ال ای دی مادون قرمز 5 میلی‌متری با پکیج شفاف - ابعاد قطر 5 میلی‌متر - ولتاژ مستقیم 1.8 ولت - شدت تابش 4.81 میلی‌وات بر استرادیان - برگه اطلاعات فنی فارسی

1. مرور محصول

این سند مشخصات یک دیود نور‌افشان (ال ای دی) مادون قرمز (آی‌آر) پرقدرت و مینیاتوری را که در یک پکیج پلاستیکی شفاف و شفاف قرار گرفته است، به تفصیل شرح می‌دهد. این قطعه یک فرستنده انتهایی است که برای کاربردهایی که نیاز به تابش مادون قرمز قابل اطمینان دارند طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تبدیل جریان الکتریکی به تابش مادون قرمز است که معمولاً در سیستم‌های سنجش، تشخیص و ارتباطات مورد استفاده قرار می‌گیرد و اغلب با یک آشکارساز نوری سازگار جفت می‌شود.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این قطعه برای کارکرد قابل اطمینان در محدوده‌های مشخص شده محیطی و الکتریکی طراحی شده است. تجاوز از این مقادیر ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• توان اتلافی:150 میلی‌وات. این حداکثر توانی است که قطعه می‌تواند تحت هر شرایط کاری به صورت حرارت به طور ایمن اتلاف کند.
• جریان مستقیم پیک:2 آمپر. این حداکثر جریان پالسی مجاز است که تحت شرایط 300 پالس در ثانیه با عرض پالس 10 میکروثانیه مشخص شده است. این مقدار به طور قابل توجهی بالاتر از رتبه‌بندی پیوسته است و اجازه می‌دهد تا جرقه‌های نوری کوتاه و با شدت بالا ایجاد شود.
• جریان مستقیم پیوسته:100 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان مستقیمی است که می‌توان به طور نامحدود به ال ای دی اعمال کرد بدون اینکه خطر آسیب وجود داشته باشد.
• ولتاژ معکوس:5 ولت. اعمال یک ولتاژ بایاس معکوس بیشتر از این مقدار می‌تواند پیوند نیمه‌هادی را خراب کند.
• محدوده دمای کاری:40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. عملکرد قطعه در این محدوده دمای محیط تضمین شده است.
• محدوده دمای نگهداری:55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس. این قطعه می‌تواند بدون عملیات در این محدوده دمایی وسیع‌تر نگهداری شود.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج. این مشخصه، تحمل پروفایل حرارتی برای فرآیندهای مونتاژ را تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط استاندارد 25 درجه سلسیوس اندازه‌گیری شده و عملکرد قطعه را تحت شرایط کاری عادی تعریف می‌کنند. شرایط آزمایش برای اکثر پارامترهای نوری، جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر است.

• تابندگی روزنه (E_e):0.64 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع (حداقل). این مقدار، توان تابشی در واحد سطح در روزنه فرستنده را اندازه‌گیری می‌کند. این یک پارامتر کلیدی برای کاربردهایی است که فرستنده در نزدیکی یک آشکارساز قرار می‌گیرد.
• شدت تابش (I_E):4.81 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل). این توان تابشی ساطع شده در واحد زاویه فضایی (استرادیان) است. این معیار اصلی "روشنایی" خروجی ال ای دی در طیف مادون قرمز است و برای محاسبه روشنایی در فاصله بسیار مهم است.
• طول موج تابش پیک (λ_پیک):880 نانومتر (معمولی). این قطعه نور مادون قرمز را حول این طول موج ساطع می‌کند. این در منطقه مادون قرمز نزدیک (NIR) قرار دارد که برای چشم انسان نامرئی است اما به راحتی توسط آشکارسازهای نوری سیلیکونی تشخیص داده می‌شود.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):50 نانومتر (حداکثر). این محدوده طول موجی را مشخص می‌کند که در آن توان نوری ساطع شده حداقل نصف مقدار پیک آن است. مقدار 50 نانومتر نشان‌دهنده یک خروجی طیفی نسبتاً پهن است که برای ال ای دی‌های مادون قرمز استاندارد معمول است.
• ولتاژ مستقیم (V_F):1.3 ولت (حداقل)، 1.8 ولت (حداکثر) در I_F=20mA. این افت ولتاژ در سراسر ال ای دی هنگام کار است. این برای طراحی مدار محدودکننده جریان ضروری است.
• جریان معکوس (I_R):100 میکروآمپر (حداکثر) در V_R=5V. این جریان نشتی کوچکی است که وقتی قطعه تحت بایاس معکوس قرار می‌گیرد، جریان می‌یابد.
• زاویه دید (2θ_1/2):40 درجه (معمولی). این زاویه کامل است که در آن شدت تابش به نصف مقدار حداکثر خود (روی محور) کاهش می‌یابد. زاویه 40 درجه یک پرتو وسیع فراهم می‌کند که برای کاربردهایی که نیاز به پوشش منطقه گسترده دارند مناسب است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

برگه اطلاعات، چندین نمایش گرافیکی از رفتار قطعه تحت شرایط مختلف را ارائه می‌دهد.

