دیتاشیت LED مادون قرمز پرتوان HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR - ابعاد 5.0x5.0x1.9mm - طول موج 850nm - ولتاژ 3.1V - توان 3W - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز پرتوان است که برای کاربردهای روشنایی پرچالش طراحی شده است. این قطعه در یک پکیج کوچک نصب سطحی (SMD) با پوشش سیلیکونی شفاف و یک لنز گنبدی کروی قرار دارد که استخراج نور و الگوی تابش را بهینه می‌کند. خروجی طیفی این قطعه بر روی طول موج 850 نانومتر متمرکز است که آن را به طور ایده‌آل با فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی برای سیستم‌های سنجش و تصویربرداری هماهنگ می‌کند. مزایای اصلی آن شامل خروجی تابشی بالا در ابعاد فشرده، ویژگی‌های مدیریت حرارتی عالی و مطابقت با استانداردهای مدرن زیست‌محیطی و ایمنی مانند RoHS، REACH و الزامات بدون هالوژن است.

1.1 کاربردهای هدف

این LED مادون قرمز عمدتاً برای کاربردهایی که نیاز به روشنایی قوی و نامرئی دارند، هدف‌گیری شده است. حوزه‌های کلیدی کاربرد آن شامل سیستم‌های نظارتی و امنیتی است که در آن‌ها برای تأمین روشنایی شبانه دوربین‌های CCD استفاده می‌شود. همچنین برای سیستم‌های مختلف مبتنی بر مادون قرمز مانند سنسورهای مجاورتی، ماژول‌های تشخیص حرکات و بینایی ماشین صنعتی مناسب است. توان تابشی بالا امکان روشنایی در برد بیشتر یا پوشش مناطق وسیع‌تر را در مقایسه با LEDهای مادون قرمز استاندارد فراهم می‌کند.

2. مشخصات فنی و تفسیر عینی

عملکرد این قطعه تحت شرایط آزمایش استاندارد (T_A=25°C) تعریف شده است. یک تحلیل دقیق و عینی از پارامترهای کلیدی آن در زیر ارائه شده است.

2.1 محدوده‌های مطلق حداکثر

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر برای عملکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند.

• جریان مستقیم پیوسته (I_F): 1500 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور نامحدود اعمال کرد بدون آنکه از حد دمای اتصال فراتر رود.
• جریان مستقیم پیک (I_FP): 5000 میلی‌آمپر. این جریان بالا تنها تحت شرایط پالسی (عرض پالس ≤100 میکروثانیه، چرخه کاری ≤1%) مجاز است و برای روشنایی با شدت بالا در زمان کوتاه مفید است.
• ولتاژ معکوس (V_R): 5 ولت. تجاوز از این ولتاژ در بایاس معکوس می‌تواند باعث شکست اتصال شود.
• دمای اتصال (T_j): 115 درجه سانتی‌گراد. حداکثر دمای مجاز در اتصال نیمه‌هادی.
• توان اتلافی (P_d): 3 وات در I_F=700mA. این نشان‌دهنده توانایی قطعه در تحمل تولید حرارت در یک نقطه کاری خاص است.

2.2 ویژگی‌های الکترواپتیکی

این پارامترها خروجی نور و رفتار الکتریکی را تحت شرایط کاری معمول تعریف می‌کنند.

• توان تابشی کل (P_o): توان نوری ساطع شده در تمام جهات. در جریان درایو 1 آمپر، مقدار معمول از 900 میلی‌وات تا 1100 میلی‌وات متغیر است که نشان‌دهنده بازدهی بالا است.
• شدت تابشی (I_E): توان نوری در هر زاویه فضایی، بر حسب mW/sr اندازه‌گیری می‌شود. در 1 آمپر، معمولاً بین 230 تا 270 mW/sr است. این معیار برای کاربردهای پرتو هدایت‌شده مرتبط است.
• طول موج پیک (λ_P): 850 نانومتر. این طول موجی است که در آن خروجی طیفی قوی‌ترین است و کاملاً با حساسیت پیک آشکارسازهای مبتنی بر سیلیکون هماهنگ است.
• پهنای باند طیفی (Δλ): 25 نانومتر. این محدوده طول‌موج‌های ساطع شده را تعریف می‌کند، که معمولاً عرض کامل در نصف بیشینه (FWHM) است.
• ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً 3.10 ولت در 1 آمپر. این افت ولتاژ در سراسر LED هنگام کار است که برای طراحی درایور و محاسبات اتلاف توان حیاتی است.
• زاویه دید (2θ_1/2): 150 درجه. این زاویه دید بسیار باز، روشنایی گسترده و پخش‌شده را فراهم می‌کند نه یک نقطه‌ای باریک، که برای پوشش منطقه‌ای ایده‌آل است.

