دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز 5 میلی‌متری با پکیج شفاف - ابعاد: قطر 5.0 میلی‌متر، ارتفاع 8.6 میلی‌متر - ولتاژ مستقیم 1.6 تا 2.0 ولت - طول موج اوج 850 نانومتر - شدت تابشی 30 تا 45 میلی‌وات بر استرادیان - برگه اطلاعات فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

این سند مشخصات یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز گسسته (IRED) را که برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای اپتوالکترونیکی طراحی شده است، به تفصیل شرح می‌دهد. این قطعه برای ارائه خروجی تابشی بالا با مشخصه ولتاژ مستقیم پایین مهندسی شده است که آن را برای طراحی‌های حساس به مصرف توان مناسب می‌سازد. تابش اصلی آن در طیف مادون قرمز نزدیک و در طول موج اوج 850 نانومتر متمرکز است.

مزایای اصلی این قطعه شامل قابلیت کار در جریان‌های بالا است که مستقیماً به خروجی توان نوری بالا منجر می‌شود. این قطعه در قالب استاندارد 5 میلی‌متری با لنز شفاف بسته‌بندی شده است که زاویه دید وسیعی برای روشنایی یا دریافت در ناحیه گسترده فراهم می‌کند. این ویژگی آن را به انتخابی همه‌کاره برای سیستم‌هایی تبدیل می‌کند که نیاز به سیگنالینگ مادون قرمز قابل اطمینان دارند.

بازار هدف و سناریوهای کاربردی معمول شامل الکترونیک مصرفی، کنترل‌های صنعتی و سیستم‌های امنیتی می‌شود. کاربردهای رایج شامل کنترل از راه دور مادون قرمز برای تلویزیون و تجهیزات صوتی، پیوندهای داده بی‌سیم کوتاه‌برد، سنسورهای تشخیص نفوذ در آلارم‌های امنیتی و انکودرهای نوری است. پارامترهای عملکرد آن برای کارکرد پالسی بهینه شده‌اند که در پروتکل‌های کنترل از راه دور و انتقال داده استاندارد است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

کارکرد دستگاه فراتر از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود. حداکثر جریان مستقیم پیوسته 80 میلی‌آمپر درجه‌بندی شده است، با حداکثر جریان مستقیم پالسی 1 آمپر در شرایط پالسی مجاز (300 پالس بر ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه). حداکثر اتلاف توان 200 میلی‌وات است که طراحی حرارتی کاربرد را دیکته می‌کند. دستگاه می‌تواند ولتاژ معکوس تا 5 ولت را تحمل کند، اگرچه برای کار در این رژیم طراحی نشده است. محدوده دمای کارکرد و نگهداری به ترتیب 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد و 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد است که قابلیت اطمینان در محیط‌های سخت را تضمین می‌کند. لحیم‌کاری پایه‌ها باید در دمای 260 درجه سانتی‌گراد حداکثر به مدت 5 ثانیه انجام شود، با فاصله نوک هویه حداقل 1.6 میلی‌متر از بدنه اپوکسی.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

پارامترهای کلیدی عملکرد در شرایط آزمایش استاندارد جریان مستقیم 50 میلی‌آمپر (I_F) و دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری می‌شوند.

• شدت تابشی (I_E):توان نوری خروجی در هر زاویه فضایی، از حداقل 30 میلی‌وات بر استرادیان تا مقدار معمول 45 میلی‌وات بر استرادیان متغیر است. این یک اندازه‌گیری مستقیم از روشنایی LED در جهت اصلی آن است.
• طول موج اوج تابش (λ_P):طول موج اسمی 850 نانومتر است که آن را در ناحیه مادون قرمز نزدیک قرار می‌دهد. این طول موج برای فوتودتکتورهای سیلیکونی ایده‌آل است و نسبت به طول‌موج‌های کوتاه‌تر برای چشم انسان کمتر قابل مشاهده است.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):تقریباً 50 نانومتر. این پهنای باند طیفی را تعریف می‌کند و نشان‌دهنده محدوده طول‌موج‌های ساطع شده حول نقطه اوج است.
• ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.6 ولت، با حداکثر 2.0 ولت در I_F=50mA. V_F پایین یک ویژگی کلیدی برای دستگاه‌های با کارایی بالا و باتری‌خور است.
• جریان معکوس (I_R):حداکثر 100 میکروآمپر در V_R=5V. این پارامتر فقط برای اهداف آزمایش است؛ دستگاه برای کار در بایاس معکوس طراحی نشده است.
• زمان صعود/سقوط (T_r/T_f):30 نانوثانیه. این سرعت سوئیچینگ سریع، امکان کارکرد پالسی با فرکانس بالا برای انتقال داده را فراهم می‌کند.
• زاویه دید (2θ_1/2):30 درجه. این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار اوج خود کاهش می‌یابد و گسترش پرتو را تعریف می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

