دیتاشیت LED مادون قرمز 3 میلی‌متری IR204/H16/L10 - ابعاد 3mm - ولتاژ 1.5V - طول موج 940nm - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

این سند به تفصیل مشخصات یک دیود نورافشان مادون قرمز (LED) با شدت بالا و قطر 3 میلی‌متر (T-1) را شرح می‌دهد. این قطعه در یک پکیج پلاستیکی شفاف آبی رنگ قرار گرفته و برای تطابق طیفی بهینه با آشکارسازهای نوری سیلیکونی، فوتوترانزیستورها و ماژول‌های گیرنده مادون قرمز طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تابش نور مادون قرمز در طول موج اوج 940 نانومتر است که برای چشم انسان نامرئی بوده اما توسط سنسورهای الکترونیکی به راحتی قابل تشخیص است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

این LED مزایای کلیدی متعددی از جمله قابلیت اطمینان بالا، ولتاژ پیشرو پایین و شدت تابشی بالا ارائه می‌دهد. این محصول با فاصله استاندارد 2.54 میلی‌متری بین پایه‌ها طراحی شده است تا ادغام آسان روی PCB فراهم شود. محصول مطابق با استانداردهای RoHS، EU REACH و عاری از هالوژن (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm) است که آن را برای بازارهای حساس به محیط زیست و تحت مقررات مناسب می‌سازد. کاربردهای هدف اصلی آن در سیستم‌های مبتنی بر مادون قرمز مانند کنترل‌های از راه دور، سنسورهای مجاورتی، تشخیص اشیاء و سوئیچ‌های نوری است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این قطعه برای کار در محدوده‌های دقیقی طراحی شده است تا طول عمر و قابلیت اطمینان تضمین شود. جریان پیشرو پیوسته (IF) نباید از 100 میلی‌آمپر تجاوز کند. برای کار پالسی با عرض پالس ≤100μs و چرخه کاری ≤1%، جریان پیشرو پیک (IFP) تا 1.0 آمپر مجاز است. حداکثر ولتاژ معکوس (VR) برابر 5 ولت است. محدوده دمای کاری (Topr) از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است، در حالی که محدوده دمای انبارش (Tstg) از 40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد گسترش می‌یابد. دمای لحیم‌کاری (Tsol) باید در 260 درجه سانتی‌گراد یا کمتر نگه داشته شده و مدت زمان آن از 5 ثانیه تجاوز نکند. حداکثر اتلاف توان (Pd) در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد، 150 میلی‌وات است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

تمامی مشخصات الکترواپتیکی در دمای محیط (Ta) برابر 25 درجه سانتی‌گراد و جریان پیشرو (IF) برابر 20mA تعریف شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. شدت تابشی (IE) به صورت دسته‌بندی شده ارائه می‌شود که مقادیر حداقل آن بسته به رتبه از 4.0 تا 11.0 mW/sr متغیر است. طول موج اوج (λp) معمولاً 940 نانومتر است، با پهنای باند طیفی (Δλ) برابر 45 نانومتر. ولتاژ پیشرو (VF) معمولاً 1.2 ولت و حداکثر 1.5 ولت است. جریان معکوس (IR) در ولتاژ معکوس 5 ولت حداکثر 10 میکروآمپر است. زاویه دید (2θ1/2) که به عنوان زاویه کامل در نصف شدت تعریف می‌شود، معمولاً 50 درجه است.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

خروجی تابشی LED به دسته‌های مختلفی تقسیم‌بندی شده است تا یکنواختی در طراحی کاربرد تضمین شود. این دسته‌بندی بر اساس شدت تابشی اندازه‌گیری شده در جریان پیشرو IF=20mA انجام می‌شود. دسته‌های موجود K، L، M و N هستند که مقادیر حداقل و حداکثر شدت تابشی مربوطه به شرح زیر است: دسته K: 4.0-6.4 mW/sr؛ دسته L: 5.6-8.9 mW/sr؛ دسته M: 7.8-12.5 mW/sr؛ دسته N: 11.0-17.6 mW/sr. این امر به طراحان اجازه می‌دهد تا قطعه‌ای را انتخاب کنند که الزامات حساسیت خاص مدار آشکارساز نوری آن‌ها را برآورده کند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