2.3 ویژگی‌های حرارتی

مدیریت حرارتی مؤثر برای LEDهای پرتوان جهت حفظ عملکرد و طول عمر حیاتی است.

• مقاومت حرارتی (R_th(j-L)): 18 K/W (اتصال به فریم سربی). این مقدار کم نشان‌دهنده انتقال حرارت داخلی خوب از تراشه به پایه‌های پکیج است، اما برای کار در جریان‌های بالا، استفاده از هیت‌سینک خارجی به شدت توصیه می‌شود.

3. توضیح سیستم باینینگ

این قطعه بر اساس خروجی توان تابشی آن در جریان آزمایش استاندارد 1000 میلی‌آمپر دسته‌بندی (باینینگ) می‌شود. این امر ثبات در عملکرد کاربردی را تضمین می‌کند.

• باین F: توان تابشی از 640 میلی‌وات تا 1000 میلی‌وات.
• باین G: توان تابشی از 800 میلی‌وات تا 1260 میلی‌وات.
• باین H: توان تابشی از 1000 میلی‌وات تا 1600 میلی‌وات.

کد باین به طراحان اجازه می‌دهد LEDهایی با حداقل خروجی تضمین‌شده برای نیازهای کاربردی خاص خود انتخاب کنند. تمام اندازه‌گیری‌ها شامل یک تلرانس آزمایش ±10% هستند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که برای درک رفتار قطعه تحت شرایط مختلف ضروری هستند.

4.1 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی IV)

این منحنی رابطه غیرخطی بین جریان و ولتاژ را نشان می‌دهد. برای طراحی مدار محدودکننده جریان ضروری است. منحنی یک ولتاژ آستانه (حدود 1.2 ولت برای GaAlAs) را نشان می‌دهد که پس از آن جریان با افزایش کمی در ولتاژ به سرعت افزایش می‌یابد.

4.2 جریان مستقیم در مقابل شدت تابشی/توان

این منحنی‌ها وابستگی خروجی نور به جریان درایو را نشان می‌دهند. معمولاً خروجی در جریان‌های پایین به صورت فوق‌خطی افزایش می‌یابد و سپس در جریان‌های بالاتر به دلیل اثرات حرارتی و افت بازدهی تمایل به اشباع دارد. منحنی‌های ارائه شده برای این قطعه در 350mA، 700mA و 1A این روند را نشان می‌دهند.

4.3 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی، زاویه دید 150 درجه‌ای را به تصویر می‌کشد. این نمودار الگوی تابش را نشان می‌دهد که به دلیل لنز کروی تقریباً لامبرتی (توزیع کسینوسی) است و روشنایی یکنواختی را در یک منطقه وسیع فراهم می‌کند.

4.4 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

این نمودار برای کاهش رتبه (درریتینگ) حیاتی است. نشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان مستقیم مجاز باید با افزایش دمای محیط کاهش یابد تا از تجاوز دمای اتصال از حد 115 درجه سانتی‌گراد آن جلوگیری شود. این منحنی مستقیماً طراحی حرارتی و الزامات هیت‌سینک را مشخص می‌کند.

5. اطلاعات مکانیکی و پکیج

5.1 ابعاد پکیج

این قطعه در یک پکیج فشرده SMD با ابعاد 5.0mm x 5.0mm و ارتفاع 1.9mm قرار دارد. لنز آن یک گنبد کروی برجسته است. تلرانس‌های ابعادی حیاتی ±0.1mm هستند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. یک هشدار خاص داده شده است که قطعه را از طریق لنز آن جابجا نکنید، زیرا تنش مکانیکی می‌تواند باعث خرابی شود.