برگه اطلاعات چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که برای طراحی مدار و پیش‌بینی عملکرد حیاتی هستند.

3.1 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V)

این منحنی رابطه بین جریان عبوری از LED و ولتاژ دو سر آن را نشان می‌دهد. این رابطه غیرخطی و مشخصه یک دیود است. این منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا ولتاژ درایو لازم برای جریان کارکرد مطلوب را تعیین کرده و اتلاف توان (V_F* I_F) را محاسبه کنند. ولتاژ زانو پایین از V_F معمول 1.6 ولت مشهود است.

3.2 شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم

این نمودار نشان می‌دهد که توان نوری خروجی چگونه با جریان ورودی مقیاس می‌یابد. به طور کلی، شدت تابشی در محدوده کارکرد نرمال به صورت خطی با جریان افزایش می‌یابد. این خطی‌بودن برای کاربردهای مدولاسیون آنالوگ مهم است. طراحان می‌توانند از این برای انتخاب جریان درایو مناسب جهت دستیابی به سطح روشنایی خاص استفاده کنند.

3.3 شدت تابشی نسبی در مقابل دمای محیط

این منحنی برای درک اثرات حرارتی حیاتی است. شدت تابشی یک LED با افزایش دمای اتصال کاهش می‌یابد. این نمودار آن کاهش رتبه (دریتینگ) را کمّی می‌کند و توان خروجی را نسبت به مقدار آن در 25 درجه سانتی‌گراد در سراسر محدوده دمای کارکرد نشان می‌دهد. برای کارکرد قابل اطمینان، مدیریت حرارتی باید برای حفظ پایداری خروجی در نظر گرفته شود، به ویژه در کاربردهای با جریان بالا یا دمای محیط بالا.

3.4 توزیع طیفی

نمودار طیفی شدت نور ساطع شده در طول‌موج‌های مختلف را نشان می‌دهد. این نمودار اوج در 850 نانومتر و نیم‌عرض تقریبی 50 نانومتر را تأیید می‌کند. این اطلاعات هنگام تطبیق LED با یک فوتودتکتور حیاتی است، زیرا پاسخ‌دهی دتکتور با طول موج تغییر می‌کند.

3.5 نمودار الگوی تابش

این نمودار قطبی به صورت بصری زاویه دید را نمایش می‌دهد. الگو توزیع شدت را نشان می‌دهد و زاویه نیمه 30 درجه را تأیید می‌کند. این نمودار در طراحی سیستم‌های نوری برای ناحیه پوشش خاص کمک می‌کند، مانند اطمینان از قرارگیری گیرنده درون پرتو LED.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی

دستگاه مطابق با بسته‌بندی استاندارد LED گرد 5 میلی‌متری است. ابعاد کلیدی شامل قطر بدنه 5.0 میلی‌متر و ارتفاع معمول 8.6 میلی‌متر از پایین فلنج تا بالای لنز است. فاصله پایه‌ها، که در محل خروج پایه‌ها از بسته اندازه‌گیری می‌شود، استاندارد 2.54 میلی‌متر (0.1 اینچ) است. تلرانس‌ها معمولاً ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. حداکثر بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج 1.5 میلی‌متر مجاز است. آند (پایه مثبت) معمولاً توسط طول پایه بلندتر شناسایی می‌شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 شرایط نگهداری

قطعات باید در محیطی با دمای زیر 30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 70% نگهداری شوند. پس از باز شدن بسته بندی مهر و موم شده اصلی، قطعات باید در محیط کنترل شده کمتر از 25 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی کمتر از 60% ظرف 3 ماه استفاده شوند تا از اکسیداسیون پایه‌ها که می‌تواند بر قابلیت لحیم‌کاری تأثیر بگذارد، جلوگیری شود.

