دیتاشیت LED مادون قرمز 940 نانومتر - بسته‌بندی EIA - طول موج پیک 940 نانومتر - ولتاژ مستقیم 1.2 ولت - شدت تابشی 0.8 میلی‌وات بر استرادیان - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

این سند مشخصات یک قطعه گسیلنده گسسته مادون قرمز را به تفصیل شرح می‌دهد. این قطعه برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به تابش قابل اعتماد مادون قرمز دارند، مانند سیستم‌های کنترل از راه دور، انتقال داده بی‌سیم مادون قرمز و سیستم‌های هشدار امنیتی. این قطعه متعلق به یک خط تولید است که شامل انواع دیودهای گسیلنده مادون قرمز (IRED) و آشکارسازهای نوری می‌شود. ماده اصلی مورد استفاده گالیم آرسناید (GaAs) است که برای گسیل در طول موج پیک 940 نانومتر بهینه‌سازی شده است. این طول موج معمولاً در الکترونیک مصرفی استفاده می‌شود زیرا برای چشم انسان نامرئی است و عملکرد خوبی با گیرنده‌های مبتنی بر سیلیکون ارائه می‌دهد.

این قطعه در یک بسته‌بندی استاندارد EIA ارائه می‌شود که آن را با فرآیندهای مونتاژ خودکار سازگار می‌کند. این قطعه دارای یک لنز تخت شفاف با نمای بالا است که زاویه دید گسترده‌ای فراهم می‌کند. محصول مطابق با دستورالعمل‌های RoHS است و به عنوان یک محصول سبز طبقه‌بندی می‌شود.

1.1 ویژگی‌های کلیدی

• مطابق با استانداردهای RoHS و محصول سبز.
• طراحی با نمای بالا و لنز تخت شفاف.
• بسته‌بندی شده در نوار 8 میلی‌متری روی قرقره‌های 7 اینچی برای جایگذاری خودکار.
• سازگار با تجهیزات جایگذاری خودکار.
• مناسب برای فرآیندهای لحیم‌کاری بازجریانی مادون قرمز.
• الگوی پایه استاندارد بسته‌بندی EIA.
• طول موج پیک گسیل (λp) برابر با 940 نانومتر.
• سطح حساسیت رطوبت (MSL): سطح 3.

1.2 کاربردهای هدف

• استفاده اصلی به عنوان منبع گسیلنده مادون قرمز.
• ادغام در مجموعه‌های سنسور مادون قرمز نصب شده روی PCB.
• واحدهای کنترل از راه دور برای الکترونیک مصرفی (تلویزیون‌ها، سیستم‌های صوتی).
• پیوندهای داده بی‌سیم برد کوتاه.
• سنسورهای مجاورتی و تشخیص شیء.
• شکست پرتو در سیستم‌های امنیتی و هشدار.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی عمیق

بخش‌های زیر تحلیل مفصلی از پارامترهای کلیدی عملکرد دستگاه را که در دیتاشیت تعریف شده‌اند، ارائه می‌دهند. درک این پارامترها برای طراحی صحیح مدار و عملکرد قابل اعتماد حیاتی است.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد در این محدودیت‌ها یا زیر آن تضمین نمی‌شود و برای عملکرد بلندمدت قابل اعتماد باید از آن اجتناب کرد.

• اتلاف توان (Pd):100 میلی‌وات. این حداکثر توان کلی است که دستگاه می‌تواند به صورت گرما تلف کند. تجاوز از این حد خطر فرار حرارتی و خرابی را به همراه دارد.
• جریان مستقیم پیک (I_FP):500 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان مجاز تحت شرایط پالسی (300 پالس در ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه) است. این مقدار به طور قابل توجهی بالاتر از رتبه DC است و امکان پالس‌های با روشنایی بالا در کنترل‌های از راه دور را فراهم می‌کند.
• جریان مستقیم DC (I_F):50 میلی‌آمپر. حداکثر جریان مستقیم پیوسته. برای کارآمدترین و قابل اعتمادترین عملکرد، توصیه می‌شود جریان راه‌اندازی پایین‌تری (مثلاً 20 میلی‌آمپر همانطور که در شرایط آزمایش استفاده می‌شود) به کار رود.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان در جهت معکوس اعمال کرد. دستگاه برای کار معکوس طراحی نشده است و تجاوز از این مقدار می‌تواند باعث شکست شود.
• دمای کارکرد و ذخیره‌سازی:به ترتیب 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد و 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد. این محدوده‌ها شرایط محیطی برای کارکرد و عدم کارکرد را تعریف می‌کنند.
• شرایط لحیم‌کاری مادون قرمز:مقاومت در برابر 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 10 ثانیه. این برای تعریف پروفیل لحیم‌کاری بازجریانی حیاتی است.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