5.2 پیکربندی پد و شناسایی قطبیت

پکیج دارای سه پد است: پد 1 (آند)، پد 2 (کاتد) و یک پد حرارتی مرکزی بزرگ (P). پد حرارتی برای انتقال حرارت از دی LED به برد مدار چاپی (PCB) حیاتی است. نمودار چیدمان پد به وضوح موقعیت آند و کاتد را برای اتصال الکتریکی صحیح نشان می‌دهد.

6. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

6.1 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

این قطعه برای فرآیندهای استاندارد ریفلو SMT بدون سرب مناسب است. پروفیل توصیه شده به شرح زیر است:

• نرخ افزایش دما: 2–3 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه
• پیش‌گرم: 150–200 درجه سانتی‌گراد به مدت 60–120 ثانیه
• زمان بالاتر از نقطه مایع (T_L=217°C): 60–90 ثانیه
• دمای پیک (T_P): 240 ±5 درجه سانتی‌گراد
• زمان در محدوده 5 درجه‌ای پیک: حداکثر 20 ثانیه
• نرخ کاهش دما: 3–5 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه

6.2 نکات حیاتی مونتاژ

• لحیم‌کاری ریفلو نباید بیش از دو بار انجام شود تا از تنش حرارتی بیش از حد روی پکیج و اتصالات سیمی جلوگیری شود.
• باید از تنش مکانیکی روی LED در حین گرمایش (مثلاً ناشی از خمش برد) اجتناب کرد.
• PCB نباید پس از لحیم‌کاری خم شود، زیرا این امر می‌تواند باعث ترک خوردن اتصالات لحیم یا خود پکیج LED شود.
• همانطور که در یادداشت‌ها پیشنهاد شده است، استفاده از هیت‌سینک کافی برای عملکرد قابل اطمینان در جریان‌های بالا اجباری است.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 مشخصات نوار و قرقره

قطعات بر روی نوار حامل و قرقره برای مونتاژ خودکار عرضه می‌شوند. هر قرقره حاوی 400 قطعه است. ابعاد دقیق نوار حامل و قرقره ارائه شده است تا سازگاری با تجهیزات Pick-and-Place تضمین شود.

7.2 بسته‌بندی حساس به رطوبت

محصول در یک کیسه آلومینیومی مقاوم در برابر رطوبت همراه با یک ماده خشک‌کن بسته‌بندی شده است تا در برابر رطوبت محیط در طول ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل محافظت شود، که یک روش استاندارد برای قطعات SMD است.

8. توصیه‌های کاربردی و ملاحظات طراحی

8.1 طراحی مدار درایور

به دلیل جریان مستقیم بالا (تا 1.5 آمپر پیوسته)، یک درایور جریان ثابت ضروری است. درایور باید قادر به تأمین جریان مورد نیاز باشد در حالی که افت ولتاژ مستقیم (تقریباً 3.1 ولت در 1 آمپر) را تحمل کند. رگولاتورهای سوئیچینگ اغلب به دلیل بازدهی در این سطوح توان نسبت به رگولاتورهای خطی ترجیح داده می‌شوند. طراحی درایور همچنین باید شامل محافظت حرارتی یا کاهش رتبه جریان بر اساس منحنی دمای محیط باشد.

8.2 طراحی مدیریت حرارتی

این حیاتی‌ترین جنبه استفاده از این LED پرتوان است. مقاومت حرارتی پایین اتصال به سرب (18K/W) تنها بخشی از سیستم است. مسیر حرارتی کل از اتصال به محیط (R_th(j-A)) باید به حداقل برسد. این شامل موارد زیر است:

• استفاده از یک PCB با آرایه‌ای از وایاهای حرارتی در زیر پد حرارتی که به صفحات مسی بزرگ یا یک لایه زمین داخلی متصل شده‌اند.
• احتمالاً نصب یک هیت‌سینک خارجی به PCB.
• اطمینان از جریان هوای خوب در کاربرد نهایی.
• در صورت لزوم استفاده از ماده رابط حرارتی.

هرگز نباید از حداکثر دمای اتصال 115 درجه سانتی‌گراد تجاوز کرد. منحنی کاهش رتبه (جریان مستقیم در مقابل دمای محیط) داده‌های لازم برای محاسبه عملکرد مورد نیاز هیت‌سینک را فراهم می‌کند.