5.2 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری، فقط باید از حلال‌های الکلی مانند ایزوپروپیل الکل استفاده شود. مواد شیمیایی خشن ممکن است به لنز اپوکسی آسیب برسانند.

5.3 فرم‌دهی پایه‌ها

اگر نیاز به خم کردن پایه‌ها باشد، این کار باید قبل از لحیم‌کاری و در دمای اتاق نرمال انجام شود. خم باید در نقطه‌ای حداقل 3 میلی‌متر دور از پایه لنز LED ایجاد شود. پایه فریم سرب نباید به عنوان تکیه‌گاه در حین خم کردن استفاده شود تا از اعمال تنش بر اتصال داخلی دی (die) جلوگیری شود.

5.4 فرآیند لحیم‌کاری

لحیم‌کاری دستی (هویه):حداکثر دمای 350 درجه سانتی‌گراد به مدت حداکثر 3 ثانیه برای هر پایه. نوک هویه باید حداقل 2 میلی‌متر از پایه لنز اپوکسی فاصله داشته باشد.
لحیم‌کاری موجی:پروفایل توصیه شده شامل پیش‌گرمایش تا 100 درجه سانتی‌گراد به مدت حداکثر 60 ثانیه، به دنبال آن موج لحیم در حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه است. موقعیت غوطه‌وری باید حداقل 2 میلی‌متر از پایه لنز فاصله داشته باشد.
هشدار حیاتی:باید از غوطه‌ور کردن لنز در قلع لحیم اجتناب شود. دمای بیش از حد یا زمان طولانی می‌تواند باعث تغییر شکل لنز یا خرابی فاجعه‌بار شود. لحیم‌کاری بازجوشی مادون قرمز (IR) برای این نوع بسته‌بندی سوراخ‌دار (through-hole) مناسب نیست.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

قطعات در کیسه‌های ضد استاتیک بسته‌بندی می‌شوند. پیکربندی استاندارد بسته‌بندی 1000 عدد در هر کیسه است. هشت کیسه در یک کارتن داخلی بسته‌بندی می‌شوند و هشت کارتن داخلی یک کارتن حمل و نقل بیرونی را تشکیل می‌دهند که در مجموع 64,000 عدد در هر کارتن بیرونی می‌شود.

7. توصیه‌های طراحی کاربردی

7.1 طراحی مدار درایو

LEDها دستگاه‌های جریان‌محور هستند. برای اطمینان از روشنایی یکنواخت و جلوگیری از جریان‌کشی (current hogging)، اکیداً توصیه می‌شود که از یک مقاومت محدودکننده جریان سری برای هر LED استفاده شود، حتی زمانی که چندین LED به صورت موازی به یک منبع ولتاژ متصل می‌شوند. مدل مدار ساده (A) با یک مقاومت سری با هر LED، رویکرد صحیح است. مدل جایگزین (B)، که چندین LED را مستقیماً به صورت موازی و بدون مقاومت‌های جداگانه به هم متصل می‌کند، توصیه نمی‌شود زیرا تغییرات جزئی در ولتاژ مستقیم (V_F) هر LED باعث تفاوت‌های قابل توجه در تقسیم جریان و در نتیجه روشنایی خواهد شد.

مقدار مقاومت سری (R_s) را می‌توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد: R_s= (V_منبع- V_F) / I_F، که در آن I_Fجریان کارکرد مطلوب (مثلاً 50mA) و V_Fولتاژ مستقیم معمول از برگه اطلاعات (مثلاً 1.6V) است.