4.1 جریان پیشرو در مقابل دمای محیط

منحنی کاهش رتبه (دریتینگ) رابطه بین حداکثر جریان پیشرو پیوسته مجاز و دمای محیط را نشان می‌دهد. با افزایش دمای محیط، حداکثر جریان پیشرو مجاز به صورت خطی کاهش می‌یابد. این یک ملاحظه طراحی حیاتی برای جلوگیری از فرار حرارتی و اطمینان از باقی ماندن دمای اتصال در محدوده‌های کاری ایمن است که در نتیجه قابلیت اطمینان قطعه حفظ می‌شود.

4.2 توزیع طیفی

نمودار توزیع طیفی، شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. تابش حول طول موج اوج معمولی 940 نانومتر با پهنای باند مشخصی متمرکز شده است. این مشخصه برای اطمینان از سازگاری با سنسور گیرنده که معمولاً منحنی حساسیت طیفی خاص خود را دارد، بسیار مهم است. تطابق خوب، کارایی سیستم و نسبت سیگنال به نویز را به حداکثر می‌رساند.

4.3 شدت تابشی در مقابل جریان پیشرو

این نمودار رابطه غیرخطی بین خروجی تابشی (Ie) و جریان پیشرو (IF) را به تصویر می‌کشد. شدت تابشی با افزایش جریان افزایش می‌یابد اما نه به صورت کاملاً خطی، به ویژه در سطوح جریان بالاتر. درک این منحنی برای راه‌اندازی صحیح LED جهت دستیابی به خروجی نوری مطلوب بدون تجاوز از حداکثر مقادیر مجاز مطلق ضروری است.

4.4 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

نمودار الگوی تابش نشان می‌دهد که چگونه شدت نور ساطع شده با زاویه نسبت به محور مرکزی (0 درجه) تغییر می‌کند. الگوی تابش برای این نوع پکیج معمولاً لامبرتی یا نزدیک به لامبرتی است که در آن شدت در حدود ±25 درجه (که منجر به زاویه دید 50 درجه می‌شود) به 50% مقدار روی محور کاهش می‌یابد. این اطلاعات برای طراحی نوری، تعیین منطقه پوشش و الزامات هم‌ترازی در یک سیستم حیاتی است.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

LED در یک پکیج رادیال استاندارد T-1 (3 میلی‌متری) با پایه‌های سوراخ‌دار بسته‌بندی شده است. بدنه از پلاستیک شفاف آبی رنگ ساخته شده است. پایه‌ها دارای فاصله استاندارد 2.54 میلی‌متر (0.1 اینچ) هستند. نقشه ابعادی (که در PDF موجود است) اندازه‌گیری‌های دقیقی برای قطر بدنه، طول پایه و سایر ابعاد حیاتی ارائه می‌دهد که معمولاً با تلرانس ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. کاتد معمولاً توسط یک لبه صاف روی حاشیه لنز یا یک پایه کوتاه‌تر شناسایی می‌شود، اگرچه علامت‌گذاری خاص باید از نقشه مکانیکی تأیید شود.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

می‌توان از فرآیندهای لحیم‌کاری دستی یا موجی استفاده کرد. حداکثر دمای مجاز لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد است و زمان لحیم‌کاری نباید از 5 ثانیه تجاوز کند. توصیه می‌شود دستورالعمل‌های استاندارد IPC برای لحیم‌کاری قطعات سوراخ‌دار دنبال شود. قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض دمای بالا می‌تواند به پکیج پلاستیکی و تراشه نیمه‌هادی داخلی آسیب برساند. قطعه باید در یک محیط خشک نگهداری شود تا از جذب رطوبت جلوگیری شود که در صورت اعمال فرآیند ری‌فلو (که عمدتاً برای قطعات SMD است) می‌تواند باعث پاپ کورنینگ شود، اگرچه این قطعه عمدتاً یک قطعه سوراخ‌دار است.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