3.1 توزیع طیفی

منحنی خروجی طیفی (شکل 1) شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. این منحنی، تابش پیک در حدود 880 نانومتر را با یک منحنی زنگوله‌ای مشخص تأیید می‌کند که در هر دو طرف کاهش می‌یابد. نیم‌عرض را می‌توان از این نمودار به صورت بصری تخمین زد.

3.2 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم

منحنی I-V (شکل 3) رابطه غیرخطی بین ولتاژ مستقیم اعمال شده و جریان حاصل را نشان می‌دهد. این منحنی، مشخصه روشن شدن نمایی معمول یک دیود را نشان می‌دهد. محدوده مشخص شده V_Fدر 20mA را می‌توان در این منحنی مرجع داد.

3.3 شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم

این منحنی (شکل 5) نشان می‌دهد که چگونه توان خروجی نوری با جریان راه‌اندازی افزایش می‌یابد. این منحنی به طور کلی در یک محدوده قابل توجه خطی است اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا اشباع یا افت بازدهی نشان دهد. این نمودار برای تعیین جریان راه‌اندازی مورد نیاز برای دستیابی به سطح خروجی مطلوب بسیار مهم است.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل دمای محیط

منحنی وابستگی به دما (شکل 4) نشان می‌دهد که توان خروجی یک ال ای دی با افزایش دمای پیوند کاهش می‌یابد. این یک مشخصه اساسی منابع نور نیمه‌هادی است. این نمودار به طراحان اجازه می‌دهد تا خروجی مورد انتظار را برای محیط‌های کاری با دمای بالا کاهش دهند.

3.5 نمودار تابش

الگوی تابش قطبی (شکل 6) یک نمایش بصری از زاویه دید ارائه می‌دهد. این نمودار شدت نسبی را در برابر زاویه از محور مرکزی ترسیم می‌کند و به وضوح زاویه نیمه 40 درجه‌ای را نشان می‌دهد که در آن شدت به 50٪ کاهش می‌یابد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد پکیج

این قطعه از یک پکیج پلاستیکی شفاف استاندارد با قطر 5 میلی‌متر و انتهایی (که اغلب به عنوان پکیج T-1 3/4 نامیده می‌شود) استفاده می‌کند. نکات کلیدی ابعادی شامل موارد زیر است:

• همه ابعاد بر حسب میلی‌متر با معادل اینچ ارائه شده‌اند.
• تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر اعمال می‌شود مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد.
• حداکثر بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج 1.5 میلی‌متر است.
• فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بدنه پکیج خارج می‌شوند.

پکیج شفاف است و اجازه می‌دهد نور مادون قرمز با حداقل جذب از آن عبور کند. پایه‌ها معمولاً از آلیاژ مس قلع‌اندود ساخته شده‌اند.

4.2 شناسایی قطبیت

برای این سبک پکیج، پایه بلندتر معمولاً نشان‌دهنده آند (اتصال مثبت) و پایه کوتاه‌تر نشان‌دهنده کاتد (اتصال منفی) است. علاوه بر این، ممکن است پکیج یک نقطه صاف روی لبه نزدیک پایه کاتد داشته باشد. برای اینکه قطعه نور ساطع کند، باید قطبیت صحیح رعایت شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقدار مجاز مطلق برای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه است که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج اندازه‌گیری شده است. این رتبه‌بندی برای فرآیندهای لحیم‌کاری دستی یا موجی در نظر گرفته شده است.

• لحیم‌کاری رفلو:اگرچه به صراحت برای رفلو مشخص نشده است، اما محدودیت 260 درجه سلسیوس نشان می‌دهد که ممکن است برخی پروفایل‌های رفلو را تحمل کند. با این حال، اکیداً توصیه می‌شود از یک پروفایل با دمای پیک پایین‌تر (مثلاً 245 درجه سلسیوس) و نرخ‌های افزایش کنترل شده استفاده شود تا تنش حرارتی روی پکیج پلاستیکی و اتصالات سیمی داخلی به حداقل برسد.
• ملاحظات عمومی:از اعمال تنش مکانیکی بیش از حد روی پایه‌ها خودداری کنید. پایه‌ها را در ریشه پکیج خم نکنید. در صورت لزوم از هیت‌سینک مناسب در حین لحیم‌کاری استفاده کنید.
• شرایط نگهداری:در یک محیط خشک و ضد استاتیک در محدوده دمای مشخص شده (55- تا 100+ درجه سلسیوس) نگهداری شود تا از جذب رطوبت و سایر تخریب‌ها جلوگیری شود.

