجة حرارة التخزين هو من -40 درجة مئوية إلى +100 درجة مئوية، مما يضمن ملاءمته لمجموعة واسعة من المناخات العالمية وظروف التخزين.

2.2 الخصائص الضوئية والكهربائية

يتم قياس الخرج الضوئي الأساسي بوحدة التدفق الإشعاعي (مللي واط)، وليس التدفق الضوئي (لومن)، لأن هذا مصدر للأشعة فوق البنفسجية غير المرئية. التدفق الإشعاعي النموذجي عند تيار التشغيل الاسمي 20 مللي أمبير هو 2 مللي واط، مع قيمة دنيا مضمونة تبلغ 1 مللي واط وقيمة قصوى تبلغ 2.5 مللي واط لرمز الطلب المدرج. يقع الطول الموجي القمة في نطاق 270 نانومتر إلى 285 نانومتر، وهو ضمن النطاق الأكثر فعالية للعمل الجرثومي، حيث يتلف الحمض النووي/الحمض النووي الريبي للكائنات الدقيقة.

كهربائيًا، يتراوح الجهد الأمامي (V_F) عند 20 مللي أمبير من 5.0 فولت إلى 7.5 فولت. هذا الجهد الأمامي المرتفع نسبيًا هو سمة مميزة لمصابيح LED فوق البنفسجية العميقة. زاوية الرؤية النموذجية هي 120 درجة، وتعرف على أنها الزاوية التي تكون عندها الشدة نصف القيمة القصوى (2θ_1/2).

3. شرح نظام التصنيف (Binning)

يتم تصنيف المنتج وفقًا لنظام تصنيف مفصل لضمان الاتساق الخاص بالتطبيق. يغطي هذا النظام ثلاث معلمات رئيسية: التدفق الإشعاعي، والطول الموجي القمة، والجهد الأمامي.

3.1 تصنيفات التدفق الإشعاعي

يتم تصنيف التدفق الإشعاعي إلى ثلاث فئات: Q0A (1.0-1.5 مللي واط)، و Q0B (1.5-2.0 مللي واط)، و Q0C (2.0-2.5 مللي واط). وهذا يسمح للمصممين باختيار مصابيح LED بناءً على خرج الطاقة البصرية المطلوبة لنظامهم، مع تفاوتات أضيق من المواصفات الدنيا/القصوى الإجمالية.

3.2 تصنيفات الطول الموجي القمة

الطول الموجي القمة مهم للغاية لفعالية UVC. التصنيفات هي: U27A (270-275 نانومتر)، و U27B (275-280 نانومتر)، و U28 (280-285 نانومتر). تمتلك مسببات الأمراض المختلفة قمم حساسية متفاوتة ضمن طيف UVC، لذا يسمح هذا التصنيف بتصميم نظام مُحسّن.

3.3 تصنيفات الجهد الأمامي

يتم تصنيف الجهد الأمامي بزيادات 0.5 فولت من 5.0 فولت إلى 7.5 فولت (على سبيل المثال، 5055 لـ 5.0-5.5 فولت، 5560 لـ 5.5-6.0 فولت، إلخ). إن اتساق V_Fضمن مصفوفة ما يبسط تصميم السائق، مما يضمن توزيعًا موحدًا للتيار عند توصيل عدة مصابيح LED على التوازي.

4. تحليل منحنيات الأداء

4.1 الطيف

يُظهر منحنى التوزيع الطيفي قمة انبعاث ضيقة تتمحور حول الطول الموجي المحدد (على سبيل المثال، ~275 نانومتر)، مع انبعاث ضئيل خارج نطاق UVC. هذه النقاء الطيفي مفيد لأنه يضمن تركيز الطاقة في النطاق الجرثومي.

4.2 التدفق الإشعاعي النسبي مقابل التيار الأمامي

يُظهر المنحنى علاقة دون خطية. بينما يزداد الخرج مع التيار، تنخفض الكفاءة (مللي واط/مللي أمبير) عند التيارات الأعلى بسبب زيادة درجة حرارة الوصلة وتأثيرات غير مثالية أخرى. وهذا يسلط الضوء على أهمية الإدارة الحرارية والتشغيل ضمن الظروف الموصى بها.

