دیتاشیت LED مادون قرمز 940 نانومتر - مستندات فنی

1. مرور کلی محصول

این سند یک مرور فنی جامع از یک قطعه دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) ارائه می‌دهد. عملکرد اصلی این قطعه، انتشار نور در طیف مادون قرمز نزدیک، به‌طور خاص در طول موج پیک (λp) 940 نانومتر (nm) است. این طول موج برای چشم انسان نامرئی است اما برای کاربردهای مختلف سنجش و کنترل از راه دور بسیار مؤثر است. این قطعه برای ادغام در مجموعه‌های الکترونیکی که نیاز به یک منبع نور IR قابل اعتماد و یکنواخت دارند، طراحی شده است.

مزیت اصلی این LED مادون قرمز در انتشار مشخصه 940 نانومتری آن نهفته است که یک استاندارد رایج برای لوازم الکترونیکی مصرفی مانند کنترل‌های تلویزیون و سنسورهای مجاورت است. این طول موج تعادل خوبی بین حساسیت آشکارساز سیلیکونی و حذف نور محیطی برقرار می‌کند. بازار هدف شامل لوازم الکترونیکی مصرفی، اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های امنیتی و هر کاربرد دیگری است که نیاز به نور غیرمرئی برای سیگنالینگ، تشخیص یا انتقال داده دارد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

قطعه PDF ارائه شده یک پارامتر نورسنجی حیاتی را برجسته می‌کند: طول موج پیک.

2.1 ویژگی‌های نورسنجی

طول موج پیک (λp): 940 نانومتر

این قوی‌ترین طول موج منتشر شده توسط LED است، جایی که شدت تابشی در حداکثر خود قرار دارد. طول موج پیک 940 نانومتر به چند دلیل حائز اهمیت است:

• سازگاری با آشکارساز سیلیکونی:فتودیودها و فتوترانزیستورهای سیلیکونی، که متداول‌ترین آشکارسازهای IR هستند، معمولاً حساسیت پیک خود را در محدوده 800 تا 950 نانومتر دارند. یک منبع 940 نانومتری با این محدوده هماهنگی خوبی دارد و باعث تشخیص کارآمد و قدرت سیگنال قوی می‌شود.
• انتشار نور مرئی کم:در حالی که برخی LEDهای مادون قرمز نزدیک درخشش قرمز ضعیفی دارند، LEDهای 940 نانومتر عملاً نامرئی هستند و آن‌ها را برای کاربردهای مخفی یا جاهایی که نشت نور مرئی نامطلوب است، ایده‌آل می‌کند.
• مصونیت در برابر نور خورشید:طیف تابش خورشیدی یک حداقل محلی در حدود 940 نانومتر دارد که به سنسورهایی که از این طول موج استفاده می‌کنند کمک می‌کند تا در مقایسه با، برای مثال، LEDهای 850 نانومتر، کمتر در معرض تداخل نور محیطی خورشید قرار گیرند.

در حالی که بخش استخراج شده PDF فقط طول موج پیک را نشان می‌دهد، یک دیتاشیت کامل معمولاً شامل پارامترهای نورسنجی اضافی مانند شدت تابشی (بر حسب میلی‌وات بر استرادیان، mW/sr)، زاویه دید (زاویه نیم‌شدت بر حسب درجه) و پهنای باند طیفی (عرض کامل در نصف بیشینه، FWHM، بر حسب نانومتر) خواهد بود.

2.2 پارامترهای الکتریکی

اگرچه به صراحت در متن ارائه شده ذکر نشده است، درک ویژگی‌های الکتریکی برای طراحی اساسی است.

• ولتاژ مستقیم (Vf):افت ولتاژ دو سر LED هنگام کار در جریان مشخصه آن. برای LEDهای IR معمولی، این مقدار اغلب بین 1.2 تا 1.6 ولت است، اما مقدار دقیق به ماده نیمه‌هادی و طراحی چیپ بستگی دارد. این پارامتر برای انتخاب مقاومت محدودکننده جریان یا مدار درایور مناسب بسیار مهم است.
• جریان مستقیم (If):جریان عملیاتی پیوسته توصیه شده، که معمولاً برای بسته‌بندی‌های استاندارد بین 20 تا 100 میلی‌آمپر است. تجاوز از حداکثر جریان مستقیم می‌تواند منجر به تخریب سریع یا خرابی فاجعه‌بار شود.
• ولتاژ معکوس (Vr):حداکثر ولتاژی که LED می‌تواند در حالت بایاس معکوس بدون آسیب تحمل کند، که معمولاً حدود 5 ولت است. تجاوز از این مقدار می‌تواند پیوند PN را شکست دهد.
• اتلاف توان:که به صورت Vf * If محاسبه می‌شود، این مقدار بار حرارتی روی قطعه را تعیین می‌کند و نیاز به هیت سینک را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

2.3 ویژگی‌های حرارتی

عملکرد و طول عمر LED به شدت به دمای پیوند بستگی دارد.