اینها پارامترهای عملکرد معمولی هستند که در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شده‌اند. آنها رفتار دستگاه را تحت شرایط کارکرد عادی تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (I_E):0.8 میلی‌وات بر استرادیان (معمولی) در I_F= 20 میلی‌آمپر. این توان نوری گسیل شده در هر واحد زاویه فضایی را اندازه‌گیری می‌کند. حداقل مقدار 0.42 میلی‌وات بر استرادیان است و تلرانس آزمایش ±15% است. این پارامتر مستقیماً بر برد مؤثر سیستم مادون قرمز تأثیر می‌گذارد.
• طول موج پیک گسیل (λ_پیک):940 نانومتر (معمولی). این طول موجی است که در آن توان نوری گسیل شده حداکثر است. باید با حساسیت پیک فوتودیود یا فوتوترانزیستور گیرنده مطابقت داشته باشد.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):50 نانومتر (معمولی). این نشان‌دهنده پهنای باند طیفی است که در آن شدت گسیل حداقل نصف مقدار پیک است. پهنای باند باریک‌تر می‌تواند برای فیلتر کردن نویز نور محیط مفید باشد.
• ولتاژ مستقیم (V_F):1.2 ولت (معمولی)، 1.6 ولت (حداکثر) در I_F= 20 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ در دو سر دیود هنگام هدایت است. برای محاسبه مقدار مقاومت سری ضروری است: R_سری= (V_منبع- V_F) / I_F.
• جریان معکوس (I_R):10 میکروآمپر (حداکثر) در V_R= 5 ولت. این جریان نشتی کوچک هنگامی است که دیود بایاس معکوس شده است.
• زاویه دید (2θ_1/2):150 درجه (معمولی). این زاویه کامل است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار روی محور می‌رسد. یک زاویه گسترده مانند این برای کاربردهایی که نیاز به پوشش وسیع دارند و نه یک پرتو متمرکز، مفید است.

3. تحلیل منحنی عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد پارامترهای کلیدی چگونه با شرایط کارکرد تغییر می‌کنند. اینها برای بهینه‌سازی طراحی بسیار ارزشمند هستند.

3.1 توزیع طیفی

منحنی توزیع طیفی (شکل 1) شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. پیک در 940 نانومتر و نیم‌عرض تقریبی 50 نانومتر را تأیید می‌کند و نمایش بصری از خلوص طیفی نور گسیل شده ارائه می‌دهد.

3.2 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط و ولتاژ مستقیم

شکل 2 نشان می‌دهد که حداکثر جریان مستقیم مجاز چگونه با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. این برای مدیریت حرارتی حیاتی است. شکل 3 منحنی استاندارد I-V (جریان-ولتاژ) است که رابطه نمایی بین جریان مستقیم و ولتاژ را نشان می‌دهد. این منحنی به درک مقاومت دینامیکی دیود کمک می‌کند.

3.3 شدت تابشی نسبی در مقابل دما و جریان

شکل 4 نشان می‌دهد که توان خروجی نوری چگونه با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. شکل 5 نشان می‌دهد که توان خروجی چگونه با جریان مستقیم افزایش می‌یابد، اما به صورت خطی نیست. این نقطه بازده نزولی و افت احتمالی بازده در جریان‌های بسیار بالا را برجسته می‌کند.

