مشخصات فنی قطعه LED مادون قرمز - طول موج اوج 940 نانومتر - مستندات فنی فارسی

1. مرور محصول

این سند، مشخصات فنی یک قطعه دیود نورافشان (LED) مادون قرمز (IR) را ارائه می‌دهد. کاربرد اصلی این قطعه در سیستم‌هایی است که به منابع نور نامرئی نیاز دارند، مانند کنترل‌های از راه دور، سنسورهای مجاورت و نورپردازی دید در شب. مزیت اصلی این قطعه در طول موج اوج خاص آن است که برای سازگاری با آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون بهینه شده و قابلیت مشاهده کمی برای چشم انسان دارد. بازار هدف شامل الکترونیک مصرفی، اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های امنیتی و کاربردهای خودرویی است که در آن‌ها سیگنال‌دهی یا حسگری مادون قرمز قابل اطمینان مورد نیاز است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

داده‌های ارائه شده یک پارامتر نورسنجی کلیدی برای این LED مادون قرمز را مشخص می‌کنند.

2.1 ویژگی‌های نورسنجی

مهم‌ترین پارامتر تعریف شده، طول موج اوج (λp) است.

• طول موج اوج (λp):940 نانومتر (nm). این مقدار نشان‌دهنده نقطه خاصی در طیف الکترومغناطیسی است که LED حداکثر توان نوری خود را منتشر می‌کند. طول موج 940nm کاملاً در محدوده مادون قرمز نزدیک (NIR) قرار دارد. این طول موج به ویژه مفید است زیرا به خوبی با حساسیت اوج فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی متداول هماهنگ است و انتقال و دریافت سیگنال کارآمد را تضمین می‌کند. علاوه بر این، نور 940nm در مقایسه با طول‌موج‌های کوتاه‌تر IR مانند 850nm، به عنوان درخشش قرمز کم‌رنگ کم‌تر قابل مشاهده است و آن را برای کاربردهای مخفی مناسب‌تر می‌سازد.

پارامترهای نورسنجی متداول دیگر برای یک LED مادون قرمز، مانند شدت تابشی (بر حسب میلی‌وات بر استرادیان، mW/sr)، زاویه دید (بر حسب درجه) و ولتاژ مستقیم در جریان خاص، به صراحت در متن ارائه نشده‌اند اما برای طراحی کامل مدار ضروری هستند.

2.2 پارامترهای الکتریکی

اگرچه مقادیر خاص در متن ارائه شده فهرست نشده‌اند، اما رفتار الکتریکی یک LED مادون قرمز توسط چندین پارامتر کلیدی تعریف می‌شود که طراح باید آن‌ها را در نظر بگیرد.

• ولتاژ مستقیم (Vf):افت ولتاژ در دو سر LED هنگامی که جریان را هدایت می‌کند. برای LEDهای مادون قرمز مبتنی بر GaAs متداول، این مقدار معمولاً در جریان مستقیم نامی بین 1.2V تا 1.6V متغیر است.
• جریان مستقیم (If):جریان عملیاتی پیوسته توصیه شده. تجاوز از حداکثر جریان مستقیم مجاز می‌تواند منجر به تخریب سریع یا خرابی فاجعه‌بار شود.
• ولتاژ معکوس (Vr):حداکثر ولتاژی که LED می‌تواند در جهت غیرهادی تحمل کند. LEDهای مادون قرمز معمولاً دارای رتبه ولتاژ معکوس بسیار پایینی هستند (اغلب حدود 5V) و در برابر آسیب ناشی از جهش‌های ولتاژ معکوس آسیب‌پذیر هستند.
• اتلاف توان:کل توان الکتریکی تبدیل شده به گرما و نور (Vf * If). مدیریت حرارتی مناسب برای جلوگیری از گرمای بیش از حد ضروری است.

2.3 ویژگی‌های حرارتی

مدیریت حرارتی برای طول عمر و عملکرد پایدار LED حیاتی است.