• مقاومت حرارتی (Rθj-a):مقاومت در برابر جریان حرارت از پیوند نیمه‌هادی به هوای محیط، که بر حسب درجه سانتی‌گراد بر وات (°C/W) بیان می‌شود. مقدار کمتر نشان‌دهنده قابلیت دفع حرارت بهتر است.
• حداکثر دمای پیوند (Tj max):بالاترین دمای مجاز در پیوند نیمه‌هادی. کار کردن بالاتر از این حد، طول عمر LED را به شدت کوتاه می‌کند. چیدمان مناسب PCB (ویاهای حرارتی، مساحت مسی) برای نگه داشتن Tj در محدوده مجاز ضروری است.
• منحنی کاهش رتبه (دری‌تینگ):نموداری که نشان می‌دهد حداکثر جریان مستقیم مجاز چگونه با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. این یک ابزار طراحی حیاتی برای اطمینان از قابلیت اطمینان در تمام شرایط عملیاتی است.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

تغییرات ساخت به این معنی است که LEDها یکسان نیستند. یک سیستم دسته‌بندی، قطعات را بر اساس پارامترهای کلیدی دسته‌بندی می‌کند تا یکنواختی را در یک دسته تولیدی تضمین کند.

• دسته‌بندی طول موج/طول موج پیک:LEDها بر اساس طول موج پیک واقعی خود، مثلاً 945-935 نانومتر، 950-940 نانومتر، دسته‌بندی می‌شوند. این امر یکنواختی رنگ را برای کاربرد تضمین می‌کند.
• دسته‌بندی شدت تابشی/شار نوری:قطعات بر اساس توان خروجی نور اندازه‌گیری شده گروه‌بندی می‌شوند. برای مثال، دسته‌ها ممکن است به عنوان مقادیر Min/ Typ/ Max شدت تابشی در یک جریان تست خاص تعریف شوند.
• دسته‌بندی ولتاژ مستقیم:LEDها بر اساس Vf آن‌ها در یک جریان تست مرتب می‌شوند. این به طراحی مدارهای یکنواخت‌تر کمک می‌کند، به ویژه زمانی که چندین LED به صورت سری به هم متصل شده‌اند.

طراحان هنگام سفارش باید دسته‌های مورد نیاز را مشخص کنند تا عملکرد لازم برای کاربرد خود را تضمین کنند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

داده‌های گرافیکی بینش عمیق‌تری نسبت به مشخصات تک نقطه‌ای ارائه می‌دهند.

4.1 منحنی جریان بر حسب ولتاژ (I-V)

این منحنی رابطه بین ولتاژ مستقیم و جریان مستقیم را نشان می‌دهد. غیرخطی است و یک ولتاژ "زانو" (معمولاً ~1.2 ولت برای LEDهای IR) را نشان می‌دهد که بالاتر از آن جریان با افزایش اندک ولتاژ به سرعت افزایش می‌یابد. این موضوع اهمیت کنترل جریان، نه کنترل ولتاژ، را برای راه‌اندازی LEDها تأکید می‌کند.

4.2 ویژگی‌های دمایی

نمودارهای کلیدی شامل موارد زیر هستند:

• ولتاژ مستقیم بر حسب دمای پیوند:Vf دارای ضریب دمایی منفی است، به این معنی که با افزایش دما کاهش می‌یابد. این می‌تواند برای سنجش دما استفاده شود.
• شدت تابشی بر حسب دمای پیوند:خروجی نور معمولاً با افزایش دما کاهش می‌یابد. شیب این منحنی نشان‌دهنده پایداری حرارتی خروجی است.
• شدت نسبی بر حسب جریان مستقیم:نشان می‌دهد که خروجی نور چگونه با جریان درایو مقیاس می‌یابد، معمولاً به صورت یک رابطه خطی یا کمی زیرخطی تا زمانی که اثرات حرارتی غالب شوند.

