دیتاشیت LED مادون قرمز HIR-S06-P120/L649-P03/TR - طول موج 850 نانومتر - ولتاژ 3.45 ولت - جریان 1 آمپر - توان تابشی 890 میلی‌وات - بسته‌بندی SMD

1. مرور کلی محصول

HIR-S06-P120/L649-P03/TR یک دیود نورافشان پرتوان مادون قرمز (IR LED) است که برای کاربردهای نیازمند روشنایی قوی و کارآمد مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه یک دستگاه نصب‌سطحی (SMD) است که در یک بسته‌بندی فلت‌تاپ فشرده با لنز اپوکسی شفاف آبی (واتر کلیر) قرار دارد. عملکرد اصلی این قطعه، تابش نور مادون قرمز در طول موج اوج 850 نانومتر (nm) است که به‌طور بهینه با حساسیت طیفی آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون مانند فوتودیودها و فوتوترانزیستورها هماهنگ است. مزایای اصلی آن شامل خروجی تابشی بالا در ابعاد کوچک، مطابقت با مقررات زیست‌محیطی (RoHS، REACH، بدون هالوژن) و مناسب بودن برای فرآیندهای مونتاژ خودکار است.

1.1 ویژگی‌ها و کاربردهای کلیدی

این دستگاه با کارایی بالا و اندازه بسته‌بندی کوچک شناخته می‌شود. ویژگی‌های کلیدی شامل طول موج اوج (λp) 850 نانومتر، مناسب بودن برای لحیم‌کاری فناوری نصب سطحی (SMT) و مطابقت با استانداردهای بدون سرب، EU REACH و بدون هالوژن (Br < 900ppm، Cl < 900ppm، Br+Cl < 1500ppm) است. همچنین ولتاژ تحمل تخلیه الکترواستاتیک (ESD) آن 2 کیلوولت است. بازارها و کاربردهای اصلی هدف، سیستم‌هایی هستند که نیاز به روشنایی نامرئی برای تصویربرداری یا سنجش دارند. رایج‌ترین کاربرد، به عنوان منبع نور مادون قرمز برای دوربین‌های CCD است که روشنایی لازم برای دید در شب یا تصویربرداری در نور کم را فراهم می‌کند. همچنین برای سایر سیستم‌های کاربردی مادون قرمز مانند سیستم‌های امنیتی، بینایی ماشین، سنسورهای مجاورتی و سوئیچ‌های نوری مناسب است.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

این بخش یک تحلیل دقیق و عینی از ویژگی‌های الکتریکی، نوری و حرارتی دستگاه را همانطور که در دیتاشیت تعریف شده است، ارائه می‌دهد.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

مقادیر حداکثر مطلق، محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این مقادیر هرگز نباید در حین کارکرد تجاوز کنند. برای HIR-S06-P120/L649-P03/TR، محدودیت‌های کلیدی عبارتند از:

• جریان مستقیم پیوسته (IF):1000 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور پیوسته از LED عبور داد.
• ولتاژ معکوس (VR):5 ولت. اعمال ولتاژ معکوس بیش از این مقدار می‌تواند باعث شکست پیوند شود.
• دمای کارکرد (Topr):40- درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیطی که دستگاه برای عملکرد در آن طراحی شده است.
• دمای نگهداری (Tstg):40- درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد. محدوده دمایی برای نگهداری در حالت غیرفعال.
• دمای پیوند (Tj):115 درجه سانتی‌گراد. حداکثر دمای مجاز در خود پیوند نیمه‌هادی.
• توان اتلافی (Pd):3 وات در IF=700mA. این نشان‌دهنده حداکثر توانی است که بسته‌بندی می‌تواند تحت یک شرایط آزمایش خاص به صورت گرما دفع کند. دیتاشیت به صراحت توصیه می‌کند که یک هیت‌سینک به این دستگاه اضافه شود تا بار حرارتی به طور مؤثر مدیریت شده و از تجاوز از حد دمای پیوند جلوگیری شود.

2.2 ویژگی‌های الکترو-نوری

این پارامترها که در دمای محیط استاندارد 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری می‌شوند، عملکرد دستگاه را در شرایط کارکرد عادی تعریف می‌کنند. مقادیر معمولاً به صورت حداقل، معمول و حداکثر ارائه می‌شوند.