4.3 التيار الأمامي مقابل الجهد الأمامي

يُظهر منحنى I-V العلاقة الأسية النموذجية للدايود. نطاق V_Fالمحدد عند 20 مللي أمبير موضح بوضوح. المنحنى ضروري لتصميم سائق التيار الثابت، حيث أن تغييرًا صغيرًا في الجهد يمكن أن يؤدي إلى تغيير كبير في التيار.

4.4 التدفق الإشعاعي النسبي مقابل درجة حرارة المحيط

يُظهر هذا المنحنى المعامل الحراري السلبي لخرج LED. مع ارتفاع درجة حرارة المحيط (وبالتالي درجة حرارة الوصلة)، ينخفض التدفق الإشعاعي. يجب أخذ هذا الانخفاض الحراري في الاعتبار في تصميم النظام لضمان أداء تطهير ثابت على كامل نطاق درجة حرارة التشغيل.

4.5 منحنى التخفيض (Derating)

منحنى التخفيض هو الرسم البياني الأكثر أهمية للتشغيل الموثوق. فهو يحدد أقصى تيار أمامي مسموح به كدالة لدرجة حرارة المحيط. لمنع تجاوز الحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة، يجب تقليل تيار التشغيل مع زيادة درجة حرارة المحيط. على سبيل المثال، عند درجة حرارة محيط 85 درجة مئوية، يكون الحد الأقصى للتيار المسموح به أقل بكثير من الحد الأقصى المطلق البالغ 100 مللي أمبير.

5. المعلومات الميكانيكية والتعبئة

5.1 الأبعاد الميكانيكية

يتمتع الغلاف بموطئ قدم مضغوط مقاس 3.5 مم × 3.5 مم بارتفاع 1.3 مم. يحدد الرسم البعدي موقع الأنود (الوسادة 2)، والكاثود (الوسادة 1)، والوسادة الحرارية المركزية (الوسادة 3). الوسادة الحرارية ضرورية للتشتيت الحراري الفعال؛ يجب لحامها بشكل صحيح على وسادة موصلة حرارياً على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، والتي يجب أن تكون متصلة بمستويات أرضية داخلية أو مشتت حراري خارجي.

5.2 تعبئة الشريط والبكرة (Tape and Reel)

يتم توريد مصابيح LED على شريط حامل بارز، ملفوف على بكرات تحتوي على 1000 قطعة. يتم توفير أبعاد الشريط ومواصفات البكرة (على سبيل المثال، قطر بكرة 180 مم) لضمان التوافق مع آلات اللصق والتركيب الآلية. يتم تعبئة المكونات بشكل إضافي داخل كيس ألومنيوم مقاوم للرطوبة يحتوي على مجفف لمنع امتصاص الرطوبة أثناء التخزين، وهو أمر بالغ الأهمية للعبوات السيراميكية لتجنب ظاهرة \"الفرقعة\" (popcorning) أثناء لحام إعادة التدفق.

6. إرشادات اللحام والتجميع

المنتج ELUC3535NUB مناسب لعمليات لحام إعادة التدفق السطحي القياسية (SMT). تشمل التوصيات الرئيسية: استخدام ملف تعريف إعادة تدفق خالٍ من الرصاص متوافق مع الحدود الحرارية للمكون، وتجنب الإجهاد الميكانيكي على LED أثناء التسخين والتبريد، والحد من عدد دورات إعادة التدفق إلى حد أقصى اثنين. بعد اللحام، لا ينبغي ثني لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، لأن ذلك يمكن أن يسبب إجهادًا ميكانيكيًا على وصلات اللحام والجسم السيراميكي، مما قد يؤدي إلى التشقق أو الفشل.

7. اقتراحات التطبيق واعتبارات التصميم

7.1 سيناريوهات التطبيق النموذجية

• تعقيم الهواء الثابت:يُستخدم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) أو أجهزة تنقية الهواء، حيث تُشع ضوء UVC على غرفة يمر عبرها الهواء.
• تطهير الأسطح:يتم دمجه في أجهزة لتطهير الهواتف المحمولة أو الأدوات أو أسطح العمل.
• تعقيم المياه:يُستخدم في أجهزة تنقية المياه عند نقطة الاستخدام، حيث يتدفق الماء عبر غلاف كوارتز شفاف للأشعة فوق البنفسجية يحتوي على LED.