• دمای اتصال (Tj):دمای در ناحیه فعال تراشه نیمه‌هادی. حداکثر دمای مجاز Tj یک حد بحرانی است.
• مقاومت حرارتی (Rθj-a):این پارامتر که بر حسب درجه سانتی‌گراد بر وات (°C/W) اندازه‌گیری می‌شود، نشان می‌دهد که گرما چقدر مؤثر از اتصال LED به هوای محیط منتقل می‌شود. مقدار پایین‌تر نشان‌دهنده قابلیت دفع حرارت بهتر است. طراحی بسته‌بندی تأثیر زیادی بر این مقدار دارد.
• منحنی کاهش رتبه (دریتینگ):نموداری که نشان می‌دهد حداکثر جریان مستقیم مجاز چگونه با افزایش دمای محیط یا دمای اتصال کاهش می‌یابد. کار در محدوده این مقادیر برای قابلیت اطمینان ضروری است.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

تولید انبوه LED باعث ایجاد تغییراتی در پارامترهای کلیدی می‌شود. دسته‌بندی فرآیند مرتب‌سازی قطعات به گروه‌هایی (بین) بر اساس عملکرد اندازه‌گیری شده برای اطمینان از یکنواختی برای کاربر نهایی است.

3.1 دسته‌بندی طول موج

برای این LED مادون قرمز 940nm، قطعات بر اساس طول موج اوج واقعی خود آزمایش و در دسته‌ها مرتب می‌شوند. به عنوان مثال، دسته‌ها ممکن است به صورت 935-940nm، 940-945nm و غیره تعریف شوند. این به طراحان اجازه می‌دهد تا در صورت نیاز کاربردشان به تطابق طیفی دقیق، LEDهایی با تلرانس طول موج تنگ‌تر انتخاب کنند.

3.2 دسته‌بندی شدت تابشی / توان نوری

LEDها همچنین بر اساس خروجی تابشی خود دسته‌بندی می‌شوند. این برای کاربردهایی که نیاز به روشنایی یکنواخت یا قدرت سیگنال خاصی دارند، حیاتی است. دسته‌ها توسط مقادیر حداقل و حداکثر شدت تابشی (به عنوان مثال، 20-25 mW/sr، 25-30 mW/sr) در یک جریان آزمایش استاندارد تعریف می‌شوند.

3.3 دسته‌بندی ولتاژ مستقیم

برای ساده‌سازی طراحی مدار محدودکننده جریان و اطمینان از رفتار یکنواخت در آرایه‌های موازی، LEDها بر اساس ولتاژ مستقیم (Vf) دسته‌بندی می‌شوند. دسته‌های متداول ممکن است LEDهایی با Vf بین 1.2V-1.3V، 1.3V-1.4V و غیره را گروه‌بندی کنند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

داده‌های گرافیکی برای درک رفتار قطعه تحت شرایط عملیاتی مختلف ضروری هستند.

4.1 منحنی مشخصه جریان-ولتاژ (I-V)

این منحنی جریان مستقیم (If) را در برابر ولتاژ مستقیم (Vf) ترسیم می‌کند. این منحنی رابطه نمایی معمول یک دیود را نشان می‌دهد. از این منحنی برای تعیین نقطه کار و طراحی مقاومت محدودکننده جریان یا مدار درایور مناسب استفاده می‌شود. ولتاژ "زانو"، جایی که جریان شروع به افزایش سریع می‌کند، یک ویژگی کلیدی است.

4.2 وابستگی به دما

چندین منحنی اثرات دما را نشان می‌دهند.

• ولتاژ مستقیم در مقابل دما:معمولاً نشان می‌دهد که Vf با افزایش دمای اتصال به صورت خطی کاهش می‌یابد (تقریباً 2- میلی‌ولت بر درجه سانتی‌گراد برای LEDهای مادون قرمز). این برای درایورهای جریان ثابت مهم است.
• شدت تابشی در مقابل دما:نشان می‌دهد که چگونه خروجی نوری با افزایش دما کاهش می‌یابد. این کاهش رتبه برای کاربردهایی که در دمای محیطی بالا کار می‌کنند، حیاتی است.
• توزیع طیفی نسبی در مقابل دما:نشان می‌دهد که چگونه طول موج اوج ممکن است با افزایش دما کمی جابجا شود (معمولاً به سمت طول‌موج‌های بلندتر).

