مشخصات فنی LED مادون قرمز IR333C - بسته‌بندی 5mm T-1 - طول موج اوج 940nm - ولتاژ مستقیم 1.5V - مستندات فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

IR333C یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز با شدت بالا است که در یک بسته پلاستیکی شفاف استاندارد 5 میلی‌متری (T-1) قرار گرفته است. این قطعه برای تابش نور در طول موج اوج 940 نانومتر طراحی شده است که برای کاربردهای نیازمند منابع نور نامرئی ایده‌آل است. دستگاه از نظر طیفی با فوتوترانزیستورها، فوتودیودها و ماژول‌های گیرنده مادون قرمز سیلیکونی رایج هماهنگ است که عملکرد بهینه را در سیستم‌های انتقال سیگنال تضمین می‌کند.

مزایای کلیدی این قطعه شامل قابلیت اطمینان بالا، خروجی شدت تابش بالا و نیاز به ولتاژ مستقیم پایین است. فاصله پایه‌های 2.54 میلی‌متری آن را با بردهای بردبورد و PCB استاندارد سازگار می‌کند. این محصول همچنین به صورت بدون سرب و مطابق با استاندارد RoHS تولید می‌شود و از استانداردهای زیست‌محیطی مدرن پیروی می‌کند.

1.1 ویژگی‌های اصلی و بازار هدف

ویژگی‌های اصلی که IR333C را تعریف می‌کنند، مشخصات نوری و الکتریکی آن هستند که برای کاربردهای مادون قرمز بهینه شده‌اند. شدت تابش بالای آن که در 940 نانومتر به اوج می‌رسد، آن را برای ارتباطات نوری فضای آزاد بسیار کارآمد می‌سازد. ولتاژ مستقیم پایین، مصرف برق را کاهش می‌دهد که برای دستگاه‌های باتری‌خور حیاتی است.

کاربردهای هدف متنوع هستند و شامل موارد زیر می‌شوند:

• سیستم‌های انتقال هوای آزاد:برای پیوندهای داده بی‌سیم کوتاه‌برد استفاده می‌شود.
• واحدهای کنترل از راه دور مادون قرمز:به ویژه آن‌هایی که برای برد بیشتر یا عملکرد از میان موانع، نیاز به توان بالا دارند.
• دتکتورهای دود:در طراحی محفظه‌های نوری برای تشخیص ذرات دود به کار می‌روند.
• سیستم‌های کاربردی عمومی مادون قرمز:این شامل حس‌گری اشیاء، تشخیص مجاورت و اتوماسیون صنعتی می‌شود.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

درک کامل مشخصات دستگاه برای طراحی مدار مطمئن و یکپارچه‌سازی سیستم ضروری است.

2.1 حداکثر مقادیر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. هرگز نباید از این مقادیر تجاوز کرد، حتی به صورت لحظه‌ای.

• جریان مستقیم پیوسته (I_F):100 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان تحت شرایط مشخص شده به طور نامحدود از LED عبور داد.
• جریان مستقیم اوج (I_FP):1.0 آمپر. این جریان بالا تنها تحت شرایط پالسی (عرض پالس ≤ 100 میکروثانیه، چرخه وظیفه ≤ 1%) مجاز است. این برای دستیابی به خروجی تابشی لحظه‌ای بسیار بالا مفید است.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان در جهت معکوس اعمال کرد. تجاوز از این مقدار می‌تواند باعث شکست اتصال شود.
• اتلاف توان (P_d):150 میلی‌وات در دمای 25 درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر. این مقدار هم افت ولتاژ مستقیم و هم جریان را در نظر می‌گیرد. کارکرد بالاتر از این حد باعث گرمایش بیش از حد و کاهش عملکرد یا خرابی می‌شود.
• محدوده‌های دمایی:دمای کارکرد و ذخیره‌سازی از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد مشخص شده است که نشان‌دهنده مناسب بودن برای محیط‌های صنعتی و خودرویی است.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه. این برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو برای جلوگیری از آسیب بسته‌بندی حیاتی است.

