دیتاشیت فنی LED مادون قرمز IR333-A - بسته‌بندی T-1 3/4 - طول موج اوج 940 نانومتر - ولتاژ مستقیم 1.5 ولت

1. مرور کلی محصول

IR333-A یک دیود ساطع‌کننده پرتوان مادون قرمز (IR) است که در یک بسته پلاستیکی آبی استاندارد 5.0 میلی‌متری (T-1 3/4) قرار گرفته است. این قطعه برای تابش نور در طول موج اوج (λp) 940 نانومتر طراحی شده است که به‌طور بهینه با آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون مانند فوتوترانزیستورها، فوتودیودها و ماژول‌های گیرنده مادون قرمز هماهنگ است. عملکرد اصلی آن به عنوان یک منبع نور مادون قرمز قابل اعتماد در سیستم‌های مختلف سنجش و انتقال است.

1.1 مزایای کلیدی و بازار هدف

IR333-A چندین مزیت کلیدی ارائه می‌دهد که آن را برای کاربردهای صنعتی و مصرفی مناسب می‌سازد. این قطعه دارای شدت تابشی بالا برای تضمین انتقال سیگنال قوی است. با ولتاژ مستقیم پایین کار می‌کند که به بهره‌وری انرژی کمک می‌نماید. طراحی این قطعه با در نظر گرفتن انطباق محیط‌زیستی انجام شده است: بدون سرب، مطابق با مقررات REACH اتحادیه اروپا و منطبق بر استانداردهای بدون هالوژن (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). فاصله پایه‌های آن 2.54 میلی‌متر است که با بردبوردها و PCBهای استاندارد سازگاری دارد. بازارهای هدف شامل اتوماسیون صنعتی، الکترونیک مصرفی، سیستم‌های ایمنی و رابط‌های ارتباط داده‌ای است که به سیگنال‌دهی مادون قرمز قابل اعتماد نیاز دارند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی از مشخصات الکتریکی، نوری و حرارتی ذکر شده در دیتاشیت را ارائه می‌دهد.

2.1 حداکثر مقادیر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر برای کارکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند.

• جریان مستقیم پیوسته (IF):100 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور پیوسته اعمال کرد بدون آن که عملکرد یا طول عمر LED کاهش یابد.
• جریان مستقیم اوج (IFP):1.0 آمپر. این جریان بالا تنها تحت شرایط پالسی با عرض پالس ≤ 100 میکروثانیه و چرخه کاری ≤ 1% مجاز است. این امکان ایجاد پالس‌های نوری بسیار کوتاه و پرتوان را فراهم می‌کند که برای برخی پروتکل‌های سنجش یا ارتباط مفید است.
• ولتاژ معکوس (VR):5 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان در جهت معکوس به دو سر LED اعمال کرد. تجاوز از این مقدار می‌تواند باعث شکست شود.
• دمای عملیاتی (Topr):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیطی که در آن عملکرد دستگاه مطابق با مشخصات آن تضمین می‌شود.
• دمای نگهداری (Tstg):40- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمایی برای نگهداری دستگاه در زمان عدم کارکرد.
• دمای لحیم‌کاری (Tsol):260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 10 ثانیه. این محدودیت‌های پروفیل لحیم‌کاری ریفلو را برای جلوگیری از آسیب به بسته تعریف می‌کند.
• توان تلف شده (Pd):150 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر. این حداکثر توانی است که بسته می‌تواند به صورت گرما دفع کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکال

این پارامترها که در شرایط آزمایش استاندارد Ta=25°C اندازه‌گیری شده‌اند، عملکرد دستگاه را در شرایط کارکرد عادی تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (Ie):این توان نوری تابیده شده در واحد زاویه فضایی (استرادیان) است. در جریان راه‌اندازی استاندارد 20mA، مقدار معمول 20 mW/sr، با حداقل 7.8 mW/sr و حداکثر 48 mW/sr است. در شرایط پالسی (100mA، چرخه کاری ≤1%)، شدت معمول به 85 mW/sr افزایش می‌یابد و در جریان پالسی اوج 1A، می‌تواند به 750 mW/sr برسد. این قابلیت دستگاه را برای کاربردهای با خروجی بالا هنگام راه‌اندازی با پالس نشان می‌دهد.
• طول موج اوج (λp):940 نانومتر (معمول). این طول موجی است که در آن LED بیشترین توان نوری را تابش می‌کند. این طول موج برای استفاده با آشکارسازهای سیلیکونی که در ناحیه مادون قرمز نزدیک حساسیت خوبی دارند، بسیار مناسب است.
• پهنای باند طیفی (Δλ):45 نانومتر (معمول). این محدوده طول‌موج‌های تابیده شده را نشان می‌دهد که حول طول موج اوج متمرکز است. پهنای باند باریک‌تر می‌تواند برای فیلتر کردن نویز نور محیط مفید باشد.
• ولتاژ مستقیم (VF):در 20mA، ولتاژ مستقیم معمول 1.5V است (حداقل 1.2V، حداکثر برای 20mA در جدول مشخص نشده اما از شرایط دیگر استنباط می‌شود). این ولتاژ نسبتاً پایین به مصرف توان کمتر کمک می‌کند. ولتاژ با افزایش جریان افزایش می‌یابد، همان‌طور که در 1.4V (معمول) در 100mA پالسی و 2.6V (معمول) در 1A پالسی نشان داده شده است.
• جریان معکوس (IR):حداکثر 10 میکروآمپر در VR=5V. این جریان نشتی کوچکی است که هنگام بایاس معکوس دستگاه جریان می‌یابد.
• زاویه دید (2θ1/2):20 درجه (معمول). این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار حداکثر خود (روی محور) کاهش می‌یابد. زاویه 20 درجه نشان‌دهنده یک پرتو نسبتاً متمرکز است که برای کاربردهای سنجش جهت‌دار مفید است.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

دیتاشیت شامل یک جدول دسته‌بندی برای شدت تابشی است که یک روش رایج برای طبقه‌بندی LEDها بر اساس عملکرد اندازه‌گیری شده می‌باشد.

3.1 دسته‌بندی شدت تابشی

LEDها بر اساس شدت تابشی اندازه‌گیری شده در IF=20mA در دسته‌های مختلف یا رتبه‌ها (M, N, P, Q, R) مرتب می‌شوند. این به طراحان اجازه می‌دهد قطعاتی را با حداقل سطح عملکرد تضمین شده برای کاربرد خود انتخاب کنند. به عنوان مثال، انتخاب یک قطعه از دسته "Q"، شدت تابشی بین 21.0 تا 34.0 mW/sr را تضمین می‌کند. این سیستم ثبات در تولید انبوه را تضمین می‌کند. دیتاشیت برای این شماره قطعه خاص، دسته‌بندی برای طول موج اوج یا ولتاژ مستقیم را نشان نمی‌دهد که نشان‌دهنده کنترل دقیق یا یک مشخصه واحد برای آن پارامترها است.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

منحنی‌های مشخصه معمول، بینش ارزشمندی در مورد رفتار LED تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهند. اگرچه نقاط داده گرافیکی خاص در متن ارائه نشده است، اما منحنی‌های ارجاع داده شده امکان تحلیل زیر را فراهم می‌کنند.

4.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط (شکل 1)

این منحنی معمولاً کاهش حداکثر جریان مستقیم مجاز را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. برای جلوگیری از گرمای بیش از حد و اطمینان از قابلیت اطمینان، جریان مستقیم پیوسته باید هنگام کار در دمای بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش یابد. حداکثر توان تلف شده مطلق 150mW عامل محدودکننده است.

4.2 توزیع طیفی (شکل 2)

این نمودار خروجی توان نوری نسبی را به عنوان تابعی از طول موج به صورت بصری نشان می‌دهد. این نمودار یک منحنی زنگوله‌ای شکل را نشان می‌دهد که در 940 نانومتر با پهنای باند طیفی 45 نانومتر متمرکز شده است. این به درک خلوص نور مادون قرمز و تطابق آن با پاسخ طیفی آشکارساز کمک می‌کند.

4.3 طول موج تابش اوج در مقابل دما (شکل 3)

طول موج اوج یک LED دارای ضریب دمایی است که معمولاً با افزایش دمای اتصال به سمت طول‌موج‌های بلندتر (انتقال به قرمز) جابجا می‌شود. این منحنی آن جابجایی را برای IR333-A کمّی می‌کند که برای کاربردهایی که نیاز به تطابق دقیق طول موج دارند مهم است.