6. پیشنهادات کاربرد

6.1 سناریوهای کاربرد معمول

این فرستنده مادون قرمز برای انواع کاربردهای اپتوالکترونیک مناسب است، از جمله:

• تشخیص و سنجش شیء:در سنسورهای مجاورتی، شمارنده‌های اشیاء و سیستم‌های تشخیص سطح استفاده می‌شود، اغلب با یک فوتوترانزیستور مانند سری ذکر شده LTR-3208 جفت می‌شود تا یک قطع‌کننده نوری یا سنسور بازتابی تشکیل دهد.
• سیستم‌های کنترل از راه دور:به عنوان فرستنده در کنترل‌های از راه دور مادون قرمز برای لوازم الکترونیکی مصرفی عمل می‌کند.
• پیوندهای داده نوری:ارتباط داده سریال بی‌سیم برد کوتاه را ممکن می‌سازد.
• سیستم‌های امنیتی:در روشنایی مادون قرمز برای دوربین‌های دید در شب یا به عنوان بخشی از پرتوهای تشخیص نفوذ استفاده می‌شود.

6.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان:یک ال ای دی یک قطعه جریان‌محور است. همیشه از یک مقاومت سری محدودکننده جریان یا یک مدار درایور جریان ثابت استفاده کنید تا از تجاوز از حداکثر جریان مستقیم پیوسته جلوگیری شود، به ویژه از آنجایی که ولتاژ مستقیم دارای یک محدوده (1.3V-1.8V) است.
• مدیریت حرارت:اگرچه اتلاف توان کم است، اما کار در جریان‌های پیوسته بالا یا در دمای محیط بالا، خروجی و طول عمر را کاهش می‌دهد. در صورت نیاز، اطمینان از تهویه مناسب داشته باشید.
• هماهنگی نوری:برگه اطلاعات اشاره می‌کند که این قطعه از نظر مکانیکی و طیفی با فوتوترانزیستورهای خاصی منطبق است. استفاده از آشکارساز توصیه شده، حساسیت بهینه در طول موج پیک 880 نانومتر و همترازی فیزیکی در ماژول‌های مونتاژ شده را تضمین می‌کند.
• محافظت مدار:افزودن محافظت در برابر اسپایک‌های ولتاژ معکوس یا تخلیه الکترواستاتیک (ESD) را در نظر بگیرید، زیرا حداکثر ولتاژ معکوس تنها 5 ولت است.

7. مقایسه و تمایز فنی

ویژگی‌های کلیدی که این فرستنده مادون قرمز را متمایز می‌کند شامل موارد زیر است:

• محدوده‌های شدت انتخاب شده:قطعات برای برآورده کردن مشخصات شدت تابشی خاص، دسته‌بندی یا انتخاب می‌شوند که ثبات در تولید را تضمین می‌کند.
• خروجی توان بالا:حداقل شدت تابش 4.81 میلی‌وات بر استرادیان در 20 میلی‌آمپر برای یک پکیج استاندارد 5 میلی‌متری رقابتی است و قدرت سیگنال خوبی ارائه می‌دهد.
• زاویه دید وسیع (40 درجه):پوشش گسترده‌ای فراهم می‌کند که برای سنجش مجاورتی و سنجش بازتابی که همترازی کمتر حیاتی است، مفید است.
• پکیج شفاف:برخلاف پکیج‌های رنگی یا پخش‌کننده نور، لنز شفاف خروجی نور رو به جلو را به حداکثر می‌رساند و نسبت به رنگ نور ساطع شده خنثی است که برای کاربردهای مادون قرمز ایده‌آل است.
• منطبق با سری آشکارساز:این امر طراحی و تأمین را برای سیستم‌هایی که از فوتوترانزیستور جفت شده استفاده می‌کنند ساده می‌کند و سازگاری نوری و مکانیکی را تضمین می‌کند.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

8.1 با منبع تغذیه 5 ولت باید از چه مقدار مقاومت استفاده کنم؟

با استفاده از قانون اهم (R = (V_منبع- V_F) / I_F) و با فرض I_Fهدف 20 میلی‌آمپر، مقدار مقاومت به V_Fواقعی بستگی دارد. برای یک طراحی بدترین حالت که اطمینان حاصل می‌کند جریان هرگز از 20 میلی‌آمپر تجاوز نکند، از حداقل V_F(1.3V) استفاده کنید. R = (5V - 1.3V) / 0.02A = 185 اهم. نزدیک‌ترین مقدار استاندارد 180 اهم است. این حداکثر جریان حدود 20.6 میلی‌آمپر را فراهم می‌کند که ایمن است. رتبه توان: P = I²R = (0.02)² * 180 = 0.072W، بنابراین یک مقاومت 1/8W یا 1/4W کافی است.