3.4 الگوی تابش

نمودار قطبی تابش (شکل 6) به صورت گرافیکی زاویه دید را نشان می‌دهد. الگوی تقریباً دایره‌ای با مقادیر شدت مشخص شده در زوایای مختلف، الگوی گسیل بسیار گسترده و شبه لامبرتیان مشخصه بسته‌بندی با لنز تخت را تأیید می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی

دیتاشیت شامل یک نقشه مکانیکی دقیق از قطعه است. ابعاد کلیدی شامل اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و ارتفاع کلی می‌شود. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلرانس استاندارد ±0.1 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. بسته‌بندی مطابق با الگوی پایه استاندارد EIA است که سازگاری با چیدمان‌های PCB رایج و ماشین‌های Pick-and-Place را تضمین می‌کند.

4.2 ابعاد پیشنهادی پد لحیم‌کاری

یک الگوی لند (پایه) توصیه شده برای طراحی PCB ارائه شده است. رعایت این ابعاد تشکیل صحیح اتصال لحیم در حین بازجریان را تضمین می‌کند. توصیه شامل استفاده از استنسیل فلزی برای اعمال خمیر لحیم با ضخامت 0.1 میلی‌متر (4 میل) یا 0.12 میلی‌متر (5 میل) است.

4.3 شناسایی قطبیت

کاتد معمولاً توسط یک طرف صاف، شکاف یا پایه کوتاه‌تر روی بدنه قطعه و در نقشه کلی نشان داده می‌شود. قطبیت صحیح باید در حین مونتاژ رعایت شود تا از آسیب دستگاه جلوگیری شود.

4.4 ابعاد بسته‌بندی نوار و قرقره

قطعه در نوار حامل برجسته روی قرقره‌های به قطر 7 اینچ (178 میلی‌متر) عرضه می‌شود. دیتاشیت ابعاد دقیق جیب‌های نوار، نوار پوششی و مرکز قرقره را ارائه می‌دهد. مقدار استاندارد قرقره 5000 قطعه در هر قرقره است. بسته‌بندی مطابق با مشخصات ANSI/EIA-481-1-A-1994 است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 پارامترهای لحیم‌کاری بازجریانی

دستگاه با فرآیندهای لحیم‌کاری بازجریانی مادون قرمز (IR) سازگار است. یک پروفیل پیشنهادی برای لحیم بدون سرب (Pb-free) ارائه شده است که پارامترهای کلیدی آن شامل موارد زیر است:

• پیش‌گرم:150 تا 200 درجه سانتی‌گراد.
• زمان پیش‌گرم:حداکثر 120 ثانیه.
• دمای پیک:حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد.
• زمان بالاتر از نقطه مایع:حداکثر 10 ثانیه (حداکثر دو سیکل بازجریان توصیه می‌شود).

پروفیل بر اساس استانداردهای JEDEC است. تأکید شده است که پروفیل بهینه به طراحی خاص برد، قطعات، خمیر لحیم و فر بستگی دارد، بنابراین مشخصه‌یابی ضروری است.

5.2 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، از هویه‌ای با دمای حداکثر 300 درجه سانتی‌گراد استفاده کنید و زمان تماس را به حداکثر 3 ثانیه برای هر پایه محدود کنید.

5.3 شرایط نگهداری

به دلیل رتبه سطح حساسیت رطوبت (MSL) 3:

• کیسه مهر و موم شده:در دمای ≤30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ≤90% نگهداری شود. ظرف یک سال از تاریخ مهر و موم کیسه استفاده شود.
• پس از باز کردن کیسه:در دمای ≤30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی ≤60% نگهداری شود. توصیه می‌شود عملیات بازجریان مادون قرمز ظرف یک هفته (168 ساعت) تکمیل شود.
• نگهداری طولانی‌مدت (باز شده):در یک ظرف دربسته با ماده جاذب رطوبت یا در یک دسیکاتور نیتروژن نگهداری شود.
• پخت:اگر بیش از یک هفته در معرض محیط قرار گرفته باشد، قبل از لحیم‌کاری به مدت حداقل 20 ساعت در دمای تقریباً 60 درجه سانتی‌گراد پخت شود تا رطوبت جذب شده حذف شده و از \"پاپ کورن شدن\" در حین بازجریان جلوگیری شود.