4.4 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی IV) (شکل 4)

این منحنی اساسی رابطه نمایی بین ولتاژ اعمال شده در دو سر LED و جریان حاصل را نشان می‌دهد. این منحنی برای طراحی مدار درایور محدودکننده جریان بسیار مهم است. منحنی ولتاژ "زانو" معمول (حدود 1.2-1.5V) و چگونگی افزایش ولتاژ با افزایش جریان را نشان خواهد داد.

4.5 شدت تابشی در مقابل جریان مستقیم (شکل 5)

این منحنی رابطه زیرخطی بین جریان راه‌اندازی و خروجی نور را نشان می‌دهد. در حالی که شدت با جریان افزایش می‌یابد، بازده (خروجی نور در واحد ورودی الکتریکی) معمولاً در جریان‌های بسیار بالا به دلیل افزایش تولید گرما کاهش می‌یابد. داده‌های جدول (20mA -> 20 mW/sr معمول، 100mA پالسی -> 85 mW/sr معمول) این رابطه را نشان می‌دهد.

4.6 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای (شکل 6)

این الگوی تابش فضایی LED است. شدت نرمال‌شده را به عنوان تابعی از زاویه از محور مرکزی رسم می‌کند. برای یک LED 5mm با لنز گنبدی، این الگو معمولاً لامبرتی یا نزدیک به لامبرتی است. زاویه دید مشخص شده 20 درجه (2θ1/2) یک نقطه داده کلیدی از این منحنی است که پهنای پرتو را تعریف می‌کند.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد بسته

IR333-A از بسته استاندارد صنعتی T-1 3/4 (قطر 5.0mm) استفاده می‌کند. فاصله پایه‌ها 2.54mm (0.1 اینچ) است که گام استاندارد برای قطعات نصب‌شده از طریق سوراخ روی بردهای مدار چاپی است. جنس بسته پلاستیک آبی است که ممکن است تا حدی به عنوان فیلتر نور مرئی عمل کند و به مسدود کردن نور مرئی محیط از رسیدن به تراشه و کاهش بالقوه نویز در مدار آشکارساز کمک کند. کاتد معمولاً توسط یک نقطه صاف روی لبه بسته و/یا یک پایه کوتاه‌تر شناسایی می‌شود. طراحان باید برای ابعاد دقیق و تلرانس‌ها (±0.25mm مگر خلاف آن مشخص شده باشد) به نقشه دقیق بسته (که توسط بخش "ابعاد بسته" اشاره شده است) مراجعه کنند.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقدار مطلق برای دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد برای مدت زمان حداکثر 10 ثانیه است. این یک رتبه معمول برای فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب است. برای لحیم‌کاری دستی، باید از هویه کنترل دمایی استفاده شود و زمان تماس به حداقل برسد تا از آسیب حرارتی به بسته پلاستیکی و اتصالات سیمی داخلی جلوگیری شود. در طول جابجایی و مونتاژ باید احتیاط‌های استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) رعایت شود، زیرا LEDها قطعات نیمه‌هادی حساسی هستند. نگهداری باید در محدوده دمایی مشخص شده 40- تا 100+ درجه سانتی‌گراد در یک محیط خشک انجام شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

مشخصات بسته‌بندی استاندارد به شرح زیر است: 200 تا 500 قطعه در یک کیسه بسته‌بندی می‌شوند. سپس پنج کیسه در یک جعبه قرار می‌گیرند. در نهایت، ده جعبه در یک کارتن اصلی بسته‌بندی می‌شوند. برچسب روی بسته‌بندی شامل اطلاعات حیاتی برای ردیابی و شناسایی است: شماره تولید مشتری (CPN)، شماره قطعه (P/N)، تعداد بسته‌بندی (QTY)، رتبه‌ها (CAT، اشاره به دسته شدت)، طول موج اوج (HUE)، یک کد مرجع و شماره لات (LOT No) که شامل کدی برای ماه تولید است.

8. توصیه‌های کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی معمول

• سیستم‌های انتقال هوای آزاد:در کنترل‌های از راه دور، پیوندهای داده کوتاه‌برد یا حسگرهای مجاورتی استفاده می‌شود که در آن یک سیگنال مادون قرمز از طریق هوا منتقل می‌شود.
• سوئیچ‌های الکترواپتیکال و تشخیص شیء:جفت شده با یک فوتوترانزیستور یا فوتودیود برای ایجاد یک حسگر شکست پرتو برای شمارش، سنجش موقعیت یا سوئیچ‌های محدودیت.
• درایو فلاپی دیسک:در گذشته برای تشخیص وجود برچسب محافظت در برابر نوشتن یا دیسک در جای خود استفاده می‌شد.
• دتکتورهای دود:در دتکتورهای دود از نوع تیرگی به کار می‌رود، جایی که ذرات دود یک پرتو نور مادون قرمز را بین یک LED و یک آشکارساز پراکنده می‌کنند.
• سیستم‌های کاربردی عمومی مادون قرمز:هر سیستم تعبیه‌شده‌ای که به یک منبع نور IR مدوله‌شده، پیوسته یا قابل اعتماد نیاز دارد.

