دیتاشیت کامل LED مادون قرمز IR204C-A - بسته‌بندی T-1 با قطر 3 میلی‌متر - طول موج اوج 940 نانومتر - جریان مستقیم 100 میلی‌آمپر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

IR204C-A یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز با شدت بالا است که در یک بسته‌بندی پلاستیکی شفاف استاندارد 3 میلی‌متری (T-1) قرار دارد. عملکرد اصلی آن تابش نور مادون قرمز در طول موج اوج 940 نانومتر است که آن را از نظر طیفی با فوتوترانزیستورها، فوتودیودها و ماژول‌های گیرنده مادون قرمز سیلیکونی رایج هماهنگ می‌کند. این قطعه برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به انتقال مطمئن و کارآمد نور مادون قرمز دارند.

1.1 مزایای اصلی

• شدت تابش بالا:خروجی نوری قوی ارائه می‌دهد و برای کاربردهای با برد متوسط تا بلند مناسب است.
• قابلیت اطمینان بالا:برای عملکرد پایدار و بلندمدت طراحی شده است.
• ولتاژ مستقیم پایین:معمولاً در جریان 20 میلی‌آمپر برابر 1.5 ولت است که به عملکرد بهینه انرژی کمک می‌کند.
• مطابقت زیست‌محیطی:این محصول بدون سرب، مطابق با مقررات REACH اتحادیه اروپا و استانداردهای بدون هالوژن (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm) است.
• بسته‌بندی استاندارد:فرم فاکتور آشنا T-1 (3 میلی‌متر) با فاصله پایه‌های 2.54 میلی‌متر، ادغام آسان در طراحی‌های موجود و بردهای نمونه‌سازی را تضمین می‌کند.

1.2 کاربردهای هدف

• دستگاه‌های کنترل از راه دور مادون قرمز با نیاز به توان بالا.
• سیستم‌های انتقال داده نوری در فضای آزاد.
• سنسورهای تشخیص دود.
• سیستم‌های عمومی حسگری و موانع مادون قرمز.
• اتوماسیون صنعتی و تشخیص شیء.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی پارامترهای کلیدی الکتریکی و نوری مشخص شده در دیتاشیت را ارائه می‌دهد. درک این محدودیت‌ها و مقادیر معمول برای طراحی مدار مقاوم حیاتی است.

2.1 محدودیت‌های مطلق

این‌ها محدودیت‌های تنشی هستند که تحت هیچ شرایطی، حتی لحظه‌ای، نباید از آن‌ها تجاوز کرد. عملکرد فراتر از این مقادیر ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• جریان مستقیم پیوسته (I_F):100 میلی‌آمپر. LED می‌تواند به طور پیوسته در این سطح جریان کار کند، مشروط بر اینکه محدودیت‌های اتلاف توان و دما رعایت شوند.
• جریان مستقیم پیک (I_FP):1.0 آمپر. این جریان بالا فقط تحت شرایط پالسی (عرض پالس ≤ 100 میکروثانیه، چرخه کاری ≤ 1%) مجاز است. این برای دستیابی به خروجی تابشی لحظه‌ای بسیار بالا در کاربردهای حالت انفجاری مانند کنترل‌های از راه دور برد بلند مفید است.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. LED تحمل محدودی در برابر ولتاژ معکوس دارد. در طراحی مدار باید دقت شود تا از بایاس معکوس فراتر از این حد جلوگیری شود که ممکن است ناشی از بارهای القایی یا توالی نامناسب تغذیه باشد.
• اتلاف توان (P_d):150 میلی‌وات در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر. این مقدار با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. جریان عملیاتی واقعی باید بر اساس دمای پیوند کاهش یابد تا در محدوده ایمن باقی بماند.
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد حداکثر به مدت 5 ثانیه. این محدودیت‌های پروفیل لحیم‌کاری ریفلو را تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکال

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط عملیاتی نرمال (Ta=25°C) تعریف می‌کنند.

