دیتاشیت LED مادون قرمز IR3494-30C/H80/L419 - بسته‌بندی T-1 3/4 با قطر 4 میلی‌متر - طول موج 940 نانومتر - ولتاژ مستقیم 1.2 ولت - شدت تابش 3.5 میلی‌وات بر استرادیان - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

IR3494-30C/H80/L419 یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز پرتوان است که برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به تابش نور مادون قرمز قابل اعتماد و کارآمد دارند. این قطعه در یک بسته پلاستیکی شفاف قالب‌گیری شده و برای ارائه عملکردی پایدار در قالب فشرده T-1 3/4 (4 میلی‌متری) مهندسی شده است. عملکرد اصلی آن تابش پرتو مادون قرمز در طول موج اوج 940 نانومتر است که آن را از نظر طیفی با فوتوترانزیستورها، فوتودیودها و ماژول‌های گیرنده مادون قرمز متداول سازگار می‌کند. این قطعه دارای فاصله استاندارد 2.54 میلی‌متری بین پایه‌ها برای ادغام آسان در طرح‌های استاندارد PCB است.

2. ویژگی‌ها و مزایای کلیدی

مزایای اصلی این قطعه ناشی از طراحی و انتخاب مواد آن است. قابلیت اطمینان بالایی ارائه می‌دهد که برای کاربردهای بلندمدت حیاتی است. شدت تابش بالا، انتقال سیگنال قوی را تضمین می‌کند و برد عملیاتی و نسبت سیگنال به نویز را در سیستم‌های سنجشی بهبود می‌بخشد. ویژگی ولتاژ مستقیم پایین به بهره‌وری انرژی کلی سیستم کمک می‌کند. علاوه بر این، این قطعه با مقررات زیست‌محیطی مطابقت دارد، بدون سرب (Pb-free) است و برای باقی ماندن در چارچوب استانداردهای RoHS طراحی شده است.

3. حداکثر مقادیر مجاز مطلق

کارکرد دستگاه فراتر از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود. این مقادیر در دمای محیط (Ta) 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند.

• جریان مستقیم پیوسته (I_F):100 میلی‌آمپر
• جریان مستقیم اوج (I_FP):1.0 آمپر (عرض پالس ≤100 میکروثانیه، چرخه کاری ≤1%)
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت
• دمای کارکرد (T_opr):40- تا 85+ درجه سلسیوس
• دمای نگهداری (T_stg):40- تا 100+ درجه سلسیوس
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سلسیوس (برای ≤5 ثانیه)
• توان تلف شده (P_d):180 میلی‌وات (در دمای هوای آزاد 25 درجه سلسیوس یا کمتر)

4. مشخصات الکترواپتیکی

پارامترهای زیر عملکرد دستگاه را تحت شرایط آزمایش استاندارد (Ta=25°C) تعریف می‌کنند. مقادیر معمولی رایج‌ترین عملکرد را نشان می‌دهند، در حالی که مقادیر حداقل و حداکثر محدوده قابل قبول را تعریف می‌کنند.

4.1 ویژگی‌های تابشی و طیفی

• شدت تابش (I_e):2.5 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل)، 3.5 میلی‌وات بر استرادیان (معمولی)، 5.5 میلی‌وات بر استرادیان (حداکثر) در I_F=20mA. در کارکرد پالسی (I_F=250mA, f=60Hz, چرخه کاری 50%)، شدت تابش معمولی 40 میلی‌وات بر استرادیان است.
• طول موج اوج (λ_p):940 نانومتر (معمولی) در I_F=20mA.
• پهنای باند طیفی (Δλ):50 نانومتر (معمولی) در I_F=20mA، که عرض طیفی در نصف حداکثر شدت را تعریف می‌کند.

4.2 ویژگی‌های الکتریکی

• ولتاژ مستقیم (V_F):
  • در I_F=20mA: 1.10V (حداقل)، 1.20V (معمولی)، 1.50V (حداکثر)
  • در I_F=100mA: 1.20V (حداقل)، 1.30V (معمولی)، 1.70V (حداکثر)
• جریان معکوس (I_R):10 میکروآمپر (حداکثر) در V_R=5V.

4.3 زاویه دید

توزیع فضایی نور ساطع شده یکنواخت نیست. زاویه دید، که به عنوان زاویه کامل در نصف حداکثر شدت تابش (2θ_1/2) تعریف می‌شود، عبارت است از:

• موقعیت X:95 درجه (معمولی)
• موقعیت Y:45 درجه (معمولی)

این نشان‌دهنده یک الگوی تابش نامتقارن است که عاملی حیاتی در طراحی سیستم نوری برای همترازی فرستنده با گیرنده محسوب می‌شود.

5. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که برای کار طراحی دقیق ضروری هستند.