مشخصات استاندارد بسته‌بندی 200 تا 1000 قطعه در هر کیسه، 4 کیسه در هر جعبه و 10 جعبه در هر کارتن است. برچسب روی بسته‌بندی شامل اطلاعات حیاتی برای ردیابی و شناسایی است: شماره تولید مشتری (CPN)، شماره قطعه (P/N)، تعداد بسته‌بندی (QTY)، رتبه‌ها (CAT)، طول موج اوج (HUE)، مرجع (REF)، شماره سری ساخت (LOT No) و محل تولید. از مواد بسته‌بندی مقاوم در برابر رطوبت برای محافظت از قطعات در طول انبارش و حمل‌ونقل استفاده می‌شود.

8. توصیه‌های کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی متداول

این LED مادون قرمز برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای حسگری و سیگنالینگ غیرتماسی ایده‌آل است. کاربردهای متداول شامل کنترل‌های از راه دور مادون قرمز برای لوازم الکترونیکی مصرفی (تلویزیون‌ها، سیستم‌های صوتی)، تشخیص مجاورت و اشیاء در لوازم خانگی و تجهیزات صنعتی، انکودرهای نوری، سنسورهای شکست پرتو و به عنوان منبع نور در ماژول‌های جفت شده فرستنده-گیرنده برای شمارش یا حسگری سطح است.

8.2 ملاحظات طراحی

هنگام طراحی یک مدار، همیشه یک مقاومت محدودکننده جریان را به صورت سری با LED قرار دهید تا جریان پیشرو کنترل شده و از آسیب جلوگیری شود. مقدار مقاومت را می‌توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد: R = (ولتاژ منبع - VF) / IF. دسته شدت تابشی مناسب را بر اساس فاصله حسگری مورد نیاز و حساسیت آشکارساز انتخاب کنید. هنگام هم‌ترازی LED با گیرنده، زاویه دید را در نظر بگیرید. برای کار پالسی جهت دستیابی به خروجی لحظه‌ای بالاتر (مثلاً برای برد بیشتر)، اطمینان حاصل کنید که عرض پالس و چرخه کاری در محدوده‌های مشخص شده برای IFP باقی می‌مانند. چیدمان PCB مناسبی برای دفع حرارت فراهم کنید، به ویژه هنگام کار نزدیک به حداکثر مقادیر مجاز.

9. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز عمومی، این قطعه یک خروجی طیفی تعریف‌شده و یکنواخت ارائه می‌دهد که حول 940 نانومتر متمرکز است. این طول موج، نقطه اوج حساسیت رایجی برای فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی است و اتصال کارآمد را تضمین می‌کند. در دسترس بودن دسته‌های شدت تابشی، امکان عملکرد قابل پیش‌بینی در تولید انبوه را فراهم می‌کند. ترکیب ولتاژ پیشرو پایین (معمولاً 1.2 ولت) و شدت تابشی بالا می‌تواند منجر به طراحی‌های با بازده انرژی بالاتر شود. انطباق با استانداردهای زیست‌محیطی مدرن (RoHS، REACH، عاری از هالوژن) یک مزیت قابل توجه برای محصولاتی است که بازارهای جهانی با مقررات سختگیرانه را هدف قرار می‌دهند.

10. پرسش‌های متداول (FAQs)

س: تفاوت بین دسته‌های K، L، M و N چیست؟

ج: دسته‌ها نشان‌دهنده محدوده‌های مختلف حداقل شدت تابشی هستند. دسته N بالاترین خروجی (11.0-17.6 mW/sr) را دارد، در حالی که دسته K کمترین خروجی (4.0-6.4 mW/sr) را دارد. دسته را بر اساس قدرت سیگنال مورد نیاز برای کاربرد خود انتخاب کنید.

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً با منبع تغذیه 5 ولت راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. ولتاژ پیشرو فقط حدود 1.2-1.5 ولت است. اتصال مستقیم آن به 5 ولت باعث جریان بیش از حد شده و LED را از بین می‌برد. شما همیشه باید از یک مقاومت محدودکننده جریان سری استفاده کنید.