• شدت تابش (I_e):این معیار اصلی توان خروجی نوری در هر زاویه فضایی (mW/sr) است.
  • در I_F= 20mA (DC): مقدار معمول 7.8 mW/sr، با حداقل 4.0 mW/sr است.
  • در I_F= 100mA (پالسی): شدت تابش معمول به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
  • در I_F= 1A (پالسی): می‌تواند خروجی معمول 390 mW/sr را ارائه دهد که قابلیت آن برای عملکرد پالسی با توان بالا را نشان می‌دهد.
• طول موج اوج (λ_p):940 نانومتر (معمول). این طول موج ایده‌آل است زیرا به خوبی با حساسیت اوج آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون هماهنگ است، در حالی که برای چشم انسان تا حد زیادی نامرئی است و انتقال اتمسفری خوبی دارد.
• پهنای باند طیفی (Δλ):تقریباً 45 نانومتر (معمول). این عرض طیفی نور ساطع شده در نصف حداکثر شدت آن (FWHM) را تعریف می‌کند.
• ولتاژ مستقیم (V_F):
  • در 20mA: معمولاً 1.5V، حداقل 1.2V، برای محاسبه مقادیر مقاومت سری حیاتی است.
  • در 100mA (پالسی): معمولاً 1.4V، حداکثر 1.8V. V_Fبا افزایش جریان به دلیل مقاومت دیود افزایش می‌یابد.
  • در 1A (پالسی): معمولاً 2.6V، حداکثر 4.0V، که افزایش قابل توجه تحت شرایط پالس با جریان بالا را نشان می‌دهد.
• زاویه دید (2θ_1/2):40 درجه (معمول). این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت تابش به نصف مقدار محوری خود کاهش می‌یابد. زاویه 40 درجه تعادل خوبی بین تمرکز پرتو و پوشش ارائه می‌دهد.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

دیتاشیت شامل یک جدول دسته‌بندی برای شدت تابش است که یک روش رایج برای دسته‌بندی LEDها بر اساس عملکرد اندازه‌گیری شده است.

3.1 دسته‌بندی شدت تابش

تحت شرایط I_F= 20mA، LEDها بر اساس شدت تابش اندازه‌گیری شده آن‌ها به دسته‌ها (K, L, M, N) تقسیم می‌شوند.

• دسته K:4.0 - 6.4 mW/sr
• دسته L:5.6 - 8.9 mW/sr
• دسته M:7.8 - 12.5 mW/sr
• دسته N:11.0 - 17.6 mW/sr

پیامد طراحی:برای کاربردهایی که نیاز به قدرت سیگنال نوری یکنواخت دارند (مثلاً کنترل‌های از راه دور با برد تعریف شده)، مشخص کردن یک دسته محدودتر (مانند یک دسته واحد) یا یک دسته با حداقل مقدار بالاتر، عملکرد یکنواخت‌تری در بین واحدهای تولیدی تضمین می‌کند. کد دسته معمولاً در اطلاعات سفارش یا بر روی برچسب محصول نشان داده می‌شود.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

منحنی‌های مشخصه معمول بینش ارزشمندی در مورد رفتار قطعه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهند.

4.1 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (شکل 4)

این منحنی IV رابطه نمایی را نشان می‌دهد. منحنی با دما جابجا می‌شود؛ ولتاژ مستقیم معمولاً با افزایش دمای پیوند برای یک جریان معین کاهش می‌یابد.

4.2 شدت نسبی در مقابل دمای محیط (شکل 7)

این نمودار برای مدیریت حرارتی حیاتی است. خروجی تابشی یک LED با افزایش دمای پیوند آن کاهش می‌یابد. منحنی این کاهش را کمی می‌کند و به طراحان اطلاع می‌دهد که دمای محیط بالاتر یا هیت سینک ناکافی منجر به خروجی نوری پایین‌تر خواهد شد. این باید در سیستم‌هایی که برای کار در محدوده کامل -40°C تا +85°C طراحی شده‌اند، در نظر گرفته شود.

4.3 توزیع طیفی و طول موج اوج در مقابل دما (شکل 2 و شکل 3)

شکل 2 طیف انتشار معمول متمرکز بر 940 نانومتر را نشان می‌دهد. شکل 3 نشان می‌دهد که طول موج اوج چگونه با دما جابجا می‌شود. LEDهای مادون قرمز معمولاً ضریب دمایی مثبتی برای طول موج نشان می‌دهند (یعنی λ_pبا دما افزایش می‌یابد). این جابجایی در کاربردهایی که آشکارساز پاسخ طیفی باریکی دارد، مهم است.