7.2 محافظت در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD)

این قطعه به تخلیه الکترواستاتیک حساس است. کنترل‌های مناسب ESD باید در حین جابجایی و مونتاژ اجرا شوند:

• پرسنل باید از مچ‌بندهای زمین‌شده یا دستکش‌های ضد استاتیک استفاده کنند.
• تمام ایستگاه‌های کاری، ابزارها و تجهیزات باید به درستی زمین‌شده باشند.
• از یونایزرها برای خنثی کردن بار استاتیکی که ممکن است روی لنز پلاستیکی جمع شود، استفاده کنید.
• قطعات را در بسته‌بندی‌های رسانا یا ضد استاتیک نگهداری و حمل کنید.

7.3 دامنه کاربردی و قابلیت اطمینان

این محصول برای استفاده در تجهیزات الکترونیکی تجاری و صنعتی استاندارد، از جمله اتوماسیون اداری، ارتباطات و لوازم خانگی در نظر گرفته شده است. برای کاربردهایی که نیازمند قابلیت اطمینان استثنایی هستند که در آن خرابی می‌تواند جان یا سلامتی را به خطر بیندازد (مانند هوانوردی، پشتیبانی حیات پزشکی، سیستم‌های ایمنی حمل و نقل)، مشاوره و صلاحیت‌یابی خاص قبل از طراحی الزامی است.

8. مقایسه و تمایز فنی

این IRED با طول موج 850 نانومتر از طریق ترکیبخروجی توان بالا(30-45 mW/sr) وولتاژ مستقیم پایین(معمولاً 1.6V) خود را متمایز می‌کند. در مقایسه با LEDهای مرئی استاندارد یا IREDهای کم‌توان‌تر، این امر امکان روشنایی بیشتر یا برد بیشتر در دستگاه‌های باتری‌خور را فراهم می‌کند. زاویه دید 30 درجه تعادل خوبی بین شدت متمرکز و ناحیه پوشش ارائه می‌دهد. سرعت سوئیچینگ سریع 30 نانوثانیه آن را برای هر دو پروتکل کنترل از راه دور ساده روشن/خاموش و پروتکل‌های انتقال داده با سرعت بالاتر مناسب می‌سازد، برخلاف دستگاه‌های کندتر که به سوئیچینگ پایه محدود هستند.

9. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پین میکروکنترلر 3.3V یا 5V راه‌اندازی کنم؟
ج: خیر. شما همیشه باید از یک مقاومت محدودکننده جریان سری استفاده کنید. یک پین میکروکنترلر قابلیت تأمین/جذب جریان محدودی دارد و فاقد تنظیم دقیق جریان است. اتصال مستقیم LED احتمالاً از حداکثر جریان پین فراتر رفته و به میکروکنترلر آسیب می‌زند و همچنین ممکن است LED را بیش از حد راه‌اندازی کند.

س: چرا درجه‌بندی جریان معکوس فقط برای آزمایش است و نه برای کارکرد؟
ج: LED یک دیود است که برای هدایت مستقیم بهینه شده است. اعمال ولتاژ معکوس، حتی در محدوده حداکثر درجه‌بندی 5 ولت، باعث عملکرد مفید آن نمی‌شود. جریان معکوس مشخص شده یک پارامتر نشتی است که برای آزمایش کیفیت استفاده می‌شود، نه یک پارامتر طراحی برای کارکرد مدار.

س: چگونه مقاومت مورد نیاز برای منبع تغذیه 5 ولت در جریان 50 میلی‌آمپر را محاسبه کنم؟
ج: با استفاده از V_F معمول 1.6 ولت: R = (5V - 1.6V) / 0.05A = 68 اهم. نزدیک‌ترین مقدار استاندارد 68Ω است. درجه توان مقاومت باید حداقل P = I²R = (0.05)²* 68 = 0.17W باشد، بنابراین یک مقاومت 1/4W کافی است.

س: هدف از بسته‌بندی شفاف چیست اگر نور نامرئی است؟
ج: اپوکسی شفاف برای نور مادون قرمز 850 نانومتر بسیار شفاف است و تلفات نوری درون خود بسته را به حداقل می‌رساند. یک لنز رنگی بخشی از خروجی IR را جذب می‌کند و بازده را کاهش می‌دهد. بسته شفاف حداکثر شدت تابشی را ممکن می‌سازد.