4.3 توزیع طیفی

این نمودار توان تابشی نسبی را در برابر طول موج ترسیم می‌کند. اوج در 940nm و پهنای باند طیفی (معمولاً عرض کامل در نصف بیشینه، یا FWHM، اغلب حدود 40-50nm برای LEDهای مادون قرمز) را نشان می‌دهد. پهنای باند باریک‌تر نشان‌دهنده نور تک‌رنگ‌تر است.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

متن ارائه شده شامل جزئیات خاص بسته‌بندی است.

5.1 سلسله مراتب بسته‌بندی

قطعه توسط یک سیستم بسته‌بندی چندلایه محافظت می‌شود:

• کیف محافظ تخلیه الکترواستاتیک (ESD):ظرف اصلی برای قطعات LED منفرد یا ریل‌ها. این کیف از ماده‌ای ساخته شده است که استاتیک را تخلیه می‌کند تا از آسیب ناشی از تخلیه الکترواستاتیک در حین جابجایی و نگهداری جلوگیری کند.
• کارتن داخلی:جعبه یا سینی کوچکتری که چندین کیف ESD یا ریل را در خود نگه می‌دارد و ساختار فیزیکی و محافظت اضافی را فراهم می‌کند.
• کارتن بیرونی:ظرف اصلی حمل‌ونقل که چندین کارتن داخلی را در خود نگه می‌دارد. این کارتن برای استحکام در حین حمل‌ونقل و نگهداری طراحی شده است.

5.2 تعداد در بسته

سند به صراحت "تعداد در بسته" را به عنوان یک پارامتر کلیدی فهرست می‌کند. این به تعداد قطعات LED منفرد موجود در یک واحد حمل‌ونقل استاندارد (به عنوان مثال، در هر ریل، در هر تیوب یا در هر کیف داخل کارتن داخلی) اشاره دارد. مقادیر متداول برای دستگاه‌های نصب سطحی 1000، 2000 یا 5000 عدد در هر ریل است.

5.3 ابعاد فیزیکی و قطبیت

اگرچه ابعاد دقیق ارائه نشده است، اما یک بسته LED مادون قرمز متداول (مانند LED سوراخ‌دار 3mm یا 5mm، یا یک بسته نصب سطحی مانند 0805 یا 1206) دارای یک نقشه مکانیکی دقیق خواهد بود. این نقشه طول، عرض، ارتفاع بدنه، فاصله پایه‌ها (پیچ) و ابعاد پایه‌ها را مشخص می‌کند. مهم‌تر از همه، شامل شناسایی قطبیت است که معمولاً کاتد (طرف منفی) را از طریق یک لبه صاف روی لنز، یک پایه کوتاه‌تر، یک نقطه روی بسته یا علامت خاصی روی پد نشان می‌دهد.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مونتاژ صحیح برای قابلیت اطمینان حیاتی است.

6.1 پروفیل لحیم‌کاری رفلو

برای LEDهای مادون قرمز نصب سطحی، باید از یک پروفیل رفلو توصیه شده پیروی کرد. این شامل موارد زیر است:

• نرخ پیش‌گرم/افزایش دما:معمولاً 1-3 درجه سانتی‌گراد در ثانیه برای جلوگیری از شوک حرارتی.
• ناحیه خیس‌اندن:مدتی در دمایی زیر نقطه ذوب لحیم برای فعال‌سازی فلاکس و یکسان‌سازی دمای برد.
• ناحیه رفلو (ذوب):دمای اوج، که باید به اندازه کافی بالا باشد تا لحیم ذوب شود (به عنوان مثال، 240-250 درجه سانتی‌گراد برای SAC305) اما به اندازه کافی پایین و کوتاه باشد تا به LED آسیب نرساند (حداکثر دمای بدنه بسته اغلب 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه است).
• نرخ خنک‌سازی:یک خنک‌سازی کنترل شده برای جامد شدن مناسب اتصالات لحیم.