4.4 الگوی تابش زاویه‌ای (شکل 6)

این نمودار قطبی شدت تابش نسبی را به عنوان تابعی از جابجایی زاویه‌ای از محور مرکزی به تصویر می‌کشد. زاویه دید 40 درجه در اینجا تأیید می‌شود. الگو برای این نوع بسته‌بندی عموماً لامبرتی یا نزدیک به لامبرتی است، به این معنی که شدت تقریباً متناسب با کسینوس زاویه دید است.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد بسته‌بندی

قطعه از یک بسته‌بندی گرد استاندارد T-1 (قطر 3 میلی‌متر) استفاده می‌کند. نکات کلیدی ابعادی از دیتاشیت شامل موارد زیر است:

• همه ابعاد بر حسب میلی‌متر (mm) هستند.
• تلرانس‌های استاندارد ±0.25mm هستند مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد.
• فاصله پایه‌ها 2.54mm (0.1 اینچ) است که با بردهای سوراخدار استاندارد و بسیاری از سوکت‌ها سازگار است.

یک نقشه ابعادی دقیق معمولاً شامل می‌شود که قطر بدنه، شکل لنز، طول و قطر پایه و صفحه نشیمن را نشان می‌دهد.

5.2 شناسایی قطبیت

برای یک LED استاندارد T-1، کاتد معمولاً توسط یک نقطه صاف روی لبه لنز پلاستیکی و/یا توسط پایه کوتاه‌تر شناسایی می‌شود. برای علامت‌گذاری خاص این قطعه باید به دیتاشیت مراجعه کرد.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

• لحیم‌کاری ریفلو:حداکثر دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد است و زمان در این دما یا بالاتر از آن نباید از 5 ثانیه تجاوز کند. یک پروفیل ریفلو بدون سرب استاندارد قابل اعمال است.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، باید از هویه کنترل دمایی استفاده شود و زمان لحیم‌کاری برای هر پایه به حداقل برسد (معمولاً < 3 ثانیه در 350°C) تا از آسیب حرارتی به بسته‌بندی پلاستیکی و تراشه نیمه‌هادی جلوگیری شود.
• شرایط نگهداری:محدوده دمای نگهداری -40°C تا +85°C است. قطعات باید تا زمان استفاده در کیسه‌های اصلی ضد رطوبت نگهداری شوند تا از جذب رطوبت جلوگیری شود که می‌تواند باعث \"پاپ کورن شدن\" در حین ریفلو شود.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 مشخصات بسته‌بندی

• بسته‌بندی استاندارد: 200 تا 1000 قطعه در هر کیسه.
• 5 کیسه در 1 جعبه بسته‌بندی می‌شوند.
• 10 جعبه در 1 کارتن بسته‌بندی می‌شوند.

7.2 اطلاعات برچسب

برچسب محصول حاوی داده‌های کلیدی ردیابی و مشخصات است:

• CPN (شماره قطعه مشتری)
• P/N (شماره قطعه سازنده: IR204C-A)
• QTY (تعداد بسته‌بندی)
• رتبه‌ها/کدهای دسته (مثلاً برای شدت تابش)
• HUE (اطلاعات طول موج اوج)
• LOT No. (شماره دسته قابل ردیابی)

8. توصیه‌های طراحی کاربردی

8.1 طراحی مدار درایو

LED باید با یک المان محدودکننده جریان، معمولاً یک مقاومت سری با منبع ولتاژ، راه‌اندازی شود. مقدار مقاومت (R_s) به صورت زیر محاسبه می‌شود: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. از حداکثر V_Fاز دیتاشیت برای جریان عملیاتی انتخاب شده استفاده کنید تا اطمینان حاصل شود جریان از مقدار مورد نظر تجاوز نمی‌کند. به عنوان مثال، برای منبع تغذیه 5V و هدف I_F= 20mA با استفاده از حداکثر V_F= 1.5V: R_s= (5 - 1.5) / 0.02 = 175 Ω. یک مقاومت استاندارد 180 Ω مناسب خواهد بود. برای عملکرد پالسی در جریان‌های بالا، یک سوئیچ ترانزیستوری (BJT یا MOSFET) مورد نیاز است.

8.2 ملاحظات حرارتی

در حالی که بسته‌بندی T-1 قابلیت اتلاف حرارتی محدودی دارد، در جریان‌های پیوسته تا 100mA، اطمینان از جریان هوای کافی یا در نظر گرفتن اتلاف توان (P_d= V_F* I_F) مهم است. اگر به طور پیوسته نزدیک به حداکثر جریان در دمای محیط بالا کار کند، دمای پیوند ممکن است افزایش یابد و خروجی را کاهش داده و به طور بالقوه بر طول عمر تأثیر بگذارد.