2.2 مشخصات الکترو-نوری

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

• شدت تابشی (E_e):این توان نوری ساطع شده در واحد زاویه فضایی (mW/sr) است. مقدار معمول در I_F=20mA برابر با 15 mW/sr است. تحت شرایط پالسی I_F=100mA، به 60 mW/sr افزایش می‌یابد و در I_F=1A، به 450 mW/sr می‌رسد. این نشان‌دهنده افزایش قابل توجه در خروجی هنگام استفاده از درایو پالسی است.
• طول موج اوج (λ_p):940 نانومتر (معمول). این در طیف مادون قرمز نزدیک است، برای چشم انسان نامرئی اما به طور کارآمد توسط سنسورهای مبتنی بر سیلیکون تشخیص داده می‌شود.
• پهنای باند طیفی (Δλ):45 نانومتر (معمول). این محدوده طول‌موج‌های ساطع شده را که حول اوج متمرکز شده‌اند، تعریف می‌کند. پهنای باند باریک‌تر می‌تواند برای فیلتر کردن نویز نور محیط مفید باشد.
• ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.5 ولت در I_F=20mA، با حداکثر 1.85 ولت در I_F=100mA (پالسی). V_Fپایین یک مزیت کلیدی برای طراحی مدارهای کم‌ولتاژ است.
• جریان معکوس (I_R):حداکثر 10 میکروآمپر در V_R=5V. این جریان نشتی بسیار کم است.
• زاویه دید (2θ_1/2):20 درجه (معمول). این زاویه پرتو باریک، شدت تابشی را در یک پرتو جهت‌دار متمرکز می‌کند و برد مؤثر را برای کاربردهایی مانند کنترل از راه دور افزایش می‌دهد.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی

IR333C بر اساس شدت تابشی آن در جریان آزمایش استاندارد 20mA به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شود. این به طراحان اجازه می‌دهد تا قطعاتی با سطوح عملکرد حداقل تضمین شده برای کاربرد خود انتخاب کنند.

ساختار دسته‌بندی به شرح زیر است:

• دسته M:شدت تابشی بین 7.8 mW/sr (حداقل) و 12.5 mW/sr (حداکثر).
• دسته N:شدت تابشی بین 11.0 mW/sr (حداقل) و 17.6 mW/sr (حداکثر).
• دسته P:شدت تابشی بین 15.0 mW/sr (حداقل) و 24.0 mW/sr (حداکثر).
• دسته Q:شدت تابشی بین 21.0 mW/sr (حداقل) و 34.0 mW/sr (حداکثر).

برای کاربردهایی که نیاز به روشنایی یکنواخت یا برد بیشتر دارند، توصیه می‌شود دسته بالاتر (مانند P یا Q) مشخص شود. برچسب محصول شامل یک فیلد \"CAT\" برای نشان‌دادن رتبه است.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد پارامترها چگونه با شرایط کارکرد تغییر می‌کنند.

4.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط (شکل 1 و 8)

این منحنی‌ها رابطه بین حداکثر جریان مستقیم مجاز و دمای محیط را نشان می‌دهند. با افزایش دما، حداکثر جریان پیوسته مجاز به صورت خطی کاهش می‌یابد. این به دلیل کاهش قابلیت اتلاف توان در دماهای بالاتر است. طراحان باید جریان کارکرد را بر اساس حداکثر دمای محیط مورد انتظار کاهش دهند تا قابلیت اطمینان تضمین شود.

4.2 توزیع طیفی (شکل 2)

این نمودار شدت نسبی را در برابر طول موج ترسیم می‌کند. تابش اوج در 940 نانومتر را تأیید می‌کند و شکل و پهنای (تقریباً 45 نانومتر) طیف تابش را نشان می‌دهد. این برای انتخاب فیلترهای نوری مناسب در گیرنده مهم است.

4.3 طول موج اوج در مقابل دما (شکل 3)

طول موج تابش اوج یک ضریب دمایی جزئی دارد که معمولاً با افزایش دمای اتصال به سمت طول‌موج‌های بلندتر (انتقال به سرخ) جابجا می‌شود. این جابجایی معمولاً برای LEDهای مادون قرمز کوچک است اما باید در کاربردهای حس‌گری دقیق در نظر گرفته شود.

4.4 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (شکل 4)

این منحنی استاندارد I-V برای یک دیود است. رابطه نمایی را نشان می‌دهد. این منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا افت ولتاژ برای یک جریان درایو معین را تعیین کنند که برای محاسبه مقادیر مقاومت سری یا نیازمندی‌های مدار درایور ضروری است.

4.5 شدت نسبی در مقابل جریان مستقیم (شکل 5)

این منحنی نشان می‌دهد که خروجی تابشی در محدوده کارکرد معمول تقریباً با جریان مستقیم خطی است. با این حال، در جریان‌های بسیار بالا، بازده ممکن است به دلیل گرمایش و اثرات دیگر کاهش یابد.