6.2 احتیاط‌های کلیدی

• محافظت در برابر ESD:همیشه قطعات را در یک محیط ایمن در برابر ESD با استفاده از مچ‌بندهای زمین شده و زیراندازهای رسانا جابجا کنید.
• سطح حساسیت رطوبت (MSL):در صورت وجود، بسته دارای رتبه MSL (به عنوان مثال، MSL 3) خواهد بود. قطعاتی که از عمر مفید کف خود فراتر رفته‌اند، باید قبل از رفلو پخته شوند تا از آسیب "پاپ کورن" جلوگیری شود.
• تمیزکاری:فقط از حلال‌های تمیزکننده سازگاری استفاده کنید که به لنز LED یا اپوکسی آسیب نرسانند.
• تنش مکانیکی:از اعمال فشار مستقیم به لنز LED در حین قرارگیری یا آزمایش خودداری کنید.

6.3 شرایط نگهداری

قطعات باید در کیف‌های ESD اصلی و بازنشده خود در یک محیط کنترل شده نگهداری شوند. شرایط توصیه شده معمولاً دمایی بین 5 تا 30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی زیر 60٪ است. از قرارگیری در معرض نور مستقیم خورشید، گازهای خورنده یا گرد و غبار بیش از حد خودداری کنید.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

داده‌های چرخه عمر سند نشان‌دهنده "نسخه: 5" و "دوره انقضا: برای همیشه" است که نشان می‌دهد این یک سند پایدار و غیرمنسوخ است که در 2013-05-27 منتشر شده است. مشخصات بسته‌بندی به وضوح در بخش 5.1 تعریف شده است. کد سفارش یا شماره مدل معمولاً از یک قرارداد نام‌گذاری پیروی می‌کند که ویژگی‌های کلیدی مانند نوع بسته، دسته طول موج، دسته شدت و تعداد در بسته را کدگذاری می‌کند (به عنوان مثال، "IR940-SMD1206-B2-2K" ممکن است نشان‌دهنده یک LED مادون قرمز 940nm در بسته 1206، دسته شدت B2، عرضه شده روی ریل 2000 عددی باشد).

8. توصیه‌های کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی متداول

• کنترل‌های از راه دور مادون قرمز:برای تلویزیون‌ها، سیستم‌های صوتی و گیرنده‌های دیجیتال. طول موج 940nm استاندارد صنعتی است.
• سنسورهای مجاورت و حضور:در تلفن‌های هوشمند برای غیرفعال کردن صفحه لمسی در طول تماس، در شیرهای آب خودکار و در کلیدهای چراغ امنیتی استفاده می‌شوند.
• شمارش و تشخیص اشیاء:در دستگاه‌های فروش خودکار، خطوط مونتاژ صنعتی و تجهیزات چاپ.
• نورپردازی دید در شب:همراه با یک دوربین حساس به IR برای نظارت در شرایط کم نور.
• انتقال داده نوری:برای ارتباط سریال برد کوتاه و سرعت پایین (IrDA) یا پیوندهای داده صنعتی.

8.2 ملاحظات طراحی

• مدار درایور:همیشه از یک مقاومت سری محدودکننده جریان یا یک درایور جریان ثابت استفاده کنید. هرگز یک LED را مستقیماً به منبع ولتاژ وصل نکنید.
• گرماخور (هیت سینک):برای عملیات با جریان بالا یا دمای محیطی بالا، اطمینان حاصل کنید که مساحت کافی مس روی PCB یا یک گرماخور خارجی برای مدیریت مقاومت حرارتی LED وجود دارد.
• طراحی نوری:زاویه دید LED را در نظر بگیرید. از لنزها یا بازتابنده‌ها برای موازی کردن یا پخش کردن پرتو بسته به نیاز کاربرد استفاده کنید.
• تطابق با آشکارساز نوری:اطمینان حاصل کنید که آشکارساز نوری انتخاب شده (فوتودیود، فوتوترانزیستور) در 940nm حساسیت بالایی دارد. اگر محیط پرنویز است، از یک فیلتر IR برای مسدود کردن نور مرئی استفاده کنید.
• مصونیت در برابر نویز الکتریکی:در کاربردهای سنسوری، سیگنال IR را مدوله کنید (به عنوان مثال، با یک حامل 38kHz) و از یک گیرنده تنظیم شده برای رد تداخل نور محیطی از نور خورشید یا لامپ‌های فلورسنت استفاده کنید.