8.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان:یک LED یک دستگاه جریان‌محور است. یک مقاومت سری یا مدار درایور جریان ثابت برای محدود کردن جریان مستقیم به یک مقدار ایمن (مثلاً 20mA برای کارکرد پیوسته) اجباری است. مقدار مقاومت را می‌توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد: R = (Vsupply - VF) / IF.
• مدیریت حرارت:اگرچه توان تلف شده کم است، اما کار در دمای محیطی بالا یا نزدیک به حداکثر جریان، گرما تولید می‌کند. اطمینان از تهویه مناسب یا کاهش جریان عملیاتی مطابق منحنی کاهش رتبه حرارتی ضروری است.
• هم‌راستایی نوری:برای حداکثر قدرت سیگنال در یک سیستم جفت شده فرستنده-آشکارساز، هم‌راستایی مکانیکی دقیق بسیار مهم است، به ویژه با زاویه دید 20 درجه.
• حذف نور محیط:در محیط‌هایی با IR محیطی قوی (مانند نور خورشید)، مدوله کردن سیگنال درایو LED و استفاده از یک مدار آشکارساز تنظیم‌شده بر روی فرکانس مدولاسیون می‌تواند نسبت سیگنال به نویز را به طور چشمگیری بهبود بخشد.
• محافظت در برابر ولتاژ معکوس:اگرچه دستگاه می‌تواند تا 5V در جهت معکوس را تحمل کند، اما بهتر است از بایاس معکوس اجتناب شود. در مدارهای AC یا دو قطبی، ممکن است یک دیود محافظ موازی (کاتد به آند) لازم باشد.

9. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز 5mm عمومی، تمایزهای کلیدی IR333-A مشخصات واضح شدت تابشی بالا (تا 48 mW/sr حداقل برای دسته R) و انطباق محیطی جامع آن (RoHS, REACH, بدون هالوژن) است. سیستم دسته‌بندی دقیق سطوح عملکرد تضمین شده را فراهم می‌کند که برای ثبات طراحی در تولید انبوه ضروری است. طول موج 940nm یکی از رایج‌ترین و همه‌کاره‌ترین‌ها است که تعادل خوبی بین حساسیت آشکارساز و جذب کمتر در جو در مقایسه با طول‌موج‌های بلندتر ارائه می‌دهد. ولتاژ مستقیم پایین آن می‌تواند منجر به مصرف توان کمی کمتر در دستگاه‌های باتری‌خور در مقایسه با LEDهای با Vf بالاتر شود.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

1. س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پایه میکروکنترلر 5V راه‌اندازی کنم؟ج: خیر. یک پایه میکروکنترلر معمولاً نمی‌تواند با امنیت 20mA را تأمین کند، و مهم‌تر از آن، محدودکننده جریان وجود ندارد. شما باید از یک ترانزیستور به عنوان سوئیچ و یک مقاومت سری برای محدود کردن جریان به مقدار مورد نظر (مثلاً 20mA) استفاده کنید. مقاومت را به صورت R = (5V - 1.5V) / 0.02A = 175Ω محاسبه کنید. از نزدیک‌ترین مقدار استاندارد (مثلاً 180Ω) استفاده کنید.
2. س: تفاوت بین کارکرد پیوسته و پالسی چیست؟ج: کارکرد پیوسته (DC) گرما تولید می‌کند. کارکرد پالسی (با چرخه کاری کم) اجازه جریان لحظه‌ای بسیار بالاتر (تا 1A) را می‌دهد زیرا LED بین پالس‌ها زمان برای خنک شدن دارد و از اضافه بار حرارتی جلوگیری می‌کند. این امر منجر به خروجی نوری اوج بسیار بالاتر می‌شود.
3. س: چگونه کاتد را شناسایی کنم؟ج: برای این بسته، به دنبال یک نقطه صاف روی لبه پلاستیکی LED بگردید. پایه‌ای که به این نقطه صاف نزدیک‌تر است کاتد است. علاوه بر این، پایه کاتد اغلب کوتاه‌تر از پایه آند است.
4. س: آیا هیت‌سینک لازم است؟ج: برای کارکرد پیوسته در 20mA (تقریباً 30mW توان تلف شده)، معمولاً هیت‌سینک لازم نیست. اگر در نزدیکی حداکثر جریان (100mA DC) یا در دمای محیطی بالا کار می‌کنید، کاهش رتبه حرارتی را در نظر بگیرید و احتمالاً مقداری خنک‌کنندگی در سطح برد فراهم کنید.
5. س: چرا بسته آبی رنگ است؟ج: پلاستیک آبی به عنوان فیلتری عمل می‌کند که مقداری نور مرئی را مسدود می‌کند و باعث می‌شود بسته تیره به نظر برسد. این به کاهش میزان نور مرئی محیط که می‌تواند وارد بسته شده و به تراشه ساطع‌کننده IR برسد کمک می‌کند، که در غیر این صورت می‌تواند باعث تداخل در مدار آشکارساز شود.