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

این نمودار قطبی، زاویه دید را به صورت بصری تعریف می‌کند. شدت در 0 درجه (روی محور) بیشترین است و با افزایش زاویه کاهش می‌یابد و در حدود ±10 درجه (از این رو زاویه دید کامل 20 درجه) به نصف حداکثر مقدار خود می‌رسد.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

دستگاه از بسته استاندارد صنعتی 5mm T-1 استفاده می‌کند. فاصله پایه‌ها 2.54mm (0.1 اینچ) است که گام استاندارد برای بسیاری از بردهای نمونه‌سازی اولیه و طرح‌های PCB است. بسته از پلاستیک شفاف ساخته شده است که برای نور مادون قرمز 940nm شفاف است و تلفات نوری را به حداقل می‌رساند. کاتد معمولاً توسط یک لبه صاف روی حاشیه لنز پلاستیکی و/یا یک پایه کوتاه‌تر شناسایی می‌شود. نقشه مکانیکی دقیق در دیتاشیت تمام ابعاد بحرانی را با تلرانس‌ها ارائه می‌دهد که برای طراحی ردپای PCB و اطمینان از تناسب مناسب در محفظه‌ها یا لنزها ضروری است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

برای جلوگیری از آسیب در حین مونتاژ، باید شرایط لحیم‌کاری خاصی رعایت شود. حداکثر مقدار مطلق برای دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد است و زمان لحیم‌کاری نباید از 5 ثانیه تجاوز کند. این هم برای فرآیندهای لحیم‌کاری دستی و هم لحیم‌کاری موجی اعمال می‌شود. برای لحیم‌کاری ریفلو، پروفیلی که در 260 درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر به اوج می‌رسد، مورد نیاز است. قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض دمای بالا می‌تواند بسته اپوکسی را ترک دهد یا پیوندهای سیم داخلی را آسیب برساند. همچنین توصیه می‌شود قطعات در یک محیط خشک نگهداری شوند تا از جذب رطوبت جلوگیری شود که می‌تواند در حین ریفلو باعث \"ترکیدن\" شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

بسته‌بندی استاندارد برای IR333C به شرح زیر است: 500 قطعه در یک کیسه بسته‌بندی می‌شود، 5 کیسه در یک جعبه قرار می‌گیرد و 10 جعبه یک کارتن را تشکیل می‌دهد. این در مجموع 25000 قطعه در هر کارتن است. برچسب محصول شامل چندین فیلد کلیدی برای ردیابی و شناسایی است: CPN (شماره قطعه مشتری)، P/N (شماره قطعه سازنده)، QTY (تعداد)، CAT (رتبه شدت/دسته)، HUE (طول موج اوج)، REF (مرجع) و LOT No (شماره دسته).

8. پیشنهادات طراحی کاربرد

8.1 مدارهای کاربرد معمول

رایج‌ترین مدار درایو یک مقاومت سری ساده است. مقدار مقاومت (R_s) با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. به عنوان مثال، برای راه‌اندازی LED در 20mA از منبع تغذیه 5V با V_Fمعمول 1.5V: R_s= (5V - 1.5V) / 0.02A = 175Ω. یک مقاومت استاندارد 180Ω مناسب خواهد بود. برای کارکرد پالسی در جریان‌های بالا (مثلاً 1A)، یک سوئیچ ترانزیستور یا MOSFET لازم است که اغلب توسط یک میکروکنترلر راه‌اندازی می‌شود.

8.2 ملاحظات طراحی

• مدیریت حرارت:اگرچه بسته کوچک است، در جریان‌های پیوسته بالا، اتلاف توان (P_d= V_F* I_F) می‌تواند به حد 150mW نزدیک شود. اطمینان از تهویه کافی یا در نظر گرفتن استفاده از درایو پالسی برای کاهش توان متوسط.
• طراحی نوری:زاویه دید 20 درجه یک پرتو متمرکز ارائه می‌دهد. برای پوشش گسترده‌تر، ممکن است به یک لنز پخش‌کننده نیاز باشد. برعکس، برای کاربردهای برد بسیار طولانی، می‌توان از یک لنز کولیماتور ثانویه برای باریک‌تر کردن بیشتر پرتو استفاده کرد.
• هماهنگی گیرنده:همیشه IR333C را با یک گیرنده (فوتوترانزیستور، فوتودیود یا IC) که در ناحیه 940nm حساس است، جفت کنید. استفاده از یک فیلتر نوری که نور مرئی را مسدود می‌کند می‌تواند نسبت سیگنال به نویز را در نور محیط به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

9. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مرئی استاندارد یا سایر LEDهای مادون قرمز، تمایزدهنده‌های کلیدی IR333C ترکیب قابلیت خروجی پالسی بالا (450 mW/sr در 1A)، ولتاژ مستقیم پایین و زاویه پرتو باریک 20 درجه است. برخی از دستگاه‌های رقیب ممکن است زوایای دید گسترده‌تری برای پوشش وسیع‌تر ارائه دهند اما به قیمت کاهش شدت روی محور. طول موج 940nm یکی از رایج‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین‌ها است، با انتقال اتمسفری خوب و گزینه‌های گیرنده فراوان، در مقایسه با، به عنوان مثال، LEDهای 850nm که مقداری درخشش قرمز مرئی دارند.

10. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از یک پین میکروکنترلر راه‌اندازی کنم؟

ج: برای کارکرد پیوسته در 20mA، بررسی کنید که آیا پین GPIO میکروکنترلر شما می‌تواند چنین جریانی را تأمین یا جذب کند. بسیاری فقط می‌توانند 10-25mA را تحمل کنند. اغلب ایمن‌تر است که از یک ترانزیستور به عنوان سوئیچ استفاده کنید.

س: چرا شدت تابشی تحت شرایط پالسی بسیار بالاتر است؟

ج: پالس کردن جریان به شما اجازه می‌دهد LED را در جریان‌هایی بسیار بالاتر از رتبه DC آن بدون گرم کردن بیش از حد اتصال راه‌اندازی کنید. خروجی نور عمدتاً تابعی از جریان لحظه‌ای است، بنابراین پالس‌های کوتاه و با جریان بالا، فلاش‌های بسیار درخشانی تولید می‌کنند.

س: چگونه کاتد را شناسایی کنم؟

ج: به دنبال لبه صاف روی لنز پلاستیکی گرد باشید. پایه مجاور این لبه صاف، کاتد است. همچنین، پایه کاتد معمولاً از پایه آند کوتاه‌تر است.

س: آیا یک LED مادون قرمز مانند این برای چشم ایمن است؟

ج: اگرچه نامرئی است، تابش مادون قرمز همچنان می‌تواند توسط لنز چشم روی شبکیه متمرکز شود. برای کاربردهای با توان بالا، به ویژه با لنزها، محتاطانه است که از مشاهده مستقیم اجتناب کنید. اکثر کنترل‌های از راه دور مصرفی از توان متوسط بسیار پایینی استفاده می‌کنند و ایمن برای چشم در نظر گرفته می‌شوند.

11. مثال موردی عملی

سناریو: کنترل از راه دور مادون قرمز برد بلند برای بازکن درب.

یک طراح به یک کنترل از راه دور با برد 50 متر در نور روز نیاز دارد. آن‌ها IR333C را در دسته Q برای حداکثر شدت انتخاب می‌کنند. مدار از یک میکروکنترلر برای تولید سیگنال حامل 38kHz استفاده می‌کند که با کد داده مدوله دامنه می‌شود. از یک ترانزیستور NPN برای پالس کردن LED در 1A با چرخه وظیفه بسیار پایین (مثلاً 1%) استفاده می‌شود. یک لنز پلاستیکی ساده در جلوی LED اضافه می‌شود تا پرتو را کمی کولیمه کند. در سمت گیرنده، از یک ماژول گیرنده IR استاندارد 38kHz با فیلتر 940nm استفاده می‌شود. این طراحی از خروجی پالسی بالا و پرتو باریک LED بهره می‌برد تا برد مورد نیاز را با حفظ مصرف توان متوسط پایین برای عمر طولانی باتری محقق سازد.

12. معرفی اصل کارکرد

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n و حفره‌ها از ناحیه p به داخل پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی آزاد می‌کنند. در یک IR LED، ماده نیمه‌هادی (GaAlAs برای IR333C) به گونه‌ای انتخاب می‌شود که این انرژی عمدتاً به صورت فوتون در بخش مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی (حدود 940nm) آزاد شود. بسته اپوکسی شفاف به عنوان یک لنز عمل می‌کند و نور ساطع شده را به الگوی پرتو مشخصه خود شکل می‌دهد.

13. روندهای فناوری

روند در LEDهای مادون قرمز همچنان به سمت بازدهی بالاتر (خروجی تابشی بیشتر در هر وات ورودی الکتریکی) و چگالی توان بالاتر ادامه دارد. این امکان عمر باتری طولانی‌تر و بردهای عملیاتی بیشتر در دستگاه‌های قابل حمل را فراهم می‌کند. همچنین توسعه در منابع IR چند طول‌موجه و قابل تنظیم برای کاربردهای حس‌گری پیشرفته مانند تحلیل گاز و اندازه‌گیری طیف‌سنجی وجود دارد. یکپارچه‌سازی مدار درایور LED و حتی سنسور در ماژول‌های فشرده، روند رایج دیگری است که طراحی را برای کاربران نهایی ساده می‌کند. محرک اساسی برای استانداردهای RoHS و تولید سبز در سراسر صنعت همچنان قوی باقی مانده است.