• توان تابشی کل (Po):این کل توان نوری ساطع شده توسط LED در تمام جهات است که بر حسب میلی‌وات (mW) اندازه‌گیری می‌شود. مقدار معمول با افزایش جریان درایو افزایش می‌یابد: 340 میلی‌وات در 350 میلی‌آمپر، 650 میلی‌وات در 700 میلی‌آمپر و 890 میلی‌وات در 1 آمپر. این نشان‌دهنده قابلیت پرتوان دستگاه است.
• شدت تابشی (Ie):بر حسب mW/sr (میلی‌وات بر استرادیان) اندازه‌گیری می‌شود، این توان نوری ساطع شده در هر واحد زاویه فضایی است. این معیاری از روشنایی LED در یک جهت خاص است. مقادیر معمول 115 mW/sr (350 میلی‌آمپر)، 220 mW/sr (700 میلی‌آمپر) و 290 mW/sr (1 آمپر) هستند.
• طول موج اوج (λp):850 نانومتر (معمول). این طول موجی است که در آن توان خروجی نوری در حداکثر خود است. 850 نانومتر یک طول موج رایج برای روشنایی مادون قرمز است زیرا برای چشم انسان نامرئی است اما توسط سنسورهای سیلیکونی و بسیاری از سنسورهای دوربین به خوبی تشخیص داده می‌شود.
• پهنای باند طیفی (Δλ):25 نانومتر (معمول). این محدوده طول‌موج‌های ساطع شده را تعریف می‌کند که معمولاً در نصف حداکثر توان (عرض کامل در نصف بیشینه - FWHM) اندازه‌گیری می‌شود. پهنای باند 25 نانومتر نشان‌دهنده یک خروجی طیفی نسبتاً باریک متمرکز حول 850 نانومتر است.
• ولتاژ مستقیم (VF):افت ولتاژ دو سر LED هنگامی که جریان در حال عبور است. با افزایش جریان افزایش می‌یابد: 3.10 ولت (350 میلی‌آمپر)، 3.25 ولت (700 میلی‌آمپر)، 3.45 ولت (1 آمپر). این برای طراحی مدار درایور حیاتی است.
• جریان معکوس (IR):حداکثر 10 میکروآمپر در VR=5V. این جریان نشتی کوچکی است که وقتی دستگاه در محدوده حداکثر مجاز خود بایاس معکوس شده است، جریان می‌یابد.
• زاویه دید (2θ1/2):120 درجه (معمول). این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار حداکثر خود (روی محور) کاهش می‌یابد. زاویه 120 درجه نشان‌دهنده یک الگوی پرتو بسیار گسترده است که برای روشنایی منطقه وسیع مناسب است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های عملکرد معمول اشاره می‌کند که برای درک رفتار دستگاه در شرایط غیراستاندارد ضروری هستند.

3.1 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی IV)

این نمودار (شکل 1) رابطه بین جریان عبوری از LED (IF) و ولتاژ دو سر آن (VF) را نشان می‌دهد. این رابطه غیرخطی است. منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا ولتاژ کارکرد را برای یک جریان درایو معین تعیین کنند، که برای انتخاب مقاومت محدودکننده جریان مناسب یا طراحی یک درایور جریان ثابت بسیار مهم است. ولتاژ دارای ضریب دمایی منفی خواهد بود، به این معنی که با افزایش دمای پیوند کمی کاهش می‌یابد.

3.2 جریان مستقیم در مقابل شدت تابشی / توان کل

این نمودارها (شکل 2 و شکل 3) خروجی نوری (چه شدت و چه توان کل) را در مقابل جریان مستقیم ترسیم می‌کنند. آنها معمولاً یک رابطه زیرخطی را نشان می‌دهند؛ خروجی نوری با جریان افزایش می‌یابد اما بازده (خروجی به ازای هر وات ورودی) ممکن است در جریان‌های بسیار بالا به دلیل افزایش اثرات حرارتی و افت (droop) کاهش یابد. تحلیل این منحنی‌ها به انتخاب نقطه کارکرد بهینه که بین توان خروجی، بازده و طول عمر دستگاه تعادل برقرار می‌کند، کمک می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد و نقشه بسته‌بندی