8.3 طراحی اپتیکال

لنز شفاف برای استفاده با لنزها یا بازتابنده‌های خارجی برای موازی کردن یا شکل دادن به پرتو برای کاربردهای خاص مانند انتقال برد بلند مناسب است. طول موج 940 نانومتر توسط بسیاری از پلاستیک‌های رایج مورد استفاده در لنزها و پنجره‌ها به خوبی منتقل می‌شود.

9. مقایسه و تمایز فنی

IR204C-A با تمایزدهنده‌های کلیدی خود موقعیت‌یابی می‌کند:

• قابلیت توان پالسی بالا:رتبه جریان پیک 1A امکان خروجی نوری لحظه‌ای بسیار بالا را فراهم می‌کند که مزیتی نسبت به LEDهایی است که فقط برای جریان‌های پالسی پایین‌تر رتبه‌بندی شده‌اند.
• بسته‌بندی استاندارد با عملکرد:این قطعه شدت تابش بالاتری در بسته‌بندی رایج و آسان‌استفاده T-1 نسبت به بسیاری از LEDهای مادون قرمز پایه ارائه می‌دهد.
• مطابقت زیست‌محیطی:مطابقت کامل با مقررات زیست‌محیطی مدرن (RoHS, REACH, بدون هالوژن) یک مزیت قابل توجه برای محصولاتی است که بازارهای جهانی را هدف قرار می‌دهند.
• هماهنگی طیفی:ذکر صریح هماهنگی طیفی با آشکارسازهای رایج، فرآیند انتخاب را برای طراحانی که سیستم‌های نوری کامل می‌سازند، ساده می‌کند.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

1. س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پایه میکروکنترلر 3.3 ولت راه‌اندازی کنم؟
   A: خیر. یک پایه میکروکنترلر نمی‌تواند به طور ایمن 20 میلی‌آمپر را به طور پیوسته تأمین کند و فاقد محدودکننده جریان است. شما باید از یک مقاومت سری و یک سوئیچ ترانزیستوری استفاده کنید. V_FLED (1.5V) کمتر از 3.3V است، بنابراین از نظر ولتاژ سازگار است، اما جریان باید به صورت خارجی کنترل شود.
2. س: تفاوت بین شدت تابش (mW/sr) و توان تابشی (mW) چیست؟
   A: شدت تابش چگالی زاویه‌ای است - توان در هر واحد زاویه فضایی. توان تابشی (یا شار) کل توان ساطع شده در همه جهات است. برای یافتن کل توان، باید شدت را در کل الگوی انتشار انتگرال گرفت. دیتاشیت شدت را ارائه می‌دهد که برای محاسبه تابندگی در یک فاصله در یک جهت معین مفیدتر است.
3. س: چرا طول موج اوج 940 نانومتر بر 850 نانومتر ترجیح داده می‌شود؟
   A: 940 نانومتر نسبت به 850 نانومتر برای چشم انسان کمتر قابل مشاهده است (درخشش قرمز تیره‌تر)، که باعث می‌شود در دستگاه‌های مصرفی کمتر آزاردهنده باشد. هر دو به خوبی توسط سیلیکون تشخیص داده می‌شوند، اما 940 نانومتر ممکن است تداخل نور محیطی کمی کمتر از منابعی مانند نور خورشید و لامپ‌های رشته‌ای داشته باشد که انتشار قوی در ناحیه 850 نانومتر دارند.
4. س: چگونه دسته صحیح را انتخاب کنم؟
   A: اگر کاربرد شما حداقل قدرت سیگنال مورد نیاز در گیرنده را دارد، از حداقل مقدار یک دسته استفاده کنید تا اطمینان حاصل شود همه قطعات آن را برآورده می‌کنند. به عنوان مثال، اگر حداقل به 6 mW/sr نیاز دارید، دسته L یا بالاتر را مشخص کنید. برای کاربردهای حساس به هزینه که مقداری تغییر قابل قبول است، یک دسته وسیع‌تر یا پیشنهاد پیش‌فرض ممکن است کافی باشد.

11. مثال‌های عملی طراحی و استفاده

11.1 کنترل از راه دور مادون قرمز برد بلند

سناریو:طراحی یک کنترل از راه دور که باید در فاصله 15 متری در یک اتاق نشیمن با نور متوسط به طور قابل اطمینان کار کند.
پیاده‌سازی:از LED در حالت پالسی استفاده کنید. آن را با پالس‌های کوتاه (مثلاً 50 میکروثانیه) و با جریان بالا (مثلاً 500 میلی‌آمپر) با استفاده از یک سوئیچ MOSFET کنترل شده توسط یک IC انکودر راه‌اندازی کنید. این کار شدت تابش پیک بالا (به داده‌های پالسی 1A مراجعه کنید) را برای انتقال برد بلند ارائه می‌دهد در حالی که توان متوسط را پایین نگه می‌دارد. یک لنز پلاستیکی ساده می‌تواند برای موازی کردن بیشتر پرتو اضافه شود. طول موج 940 نانومتر درخشش مرئی را به حداقل می‌رساند.