8.2 آیا می‌توانم آن را مستقیماً با یک پین میکروکنترلر راه‌اندازی کنم؟

معمولاً خیر. اکثر پین‌های GPIO میکروکنترلرها محدودیت جریان منبع/چاه 20-40 میلی‌آمپر دارند که در لبه نقطه کاری این ال ای دی قرار دارد. حتی اگر در محدوده باشد، ولتاژ خروجی پین تحت بار کاهش می‌یابد و کنترل جریان را نادقیق می‌کند. همیشه توصیه می‌شود از یک ترانزیستور (مثلاً BJT نوع NPN یا MOSFET کانال N) به عنوان یک سوئیچ استفاده شود که توسط پین میکروکنترلر راه‌اندازی می‌شود تا جریان ال ای دی را به طور مستقل کنترل کند.

8.3 دما چگونه بر عملکرد تأثیر می‌گذارد؟

همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، شدت تابشی نسبی با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. در دمای 85+ درجه سلسیوس، خروجی ممکن است تنها 60-80٪ از مقدار آن در 25 درجه سلسیوس باشد. برعکس، در دمای بسیار پایین، خروجی ممکن است بالاتر باشد. این باید در محاسبات حساسیت سیستم، به ویژه برای کاربردهای فضای باز یا با قابلیت اطمینان بالا، در نظر گرفته شود. ولتاژ مستقیم (V_F) نیز دارای ضریب دمایی منفی است، به این معنی که با افزایش دما کمی کاهش می‌یابد.

8.4 تفاوت بین تابندگی و شدت تابش چیست؟

شدت تابش (I_E, mW/sr)یک اندازه زاویه‌ای از توان است - این پارامتر توصیف می‌کند که چه مقدار توان در یک جهت خاص (در هر استرادیان) ساطع می‌شود. این پارامتر مستقل از فاصله است.تابندگی روزنه (E_e, mW/cm²)یک اندازه سطحی از چگالی توان است - این پارامتر توصیف می‌کند که چه مقدار توان از واحد سطح در روزنه منبع عبور می‌کند. E_eبرای کاربردهای بسیار نزدیک که آشکارساز اساساً در سطح فرستنده قرار دارد، مرتبط‌تر است، در حالی که I_Eبا قانون مربع معکوس برای محاسبه تابندگی در فاصله استفاده می‌شود.

9. مطالعه موردی طراحی و استفاده

سناریو: طراحی یک شمارنده ورق کاغذ برای پرینتر.

یک سنسور قطع‌کننده نوری برای شمارش ورق‌های کاغذی که از مکانیزم پرینتر عبور می‌کنند، مورد نیاز است. یک براکت U شکل، فرستنده مادون قرمز را در یک طرف و یک فوتوترانزیستور منطبق را در طرف دیگر نگه می‌دارد. وقتی کاغذی وجود ندارد، نور مادون قرمز از فرستنده مستقیماً به آشکارساز برخورد می‌کند و باعث می‌شود که آن هدایت کند. وقتی یک ورق کاغذ از شکاف عبور می‌کند، پرتو مادون قرمز را مسدود می‌کند و باعث کاهش هدایت آشکارساز می‌شود.

منطق انتخاب قطعه:

• این فرستنده مادون قرمز به دلیلشدت تابش بالا (حداقل 4.81 میلی‌وات بر استرادیان)انتخاب شده است، که تضمین می‌کند یک سیگنال قوی می‌تواند به آشکارساز برسد حتی اگر همترازی براکت کامل نباشد یا گرد و غبار جمع شود.
• اینزاویه دید وسیع 40 درجهمفید است زیرا تحمل برای ناهمترازی‌های مکانیکی جزئی بین فرستنده و آشکارساز که در بازوهای جداگانه براکت U قرار دارند، فراهم می‌کند.
• اینهماهنگی طیفی با فوتوترانزیستور LTR-3208تضمین می‌کند که آشکارساز در طول موج 880 نانومتر که ساطع می‌شود، بیشترین حساسیت را دارد و نسبت سیگنال به نویز را به حداکثر می‌رساند.
• اینپکیج شفافایده‌آل است زیرا نور مادون قرمز را به طور غیرضروری تضعیف نمی‌کند.

