دیتاشیت LED مادون قرمز 5 میلی‌متری HIR323C - قطر 5 میلی‌متر - ولتاژ پیشروی 1.45 ولت - طول موج 850 نانومتر - اتلاف توان 150 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

HIR323C یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز با شدت بالا است که در یک پکیج استاندارد T-1 (5 میلی‌متری) با لنز پلاستیکی شفاف آبی (Water-Clear) قرار گرفته است. این قطعه برای ارائه عملکرد قابل اعتماد در سیستم‌های سنجش و ارتباط مادون قرمز طراحی شده است. خروجی طیفی آن به طور خاص با فوتوترانزیستورها، فوتودیودها و ماژول‌های گیرنده مادون قرمز سیلیکونی رایج سازگار است تا کارایی بهینه سیستم را تضمین کند. حوزه اصلی کاربرد این قطعه در سیستم‌های کاربردی مادون قرمز است که می‌تواند شامل کنترل‌های از راه دور، تشخیص اشیاء، سنجش مجاورتی و سوئیچ‌های نوری باشد.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای کلیدی این LED مادون قرمز از طراحی و انتخاب مواد آن نشأت می‌گیرد. این قطعه از ماده چیپ GaAlAs (گالیوم آلومینیوم آرسناید) استفاده می‌کند که به دلیل تابش کارآمد مادون قرمز شناخته شده است. پکیج آن شدت تابش بالایی ارائه می‌دهد که امکان انتقال سیگنال قوی را فراهم می‌کند. یک ویژگی مهم، ولتاژ پیشروی پایین آن است که به مصرف انرژی کمتر در کاربرد نهایی کمک می‌کند. این محصول مطابق با استانداردهای مدرن زیست‌محیطی و ایمنی طراحی شده است: بدون سرب، مطابق با RoHS، مطابق با REACH اتحادیه اروپا و بدون هالوژن. این ویژگی‌ها آن را برای بازار جهانی، به ویژه در الکترونیک مصرفی، اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های امنیتی که به منابع مادون قرمز قابل اعتماد و با طول عمر بالا نیاز دارند، مناسب می‌سازد.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی پارامترهای فنی کلیدی ذکر شده در دیتاشیت را ارائه می‌دهد و اهمیت آن‌ها را برای مهندسان طراح توضیح می‌دهد.

2.1 رتبه‌بندی‌های حداکثر مطلق

این رتبه‌بندی‌ها محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• جریان پیشروی پیوسته (IF):100 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان تحت شرایط مشخص شده به طور نامحدود از LED عبور داد.
• جریان پیشروی پیک (IFP):1.0 آمپر. این جریان بالا فقط تحت شرایط پالسی (عرض پالس ≤ 100 میکروثانیه، چرخه کاری ≤ 1%) مجاز است. برای کاربردهایی که به پالس‌های بسیار کوتاه و با شدت بالا نیاز دارند، مفید است.
• ولتاژ معکوس (VR):5 ولت. تجاوز از این ولتاژ در جهت بایاس معکوس می‌تواند باعث شکست پیوند شود.
• دمای کارکرد و ذخیره‌سازی:محدوده از 40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس (کارکرد) و از 40- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس (ذخیره‌سازی). این محدوده وسیع، قابلیت اطمینان در محیط‌های سخت را تضمین می‌کند.
• اتلاف توان (Pd):150 میلی‌وات در دمای محیط 25 درجه سلسیوس یا کمتر. این حداکثر توانی است که پکیج می‌تواند به صورت گرما دفع کند. جریان پیشروی مجاز واقعی در دمای محیط بالاتر کاهش می‌یابد.