4.3 توزیع طیفی

نموداری که شدت نسبی را بر حسب طول موج ترسیم می‌کند. برای یک LED 940 نانومتر، این منحنی حول 940 نانومتر متمرکز خواهد بود با یک FWHM معمولی 50-40 نانومتر. شکل و عرض این منحنی بر نحوه تعامل نور با فیلترها و آشکارسازها تأثیر می‌گذارد.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

PDF اصطلاحات بسته‌بندی را ذکر می‌کند اما فاقد نقشه ابعادی است.

• نوع بسته‌بندی:بسته‌بندی‌های رایج برای LEDهای IR شامل پایه‌های شعاعی 3 میلی‌متر و 5 میلی‌متر و بسته‌بندی‌های نصب سطحی (SMD) مانند 0805، 1206 یا بسته‌بندی‌های IR تخصصی هستند.
• ابعاد:یک نقشه مکانیکی دقیق طول، عرض، ارتفاع، قطر/فاصله پایه (برای نوع تروهل) یا ابعاد پد (برای SMD) را مشخص می‌کند.
• طراحی پد/الگوی لند:برای قطعات SMD، فوت‌پرینت PCB توصیه شده (اندازه، شکل و فاصله پد) برای لحیم‌کاری قابل اعتماد و استحکام مکانیکی حیاتی است.
• شناسایی قطبیت:LEDها دیود هستند و باید با قطبیت صحیح وصل شوند. شناسایی معمولاً از طریق یک لبه صاف روی لنز، یک پایه آند بلندتر یا یک کاتد علامت‌گذاری شده روی بدنه بسته‌بندی SMD انجام می‌شود.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح قابلیت اطمینان را تضمین می‌کند.

• پروفیل لحیم‌کاری ریفلو:برای قطعات SMD، یک پروفیل زمان-دما که پیش‌گرم، خیس‌اندن، دمای پیک ریفلو (معمولاً حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد برای چند ثانیه) و نرخ‌های خنک‌سازی را مشخص می‌کند، باید رعایت شود.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت امکان، دستورالعمل‌هایی برای دمای هویه (<350 درجه سانتی‌گراد) و حداکثر زمان لحیم‌کاری برای هر پایه (مثلاً 3 ثانیه) برای جلوگیری از آسیب حرارتی به لنز اپوکسی یا نیمه‌هادی ارائه می‌شود.
• احتیاط‌های ESD:LEDها به تخلیه الکترواستاتیک حساس هستند. مدیریت باید در ایستگاه‌های کاری محافظت شده از ESD با استفاده از تجهیزات زمین شده انجام شود. ذکر "کیف الکترواستاتیک" در PDF این نیاز را برجسته می‌کند.
• شرایط نگهداری:قطعات باید در یک محیط خشک و کنترل شده (مثلاً<40 درجه سانتی‌گراد/40% رطوبت نسبی) نگهداری شوند تا از جذب رطوبت جلوگیری شود، که می‌تواند باعث "پاپ کورن شدن" در حین ریفلو شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

قطعه PDF چندین سطح بسته‌بندی را فهرست می‌کند.

• کیف الکترواستاتیک:سد اولیه رطوبت و ESD برای قطعات فله یا ریل‌ها.
• کارتن داخلی:شامل چندین کیف الکترواستاتیک یا ریل است.
• کارتن خارجی:کارتن حمل و نقل اصلی که شامل چندین کارتن داخلی است.
• تعداد بسته‌بندی:تعداد استاندارد در هر ریل (مثلاً 1000 عدد)، در هر کیف یا در هر کارتن.
• برچسب‌گذاری:برچسب‌ها باید شامل شماره قطعه، تعداد، کد تاریخ، شماره دسته/لوط و سطح حساسیت ESD/رطوبت (MSL) باشند.
• قاعده شماره‌گذاری مدل:یک شماره قطعه کامل معمولاً ویژگی‌های کلیدی مانند نوع بسته‌بندی، دسته طول موج، دسته شدت و دسته ولتاژ مستقیم را کدگذاری می‌کند.

8. توصیه‌های کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی متداول

• کنترل‌های از راه دور مادون قرمز:برای تلویزیون‌ها، ست‌تاپ‌باکس‌ها، سیستم‌های صوتی. طول موج 940 نانومتر استاندارد صنعتی است.
• سنسورهای مجاورت و حضور:در تلفن‌های هوشمند (برای غیرفعال کردن صفحه لمسی در طول تماس‌ها)، شیرهای آب اتوماتیک، دستگاه‌های صابون‌دست استفاده می‌شود.
• تشخیص و شمارش اشیاء:در اتوماسیون صنعتی، دستگاه‌های فروش خودکار و پرتوهای امنیتی.
• انتقال داده نوری:برای پیوندهای داده کم‌سرعت و برد کوتاه (IrDA یک استاندارد رایج بود).
• روشنایی دید در شب:همراه با دوربین‌های حساس به IR برای نظارت در شرایط کم نور.