8.3 طراحی اپتیکی

زاویه دید 150 درجه‌ای پوشش گسترده‌ای فراهم می‌کند. برای کاربردهایی که نیاز به پرتو متمرکزتر دارند، می‌توان از اپتیک ثانویه (لنزها یا بازتابنده‌ها) استفاده کرد. طول موج 850 نانومتر برای چشم انسان نامرئی است اما به راحتی توسط سنسورهای سیلیکونی و اکثر دوربین‌های CCD/CMOS قابل تشخیص است، که اغلب دارای یک فیلتر قطع مادون قرمز هستند که برای استفاده مؤثر باید حذف یا با فیلتری که 850 نانومتر را عبور می‌دهد جایگزین شود.

9. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز استاندارد 5 میلی‌متری یا 3 میلی‌متری ترو-هول، این قطعه خروجی تابشی به مراتب بالاتری (به اندازه یک مرتبه بزرگی یا بیشتر) در یک پکیج نصب سطحی ارائه می‌دهد که امکان طراحی‌های فشرده‌تر و مستحکم‌تر را فراهم می‌کند. تمایزدهنده‌های کلیدی آن ترکیب توان بالا (تا 3 وات اتلاف)، زاویه دید گسترده و پد حرارتی یکپارچه برای اتلاف حرارت مؤثر است - ویژگی‌ای که اغلب در LEDهای SMD کم‌توان وجود ندارد. استفاده از ماده تراشه GaAlAs برای ساطع‌کننده‌های مادون قرمز با بازدهی بالا در این محدوده طول موج استاندارد است.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

10.1 تفاوت بین توان تابشی و شدت تابشی چیست؟

توان تابشی (P_o, بر حسب mW) کل توان نوری ساطع شده در تمام جهات است. شدت تابشی (I_E, بر حسب mW/sr) توان ساطع شده در هر واحد زاویه فضایی در یک جهت خاص است. برای یک LED با زاویه باز مانند این، توان کل بالا است، اما شدت در هر جهت واحد کمتر از یک LED با پرتو باریک با همان توان کل است.

10.2 آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از یک منبع ولتاژ راه‌اندازی کنم؟

خیر. LEDها قطعات جریان‌محور هستند. ولتاژ مستقیم آن‌ها دارای تلرانس است و با دما تغییر می‌کند. اتصال مستقیم به یک منبع ولتاژ باعث جریان کنترل‌نشده می‌شود که احتمالاً از حداکثر رتبه تجاوز کرده و LED را از بین می‌برد. یک درایور جریان ثابت یا یک مدار محدودکننده جریان اجباری است.

10.3 چرا بر روی هیت‌سینک تأکید زیادی شده است؟

LEDهای پرتوان بخش قابل توجهی از ورودی الکتریکی را به گرما تبدیل می‌کنند. اگر این گرما به طور مؤثر دفع نشود، دمای اتصال افزایش می‌یابد. دمای اتصال بالا منجر به کاهش خروجی نور (افت بازدهی)، تخریب سریع‌تر مواد نیمه‌هادی و در نهایت خرابی فاجعه‌بار می‌شود. طراحی حرارتی مناسب عملکرد، قابلیت اطمینان و طول عمر را تضمین می‌کند.

10.4 کد باین برای طراحی من چه معنایی دارد؟

انتخاب یک باین بالاتر (مثلاً باین H نسبت به باین F) حداقل خروجی تابشی بالاتر را تضمین می‌کند. این به شما امکان می‌دهد سیستم خود را با یک سطح روشنایی مشخص و تضمین‌شده طراحی کنید. اگر طراحی شما حاشیه کافی دارد، یک باین پایین‌تر ممکن است مقرون‌به‌صرفه‌تر باشد. اگر در حال فشار آوردن به محدوده روشنایی یا حساسیت دوربین هستید، یک باین بالاتر ضروری است.