7.2 اعتبارات التصميم الحرجة

• الإدارة الحرارية:هذا هو العامل الأهم على الإطلاق. استخدم لوحة دوائر مطبوعة (PCB) بها ثقوب حرارية (vias) تحت الوسادة الحرارية متصلة بمساحات نحاسية كبيرة أو مشتت حراري خارجي. راقب درجة حرارة الوصلة.
• تيار التشغيل:شغّل عند أو أقل من 20 مللي أمبير الموصى بها لطول العمر. استخدم سائق تيار ثابت، وليس مصدر جهد ثابت.
• المواد البصرية:نافذة الخرج مصنوعة من زجاج الكوارتز. تأكد من أن أي بصريات ثانوية أو أغطية واقية مصنوعة من مواد ناقلة للأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال، السيليكا المنصهرة، بعض البلاستيك المتخصص). يمتص الزجاج القياسي ومعظم أنواع البلاستيك إشعاع UVC.
• السلامة:إشعاع UVC ضار للعيون والجلد. يجب أن تمنع الأغلفة أي تسرب لضوء الأشعة فوق البنفسجية أثناء التشغيل. قم بتضمين مفاتيح قفل (interlock) إذا كان من الممكن فتح الأغلفة أثناء الاستخدام.

8. المقارنة التقنية والتمييز

المميزات الأساسية لـ ELUC3535NUB هي غلافه السيراميكي (ألومنيوم نيتريد - AIN) وعدسته الزجاجية من الكوارتز. يوفر الغلاف السيراميكي توصيلية حرارية أفضل بكثير من البلاستيك (مثل PPA، PCT)، مما يؤدي إلى انخفاض درجات حرارة تشغيل الوصلة عند نفس تيار التشغيل، وهو ما يترجم مباشرة إلى عمر أطول وخرج أكثر استقرارًا. توفر العدسة الزجاجية من الكوارتز نقلًا فائقًا للأشعة فوق البنفسجية ومقاومة للتعتيم (التشميس) مقارنة بعدسات السيليكون أو الإيبوكسي، والتي يمكن أن تتدهور تحت التعرض الطويل للأشعة فوق البنفسجية.

9. الأسئلة الشائعة (بناءً على المعلمات التقنية)

س: هل يمكنني تشغيل هذا LED عند 100 مللي أمبير للحصول على خرج أعلى؟

ج: لا. تصنيف 100 مللي أمبير هو حد أقصى مطلق، وليس حالة تشغيل. سيؤدي تجاوز تيار التشغيل النموذجي البالغ 20 مللي أمبير إلى زيادة درجة حرارة الوصلة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تدهور سريع في الخرج وفشل محتمل للجهاز. اتبع دائمًا منحنى التخفيض (derating curve).

س: لماذا الجهد الأمامي مرتفع ومتغير جدًا (5.0-7.5 فولت)؟

ج: الطاقة العالية لفجوة النطاق المطلوبة لانبعاث فوتونات UVC تؤدي إلى جهد أمامي أعلى. التباين متأصل في عمليات تصنيع أشباه الموصلات، ولهذا السبب تم توفير نظام التصنيف (binning). صمم دائرة السائق الخاصة بك لاستيعاب نطاق الجهد الكامل للتصنيف الذي اخترته.

س: كيف أفسر \"الحد الأدنى للتدفق الإشعاعي\" البالغ 1 مللي واط؟

ج: هذا هو الحد الأدنى المضمون لرمز الطلب المحدد. القيمة النموذجية هي 2 مللي واط، ومعظم الأجهزة ستعمل بالقرب من هذه القيمة. يسمح لك نظام التصنيف (Q0A/B/C) بشراء قطع ذات حد أدنى مضمون وأضيق ضمن هذا النطاق الإجمالي.

10. دراسة حالة تصميمية عملية

السيناريو:تصميم عصا تطهير أسطح مضغوطة تعمل بمنفذ USB.