10. مطالعه موردی طراحی و کاربرد

سناریو: طراحی یک فرستنده ساده کنترل از راه دور مادون قرمز.
هدف انتقال دستورات کدگذاری شده از یک واحد دستی به یک گیرنده تا فاصله 10 متری در یک اتاق نشیمن معمولی است.

انتخاب قطعه:این IRED با طول موج 850 نانومتر به دلیل توان خروجی بالا (برای برد خوب)، کارکرد با ولتاژ پایین (سازگار با باتری‌های کوچک مانند 2 سلول AA که 3 ولت ارائه می‌دهند) و سرعت سوئیچینگ سریع (قادر به مدیریت فرکانس حامل 38 کیلوهرتز که معمولاً در کنترل از راه دور استفاده می‌شود) انتخاب عالی است.

طراحی مدار:مدار فرستنده اصلی شامل یک میکروکنترلر است که کد مدوله شده را تولید می‌کند. پین میکروکنترلر یک ترانزیستور (مانند یک NPN ساده مانند 2N3904) را در پیکربندی سوئیچ راه‌اندازی می‌کند. IRED و مقاومت محدودکننده جریان آن در مدار کلکتور ترانزیستور قرار می‌گیرند. ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ پرسرعت عمل می‌کند و به میکروکنترلر اجازه می‌دهد LED را با جریان بالا مورد نیاز (مثلاً پالس‌های 100mA) پالس دهد بدون اینکه مستقیماً پین MCU را بارگذاری کند. مقدار مقاومت سری بر اساس ولتاژ باتری (3V)، V_F LED (~1.6V) و جریان پالسی مطلوب محاسبه می‌شود.

ملاحظات:زاویه دید وسیع 30 درجه‌ای LED اطمینان می‌دهد که کنترل از راه دور نیازی به نشانه‌گیری دقیق به سمت گیرنده ندارد. احتیاط‌های ESD در حین مونتاژ واحد دستی حیاتی است. دستورالعمل‌های نگهداری اطمینان می‌دهند که LEDها در طول فرآیند تولید قابل لحیم‌کاری باقی می‌مانند.

11. اصل عملکرد

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IRED) یک دستگاه پیوند نیمه‌هادی p-n است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه نوع n و حفره‌ها از ناحیه نوع p به ناحیه پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی به شکل فوتون (نور) آزاد می‌شود. طول موج خاص نور ساطع شده (850 نانومتر در این مورد) توسط انرژی گاف باند ماده نیمه‌هادی تعیین می‌شود که در اینجا بر اساس ترکیبات گالیوم آرسناید (GaAs) یا آلومینیوم گالیوم آرسناید (AlGaAs) است. بسته اپوکسی "شفاف" تراشه نیمه‌هادی را محصور می‌کند، محافظت مکانیکی فراهم می‌کند و به عنوان لنز برای شکل‌دهی پرتو خروجی عمل می‌کند.

12. روندهای فناوری

قطعات گسسته مادون قرمز همچنان در حال تکامل هستند. روندها شامل توسعه دستگاه‌هایی با چگالی توان و بازده حتی بالاتر برای کاربردهای برد بلند مانند LiDAR و سنجش زمان پرواز است. همچنین تلاشی برای مینیاتوری‌سازی به بسته‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) برای مونتاژ خودکار و فاکتورهای شکل کوچک‌تر وجود دارد. علاوه بر این، قطعاتی با تلرانس طول موج کنترل‌شده‌تر و پهنای باند طیفی باریک‌تر برای کاربردهای تخصصی سنجش و ارتباط نوری در حال توسعه هستند تا تداخل کاهش یافته و نسبت سیگنال به نویز بهبود یابد. اصل اساسی الکترولومینسانس در پیوندهای نیمه‌هادی ثابت باقی می‌ماند، اما علم مواد و فناوری بسته‌بندی پیشرفت‌های عملکردی را هدایت می‌کنند.