دیتاشیت فنی LED مادون قرمز پرتوان HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR - بسته‌بندی SMD - طول موج 850 نانومتر - ولتاژ 3.5 ولت - توان 3 وات

1. مرور محصول

HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز پرتوان است که برای کاربردهای سخت‌افزاری نیازمند روشنایی مادون قرمز قوی و کارآمد طراحی شده است. این قطعه در یک بسته‌بندی سطح‌نصب (SMD) فشرده قرار دارد که آن را برای فرآیندهای مونتاژ خودکار مناسب می‌سازد. قطعه با ماده سیلیکونی شفاف قالب‌گیری شده که دارای یک لنز کروی در بالا است و این به دستیابی به زاویه دید و پروفیل شدت تابش مشخص‌شده آن کمک می‌کند.

مزیت اصلی این LED در ترکیب اندازه کوچک و بازده خروجی نوری بالا نهفته است. این قطعه با استفاده از ماده چیپ GaAlAs (گالیوم آلومینیوم آرسناید) ساخته شده است که برای تابش در طیف مادون قرمز نزدیک بهینه‌سازی شده است. یک ویژگی کلیدی تطابق طیفی آن با فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی است که آن را به یک منبع نور ایده‌آل برای سیستم‌های سنجش و تصویربرداری که از این آشکارسازهای رایج مبتنی بر سیلیکون استفاده می‌کنند، تبدیل می‌کند. این امر حداکثر پاسخ‌دهی و نسبت سیگنال به نویز را در کاربرد هدف تضمین می‌کند.

بازارها و کاربردهای اصلی هدف شامل سیستم‌های نظارتی و امنیتی، به ویژه دوربین‌های مبتنی بر CCD برای دید در شب، و سیستم‌های مختلف کاربردی مادون قرمز مانند سنسورهای مجاورتی، اتوماسیون صنعتی و بینایی ماشین است. انطباق آن با استانداردهای زیست‌محیطی مانند RoHS، REACH و الزامات بدون هالوژن، آن را برای استفاده در محصولاتی با خواسته‌های نظارتی سخت مناسب می‌سازد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این قطعه برای جریان مستقیم پیوسته (I_F) 1500 میلی‌آمپر درجه‌بندی شده است. برای کار پالسی، می‌تواند جریان مستقیم پیک (I_FP) 5000 میلی‌آمپر را تحت شرایط خاص (عرض پالس ≤100μs، چرخه کاری ≤1%) تحمل کند. حداکثر ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت است که یک مقدار متداول برای LEDهاست و نشان می‌دهد که قطعه نباید تحت بایاس معکوس قابل توجهی قرار گیرد. محدوده دمای کار و نگهداری از 40- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس مشخص شده است، با حداکثر دمای اتصال (T_j) 125 درجه سلسیوس. تجاوز از این مقادیر ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

مقاومت حرارتی از اتصال به فریم سرب (R_th(j-L)) 18 کلوین بر وات است. این پارامتر برای مدیریت حرارتی حیاتی است. این پارامتر تعریف می‌کند که دمای اتصال به ازای هر وات توان اتلاف‌شده چقدر افزایش می‌یابد. با توان اتلاف مشخص‌شده (P_d) 3 وات در I_F=700mA، هیت‌سینک مؤثر برای حفظ دمای اتصال در محدوده ایمن، به ویژه در جریان‌های راه‌اندازی بالاتر، ضروری است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

پارامترهای نوری اولیه در دمای محیط استاندارد 25 درجه سلسیوس اندازه‌گیری می‌شوند. طول موج پیک (λ_p) 850 نانومتر است که در منطقه مادون قرمز نزدیک قرار دارد و برای چشم انسان نامرئی اما توسط سنسورهای سیلیکونی به شدت قابل تشخیص است. پهنای باند طیفی (Δλ) به طور معمول 25 نانومتر است که نشان‌دهنده خلوص طیفی نور ساطع‌شده است.

عملکرد تابشی با جریان راه‌اندازی مقیاس می‌پذیرد:

• در I_F=350 میلی‌آمپر: توان تابشی کل (P_o) 500 میلی‌وات (معمول)، شدت تابشی (I_E) 200 میلی‌وات بر استرادیان (معمول) است.
• در I_F=700 میلی‌آمپر: P_o 900 میلی‌وات (معمول)، I_E 400 میلی‌وات بر استرادیان (معمول) است.
• در I_F=1 آمپر: P_o 1300 میلی‌وات (معمول)، I_E 560 میلی‌وات بر استرادیان (معمول) است.