دستگاه در یک بسته‌بندی SMD ارائه می‌شود. نقشه‌های ابعادی طول، عرض، ارتفاع، فاصله پایه‌ها و هندسه لنز را به طور دقیق مشخص می‌کنند. نکات کلیدی از دیتاشیت: تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند، با تلرانس استاندارد ±0.1 میلی‌متر مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. یک هشدار مهم در مورد نحوه نگهداری ارائه شده است:دستگاه را از قسمت لنز نگه ندارید.اعمال نیرو به لنز می‌تواند باعث خرابی مکانیکی بسته‌بندی شود.

4.2 شناسایی قطبیت و الگوی مونتاژ

نقشه بسته‌بندی به وضوح پایه‌های کاتد و آند را نشان می‌دهد. قطبیت صحیح باید در حین طراحی PCB و مونتاژ رعایت شود. الگوی پد لحیم توصیه شده (لند پترن) معمولاً از ابعاد بسته‌بندی استخراج می‌شود تا اطمینان از لحیم‌کاری قابل اعتماد و استحکام مکانیکی حاصل شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

به عنوان یک دستگاه SMT، برای فرآیندهای لحیم‌کاری رفلو طراحی شده است. اگرچه پارامترهای مشخص پروفیل رفلو (پیش‌گرم، خیساندن، دمای اوج رفلو، زمان بالاتر از نقطه مایع) در این بخش جزئیات داده نشده است، اما به طور کلی از پروفیل‌های استاندارد برای قطعات مشابه با بسته‌بندی پلاستیکی پیروی می‌کنند، معمولاً با حداکثر دمایی که از 260 درجه سانتی‌گراد تجاوز نمی‌کند. مطابقت با استانداردهای بدون سرب و بدون هالوژن نشان‌دهنده مناسب بودن برای فرآیندهای تولید مدرن و سازگار با محیط زیست است. توصیه نگهداری با محدوده دمای کارکرد (40- تا +100 درجه سانتی‌گراد) هماهنگ است و دستگاه‌ها باید تا زمان استفاده در بسته‌بندی مقاوم در برابر رطوبت خود نگهداری شوند.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات ریل و نوار حامل

دستگاه بر روی نوار حامل داخل ریل‌ها برای مونتاژ خودکار پیک اند پلیس عرضه می‌شود. ابعاد نوار حامل مشخص شده است. هر ریل حاوی 2000 قطعه است. جهت باز کردن ریل نیز روی نقشه نشان داده شده است تا اطمینان از تنظیم صحیح ماشین حاصل شود.

6.2 بسته‌بندی مقاوم در برابر رطوبت

قطعات در کیسه‌های ضد رطوبت آلومینیومی حاوی ماده خشک‌کن برای کنترل رطوبت ارسال می‌شوند. برچسب روی کیسه حاوی اطلاعات کلیدی است. اگرچه فیلدهای خاص برچسب (مانند CPN، P/N، QTY، CAT، HUE، REF، LOT No.) فهرست شده‌اند، اما دیتاشیت اشاره می‌کند که به نظر می‌رسد شماره قطعه HIR-S06-P120/L649-P03/TR در این سند از سیستم باینینگ دقیقی برای شدت، طول موج یا ولتاژ استفاده نمی‌کند، زیرا تمام مقادیر معمول بدون کدهای رتبه‌بندی فهرست شده‌اند. محصول با شماره قطعه کامل آن شناسایی می‌شود.

7. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 سناریوهای کاربردی معمول

کاربرد اصلی، روشنایی برای دوربین‌های CCD/CMOS در شرایط نور کم یا بدون نور است که قابلیت دید در شب را در دوربین‌های امنیتی، سیستم‌های خودرویی و دستگاه‌های مصرفی فراهم می‌کند. سایر کاربردها شامل روشنایی فعال مادون قرمز برای تشخیص مجاورت و حضور، انکودرهای نوری، انتقال داده در فواصل کوتاه (کاربردهای مشابه IrDA) و شمارش یا مرتب‌سازی اشیا در اتوماسیون صنعتی است.