خطوات التصميم:

1. ميزانية الطاقة:يوفر منفذ USB 5 فولت، ~500 مللي أمبير كحد أقصى. جهد LED الأمامي V_F(5-7.5 فولت) أعلى من المصدر. مطلوب محول رافع (boost converter) يعمل كسائق تيار ثابت.

2. التصميم الحراري:غلاف العصا صغير. اختر لوحة دوائر مطبوعة ذات قلب معدني عالي التوصيل الحراري (MCPCB). قم بلحام الوسادة الحرارية لـ LED مباشرة على MCPCB. يعمل القاعدة المعدنية لـ MCPCB كمشتت حراري أساسي وجزء من جسم العصا.

3. التصميم البصري:استخدم عاكسًا ضحلاً لتوجيه الحزمة بزاوية 120 درجة نحو السطح المستهدف. تأكد من أن مادة العاكس مستقرة تحت الأشعة فوق البنفسجية (على سبيل المثال، ألومنيوم بطلاء واقي).

4. السلامة:صمم مصراعًا يفتح فقط عند الضغط بالعصا على سطح، مما يمنع تسرب الأشعة فوق البنفسجية. قم بتضمين دائرة مؤقت للحد من مدة التعرض لكل تفعيل.

5. اختيار المكونات:اختر مصابيح LED من تصنيف جهد أمامي واحد (على سبيل المثال، 5055) لتبسيط تصميم السائق إذا كنت تستخدم عدة مصابيح LED. اختر تصنيف التدفق الإشعاعي المناسب بناءً على الجرعة المطلوبة ووقت المعالجة.

11. مبدأ التشغيل

مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية هي أجهزة شبه موصلة تنبعث منها فوتونات في طيف الأشعة فوق البنفسجية (على وجه التحديد 200-280 نانومتر لـ UVC) من خلال الوميض الكهربائي (electroluminescence). عند تطبيق جهد أمامي عبر وصلة p-n، يتم حقن الإلكترونات والثقوب في المنطقة النشطة. يؤدي إعادة اتحادها إلى إطلاق الطاقة في شكل فوتونات. يتم تحديد الطول الموجي لهذه الفوتونات من خلال طاقة فجوة النطاق للمواد شبه الموصلة المستخدمة في المنطقة النشطة (عادةً نيتريد الألومنيوم جاليوم - AlGaN). تؤدي فجوة النطاق الأضيق إلى أطوال موجية أطول (مرئية/تحت حمراء)، بينما يتم تحقيق فجوة النطاق الواسعة جدًا المطلوبة لانبعاث UVC بمحتوى ألومنيوم عالٍ في طبقات AlGaN.

12. اتجاهات التكنولوجيا

يتم دفع سوق LED UVC من خلال الطلب على حلول تعقيم خالية من الزئبق، ذات تشغيل فوري، مضغوطة، ومتينة. تشمل الاتجاهات الرئيسية:

زيادة كفاءة الحائط (WPE):يركز البحث على تحسين الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) وكفاءة استخراج الضوء (LEE) لتحويل المزيد من المدخلات الكهربائية إلى خرج بصري UVC، مما يقلل من استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة.

قوة خرج أعلى:يؤدي تطوير عبوات متعددة الرقائق وتحسين عمليات الترسيب البلوري إلى زيادة التدفق الإشعاعي لكل جهاز بشكل مطرد، مما يتيح معالجة أحجام أكبر أو تقليل وقت التعرض.

عمر تشغيلي أطول:تؤدي التحسينات في مواد التغليف (مثل السيراميك والكوارتز المستخدم هنا)، وتقنيات ربط الرقاقة، وموثوقية أشباه الموصلات إلى إطالة العمر التشغيلي (L70/B50) لمصابيح LED UVC، مما يجعلها أكثر جدوى لتطبيقات التشغيل المستمر.

خفض التكلفة:مع زيادة أحجام التصنيع ونضوج العمليات، تنخفض التكلفة لكل مللي واط من خرج UVC، مما يوسع نطاق التطبيقات المجدية خارج الأسواق المتخصصة.