ولتاژ مستقیم (V_F) به دلیل مقاومت ذاتی دیود با جریان افزایش می‌یابد:

• 3.0 ولت (معمول) در 350 میلی‌آمپر.
• 3.3 ولت (معمول) در 700 میلی‌آمپر.
• 3.5 ولت (معمول) در 1 آمپر.
• 3.8 ولت (معمول) در 5 آمپر (پالسی).

جریان معکوس (I_R) حداکثر 10 میکروآمپر در V_R=5 ولت است. زاویه دید (2θ_1/2)، که به عنوان زاویه کامل در نصف شدت تعریف می‌شود، 90 درجه است که یک الگوی پرتو نسبتاً وسیع مناسب برای روشنایی منطقه‌ای فراهم می‌کند.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

این محصول از یک سیستم دسته‌بندی برای توان تابشی کل اندازه‌گیری شده در جریان راه‌اندازی 1000 میلی‌آمپر (1A) استفاده می‌کند. این سیستم LEDها را بر اساس خروجی نوری آن‌ها دسته‌بندی می‌کند تا ثبات در عملکرد کاربردی تضمین شود. کدهای دسته و محدوده‌های توان متناظر آن‌ها (شامل تلرانس تست ±10%) عبارتند از:

• دسته G:حداقل 800 میلی‌وات، حداکثر 1260 میلی‌وات.
• دسته H:حداقل 1000 میلی‌وات، حداکثر 1600 میلی‌وات.
• دسته I:حداقل 1260 میلی‌وات، حداکثر 2000 میلی‌وات.

این امر به طراحان اجازه می‌دهد تا قطعاتی را انتخاب کنند که حداقل نیازهای روشنایی خاص سیستم آن‌ها را برآورده می‌کنند. دیتاشیت برای این شماره قطعه خاص، دسته‌های جداگانه‌ای برای طول موج یا ولتاژ مستقیم نشان نمی‌دهد که نشان‌دهنده کنترل دقیق بر این پارامترها در فرآیند تولید است.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به چندین منحنی مشخصه معمولی اشاره می‌کند که برای درک رفتار قطعه تحت شرایط کاری مختلف حیاتی هستند.

جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (شکل 1):این منحنی IV رابطه نمونی معمول یک دیود را نشان می‌دهد. این منحنی برای طراحی مدار درایو جریان و محاسبه مصرف توان (V_F* I_F) ضروری است. منحنی با دما جابجا خواهد شد.

جریان مستقیم در مقابل شدت تابشی / توان کل (شکل 2 و شکل 3):این نمودارها خروجی نور را به عنوان تابعی از جریان درایو نشان می‌دهند. این رابطه به طور کلی در جریان‌های پایین خطی است اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا به دلیل اثرات حرارتی و الکتریکی نشانه‌هایی از افت بازده (افزایش زیرخطی) نشان دهد. این به انتخاب نقطه کاری بهینه برای تعادل بین خروجی و بازده/حرارت کمک می‌کند.

شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای (شکل 4):این نمودار قطبی الگوی تابش فضایی را تعریف می‌کند. زاویه دید 90 درجه در اینجا تأیید می‌شود. شکل منحنی (مثلاً لامبرتی، بال‌خفاشی) بر نحوه توزیع نور بر روی منطقه هدف تأثیر می‌گذارد.

جریان مستقیم در مقابل دمای محیط (شکل 5):این منحنی کاهش رتبه یکی از مهم‌ترین موارد برای قابلیت اطمینان است. این منحنی حداکثر جریان مستقیم مجاز را برای حفظ دمای اتصال زیر 125 درجه سلسیوس با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. در دمای محیط 100 درجه سلسیوس، جریان پیوسته مجاز به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این نمودار باید برای هر طراحی که در محیطی غیر از 25 درجه سلسیوس کار می‌کند استفاده شود.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد بسته‌بندی

LED در یک بسته‌بندی سطح‌نصب قرار دارد. ابعاد کلیدی از نقشه شامل اندازه بدنه، ارتفاع لنز و فاصله سرب‌ها است. تلرانس‌ها معمولاً ±0.1 میلی‌متر هستند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. یک نکته مهم در مورد جابجایی هشدار می‌دهد که نیرویی به لنز وارد نشود، زیرا این می‌تواند ساختار داخلی را آسیب دیده و منجر به خرابی قطعه شود. قطعه باید در حین مونتاژ از بدنه یا سرب‌های آن گرفته شود.