9. مقایسه فنی

در مقایسه با سایر منابع IR، این LED 940nm مزایای خاصی ارائه می‌دهد.

• در مقابل LEDهای مادون قرمز 850nm:نور 940nm بسیار کم‌تر به عنوان درخشش قرمز کم‌رنگ قابل مشاهده است و آن را برای نظارت مخفی برتر می‌سازد. با این حال، آشکارسازهای سیلیکونی در 940nm کمی کمتر از 850nm حساس هستند و جذب اتمسفری نیز کمی بیشتر است.
• در مقابل لامپ‌های مادون قرمز رشته‌ای:LEDها بسیار کارآمدتر هستند، زمان پاسخ سریع‌تری دارند (امکان مدولاسیون با سرعت بالا را فراهم می‌کنند)، از نظر مکانیکی مستحکم‌تر هستند و طول عمر عملیاتی بسیار طولانی‌تری دارند (ده‌ها هزار ساعت).
• در مقابل دیودهای لیزر:LEDها خروجی طیفی گسترده‌تر و ناحیه انتشار بسیار بزرگتری دارند و پرتوی پخش تولید می‌کنند که برای نورپردازی و حسگری عمومی کار با آن آسان‌تر است. همچنین به طور قابل توجهی ارزان‌تر هستند و به مدار پیچیده درایور و ایمنی دیودهای لیزر نیاز ندارند.

10. پرسش‌های متداول (FAQ)

س1: هدف از طول موج اوج 940nm چیست؟
ج1: طول موج 940nm بهینه است زیرا به خوبی با حساسیت آشکارسازهای نوری سیلیکونی هماهنگ است و در عین حال تقریباً برای چشم انسان نامرئی است و آن را برای کاربردهای حسگری محتاطانه و کنترل از راه دور ایده‌آل می‌سازد.

س2: چگونه مقدار صحیح مقاومت محدودکننده جریان را تعیین کنم؟
ج2: از قانون اهم استفاده کنید: R = (Vsupply - Vf) / If. شما باید ولتاژ تغذیه خود (Vsupply)، ولتاژ مستقیم LED (Vf) از دیتاشیت یا دسته آن و جریان مستقیم مورد نظر (If) را بدانید. همیشه اطمینان حاصل کنید که رتبه توان مقاومت (P = (Vsupply - Vf) * If) کافی است.

س3: آیا می‌توانم از این LED در فضای باز استفاده کنم؟
ج3: بله، اما با احتیاط. لنز اپوکسی ممکن است در معرض طولانی‌مدت UV تخریب شود. مهم‌تر از آن، نور روشن خورشید حاوی اجزای قوی IR است که می‌تواند گیرنده‌ها را اشباع کند. استفاده از فیلترهای نوری و سیگنال‌های مدوله شده برای عملکرد قابل اطمینان در فضای باز ضروری است.

س4: چرا محافظت در برابر ESD برای LEDها اینقدر مهم است؟
ج4: اتصال نیمه‌هادی در یک LED به شدت به تخلیه‌های الکترواستاتیک با ولتاژ بالا حساس است. یک رویداد ESD می‌تواند بلافاصله خروجی نوری را کاهش دهد، جریان نشتی را افزایش دهد یا باعث خرابی کامل بدون هیچ آسیب قابل مشاهده‌ای شود.

س5: "تعداد در بسته" به چه چیزی اشاره دارد؟
ج5: این تعداد قطعات LED منفرد عرضه شده در یک واحد فروش استاندارد، مانند روی یک ریل، در یک تیوب یا داخل یک کیف ضد استاتیک را مشخص می‌کند. این برای برنامه‌ریزی تولید و مدیریت موجودی حیاتی است.

11. مثال‌های کاربردی عملی

11.1 سنسور مجاورت ساده

یک سنسور بازتابی پایه را می‌توان با قرار دادن LED مادون قرمز 940nm و یک فوتوترانزیستور در کنار هم ساخت. LED با جریان پالسی راه‌اندازی می‌شود. هنگامی که یک شیء نزدیک می‌شود، نور IR را به فوتوترانزیستور بازتاب می‌دهد و باعث افزایش جریان کلکتور آن می‌شود. سپس یک مدار مقایسه‌گر می‌تواند یک سیگنال خروجی دیجیتال را فعال کند. این طراحی در تشخیص کاغذ در پرینترها و فعال‌سازی خشک‌کن دست استفاده می‌شود.