2.2 ویژگی‌های الکترواپتیکی

این پارامترها تحت شرایط آزمایش استاندارد (Ta=25°C) اندازه‌گیری می‌شوند و عملکرد قطعه را تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (Ie):این توان نوری ساطع شده در واحد زاویه فضایی است که بر حسب mW/sr اندازه‌گیری می‌شود. مقدار معمول آن در IF=20mA برابر با 30 mW/sr است. تحت کارکرد پالسی در 100mA، می‌تواند به 130 mW/sr برسد. شدت تابشی بالاتر به معنای برد عملیاتی بیشتر یا نسبت سیگنال به نویز بهتر است.
• طول موج پیک (λp):850 نانومتر (معمول). این طول موجی است که در آن توان خروجی نوری حداکثر است. 850nm در طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد، برای چشم انسان نامرئی است اما توسط سنسورهای مبتنی بر سیلیکون به طور کارآمد تشخیص داده می‌شود.
• پهنای باند طیفی (Δλ):45 نانومتر (معمول). این محدوده طول موج‌های ساطع شده را تعریف می‌کند که حول طول موج پیک متمرکز است. پهنای باند باریک‌تر می‌تواند برای فیلتر کردن نویز نور محیط مفید باشد.
• ولتاژ پیشروی (VF):1.45 ولت (معمول) در 20mA، با حداکثر 1.65 ولت. در 100mA (پالسی)، حداکثر 2.40 ولت است. VF پایین یک پارامتر کلیدی کارایی است.
• زاویه دید (2θ1/2):15 درجه (معمول). این زاویه کامل است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار حداکثر خود (روی محور) کاهش می‌یابد. زاویه دید باریک، پرتو متمرکزتری تولید می‌کند.

3. توضیح سیستم باینینگ

HIR323C از یک سیستم باینینگ برای دسته‌بندی قطعات بر اساس شدت تابشی اندازه‌گیری شده در جریان آزمایش استاندارد 20mA استفاده می‌کند. این به طراحان اجازه می‌دهد قطعاتی را انتخاب کنند که حداقل نیازهای خروجی خاص برای کاربردشان را برآورده می‌کنند.

• بین P:محدوده شدت تابشی از 15.0 mW/sr (حداقل) تا 24.0 mW/sr (حداکثر).
• بین Q:محدوده شدت تابشی از 21.0 mW/sr (حداقل) تا 34.0 mW/sr (حداکثر).
• بین R:محدوده شدت تابشی از 30.0 mW/sr (حداقل) تا 48.0 mW/sr (حداکثر).

انتخاب یک بین بالاتر (مثلاً R) حداقل خروجی بالاتر را تضمین می‌کند که می‌تواند برای اطمینان از عملکرد یکنواخت سیستم، به ویژه در تغییرات دما و طول عمر محصول، حیاتی باشد.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین نمودار است که رفتار قطعه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد. درک این نمودارها برای طراحی مدار مقاوم حیاتی است.

4.1 جریان پیشروی در مقابل دمای محیط

این منحنی کاهش جریان پیشروی پیوسته مجاز حداکثر را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. با افزایش دما، توانایی پکیج برای دفع گرما کاهش می‌یابد، بنابراین جریان باید کاهش یابد تا در محدوده عملیاتی ایمن (SOA) تعریف شده توسط حداکثر اتلاف توان باقی بماند. طراحان باید از این نمودار برای انتخاب مقاومت‌های محدودکننده جریان یا درایورهای مناسب برای محیط عملیاتی مورد انتظار خود استفاده کنند.

4.2 شدت تابشی در مقابل جریان پیشروی

این نمودار رابطه بین جریان درایو (IF) و خروجی نوری (Ie) را به تصویر می‌کشد. این رابطه عموماً غیرخطی است. خروجی با جریان افزایش می‌یابد اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا به دلیل اثرات حرارتی و کارایی اشباع شود. این منحنی در تعیین جریان درایو مورد نیاز برای دستیابی به سطح خروجی مطلوب کمک می‌کند.

4.3 توزیع طیفی

این نمودار شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. طول موج پیک (λp ~850nm) و پهنای باند طیفی (Δλ) را تأیید می‌کند. شکل این منحنی برای اطمینان از سازگاری با منحنی حساسیت طیفی سنسور گیرنده (فوتوترانزیستور/فوتودیود) مهم است.

4.4 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی الگوی تابش LED را نشان می‌دهد. شدت در امتداد محور مرکزی (0 درجه) بیشترین است و با افزایش زاویه کاهش می‌یابد. زاویه دید 15 درجه در جایی تعریف می‌شود که شدت به 50% از پیک خود می‌رسد. این اطلاعات برای طراحی نوری، تعیین گسترش پرتو و تلرانس‌های همترازی در یک سیستم حیاتی است.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 نقشه ابعاد پکیج

این قطعه مطابق با طرح کلی پکیج استاندارد LED گرد T-1 (5 میلی‌متری) است. ابعاد کلیدی شامل قطر کلی (معمولاً 5.0 میلی‌متر)، ارتفاع لنز و فاصله پایه‌ها (2.54 میلی‌متر یا 0.1 اینچ، که یک فاصله استاندارد سوراخ PCB است) می‌شود. نقشه پایه‌های آند و کاتد را مشخص می‌کند، که پایه بلندتر معمولاً آند است. تمام تلرانس‌های نامشخص ±0.25 میلی‌متر است. مهندسان باید برای طراحی ردپای PCB و بررسی‌های فاصله مکانیکی به این نقشه مراجعه کنند.