5.2 پیکربندی پد و قطبیت

این قطعه دارای سه پد الکتریکی است: پد 1 آند (+)، پد 2 کاتد (-) و پد P یک پد حرارتی اختصاصی است. پد حرارتی برای انتقال حرارت از اتصال LED به برد مدار چاپی (PCB) حیاتی است. برای عملکرد حرارتی و الکتریکی بهینه، طرح PCB باید شامل یک ناحیه مسی با اندازه مناسب متصل به این پد باشد، در صورت لزوم با وایاهای حرارتی به لایه‌های داخلی یا زیرین. اتصال صحیح قطبیت (آند به منبع مثبت) برای کارکرد الزامی است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

6.1 پروفیل ریفلو لحیم‌کاری

این قطعه برای فرآیندهای ریفلو استاندارد SMT مناسب است. یک پروفیل ریفلو بدون سرب ارائه شده است:

• نرخ افزایش دما:2~3 درجه سلسیوس بر ثانیه.
• پیش‌گرم:150~200 درجه سلسیوس به مدت 60~120 ثانیه.
• دمای مایع شدن (T_L):217 درجه سلسیوس.
• زمان بالای T_L: 60~90 ثانیه.
• دمای پیک (T_P):240 ±5 درجه سلسیوس.
• زمان در پیک (t_P):حداکثر 20 ثانیه.
• نرخ کاهش دما:3~5 درجه سلسیوس بر ثانیه.

توصیه می‌شود که لحیم‌کاری ریفلو بیش از دو بار انجام نشود تا تنش حرارتی روی بسته‌بندی و اتصالات داخلی به حداقل برسد. باید از اعمال تنش روی LED در حین گرمایش اجتناب شود و برد مدار پس از لحیم‌کاری خم نشود تا از آسیب مکانیکی به اتصالات لحیم یا خود LED جلوگیری شود.

6.2 شرایط نگهداری

این قطعه در بسته‌بندی مقاوم در برابر رطوبت ارسال می‌شود که شامل یک کیسه ضد رطوبت آلومینیومی با ماده خشک‌کن است. اگر بسته‌بندی باز شود، قطعات به جذب رطوبت حساس هستند و باید در زمان مشخصی استفاده شوند یا قبل از ریفلو طبق روش‌های استاندارد MSL (سطح حساسیت به رطوبت) پخت شوند تا از آسیب "پاپ کورن" در حین لحیم‌کاری جلوگیری شود. سطح خاص MSL در متن ارائه‌شده ذکر نشده است.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

این قطعه روی نوار حامل و قرقره برای مونتاژ خودکار Pick-and-Place عرضه می‌شود. هر قرقره حاوی 400 قطعه است. ابعاد نوار حامل برای اطمینان از سازگاری با تجهیزات فیدر ارائه شده است. برچسب بسته‌بندی شامل اطلاعات استانداردی مانند شماره قطعه (P/N)، تعداد (QTY) و شماره سری ساخت (LOT No.) برای ردیابی است. کد دسته برای توان تابشی (CAT) نیز در اینجا نشان داده می‌شود.

8. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

8.1 مدارهای کاربردی متداول

این LED مادون قرمز برای کارکرد پایدار به یک منبع جریان ثابت نیاز دارد، نه یک منبع ولتاژ ثابت. یک مقاومت سری ساده می‌تواند برای کاربردهای کم‌جریان استفاده شود، اما برای جریان‌های بالایی که این قطعه قادر به آن است، یک درایور IC اختصاصی LED یا تنظیم‌کننده جریان مبتنی بر ترانزیستور توصیه می‌شود تا خروجی نور ثابت تضمین شده و LED از پیک‌های جریان محافظت شود. درایور باید قادر به تأمین تا جریان مستقیم مورد نیاز و تحمل افت ولتاژ مستقیم باشد.