8.2 ملاحظات طراحی

• مدار درایو:همیشه از یک مقاومت محدودکننده جریان سری یا یک درایور جریان ثابت استفاده کنید. مقدار مقاومت را با استفاده از R = (ولتاژ منبع - Vf) / If محاسبه کنید.
• چیدمان PCB:مساحت مسی کافی یا ویاهای حرارتی زیر پد حرارتی LED (اگر SMD است) برای دفع حرارت فراهم کنید.
• طراحی نوری:لنزگذاری یا دیافراگم‌ها را برای شکل دادن به پرتو در نظر بگیرید. زاویه دید LED باید با میدان دید آشکارساز مطابقت داشته باشد.
• فیلتر کردن:از یک فیلتر عبور IR روی آشکارساز برای مسدود کردن نور مرئی و بهبود نسبت سیگنال به نویز استفاده کنید.
• مدولاسیون:برای کاربردهای سنجشی، مدوله کردن سیگنال IR (مثلاً در 38 کیلوهرتز) و استفاده از یک آشکارساز همگام‌سازی شده می‌تواند به طور مؤثری تداخل نور محیطی را حذف کند.

9. مقایسه فنی

در مقایسه با سایر منابع IR:

• در مقابل LEDهای IR 850 نانومتر:LEDهای 850 نانومتر اغلب درخشش قرمز ضعیفی دارند و بیشتر در معرض تداخل نور خورشید هستند اما ممکن است به دلیل بازده ماده، شدت تابشی کمی بالاتری برای همان جریان درایو ارائه دهند. 940 نانومتر برای عملیات مخفی و حذف بهتر نور خورشید ترجیح داده می‌شود.
• در مقابل دیودهای لیزر:لیزرها یک پرتو همدوس و باریک ایده‌آل برای سنجش برد بلند یا دقیق ارائه می‌دهند اما گران‌تر هستند، نیاز به درایو و اقدامات ایمنی پیچیده‌تری دارند و طیف انتشار باریک‌تری دارند.
• در مقابل منابع IR رشته‌ای:منابع مبتنی بر رشته، IR طیف گسترده منتشر می‌کنند اما ناکارآمد، کند، شکننده و گرمای قابل توجهی تولید می‌کنند.

LED 940 نانومتر تعادل بهینه‌ای از هزینه، بازده، قابلیت اطمینان و عملکرد برای کاربردهای اصلی مصرفی و صنعتی ارائه می‌دهد.

10. پرسش‌های متداول (FAQs)

س: چرا LED 940 نانومتر من قابل مشاهده نیست؟

ج: حساسیت چشم انسان فراتر از حدود 750 نانومتر به شدت کاهش می‌یابد. 940 نانومتر کاملاً در طیف مادون قرمز قرار دارد و اساساً نامرئی است، که یک ویژگی کلیدی برای بسیاری از کاربردها است.

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پین میکروکنترلر 5 ولت یا 3.3 ولت راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. شما همیشه باید از یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری استفاده کنید. پین GPIO یک میکروکنترلر نمی‌تواند جریان ثابتی تأمین کند و ممکن است به دلیل ولتاژ مستقیم پایین LED آسیب ببیند، که می‌تواند شرایطی نزدیک به اتصال کوتاه ایجاد کند.

س: چگونه مقدار مقاومت بهینه را تعیین کنم؟

ج: از قانون اهم استفاده کنید: R = (Vs - Vf) / If. برای مثال، با Vs=5V، Vf=1.4V (معمولی) و If=20mA: R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 اهم. از مقدار استاندارد بعدی استفاده کنید (مثلاً 180Ω یا 220Ω).

س: هدف از "کیف الکترواستاتیک" ذکر شده چیست؟

ج: از LED در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) در طول نگهداری و حمل و نقل محافظت می‌کند، که می‌تواند به پیوند نیمه‌هادی حساس آسیب برساند حتی اگر آسیب بلافاصله قابل مشاهده نباشد.

س: آیا دمای محیط بر عملکرد تأثیر می‌گذارد؟

ج: بله، به میزان قابل توجهی. شدت تابشی با افزایش دما کاهش می‌یابد و ولتاژ مستقیم کاهش می‌یابد. برای کاربردهای حیاتی، منحنی‌های کاهش رتبه را بررسی کنید و مدیریت حرارتی را بر این اساس طراحی کنید.