5.2 شناسایی قطبیت

این قطعه از قرارداد استاندارد قطبیت LED استفاده می‌کند: پایه بلندتر آند (+) و پایه کوتاه‌تر کاتد (-) است. پکیج ممکن است یک طرف صاف نیز در لبه نزدیک پایه کاتد داشته باشد. قطبیت صحیح برای عملکرد ضروری است؛ بایاس معکوس بیش از 5 ولت می‌تواند به قطعه آسیب برساند.

6. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح برای حفظ قابلیت اطمینان و عملکرد قطعه حیاتی است.

6.1 شکل‌دهی پایه‌ها

• خم‌کردن باید حداقل در فاصله 3 میلی‌متری از پایه حباب اپوکسی انجام شود تا از تنش بر روی دی داخلی و اتصالات سیمی جلوگیری شود.
• شکل‌دهی همیشه باید قبل از فرآیند لحیم‌کاری انجام شود.
• تنش مکانیکی روی پکیج در حین شکل‌دهی باید به حداقل برسد تا از ترک‌خوردگی یا آسیب داخلی جلوگیری شود.
• همترازی سوراخ‌های PCB باید دقیق باشد تا از تنش نصب جلوگیری شود.

6.2 شرایط نگهداری

محیط نگهداری توصیه شده در دمای 30 درجه سلسیوس یا کمتر و رطوبت نسبی (RH) 70% است. عمر مفید تحت این شرایط 3 ماه از زمان حمل است. برای نگهداری طولانی‌تر (تا یک سال)، قطعات باید در یک ظرف دربسته با اتمسفر نیتروژن و ماده خشک‌کننده نگهداری شوند تا از جذب رطوبت که می‌تواند بر قابلیت لحیم‌کاری و قابلیت اطمینان تأثیر بگذارد، جلوگیری شود.

6.3 پارامترهای لحیم‌کاری

حداقل فاصله 3 میلی‌متر باید بین اتصال لحیم و حباب اپوکسی حفظ شود تا از آسیب حرارتی جلوگیری شود.

• لحیم‌کاری دستی:حداکثر دمای نوک هویه 300 درجه سلسیوس (برای هویه 30 وات)، حداکثر زمان لحیم‌کاری 3 ثانیه برای هر پایه.
• لحیم‌کاری موجی/غوطه‌وری:حداکثر دمای پیش‌گرم 100 درجه سلسیوس برای حداکثر 60 ثانیه. حداکثر دمای حمام لحیم 260 درجه سلسیوس، با زمان غوطه‌وری حداکثر 5 ثانیه.

دیتاشیت یک پروفیل دمای لحیم‌کاری توصیه شده ارائه می‌دهد و بر اهمیت کنترل نرخ افزایش دما، دمای پیک و نرخ خنک‌سازی برای جلوگیری از شوک حرارتی تأکید می‌کند. لحیم‌کاری (غوطه‌وری یا دستی) نباید بیش از یک بار انجام شود. پس از لحیم‌کاری، قطعه باید از لرزش محافظت شود تا به دمای اتاق برسد.

6.4 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری، فقط باید از الکل ایزوپروپیل در دمای اتاق استفاده شود، برای مدت زمان حداکثر یک دقیقه. تمیزکاری اولتراسونیک به شدت توصیه نمی‌شود زیرا ارتعاشات فرکانس بالا می‌تواند به ساختار داخلی LED آسیب برساند. در صورت نیاز مطلق، فرآیند باید قبلاً به دقت واجد شرایط شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 مشخصات بسته‌بندی

قطعات معمولاً در کیسه‌های ضد استاتیک بسته‌بندی می‌شوند تا از آسیب ناشی از تخلیه الکترواستاتیک (ESD) جلوگیری شود. یک پیکربندی رایج بسته‌بندی عبارت است از: 200-500 قطعه در هر کیسه، 5 کیسه در یک کارتن داخلی و 10 کارتن داخلی در یک کارتن اصلی (خارجی).

7.2 مشخصات فرم برچسب

برچسب روی بسته‌بندی حاوی اطلاعات حیاتی برای ردیابی و کاربرد صحیح است:

• P/N:شماره محصول (HIR323C).
• CAT:رتبه شدت تابشی (یعنی کد بین: P، Q یا R).
• LOT No:شماره دسته برای ردیابی ساخت.
• کدهای دیگر ممکن است شامل شماره قطعه مشتری (CPN)، مقدار (QTY) و کدهای تاریخ باشد.