11. مطالعه موردی طراحی و استفاده عملی

سناریو: طراحی یک روشنایی IR برای دوربین امنیتی

یک طراح نیاز دارد یک روشنایی IR فشرده و دیواری ایجاد کند تا برد دید در شب یک دوربین امنیتی را از 10 متر به 25 متر افزایش دهد. سنسور دوربین به 850 نانومتر حساس است. طراح LED مدل HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR را در باین H برای حداکثر خروجی انتخاب می‌کند.

مراحل طراحی:

1. طراحی الکتریکی: یک درایور سوئیچینگ جریان ثابت طراحی شده است تا 1000 میلی‌آمپر را از منبع DC 12 ولت به LED برساند. درایور شامل محافظت اضافه جریان و خاموش‌شدن حرارتی است.
2. طراحی حرارتی: از یک PCB دو لایه با وزن مس 2 اونس استفاده شده است. یک آرایه از وایاهای حرارتی، پد حرارتی LED را به یک صفحه مسی بزرگ در پایین متصل می‌کند که به عنوان هیت‌سینک عمل می‌کند. محفظه از آلومینیوم ساخته شده و PCB مستقیماً با استفاده از خمیر حرارتی به آن نصب شده است تا حرارت بیشتری دفع شود.
3. طراحی اپتیکی/مکانیکی: چهار LED به صورت مربعی روی PCB چیده شده‌اند. یک پنجره صاف و شفاف پلی‌کربنات از LEDها محافظت می‌کند. پرتو گسترده 150 درجه‌ای هر LED با هم همپوشانی دارند تا یک سیلاب یکنواخت از نور مادون قرمز ایجاد کنند که میدان دید دوربین را در برد مورد نظر پوشش دهد.
4. اعتبارسنجی: نمونه اولیه در یک اتاق تاریک آزمایش می‌شود. یک دوربین حرارتی تأیید می‌کند که دمای اتصال LEDها زیر 100 درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند. دوربین امنیتی با کنتراست واضح، اشیاء را در فاصله 25 متری با موفقیت شناسایی می‌کند.

این مورد، وابستگی متقابل طراحی درایور، مدیریت حرارتی و چیدمان اپتیکی هنگام استفاده از این قطعه پرتوان را برجسته می‌کند.

12. اصل عملکرد

HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR یک منبع نور نیمه‌هادی مبتنی بر ساختار ناهمگن گالیم آلومینیوم آرسناید (GaAlAs) است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم بیش از انرژی گاف نواری دیود اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها به ناحیه فعال تزریق می‌شوند و در آنجا بازترکیب می‌شوند. این فرآیند بازترکیب، انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کند. ترکیب خاص لایه‌های GaAlAs انرژی گاف نواری را تعیین می‌کند که به نوبه خود طول موج پیک فوتون‌های ساطع شده را تعریف می‌کند - در این مورد، 850 نانومتر، که در طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد. پوشش سیلیکونی شفاف از تراشه نیمه‌هادی محافظت می‌کند و به عنوان یک عنصر اپتیکی اولیه عمل می‌کند، که شکل کروی آن به استخراج کارآمد نور و شکل‌دهی الگوی تابش کمک می‌کند.

13. روندهای فناوری

حوزه LEDهای مادون قرمز پرتوان با چندین روند مشخص همچنان در حال تکامل است. همواره تلاش برای دستیابی به بازدهی بالاتر دیوار-پریز (توان نوری خروجی / توان الکتریکی ورودی) وجود دارد تا تولید گرما و مصرف انرژی برای همان خروجی نور کاهش یابد. این شامل پیشرفت‌هایی در تکنیک‌های رشد اپی‌تکسی و طراحی تراشه است. فناوری پکیج نیز در حال بهبود است تا مقاومت حرارتی پایین‌تری ارائه دهد و امکان استخراج حرارت بیشتر از تراشه را فراهم کند. علاوه بر این، یکپارچه‌سازی در حال افزایش است، به طوری که درایورها و گاهی حتی منطق کنترل ساده همراه با دی LED در یک پکیج قرار می‌گیرند تا ماژول‌های روشنایی هوشمندتر و آسان‌تر برای استفاده ایجاد شوند. تقاضا برای منابع مادون قرمز پرتوان و قابل اطمینان با گسترش کاربردها در لیدار خودرو، تشخیص چهره و اتوماسیون صنعتی پیشرفته پایدار است.