5.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

این منحنی کاهش حداکثر جریان مستقیم مجاز با افزایش دمای محیط را نشان می‌دهد. برای جلوگیری از گرمای بیش از حد و اطمینان از قابلیت اطمینان، جریان مستقیم باید هنگام کارکرد بالاتر از 25 درجه سلسیوس کاهش یابد.

5.2 توزیع طیفی

این نمودار شدت تابش نسبی را در مقابل طول موج، حول اوج 940 نانومتر ترسیم می‌کند. به صورت بصری پهنای باند معمولی 50 نانومتر را تأیید می‌کند و نشان می‌دهد که بیشتر توان نوری تقریباً بین 915 تا 965 نانومتر متمرکز است. این پهنای باند باریک برای فیلتر کردن نویز نور محیط مفید است.

5.3 شدت تابش در مقابل جریان مستقیم

این یک رابطه حیاتی است که نشان می‌دهد شدت تابش با جریان مستقیم افزایش می‌یابد، اما لزوماً به صورت کاملاً خطی نیست، به ویژه در جریان‌های بالاتر به دلیل اثرات حرارتی و بازدهی. این منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا یک جریان کارکردی را انتخاب کنند که توان خروجی نوری مورد نیاز را ارائه دهد.

5.4 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم

این منحنی مشخصه IV برای طراحی مدار درایور اساسی است. رابطه نمایی را نشان می‌دهد و به تعیین محدوده ولتاژ لازم برای یک درایور جریان ثابت یا محاسبه مقادیر مقاومت سری برای یک طراحی مبتنی بر ولتاژ کمک می‌کند.

5.5 شدت تابش نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

منحنی‌های جداگانه برای موقعیت‌های X و Y، زاویه دید نامتقارن را نشان می‌دهند. شدت در ±47.5 درجه در صفحه X و ±22.5 درجه در صفحه Y به نصف مقدار حداکثر خود کاهش می‌یابد. این الگو هنگام همترازی LED با یک سنسور باید در نظر گرفته شود تا قدرت سیگنال بهینه تضمین شود.

6. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

6.1 ابعاد بسته‌بندی

دستگاه از یک بسته گرد استاندارد T-1 3/4 (با قطر 4 میلی‌متر) استفاده می‌کند. نقشه فنی تمام ابعاد حیاتی از جمله قطر بدنه، شکل لنز، قطر پایه و فاصله پایه‌ها را ارائه می‌دهد. نکات کلیدی مشخص می‌کنند که تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند و تلرانس‌های استاندارد ±0.25 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. نقشه مکانیکی دقیق برای ایجاد جای پایه PCB دقیق و اطمینان از قرارگیری صحیح در مونتاژها ضروری است.

6.2 شناسایی قطبیت

LEDهای مادون قرمز قطعاتی قطبی هستند. نقشه دیتاشیت کاتد را نشان می‌دهد که معمولاً توسط یک نقطه صاف روی لبه بسته یا یک پایه کوتاه‌تر شناسایی می‌شود. قطبیت صحیح باید در حین مونتاژ رعایت شود تا از خرابی دستگاه جلوگیری شود.

7. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقدار مجاز مطلق برای دمای لحیم‌کاری 260 درجه سلسیوس برای مدت زمان حداکثر 5 ثانیه است. این مقدار برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو معمول است. رعایت این محدودیت‌ها برای جلوگیری از آسیب حرارتی به بسته پلاستیکی و تراشه نیمه‌هادی داخلی حیاتی است. در صورت لزوم، باید روش‌های استاندارد صنعتی برای مدیریت قطعات حساس به رطوبت رعایت شود.

8. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

مشخصات بسته‌بندی استاندارد به شرح زیر است: 500 قطعه در هر کیسه، 5 کیسه در هر جعبه و 10 جعبه در هر کارتن. برچسب روی بسته‌بندی حاوی چندین کد برای ردیابی و مشخصات است:

• CPN:شماره قطعه مشتری
• P/N:شماره تولید (شماره قطعه سازنده)
• QTY:تعداد موجود در بسته
• CAT:رده‌ها یا دسته‌های عملکرد (مثلاً برای شدت تابش)
• HUE:دسته طول موج اوج را نشان می‌دهد.
• REF:کد مرجع.
• LOT No:شماره دسته برای ردیابی تولید.