11.2 سنسور مجاورت یا تشخیص شیء

سناریو:ایجاد یک سیستم تشخیص شیء غیرتماسی با برد 10-50 سانتی‌متر.
پیاده‌سازی:IR204C-A را با یک فوتوترانزیستور هماهنگ جفت کنید. LED را با یک جریان پیوسته متوسط (مثلاً 50 میلی‌آمپر) با استفاده از یک منبع جریان ثابت برای خروجی نور پایدار راه‌اندازی کنید. جریان LED را در یک فرکانس خاص (مثلاً 38 کیلوهرتز) مدوله کنید و از یک گیرنده تنظیم شده در سمت فوتوترانزیستور استفاده کنید. این تکنیک مدولاسیون سیستم را بسیار مقاوم در برابر نوسانات نور محیط (مانند نور خورشید یا چراغ‌های اتاق) می‌کند و نسبت سیگنال به نویز و قابلیت اطمینان را به شدت بهبود می‌بخشد.

12. اصل عملکرد

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که بایاس مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n با حفره‌های ناحیه p در ناحیه فعال بازترکیب می‌شوند. برای یک LED مادون قرمز مانند IR204C-A، گاف انرژی ماده نیمه‌هادی (معمولاً گالیم آلومینیوم آرسناید - GaAlAs همانطور که نشان داده شده) به گونه‌ای است که انرژی آزاد شده در طی این فرآیند بازترکیب مربوط به یک فوتون در طیف مادون قرمز (حدود طول موج 940 نانومتر) است. بسته‌بندی اپوکسی شفاف به عنوان یک لنز عمل می‌کند و نور ساطع شده را به زاویه دید مشخصه شکل می‌دهد. شدت نور ساطع شده مستقیماً با جریان مستقیم جاری در دیود متناسب است، تا حد محدودیت‌های فیزیکی قطعه.

13. روندهای فناوری

فناوری LED مادون قرمز همچنان در کنار فناوری LED مرئی در حال تکامل است. روندهای کلیدی مؤثر بر قطعاتی مانند IR204C-A شامل موارد زیر است:

• افزایش بازده:تحقیقات مداوم علوم مواد با هدف بهبود بازده دیوار-پریز (توان نوری خروجی / توان الکتریکی ورودی) LEDهای مادون قرمز است که امکان خروجی بالاتر در جریان درایو پایین‌تر یا تولید گرمای کمتر را فراهم می‌کند.
• چگالی توان بالاتر:توسعه بسته‌بندی‌های در مقیاس تراشه و مواد بهبود یافته مدیریت حرارتی، LEDهای مادون قرمز را قادر می‌سازد تا جریان‌های پیوسته و پالسی بالاتری را در فرم فاکتورهای کوچک‌تر تحمل کنند.
• یکپارچه‌سازی:روندی به سمت یکپارچه‌سازی فرستنده مادون قرمز با یک IC درایور، آشکارساز نوری یا حتی یک میکروکنترلر در ماژول‌های واحد برای کاربردهای خاص (مانند سنسورهای مجاورت، تشخیص حرکات) وجود دارد.
• دقت و پایداری طول موج:پیشرفت‌ها در تکنیک‌های رشد اپی‌تاکسیال امکان کنترل دقیق‌تر بر طول موج اوج و پهنای طیفی را فراهم می‌کند که برای کاربردهایی مانند حسگری گاز یا ارتباطات نوری که از مالتی‌پلکسینگ تقسیم طول موج استفاده می‌کنند، حیاتی است.
• گسترش فضای کاربرد:رشد حوزه‌هایی مانند LiDAR برای خودرو/رباتیک، تشخیص چهره و نظارت بر سلامت (مانند پالس اکسیمتری)، تقاضا برای فرستنده‌های مادون قرمز با عملکرد بالا و قابل اطمینان در طول موج‌ها و سطوح توان مختلف را افزایش می‌دهد.

IR204C-A با مشخصات متعادل و بسته‌بندی استاندارد خود، نمایان‌گر یک راه‌حل بالغ و قابل اطمینان در این چشم‌انداز فناوری در حال تکامل است.