11. مثال موردی عملی

طراحی یک حسگر ساده تشخیص شیء:یک کاربرد رایج، حسگر شکست پرتو است. IR333-A را در یک طرف و یک فوتوترانزیستور (مثلاً تنظیم‌شده بر روی 940nm) را در طرف دیگر قرار دهید، هر دو بر روی یک محور هم‌راستا باشند. LED را با یک مقاومت 180Ω از منبع تغذیه 5V راه‌اندازی کنید که منجر به جریان تقریباً 20mA می‌شود. هنگامی که یک شیء بین آن‌ها عبور می‌کند، پرتو مادون قرمز را قطع می‌کند. مقاومت کلکتور-امیتر فوتوترانزیستور به شدت تغییر خواهد کرد. این تغییر را می‌توان با استفاده از یک مقاومت pull-up به یک سیگنال ولتاژ تبدیل کرد و به یک مقایسه‌گر یا پایه ADC میکروکنترلر برای تشخیص حضور شیء وارد کرد. برای مقابله با نور محیط، می‌توانید LED را در یک فرکانس خاص (مثلاً 1kHz) پالس دهید و از یک فیلتر میان‌گذر یا تشخیص همزمان در مدار گیرنده استفاده کنید.

12. اصل عملکرد

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد (ولتاژ مثبت به آند نسبت به کاتد اعمال می‌شود)، الکترون‌ها از ناحیه نوع n و حفره‌ها از ناحیه نوع p به ناحیه پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی آزاد می‌کنند. در یک IR LED، این انرژی عمدتاً به شکل فوتون (ذرات نور) در طیف مادون قرمز آزاد می‌شود. طول موج خاص (940nm در این مورد) توسط انرژی گاف باند مواد نیمه‌هادی استفاده‌شده (گالیم آلومینیوم آرسناید - GaAlAs، همان‌طور که در راهنمای انتخاب دستگاه نشان داده شده است) تعیین می‌شود. بسته پلاستیکی تراشه را محصور می‌کند، محافظت مکانیکی فراهم می‌کند و یک لنز را در بر می‌گیرد که نور تابیده شده را به الگوی زاویه دید مشخص شده شکل می‌دهد.

13. روندهای فناوری

فناوری LED مادون قرمز همچنان در حال تکامل است. روندهای کلی در صنعت شامل توسعه دستگاه‌هایی با شدت تابشی و بازده دیوار-پریز (توان نوری خروجی / توان الکتریکی ورودی) حتی بالاتر است. همچنین حرکت به سمت مینیاتوری‌سازی وجود دارد، با بسته‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) که برای کاربردهای با محدودیت فضا نسبت به بسته‌های نصب‌شده از طریق سوراخ مانند T-1 3/4 رایج‌تر می‌شوند. تقاضا برای باندهای طول موج خاص و باریک برای کاربردهای تخصصی مانند سنجش گاز یا پایش زیست‌پزشکی در حال رشد است. علاوه بر این، یکپارچه‌سازی یک روند کلیدی است، با جفت‌های فرستنده-آشکارساز ترکیبی در بسته‌های تک یا LEDهای با درایور داخلی که برای ساده‌سازی طراحی مدار و کاهش فوت‌پرینت در دسترس می‌شوند.