9. پیشنهادات کاربردی

9.1 سناریوهای کاربردی متداول

• واحدهای کنترل از راه دور مادون قرمز:شدت تابش بالای آن، آن را برای کنترل‌های از راه دوری که نیاز به برد بیشتر یا نفوذ سیگنال قوی‌تر دارند مناسب می‌سازد.
• سیستم‌های انتقال هوای آزاد:در پیوندهای داده کوتاه‌برد، سنسورهای مجاورتی و تشخیص اشیاء که در آن پرتو مادون قرمز مدوله می‌شود استفاده می‌شود.
• دتکتورهای دود:در دتکتورهای دود از نوع تیرگی به کار می‌رود، جایی که ذرات دود پرتو نور مادون قرمز بین یک فرستنده و یک گیرنده را قطع می‌کنند.
• سیستم‌های مادون قرمز عمومی:هر کاربرد دیگری که نیاز به یک منبع قابل اعتماد نور مادون قرمز 940 نانومتری دارد.

9.2 ملاحظات طراحی

• مدار درایو:همیشه از یک مقاومت محدودکننده جریان سری یا یک درایور جریان ثابت استفاده کنید تا از تجاوز از حداکثر جریان مستقیم جلوگیری شود، به ویژه با توجه به ولتاژ مستقیم پایین. باید از منحنی IV برای محاسبه مقدار مقاومت مناسب برای یک ولتاژ تغذیه معین استفاده کرد.
• مدیریت حرارتی:محدودیت‌های اتلاف توان را رعایت کنید. اگر در نزدیکی حداکثر جریان یا در دمای محیط بالا کار می‌کنید، منحنی کاهش توان را در نظر بگیرید و در صورتی که LED روی برد همراه با سایر قطعات تولیدکننده حرارت نصب شده است، از تهویه یا هیت‌سینک کافی اطمینان حاصل کنید.
• همترازی نوری:زاویه دید نامتقارن (95° x 45°) حیاتی است. LED و گیرنده متناظر (فوتوترانزیستور و غیره) باید مطابق با محور حساسیت مورد نظر همتراز شوند تا سیگنال جمع‌آوری شده به حداکثر برسد.
• محافظت در برابر ولتاژ معکوس:حداکثر ولتاژ معکوس تنها 5 ولت است. در مدارهایی که امکان بایاس معکوس وجود دارد (مانند کوپلینگ AC یا بارهای القایی)، استفاده از محافظ خارجی مانند یک دیود موازی (کاتد به آند) به شدت توصیه می‌شود.

10. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز کم‌توان استاندارد، سری IR3494 شدت تابش به مراتب بالاتری ارائه می‌دهد (معمولاً 3.5 میلی‌وات بر استرادیان در مقابل اغلب کمتر از 1 میلی‌وات بر استرادیان برای قطعات پایه). این مستقیماً به معنای برد عملیاتی بیشتر یا توانایی استفاده از جریان‌های درایو پایین‌تر برای همان برد است که بازدهی را بهبود می‌بخشد. طول موج 940 نانومتر ایده‌آل است زیرا نسبت به LEDهای 850 نانومتری (که درخشش قرمز کمرنگی دارند) برای چشم انسان کمتر قابل مشاهده است و در عین حال به راحتی توسط فوتودتکتورهای مبتنی بر سیلیکون قابل تشخیص است. الگوی پرتو نامتقارن می‌تواند در کاربردهایی که نیاز به پرتو متمرکز در یک صفحه و پوشش وسیع‌تر در صفحه دیگر دارند، یک مزیت باشد.

11. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پایه میکروکنترلر 5 ولتی راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. ولتاژ مستقیم آن تنها حدود 1.2-1.3 ولت است. اتصال مستقیم آن به 5 ولت بدون مقاومت محدودکننده جریان، باعث جریان بسیار بالایی شده و LED را فوراً از بین می‌برد. همیشه باید از یک مقاومت سری استفاده شود.

س: تفاوت بین شدت تابش 'معمولی' و 'حداکثر' چیست؟

ج: مقدار معمولی (3.5 میلی‌وات بر استرادیان) مقداری است که اکثر قطعات از یک دسته تولید ارائه می‌دهند. حداکثر (5.5 میلی‌وات بر استرادیان) حد بالایی مشخصات است؛ برخی قطعات ممکن است عملکرد بهتری داشته باشند، اما طراحی‌ها باید بر اساس حداقل (2.5 میلی‌وات بر استرادیان) باشد تا عملکرد سیستم تحت همه شرایط تضمین شود.

س: چرا زاویه دید در جهت‌های X و Y متفاوت است؟

ج: این نتیجه ساختار داخلی تراشه و شکل لنز پلاستیکی است. این یک ویژگی طراحی عمدی است که الگوی نور ساطع شده را شکل می‌دهد و می‌تواند برای هدف‌گیری پرتو مادون قرمز مفید باشد.

س: آیا هیت‌سینک مورد نیاز است؟

ج: برای کارکرد پیوسته در حداکثر جریان نامی 100 میلی‌آمپر، اتلاف توان تقریباً 130 میلی‌وات است (1.3V * 0.1A) که کمتر از مقدار نامی 180 میلی‌وات در 25 درجه سلسیوس است. با این حال، اگر دمای محیط بالا باشد یا LED در محفظه بسته‌ای قرار داشته باشد، باید کاهش توان حرارتی مطابق منحنی‌های عملکرد اعمال شود و ممکن است هیت‌سینک یا کاهش جریان کارکرد ضروری باشد.