5.4 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری پس از لحیم‌کاری، از حلال‌های مبتنی بر الکل مانند ایزوپروپیل الکل استفاده کنید. از پاک‌کننده‌های شیمیایی قوی یا ناشناخته که ممکن است به لنز اپوکسی یا بسته آسیب برسانند، خودداری کنید.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربردی معمول

رایج‌ترین مدار یک اتصال سری ساده است: یک منبع ولتاژ (V_CC)، یک مقاومت محدودکننده جریان (R_S) و IRED. R_S= (V_CC- V_F) / I_F. برای کار پالسی (مثلاً کنترل از راه دور)، معمولاً از یک ترانزیستور (BJT یا MOSFET) برای روشن و خاموش کردن IRED در فرکانس و چرخه کاری مورد نظر استفاده می‌شود. جریان پیک نباید از I_FP rating.

6.2 ملاحظات طراحی نوری

• برد در مقابل جریان:برد مؤثر متناسب با جذر شدت تابشی است. دو برابر کردن جریان راه‌اندازی، برد را دو برابر نمی‌کند.
• انتخاب لنز:لنز تخت داخلی پوشش گسترده‌ای فراهم می‌کند. برای برد بیشتر یا پرتوهای متمرکز، ممکن است یک لنز پلاستیکی خارجی برای موازی کردن نور اضافه شود.
• مطابقت گیرنده:همیشه گسیلنده 940 نانومتری را با یک آشکارساز نوری (فوتودیود، فوتوترانزیستور یا IC) جفت کنید که حساسیت پیک آن نیز در ناحیه 940 نانومتر باشد. بسیاری از آشکارسازهای سیلیکونی حساسیت خوبی در حدود 850-950 نانومتر دارند.
• حذف نور محیط:در محیط‌هایی با نور مادون قرمز محیطی قوی (نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای)، از یک سیگنال مدوله شده و یک گیرنده با دمدولاتور مطابق استفاده کنید. یک فیلتر نوری روی گیرنده که نور مرئی را مسدود کرده و 940 نانومتر را عبور می‌دهد، می‌تواند نسبت سیگنال به نویز را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

6.3 مدیریت حرارتی

در حالی که دستگاه می‌تواند 100 میلی‌وات را تحمل کند، کار در اتلاف توان پایین‌تر، قابلیت اطمینان و طول عمر را افزایش می‌دهد. اطمینان حاصل کنید که مساحت کافی مس در اطراف پدهای PCB به عنوان هیت سینک وجود دارد، به ویژه اگر نزدیک به حداکثر جریان DC راه‌اندازی می‌شود. برای محیط‌های با دمای بالا باید به منحنی کاهش رتبه (شکل 2) مراجعه کرد.

7. مقایسه و تمایز فنی

این IRED گالیم آرسناید 940 نانومتری مجموعه‌ای متعادل از ویژگی‌ها را برای کاربردهای عمومی مادون قرمز ارائه می‌دهد. تمایزدهنده‌های کلیدی ضمنی در مشخصات آن شامل موارد زیر است:

• طول موج:940 نانومتر در بسیاری از کاربردهای مصرفی بر 850 نانومتر ترجیح داده می‌شود زیرا به عنوان درخشش قرمز کم‌رنگ کمتر قابل مشاهده است و عملیات محتاطانه‌تری ارائه می‌دهد.
• زاویه دید گسترده:زاویه 150 درجه به طور استثنایی گسترده است و برای کاربردهایی که ترازبندی حیاتی نیست یا پوشش منطقه وسیعی مورد نیاز است (مانند سنسورهای حضور) مناسب است.
• بسته‌بندی استاندارد:بسته‌بندی EIA تامین آسان، سازگاری و جایگزینی در صنعت را تضمین می‌کند.
• استحکام:رتبه‌های جریان پالسی (500 میلی‌آمپر) و لحیم‌کاری بازجریانی (260 درجه سانتی‌گراد) نشان‌دهنده قطعه‌ای است که برای تولید انبوه و قابل اعتماد طراحی شده است.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

8.1 برای راه‌اندازی این IRED در 20 میلی‌آمپر از منبع 5 ولت، از چه مقدار مقاومت باید استفاده کنم؟

با استفاده از V_Fمعمولی 1.2 ولت: R = (5V - 1.2V) / 0.020A = 190 اهم. یک مقاومت استاندارد 180 یا 200 اهم مناسب خواهد بود. برای طراحی محافظه‌کارانه همیشه از حداکثر V_F(1.6 ولت) استفاده کنید تا اطمینان حاصل شود جریان از هدف تجاوز نمی‌کند: R_min = (5V - 1.6V) / 0.020A = 170 اهم.