7.2 ملاحظات طراحی حیاتی

• مدیریت حرارتی:این امر برای یک LED پرتوان از اهمیت بالایی برخوردار است. دیتاشیت به صراحت استفاده از هیت‌سینک را توصیه می‌کند. طراحی PCB باید شامل وایاهای حرارتی کافی و مساحت مسی متصل به پد حرارتی LED (در صورت وجود) یا پایه‌ها برای هدایت گرما از پیوند دور باشد. تجاوز از Tj=115 درجه سانتی‌گراد به شدت طول عمر را کاهش داده و می‌تواند باعث خرابی فوری شود.
• مدار درایور:LEDها دستگاه‌های جریان‌محور هستند. استفاده از یک درایور جریان ثابت به شدت توصیه می‌شود تا خروجی نوری پایدار تضمین شده و از فرار حرارتی جلوگیری شود. درایور باید قادر به تأمین تا 1 آمپر باشد و در عین حال الزامات ولتاژ مستقیم را رعایت کند. باید حفاظت در برابر ولتاژ معکوس در نظر گرفته شود.
• طراحی نوری:زاویه دید گسترده 120 درجه پوشش وسیعی فراهم می‌کند. برای کاربردهایی که نیاز به پرتو متمرکزتر دارند، می‌توان از اپتیک ثانویه (لنزها) استفاده کرد. لنز شفاف آبی (واتر کلیر) برای طول موج 850 نانومتر مناسب است.
• حفاظت ESD:اگرچه برای ESD 2 کیلوولت درجه‌بندی شده است، اما باید احتیاط‌های استاندارد ESD در حین مونتاژ و یکپارچه‌سازی رعایت شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز کم‌توان استاندارد، تمایزدهنده کلیدی HIR-S06-P120/L649-P03/TR، خروجی تابشی بالای آن (تا 890 میلی‌وات) از یک بسته‌بندی SMD است. این امر امکان روشنایی درخشان‌تر یا توانایی روشن کردن مناطق بزرگ‌تر یا دستیابی به بردهای طولانی‌تر را فراهم می‌کند. طول موج 850 نانومتر یک استاندارد رایج است که تعادل خوبی بین پاسخ سنسور سیلیکونی و نامرئی بودن نسبی ارائه می‌دهد. در مقایسه با LEDهای 940 نانومتر، 850 نانومتر اغلب در توان بسیار بالا درخشش قرمز کمرنگی ایجاد می‌کند اما می‌تواند عملکرد بالاتری با بسیاری از سنسورهای مبتنی بر سیلیکون ارائه دهد. زاویه دید گسترده یک مزیت برای نورپردازی منطقه‌ای است اما اگر پرتو باریک مورد نیاز باشد، یک نقطه ضعف بالقوه است، که در آن یک دستگاه با زاویه دید باریک‌تر یا اپتیک ثانویه بهتر خواهد بود.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

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

ج: احتمالاً، اما محاسبه دقیق مورد نیاز است. در 1 آمپر و Vf=3.45 ولت، یک مقاومت سری (5V - 3.45V)/1A = 1.55 اهم خواهد بود که 1.55 وات اتلاف می‌کند. این روش ناکارآمد است و گرمای قابل توجهی در مقاومت ایجاد می‌کند. یک درایور جریان ثابت به شدت برای عملکرد و قابلیت اطمینان ترجیح داده می‌شود.

س: چرا استفاده از هیت‌سینک توصیه می‌شود حتی با اینکه دمای کارکرد تا 100 درجه سانتی‌گراد است؟

ج: درجه‌بندی 100 درجه سانتی‌گراد برای دمای هوای محیط (Ta) است. حد بحرانی، دمای پیوند (Tj) 115 درجه سانتی‌گراد است. توان اتلاف شده (تا حدود 3.45 وات در 1 آمپر)، پیوند را بالاتر از دمای محیط گرم می‌کند. یک هیت‌سینک مقاومت حرارتی بین پیوند و هوای محیط را کاهش می‌دهد و Tj را در توان بالا و/یا Ta بالا در محدوده مجاز نگه می‌دارد.

س: آیا این LED برای کارکرد پیوسته 24/7 مناسب است؟

ج: بله، به شرطی که مقادیر حداکثر مطلق تجاوز نشود و مدیریت حرارتی مناسب پیاده‌سازی شود. کارکرد در یا زیر شرایط معمول 700 میلی‌آمپر با یک هیت‌سینک خوب، یک نقطه طراحی محافظه‌کارانه و قابل اطمینان برای کارکرد پیوسته خواهد بود.