11. موارد کاربردی عملی

مطالعه موردی 1: سنسور مجاورت تلفن هوشمند

یک LED 940 نانومتر در نزدیکی هندزفری قرار می‌گیرد. هنگامی که یک تماس فعال است، LED یک پالس کوتاه منتشر می‌کند. یک آشکارساز نوری نزدیک نور بازتاب شده را اندازه‌گیری می‌کند. اگر یک شی (مانند گوش کاربر) نزدیک باشد، سیگنال بازتاب شده قوی است و صفحه لمسی غیرفعال می‌شود تا از ورود تصادفی جلوگیری شود. طول موج 940 نانومتر اطمینان می‌دهد که هیچ درخشش مرئی در طول تماس دیده نمی‌شود.

مطالعه موردی 2: شمارنده اشیاء نوار نقاله صنعتی

یک LED IR و آشکارساز در دو طرف مقابل یک تسمه نقاله نصب می‌شوند و یک پرتو ایجاد می‌کنند. هنگامی که یک شی از میان آن عبور می‌کند، پرتو را قطع می‌کند و یک شمارنده را فعال می‌کند. استفاده از یک سیگنال مدوله شده 940 نانومتر به سیستم کمک می‌کند تا تابش IR ثابت از اشیاء داغ یا ماشین‌آلات در کف کارخانه را نادیده بگیرد.

12. اصل عملکرد

یک LED مادون قرمز یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد (ولتاژ مثبت به سمت p، آند 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 در نواحی مخالف با حامل‌های اکثریت بازترکیب می‌شوند. در یک ماده نیمه‌هادی با گاف مستقیم مانند گالیم آرسناید (GaAs) یا آلومینیوم گالیم آرسناید (AlGaAs)، که معمولاً برای LEDهای IR استفاده می‌شود، این رویداد بازترکیب انرژی را به شکل یک فوتون (ذره نور) آزاد می‌کند. طول موج (رنگ) فوتون منتشر شده توسط انرژی گاف (Eg) ماده نیمه‌هادی، طبق معادله λ ≈ 1240 / Eg (eV) تعیین می‌شود، که در آن λ بر حسب نانومتر است. برای طول موج 940 نانومتر، انرژی گاف تقریباً 1.32 الکترون‌ولت است. ترکیب ماده خاص (مثلاً AlGaAs) برای دستیابی به این گاف دقیق مهندسی شده است.

13. روندهای فناوری

توسعه LEDهای IR چندین روند کلیدی را دنبال می‌کند که توسط تقاضای کاربردها هدایت می‌شود:

• افزایش توان و بازده:بهبودهای مستمر در علم مواد و طراحی چیپ، شدت تابشی بالاتر و بازده دیوار-پریز (توان نوری خروجی / توان الکتریکی ورودی) را به همراه دارد که امکان برد بیشتر یا مصرف توان کمتر را فراهم می‌کند.
• کوچک‌سازی:اندازه بسته‌بندی‌ها همچنان در حال کوچک شدن است (مثلاً بسته‌بندی‌های در مقیاس چیپ) تا در دستگاه‌های مصرفی روزافزون کوچک مانند پوشیدنی‌ها و تلفن‌های هوشمند فوق باریک جای بگیرند.
• راه‌حل‌های یکپارچه:حرکتی به سمت ماژول‌هایی وجود دارد که LED، درایور، آشکارساز نوری و گاهی حتی یک میکروکنترلر را در یک بسته واحد ترکیب می‌کنند و طراحی را برای کاربران نهایی ساده می‌کنند (مثلاً ماژول‌های کامل سنسور مجاورت).
• گسترش به طیف‌های جدید:در حالی که 850 نانومتر و 940 نانومتر غالب هستند، علاقه فزاینده‌ای به طول موج‌های IR دیگر برای کاربردهای تخصصی، مانند سنجش گاز (با استفاده از خطوط جذب خاص) یا تصویربرداری پیشرفته بافت بیولوژیکی وجود دارد.
• مدیریت حرارتی بهبود یافته:طرح‌های جدید بسته‌بندی با مقاومت حرارتی پایین‌تر، جریان درایو بالاتر و خروجی پایدار در محیط‌های سخت را ممکن می‌سازند.

این روندها هدف دارند سنجش IR را قابل اعتمادتر، فشرده‌تر، بهینه‌تر از نظر انرژی و در دسترس‌تر برای طیف وسیع‌تری از کاربردها، از لیدار خودرو و احراز هویت بیومتریک تا نظارت پیشرفته محیطی، کنند.