س: چگونه کاتد را شناسایی کنم؟

ج: برای یک پکیج استاندارد T-1، کاتد معمولاً توسط یک لبه صاف روی حاشیه لنز پلاستیکی نشان داده می‌شود. به طور متناوب، هنگام مشاهده LED از پایین، پایه‌ای که مربوط به سمت صاف است، کاتد است. همچنین ممکن است کاتد، پایه کوتاه‌تر باشد.

س: طول عمر کاری معمول آن چقدر است؟

ج: اگرچه به صراحت در این دیتاشیت ذکر نشده است، اما LEDهای مادون قرمز مانند این، معمولاً طول عمر عملیاتی بسیار طولانی (ده‌ها هزار ساعت) دارند، به شرطی که در محدوده حداکثر مقادیر مجاز مطلق مشخص شده، به ویژه محدودیت‌های جریان و دما، کار کنند.

11. مثال موردی عملی

سناریو: طراحی یک سنسور ساده تشخیص شیء.

یک مهندس نیاز به تشخیص حضور یک شیء در حال عبور از یک شکاف دارد. او این LED مدل IR204 را با یک فوتوترانزیستور که در طرف مقابل شکاف قرار می‌گیرد جفت می‌کند (پیکربندی پرتو عبوری). او یک LED از دسته M را برای شدت کافی انتخاب می‌کند. LED با جریان ثابت 20mA از طریق یک پین میکروکنترلر 3.3 ولت و یک مقاومت 100Ω راه‌اندازی می‌شود (R = (3.3V - 1.2V) / 0.02A ≈ 105Ω). کلکتور فوتوترانزیستور از طریق یک مقاومت به 3.3 ولت متصل شده و ولتاژ کلکتور توسط ADC میکروکنترلر خوانده می‌شود. هنگامی که پرتو مسدود نیست، فوتوترانزیستور هدایت می‌کند و ولتاژ را پایین می‌کشد. هنگامی که یک شیء پرتو را مسدود می‌کند، فوتوترانزیستور هدایت را متوقف کرده و ولتاژ بالا می‌رود که نشان‌دهنده حضور شیء است. زاویه دید 50 درجه، پرتو به اندازه کافی گسترده‌ای را برای تشخیص قابل اطمینان حتی با کمی عدم هم‌ترازی تضمین می‌کند.

12. معرفی اصل عملکرد

یک LED مادون قرمز یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ پیشرو بیشتر از انرژی گاف نواری آن اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n با حفره‌های ناحیه p در ناحیه فعال (که در این مورد از GaAlAs ساخته شده است) بازترکیب می‌شوند. این فرآیند بازترکیب، انرژی را به شکل فوتون (نور) آزاد می‌کند. ترکیب مواد خاص (گالیم آلومینیوم آرسناید) طول موج فوتون‌های ساطع شده را تعیین می‌کند که در این قطعه در طیف مادون قرمز حدود 940 نانومتر است. پکیج پلاستیکی شفاف آبی یک فیلتر نیست، بلکه به عنوان یک لنز عمل می‌کند تا پرتو خروجی را شکل داده و تراشه نیمه‌هادی را محافظت کند.

13. روندهای فناوری

فناوری LED مادون قرمز به سمت بازدهی بالاتر (خروجی تابشی بیشتر به ازای هر وات ورودی الکتریکی)، چگالی توان بالاتر برای کاربردهای برد بلند مانند LiDAR و حسگری زمان پرواز، و اندازه پکیج کوچک‌تر برای ادغام در دستگاه‌های مصرفی فشرده، همچنان در حال تکامل است. همچنین روندی به سمت کنترل دقیق‌تر طول موج و پهنای باند طیفی باریک‌تر برای کاربردهای حسگری خاص، مانند تشخیص گاز یا نظارت فیزیولوژیکی وجود دارد. ادغام درایورها و منطق کنترل مستقیماً با تراشه LED (LEDهای هوشمند) حوزه دیگری از توسعه است. اصول بنیادی دستگاه‌هایی مانند آنچه در اینجا توصیف شد، برای طیف وسیعی از سیستم‌های اپتوالکترونیکی تثبیت شده و در حال ظهور همچنان حیاتی باقی می‌ماند.