8.2 مدیریت حرارتی

این مهم‌ترین جنبه استفاده از این LED پرتوان است. دیتاشیت صراحتاً اضافه کردن یک هیت‌سینک را پیشنهاد می‌کند. طراحی PCB باید شامل یک پد حرارتی قابل توجه متصل به پد حرارتی LED با مساحت مسی کافی باشد. استفاده از وایاهای حرارتی برای هدایت گرما به لایه‌های دیگر PCB یا یک هیت‌سینک خارجی به شدت توصیه می‌شود. حداکثر دمای اتصال 125 درجه سلسیوس نباید تجاوز کند؛ بنابراین، محاسبات یا اندازه‌گیری‌های حرارتی باید بر اساس جریان کاری واقعی، دمای محیط و خواص حرارتی PCB انجام شود.

8.3 طراحی اپتیکی

برای کاربردهایی مانند روشنایی دوربین، ممکن است از اپتیک ثانویه (لنزها یا بازتابنده‌ها) برای موازی کردن یا شکل‌دهی به پرتو 90 درجه به یک الگوی متمرکزتر برای افزایش فاصله پرتاب یا بازده استفاده شود. لنز شفاف جذب حداقلی نور مادون قرمز را تضمین می‌کند. طراحان هنگام طراحی برای روشنایی در فاصله، باید شدت تابشی (میلی‌وات بر استرادیان) را به جای فقط توان کل در نظر بگیرند.

9. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز استاندارد 5 میلی‌متری یا 3 میلی‌متری ترو-هول، این قطعه SMD توان نوری به مراتب بالاتری (تا 1300+ میلی‌وات در مقابل ده‌ها میلی‌وات) در یک بسته‌بندی فشرده‌تر و قابل تولید ارائه می‌دهد. مقاومت حرارتی 18 کلوین بر وات آن برای یک LED SMD نسبتاً پایین است که نشان‌دهنده مسیر حرارتی خوبی است، اما همچنان در مقایسه با LEDهای نصب شده روی PCBهای با هسته فلزی یا دارای هیت‌سینک یکپارچه، نیاز به مدیریت دقیق دارد. طول موج 850 نانومتر یک استاندارد رایج است که تعادل خوبی بین حساسیت آشکارساز سیلیکونی و قابلیت دید کمتر در مقایسه با LEDهای 940 نانومتری (که تقریباً نامرئی هستند اما پاسخ سنسور کمتری تولید می‌کنند) ارائه می‌دهد.

10. پرسش‌های متداول (FAQ)

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

ج: احتمالاً بله، اما نیاز به محاسبه دقیق دارد. در 1 آمپر، V_F حدود 3.5 ولت است. یک مقاومت سری باید 1.5 ولت را در 1 آمپر کاهش دهد، به این معنی که R = 1.5 اهم و 1.5 وات اتلاف می‌کند. این ناکارآمد است و حرارت بیشتری ایجاد می‌کند. یک تنظیم‌کننده جریان اختصاصی برای جریان‌های بالای 350 میلی‌آمپر به شدت ترجیح داده می‌شود.

س: چرا هیت‌سینک ضروری است؟

ج: در 700 میلی‌آمپر، اتلاف توان تقریباً 3.3 ولت * 0.7 آمپر = 2.31 وات است. با مقاومت حرارتی 18 کلوین بر وات، اتصال 2.31 وات * 18 کلوین بر وات = حدود 41.6 درجه سلسیوس بالاتر از دمای سرب افزایش می‌یابد. اگر PCB/سرب خنک نشود، اتصال به راحتی می‌تواند از 125 درجه سلسیوس تجاوز کند که منجر به تخریب سریع یا خرابی می‌شود.

س: تفاوت بین توان تابشی کل (میلی‌وات) و شدت تابشی (میلی‌وات بر استرادیان) چیست؟

ج: توان تابشی کل، توان نوری یکپارچه‌شده ساطع‌شده در تمام جهات است. شدت تابشی، توان ساطع‌شده در هر واحد زاویه فضایی در یک جهت خاص (معمولاً روی محور) است. شدت برای کاربردهای جهت‌دار مرتبط‌تر است، در حالی که توان کل برای بازده کلی سیستم مهم است.