پیاده‌سازی مدار:فرستنده توسط یک منبع جریان ثابت 20 میلی‌آمپری برای خروجی یکنواخت راه‌اندازی می‌شود. فوتوترانزیستور در پیکربندی امیتر مشترک با یک مقاومت pull-up متصل شده است. یک مقایسه‌گر یا پین ADC میکروکنترلر ولتاژ در کلکتور فوتوترانزیستور را نظارت می‌کند. عبور یک ورق کاغذ باعث یک انتقال ولتاژ متمایز می‌شود که توسط فریم‌ور میکروکنترلر شمارش می‌شود.

10. معرفی اصل عملکرد

یک دیود نور‌افشان مادون قرمز (IR LED) یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم بیشتر از پتانسیل داخلی پیوند اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n از طریق پیوند به ناحیه p تزریق می‌شوند و حفره‌ها از ناحیه p به ناحیه n تزریق می‌شوند. این حامل‌های اقلیت تزریق شده (الکترون‌ها در ناحیه p، حفره‌ها در ناحیه n) با حامل‌های اکثریت ترکیب می‌شوند. در یک ماده نیمه‌هادی با گاف مستقیم مانند آرسنید گالیم (GaAs) یا ترکیبات مشابه مورد استفاده برای تابش مادون قرمز، بخش قابل توجهی از این ترکیب‌هاتابشی.

هستند. در طی ترکیب تابشی، انرژی جفت الکترون-حفره در حال ترکیب به شکل یک فوتون آزاد می‌شود. طول موج (λ) این فوتون توسط انرژی گاف (E_g) ماده نیمه‌هادی، بر اساس معادله λ = hc / E_gتعیین می‌شود، که در آن h ثابت پلانک و c سرعت نور است. برای یک پیک تابش در 880 نانومتر، انرژی گاف مربوطه تقریباً 1.41 الکترون‌ولت است. پکیج اپوکسی شفاف، تراشه نیمه‌هادی را محصور می‌کند، محافظت مکانیکی فراهم می‌کند و به عنوان یک لنز عمل می‌کند تا الگوی تابش نور ساطع شده را شکل دهد.

11. روندهای فناوری

در حالی که اصل اساسی ال ای دی‌های مادون قرمز پایدار باقی مانده است، چندین روند بر توسعه و کاربرد آن‌ها تأثیر می‌گذارد:

• افزایش توان و بازده:بهبودهای مستمر در علم مواد و طراحی تراشه منجر به قطعاتی با شدت تابش بالاتر و بازده دیوار-پریز (توان نوری خروجی / توان الکتریکی ورودی) می‌شود که امکان سیگنال‌های درخشان‌تر یا مصرف توان کمتر را فراهم می‌کند.
• مینیاتوری‌سازی:روند قوی به سمت پکیج‌های قطعات نصب سطحی (SMD) (مانند 0805، 0603، مقیاس تراشه) برای مونتاژ خودکار وجود دارد که اندازه و هزینه را کاهش می‌دهد. پکیج 5 میلی‌متری سوراخ‌دار برای نمونه‌سازی اولیه، استفاده آموزشی و کاربردهایی که نیاز به خروجی تک قطعه بالاتر یا مونتاژ دستی آسان‌تر دارند، همچنان محبوب است.
• تخصص‌سازی طول موج:فراتر از ال ای دی‌های رایج 850-940 نانومتر، استفاده از طول موج‌های خاص برای کاربردهای تخصصی در حال افزایش است، مانند 810 نانومتر برای پالس اکسیمتری پزشکی یا 1450 نانومتر برای LiDAR ایمن برای چشم.
• یکپارچه‌سازی:فرستنده‌ها به طور فزاینده‌ای با درایورها، مدولاتورها و گاهی حتی آشکارسازها در ماژول‌ها یا IC های تک‌قطعه یکپارچه می‌شوند که طراحی سیستم را برای ارتباطات داده و سنجش ساده می‌کند.
• گسترش کاربرد:گسترش اینترنت اشیاء (IoT)، دستگاه‌های پوشیدنی، LiDAR خودرو و سنجش بیومتریک پیشرفته (مانند تشخیص چهره، تشخیص رگ) همچنان تقاضا برای فرستنده‌های مادون قرمز قابل اطمینان و کم‌هزینه با مشخصات عملکردی خاص را هدایت می‌کند.