8.2 آیا می‌توانم از این برای کنترل از راه دور برد بلند استفاده کنم؟

شدت تابشی 0.8 میلی‌وات بر استرادیان آن برای کنترل‌های از راه دور معمولی داخلی در فواصل 5-10 متر مناسب است. برای برد بیشتر، باید جریان راه‌اندازی را افزایش دهید (در محدوده رتبه‌های پالسی)، از یک لنز فوکوس کننده استفاده کنید یا IRED با مشخصه شدت تابشی بالاتر انتخاب کنید.

8.3 در دیتاشیت آمده است: \"شرایط ولتاژ معکوس فقط برای آزمایش مادون قرمز اعمال می‌شود. دستگاه برای کار معکوس طراحی نشده است.\" این به چه معناست؟

این بدان معناست که رتبه ولتاژ معکوس 5 ولت یک پارامتر آزمایشی برای تأیید جریان نشتی در حین تولید است. این یک رتبه عملیاتی نیست. در مدار خود باید اطمینان حاصل کنید که IRED در حین کارکرد عادی هرگز تحت بایاس معکوس قرار نگیرد، زیرا حتی یک ولتاژ معکوس کوچک در صورت عدم محدودیت جریان می‌تواند به آن آسیب برساند. همیشه محافظت را لحاظ کنید، مانند اطمینان از جهت صحیح یا افزودن یک دیود موازی در صورتی که توپولوژی مدار می‌تواند باعث ایجاد ولتاژ معکوس شود.

8.4 عمر مفید یک هفته‌ای پس از باز کردن کیسه مانع رطوبت چقدر حیاتی است؟

برای قطعات MSL 3 بسیار مهم است. تجاوز از عمر مفید بدون نگهداری یا پخت مناسب، خطر نفوذ رطوبت به بسته پلاستیکی را به همراه دارد. در حین فرآیند لحیم‌کاری بازجریانی با دمای بالا، این رطوبت می‌تواند به سرعت تبخیر شود و باعث لایه‌لایه شدن داخلی، ترک‌خوردگی یا \"پاپ کورن شدن\" شود که منجر به خرابی فوری یا نهفته می‌شود. به شدت به دستورالعمل‌های نگهداری و پخت پایبند باشید.

9. اصول عملیاتی

یک دیود گسیلنده مادون قرمز (IRED) بر اساس همان اصل یک LED نور مرئی استاندارد کار می‌کند اما از مواد نیمه‌هادی (مانند GaAs) با گاف انرژی متناظر با انرژی فوتون‌های مادون قرمز استفاده می‌کند. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه فعال نیمه‌هادی بازترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. برای GaAs، این انرژی فوتون متناظر با طول موجی حدود 940 نانومتر است. لنز اپوکسی شفاف هم برای نور مرئی و هم برای نور مادون قرمز شفاف است و اجازه می‌دهد تابش مادون قرمز عبور کند و در عین حال محافظت مکانیکی و محیطی برای تراشه نیمه‌هادی فراهم می‌کند.

10. روندهای صنعت

بازار قطعات گسسته مادون قرمز با وجود کاربردهای ثابت مانند کنترل‌های از راه دور و کاربردهای در حال توسعه در سنسورهای اینترنت اشیاء، تشخیص حرکات و بینایی ماشین، پایدار باقی مانده است. روندها شامل ادغام گسیلنده‌ها و آشکارسازها در بسته‌بندی‌های کوچک‌تر و مستحکم‌تر، توسعه IREDهای با سرعت بالاتر برای ارتباط داده (جانشینان IrDA) و تأکید بیشتر بر بازده توان و قابلیت اطمینان برای دستگاه‌های باتری‌خور است. حرکت به سمت مواد بدون سرب (Pb-free) و بدون هالوژن مطابق با مقررات زیست‌محیطی جهانی نیز یک الزام استاندارد است که این قطعه آن را برآورده می‌کند.