س: آیا این LED برای قرار گرفتن در معرض چشم ایمن است؟

ج: LEDهای مادون قرمز، به ویژه انواع پرتوان، می‌توانند برای چشم خطرناک باشند. آن‌ها تابش نامرئی ساطع می‌کنند که می‌تواند قبل از فعال شدن رفلکس پلک زدن، باعث آسیب شبکیه شود. همیشه استانداردهای ایمنی محصولات لیزر/مادون قرمز مربوطه (مانند IEC 62471) را رعایت کنید و در محصول نهایی محافظ‌های مناسب (پخش‌کننده‌ها، محفظه‌ها، محدودیت‌های شدت) را پیاده‌سازی کنید.

11. مطالعه موردی طراحی و کاربرد

سناریو: روشنایی دید در شب برای یک دوربین امنیتی.

یک طراح در حال ایجاد یک دوربین IP فشرده با قابلیت دید در شب با استفاده از یک سنسور تصویر مبتنی بر سیلیکون است. آن‌ها این LED 850 نانومتری را به دلیل خروجی بالا و تطابق طیفی انتخاب می‌کنند. چهار LED در اطراف لنز دوربین قرار می‌گیرند. هر کدام توسط یک درایور IC سوئیچینگ LED فشرده در 700 میلی‌آمپر راه‌اندازی می‌شوند تا خروجی پایدار با تغییر ولتاژ باتری تضمین شود. PCB یک برد 4 لایه است که صفحه زمین داخلی از طریق چندین وایای حرارتی به پد مسی بزرگ زیر هر LED برای پخش حرارت متصل شده است. یک فیلم پخش‌کننده ملایم روی LEDها قرار می‌گیرد تا پرتوها را ترکیب کرده و نقاط داغ در تصویر را کاهش دهد. طراحی حرارتی با یک دوربین حرارتی تأیید می‌شود و تأیید می‌کند که دمای بدنه LED در محیط 40 درجه سلسیوس زیر 85 درجه سلسیوس باقی می‌ماند و اتصال را به طور ایمن زیر حد خود نگه می‌دارد. سیستم حاصل، تصاویر واضح و یکنواخت روشن‌شده دید در شب تا 30 متر را فراهم می‌کند.

12. معرفی اصول فنی

LEDهای مادون قرمز بر اساس همان اصل اساسی LEDهای مرئی کار می‌کنند: الکترولومینسانس در یک اتصال p-n نیمه‌هادی. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها به منطقه فعال تزریق می‌شوند جایی که بازترکیب شده و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. طول موج (رنگ) نور ساطع‌شده توسط انرژی گاف باند ماده نیمه‌هادی تعیین می‌شود. GaAlAs (گالیوم آلومینیوم آرسناید) یک نیمه‌هادی مرکب است که گاف باند آن را می‌توان با تغییر محتوای آلومینیوم برای تابش در محدوده مادون قرمز نزدیک، به ویژه حدود 850 نانومتر تنظیم کرد. پوشش سیلیکونی شفاف برای این طول موج شفاف است و به شکل یک لنز برای شکل‌دهی به پرتو خروجی درآمده است. قابلیت پرتوان با استفاده از یک دی نیمه‌هادی بزرگتر و یک بسته‌بندی کارآمد طراحی‌شده برای استخراج حرارت به دست می‌آید.

13. روندهای فناوری

روند در LEDهای مادون قرمز، به ویژه برای سنجش و تصویربرداری، به سمت بازده بالاتر (توان تابشی بیشتر در هر وات الکتریکی) است که تولید حرارت و مصرف برق را کاهش می‌دهد. این امر از طریق پیشرفت‌ها در طراحی لایه اپیتاکسیال و تکنیک‌های استخراج نور حاصل می‌شود. همچنین حرکتی به سمت یکپارچه‌سازی بیشتر وجود دارد، مانند LEDهای دارای درایور داخلی یا ترکیب‌شده با آشکارسازهای نوری در یک بسته‌بندی واحد. طول موج‌هایی مانند 940 نانومتر برای روشنایی "مخفی" محبوبیت بیشتری پیدا می‌کنند زیرا نسبت به 850 نانومتر برای چشم انسان کمتر قابل مشاهده هستند، اگرچه به سنسورهایی با حساسیت بالاتر نیاز دارند. علاوه بر این، تلاش برای کوچک‌سازی ادامه دارد و باعث فشار برای توان بالا در بسته‌بندی‌های SMD حتی کوچک‌تر می‌شود که به نوبه خود اهمیت راه‌حل‌های مدیریت حرارتی پیشرفته در سطح PCB و سیستم را افزایش می‌دهد.