س: طول عمر معمول این دستگاه چقدر است؟

ج: طول عمر (که اغلب به عنوان نقطه‌ای تعریف می‌شود که خروجی نور به 70٪ مقدار اولیه کاهش می‌یابد) به شدت به شرایط کارکرد، به‌طور عملی دمای پیوند بستگی دارد. هنگامی که در محدوده مشخصات با خنک‌کنندگی کافی کار می‌کند، طول عمر ده‌ها هزار ساعت برای چنین LEDهایی معمول است.

10. مثال موردی کاربردی

مطالعه موردی طراحی: ماژول دوربین امنیتی دید در شب

یک طراح در حال ساخت یک ماژول دوربین امنیتی فشرده برای استفاده در فضای باز است. ماژول شامل یک سنسور CCD است و برای کارکرد در شب نیاز به روشنایی مادون قرمز دارد. HIR-S06-P120/L649-P03/TR به دلیل خروجی بالا و بسته‌بندی SMD انتخاب شده است. چهار LED به طور متقارن در اطراف لنز دوربین روی PCB چیده شده‌اند. یک درایور IC جریان ثابت اختصاصی، جریان 700 میلی‌آمپر را به هر LED می‌دهد. PCB با مساحت‌های مسی بزرگ طراحی شده است که از طریق چندین وایای حرارتی به پدهای LED متصل شده‌اند و کل محفظه دوربین به عنوان هیت‌سینک عمل می‌کند. پرتو گسترده 120 درجه‌ای هر LED همپوشانی می‌کند تا یک میدان روشنایی یکنواخت و منطقه‌ای وسیع مناسب برای میدان دید دوربین ایجاد کند. طول موج 850 نانومتر پاسخ خوب سنسور را تضمین می‌کند در حالی که عمدتاً نامرئی باقی می‌ماند.

11. اصل عملکرد

یک LED مادون قرمز یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ماده نوع n و حفره‌ها از ماده نوع p به ناحیه پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی آزاد می‌شود. در یک LED استاندارد، این انرژی به صورت فوتون (نور) آزاد می‌شود. طول موج خاص نور ساطع شده توسط انرژی گاف باند ماده نیمه‌هادی تعیین می‌شود. HIR-S06-P120/L649-P03/TR از یک چیپ گالیم آلومینیوم آرسناید (GaAlAs) استفاده می‌کند که دارای گاف باند متناظر با نور مادون قرمز در حدود 850 نانومتر است. لنز اپوکسی شفاف آبی (واتر کلیر) چیپ را محصور می‌کند، محافظت مکانیکی فراهم می‌کند و نور ساطع شده را به زاویه دید مشخص شده شکل می‌دهد.

12. روندها و زمینه فناوری

LEDهای پرتوان مادون قرمز یک فناوری بالغ اما در حال تکامل هستند. روندها شامل افزایش بازده دیواره‌ای (خروجی نور بیشتر به ازای هر وات الکتریکی) است که بار حرارتی را کاهش می‌دهد. همچنین تلاش به سمت چگالی توان بالاتر در بسته‌بندی‌های کوچک‌تر وجود دارد که بر راه‌حل‌های پیشرفته مدیریت حرارتی مانند اسلاگ‌های حرارتی یکپارچه یا طراحی‌های فلپ‌چیپ تأکید بیشتری می‌کند. تقاضا توسط رشد بازارهایی مانند خودرو (LiDAR، نظارت بر راننده)، امنیت و بینایی ماشین هدایت می‌شود. در حالی که 850 نانومتر به دلیل سازگاری با سنسورها یک طول موج غالب باقی می‌ماند، استفاده قابل توجهی از 940 نانومتر نیز برای کاربردهایی که نیاز به نامرئی بودن کامل (بدون درخشش قرمز) دارند، وجود دارد. ادغام LEDهای مادون قرمز با درایورها و سنسورها در ماژول‌های کامل، روند دیگری است که در حال انجام است و طراحی را برای کاربران نهایی ساده می‌کند.