8. پیشنهادات کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی معمول

• کنترل‌های از راه دور مادون قرمز:برای تلویزیون‌ها، سیستم‌های صوتی و سایر لوازم الکترونیکی مصرفی.
• تشخیص شیء/مجاورت:در لوازم خانگی، دستگاه‌های فروش خودکار و تجهیزات صنعتی برای تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء.
• سوئیچ‌ها و انکودرهای نوری:جایی که قطع یا انعکاس یک پرتو مادون قرمز نشان‌دهنده موقعیت یا حرکت است.
• سیستم‌های امنیتی:به عنوان بخشی از پرتوهای تشخیص نفوذ مادون قرمز.
• انتقال داده:برای پیوندهای داده سریال سیمپلکس برد کوتاه (سیستم‌های سازگار با IrDA ممکن است به قطعات خاصی نیاز داشته باشند).

8.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان:LED یک قطعه جریان‌محور است. همیشه از یک مقاومت سری یا درایور جریان ثابت برای تنظیم جریان پیشروی (IF) به مقدار مورد نظر استفاده کنید، که از ولتاژ تغذیه (Vcc)، ولتاژ پیشروی LED (VF) و جریان مورد نظر محاسبه می‌شود: R = (Vcc - VF) / IF.
• مدیریت حرارت:برای کارکرد پیوسته در جریان‌های بالاتر یا در دمای محیط بالا، منحنی کاهش رتبه را در نظر بگیرید. اطمینان حاصل کنید که مساحت کافی مس روی PCB یا روش‌های دیگر برای هدایت گرما از پایه‌های LED وجود دارد.
• همترازی نوری:زاویه دید باریک 15 درجه‌ای نیاز به همترازی مکانیکی دقیق بین فرستنده و گیرنده برای حداکثر قدرت سیگنال دارد.
• مصونیت در برابر نور محیط:برای سیستم‌هایی که در محیط‌های با نور محیط متغیر (مانند نور خورشید) کار می‌کنند، مدولاسیون سیگنال مادون قرمز در یک فرکانس خاص و استفاده از گیرنده‌ای که به آن فرکانس تنظیم شده است را برای رد نویز پس‌زمینه در نظر بگیرید.

9. مقایسه و تمایز فنی

در حالی که بسیاری از LEDهای مادون قرمز 5 میلی‌متری وجود دارند، HIR323C از طریق ترکیبی از پارامترها خود را متمایز می‌کند. شدت تابشی معمول بالای آن (30 mW/sr در 20mA) آن را در رده عملکرد بالاتر برای اندازه پکیج خود قرار می‌دهد. ولتاژ پیشروی معمول بسیار پایین (1.45V) کارایی انرژی را افزایش می‌دهد، که به ویژه در کاربردهای مبتنی بر باتری ارزشمند است. تطبیق خاص با آشکارسازهای نوری سیلیکونی و انطباق با استانداردهای سختگیرانه زیست‌محیطی (بدون هالوژن، REACH) آن را به انتخابی مناسب برای طراحی‌های مدرن و زیست‌آگاهانه‌ای تبدیل می‌کند که به عملکرد قابل اعتماد و بلندمدت نیاز دارند.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

سوال 1: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پین میکروکنترلر 3.3V یا 5V راه‌اندازی کنم؟

پاسخ: خیر. جریان یک LED باید محدود شود. اتصال مستقیم آن به یک منبع ولتاژ با امپدانس پایین مانند پین MCU باعث جریان بیش از حد می‌شود که ممکن است هم LED و هم خروجی MCU را از بین ببرد. همیشه از یک مقاومت محدودکننده جریان یا مدار درایور استفاده کنید.

سوال 2: تفاوت بین بین‌های P، Q و R چیست؟

پاسخ: آن‌ها سطوح حداقل تضمین شده مختلفی از خروجی تابشی را نشان می‌دهند. بین R بالاترین حداقل خروجی (30 mW/sr) را دارد، پس از آن Q (21 mW/sr) و سپس P (15 mW/sr). بر اساس قدرت سیگنال مورد نیاز و حاشیه پیوند در کاربرد خود انتخاب کنید.