11.2 نورافکن مادون قرمز برد بلند برای دوربین مداربسته

برای دوربین‌های امنیتی دید در شب، آرایه‌ای از چندین LED پرتوان 940nm ساخته می‌شود. LEDها توسط یک درایور جریان ثابت که قادر به تأمین چند صد میلی‌آمپر است، راه‌اندازی می‌شوند. یک لنز فرنل در جلوی آرایه قرار می‌گیرد تا نور را به یک پرتو موازی تبدیل کند و محدوده نورپردازی مؤثر را تا ده‌ها متر گسترش دهد. مدیریت حرارتی از طریق یک گرماخور آلومینیومی بزرگ برای این طراحی پرتوان حیاتی است.

12. اصل عملکرد

یک دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) یک دستگاه اتصال p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که بایاس مستقیم اعمال می‌شود (ولتاژ مثبت به طرف p نسبت به طرف n اعمال شود)، الکترون‌ها از ناحیه n به داخل اتصال به ناحیه p تزریق می‌شوند و حفره‌ها از ناحیه p به ناحیه n تزریق می‌شوند. این حامل‌های اقلیت با حامل‌های اکثریت در نواحی مقابل ترکیب می‌شوند. در یک نیمه‌هادی با شکاف باند مستقیم مانند آرسنید گالیم (GaAs) که معمولاً برای LEDهای مادون قرمز استفاده می‌شود، این رویداد ترکیب، انرژی را به شکل یک فوتون (ذره نور) آزاد می‌کند. طول موج (رنگ) فوتون منتشر شده توسط انرژی شکاف باند (Eg) ماده نیمه‌هادی، بر اساس معادله λ = hc/Eg تعیین می‌شود، که در آن h ثابت پلانک و c سرعت نور است. با تنظیم ترکیب آلیاژ نیمه‌هادی (به عنوان مثال، استفاده از AlGaAs یا InGaAs)، شکاف باند و در نتیجه طول موج منتشر شده را می‌توان به دقت کنترل کرد که منجر به خروجی 940nm مشخص شده در اینجا می‌شود.

13. روندهای فناوری

حوزه فناوری LED مادون قرمز همچنان در حال تکامل است. روندهای کلیدی شامل موارد زیر است:

• افزایش توان و کارایی:بهبودهای مستمر در علم مواد و بسته‌بندی، LEDهای مادون قرمز با شار تابشی بالاتر و کارایی تبدیل برق به نور (کارایی دیوار-پریز) را به ارمغان می‌آورند که امکان دستگاه‌های کوچک‌تر یا برد بیشتر برای همان توان ورودی را فراهم می‌کند.
• کوچک‌سازی:تلاش برای الکترونیک مصرفی کوچک‌تر، LEDهای مادون قرمز را به سمت بسته‌های نصب سطحی حتی کوچک‌تر (مانند 0402، 0201) و بسته‌های در مقیاس تراشه (CSP) سوق می‌دهد.
• راه‌حل‌های یکپارچه:روندی به سمت ترکیب LED مادون قرمز، آشکارساز نوری، مدار درایور و پردازش سیگنال (مانند حذف نور محیط) در یک ماژول واحد یا سیستم در بسته (SiP) وجود دارد که طراحی را برای کاربران نهایی ساده می‌کند.
• گسترش به طول‌موج‌های جدید:در حالی که 850nm و 940nm غالب هستند، علاقه فزاینده‌ای به طول‌موج‌های دیگر IR برای کاربردهای تخصصی، مانند 1050nm برای LiDAR ایمن برای چشم یا باندهای خاص برای حسگری گاز وجود دارد.
• مدیریت حرارتی بهبود یافته:طرح‌های جدید بسته با مقاومت حرارتی پایین‌تر و مواد با هدایت حرارتی بهتر، طول عمر LEDها را افزایش می‌دهند و امکان جریان‌های درایو بالاتر را فراهم می‌کنند.