12. مورد عملی طراحی و استفاده

مورد: طراحی فرستنده کنترل از راه دور IR برد بلند

هدف: دستیابی به برد قابل اطمینان 15 متری در محیط معمولی اتاق نشیمن.

مراحل طراحی:

1. انتخاب جریان درایو:مشورت با منحنی 'شدت تابش در مقابل جریان مستقیم'. برای حداکثر کردن برد، در نزدیکی حد بالایی کار کنید. انتخاب I_F= 80mA شدت تابشی حدود 15 میلی‌وات بر استرادیان (از روی منحنی) ارائه می‌دهد که افزایش قابل توجهی نسبت به مقدار 20mA است.

2. طراحی مدار:برای منبع تغذیه 3.3 ولت، مقاومت سری را محاسبه کنید. با استفاده از V_Fمعمولی در 80mA (برآورد شده از منحنی IV حدود ~1.28V): R = (V_supply- V_F) / I_F= (3.3V - 1.28V) / 0.08A = 25.25Ω. از مقاومت استاندارد 24Ω یا 27Ω استفاده کنید. توان مقاومت را تأیید کنید: P = I²R = (0.08)²*27 = 0.173W، بنابراین یک مقاومت 1/4W کافی است.

3. بررسی حرارتی:اتلاف توان LED: P_d= V_F* I_F= 1.28V * 0.08A = 102mW. این مقدار به خوبی در محدوده 180mW در 25°C قرار دارد.

4. همترازی نوری:LED را روی لبه PCB کنترل از راه دور نصب کنید. LED را طوری جهت دهید که صفحه وسیع‌تر 95 درجه‌ای (X) به صورت افقی همتراز شود تا منطقه وسیعی را پوشش دهد، در حالی که صفحه باریک‌تر 45 درجه‌ای (Y) به صورت عمودی باشد تا انرژی را به سمت جلو متمرکز کند. این شانس برخورد به گیرنده را حتی اگر کنترل از راه دور به صورت افقی کمی خارج از محور باشد، بهینه می‌کند.

13. اصل عملکرد

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n و حفره‌ها از ناحیه p به داخل پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار در ناحیه فعال ماده نیمه‌هادی (معمولاً مبتنی بر آرسنید گالیم، GaAs) بازترکیب می‌شوند، انرژی به شکل فوتون آزاد می‌شود. ترکیب خاص لایه‌های نیمه‌هادی طول موج نور ساطع شده را تعیین می‌کند. برای این دستگاه، ماده به گونه‌ای مهندسی شده است که فوتون‌ها را عمدتاً در طول موج 940 نانومتر تولید کند که در طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد، برای چشم انسان نامرئی است اما به راحتی توسط فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی قابل تشخیص است.

14. روندهای فناوری

توسعه LEDهای مادون قرمز همچنان بر چند حوزه کلیدی متمرکز است: افزایش بازده دیواره-پریز (توان نوری خروجی / توان الکتریکی ورودی) برای امکان مصرف انرژی کمتر یا خروجی بالاتر از دستگاه‌های باتری‌خور؛ بهبود سرعت مدولاسیون برای کاربردهای ارتباط داده پرسرعت مانند IrDA؛ و توسعه دستگاه‌هایی با پهنای باند طیفی حتی باریک‌تر برای کاربردهایی که نیاز به تطابق دقیق طول موج دارند، مانند سنجش گاز. همچنین روندی به سمت بسته‌بندی‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) برای مونتاژ خودکار وجود دارد، اگرچه بسته‌بندی‌های سوراخ‌دار مانند T-1 3/4 به دلیل استحکام و سهولت لحیم‌کاری دستی در نمونه‌سازی اولیه و برخی کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا همچنان محبوب هستند. طول موج 940 نانومتر به دلیل تعادل بهینه بین حساسیت دتکتور سیلیکونی و قابلیت مشاهده کم، یک استاندارد صنعتی باقی مانده است.

یادداشت‌های مهم:مشخصات ارائه شده در این سند ممکن است بدون اطلاع قبلی تغییر کند. هنگام استفاده از این محصول، حداکثر مقادیر مجاز مطلق و شرایط کارکرد ذکر شده در اینجا باید به دقت رعایت شود. سازنده هیچ مسئولیتی در قبال خسارات ناشی از استفاده خارج از این شرایط مشخص شده نمی‌پذیرد. اطلاعات موجود در این دیتاشیت مشمول حق چاپ است و بدون مجوز نباید تکثیر شود.