سوال 3: دیتاشیت جریان پیشروی پیک 1A را نشان می‌دهد. آیا می‌توانم از این برای کاربردهای پالسی با توان بالا استفاده کنم؟

پاسخ: بله، اما فقط تحت شرایط سخت ذکر شده: عرض پالس باید 100 میکروثانیه یا کمتر باشد، و چرخه کاری باید 1% یا کمتر باشد (مثلاً یک پالس 100μs هر 10ms). این به LED اجازه می‌دهد تا توان لحظه‌ای بالا را بدون گرمای بیش از حد تحمل کند.

سوال 4: چرا شرایط نگهداری و عمر مفید مهم است؟

پاسخ: قطعات الکترونیکی با پکیج پلاستیکی می‌توانند رطوبت را از اتمسفر جذب کنند. در طی فرآیند لحیم‌کاری با دمای بالا، این رطوبت محبوس شده می‌تواند به سرعت منبسط شود و باعث جدایش داخلی یا \"پاپ کورن شدن\" شود که پکیج را ترک داده و قطعه را از بین می‌برد. رعایت دستورالعمل‌های نگهداری و در صورت لزوم پخت قطعات برای تولید با بازده بالا حیاتی است.

11. مورد عملی طراحی و استفاده

مورد: طراحی یک سنسور ساده تشخیص شیء.

یک استفاده رایج، سنسور شکست پرتو است. HIR323C در یک طرف مسیر قرار می‌گیرد و یک فوتوترانزیستور (مطابق با 850nm) مستقیماً در مقابل آن قرار می‌گیرد. یک میکروکنترلر LED را از طریق یک مقاومت 100Ω از منبع تغذیه 5V راه‌اندازی می‌کند که منجر به جریان پیشروی تقریبی (5V - 1.45V)/100Ω = 35.5mA می‌شود. LED با فرکانس 1kHz و چرخه کاری 50% پالس می‌شود تا انرژی صرفه‌جویی شود و امکان رد نور محیط از طریق تشخیص همزمان در میکروکنترلر فراهم شود. خروجی فوتوترانزیستور توسط ADC میکروکنترلر خوانده می‌شود. هنگامی که یک شیء پرتو را قطع می‌کند، مقدار خوانده شده ADC کاهش می‌یابد و یک عمل را فعال می‌کند. زاویه دید باریک 15 درجه‌ای HIR323C به ایجاد یک منطقه سنجش به خوبی تعریف شده کمک می‌کند و باعث کاهش فعال‌سازی‌های نادرست از اشیایی می‌شود که از نزدیک عبور می‌کنند اما از پرتو نمی‌گذرند.

12. معرفی اصل

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است که هنگام بایاس مستقیم نور ساطع می‌کند. هنگامی که جریان الکتریکی از آند (ماده نوع p) به کاتد (ماده نوع n) جریان می‌یابد، الکترون‌ها با حفره‌ها در ناحیه پیوند بازترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. طول موج نور ساطع شده توسط گاف انرژی ماده نیمه‌هادی تعیین می‌شود. برای HIR323C، سیستم ماده GaAlAs دارای گاف انرژی متناظر با فوتون‌ها در ناحیه مادون قرمز نزدیک حدود 850 نانومتر است. لنز اپوکسی شفاف آبی برای این طول موج شفاف است و برای تولید الگوی تابش مطلوب (زاویه دید) شکل داده شده است.

13. روندهای توسعه

روند در فناوری فرستنده مادون قرمز به سمت کارایی بالاتر (توان خروجی نوری بیشتر در هر وات ورودی الکتریکی) ادامه دارد، که امکان برد بیشتر، مصرف انرژی کمتر یا هر دو را فراهم می‌کند. همچنین حرکت به سمت کوچک‌سازی وجود دارد، با پکیج‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) که نسبت به انواع سوراخ‌دار مانند T-1 برای مونتاژ خودکار رایج‌تر می‌شوند. یکپارچه‌سازی روند دیگری است، با ماژول‌های ترکیبی فرستنده-سنسور و سنسورهای هوشمند با پردازش سیگنال داخلی که رایج می‌شوند. علاوه بر این، پایبندی و فراتر رفتن از مقررات زیست‌محیطی (مانند الزامات بدون هالوژن) همچنان یک تمرکز کلیدی برای تولیدکنندگان قطعاتی است که به بازارهای جهانی خدمت می‌کنند. در حالی که استاندارد 850nm به دلیل پاسخ خوب سنسور سیلیکونی و هزینه کم محبوب باقی مانده است، طول موج‌های دیگر مانند 940nm برای کاربردهایی که قابلیت مشاهده درخشش قرمز کم‌رنگ (موجود در برخی LEDهای 850nm) نامطلوب است، در حال جذب توجه هستند.