دیتاشیت فنی دیود مادون قرمز HIR89-01C/1R - ابعاد 3.0x2.8x1.9mm - ولتاژ 1.55V - طول موج 850nm - توان 100mW

1. مرور کلی محصول

HIR89-01C/1R یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IR) مینیاتوری نصب سطحی است که از پکیج MIDLED استفاده می‌کند. عملکرد اصلی آن انتشار نور مادون قرمز در طول موج اوج 850 نانومتر (nm) است که از نظر طیفی برای سازگاری با فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی بهینه‌سازی شده است. این ویژگی آن را به یک جزء اساسی در سیستم‌های مختلف حس‌گری و ارتباطات نور نامرئی تبدیل می‌کند.

این دستگاه با ماده چیپ GaAlAs (گالیوم آلومینیوم آرسناید) ساخته شده و در یک پکیج لنز شفاف آبکی قرار دارد. مزایای کلیدی طراحی شامل ولتاژ پیشروی پایین است که به بهره‌وری انرژی کمک می‌کند و زاویه دید نسبتاً باریک 30 درجه که امکان انتشار هدایت‌شده IR را فراهم می‌کند. محصول مطابق با استانداردهای مدرن زیست‌محیطی و ایمنی است، بدون سرب، مطابق با مقررات REACH اتحادیه اروپا و به عنوان عاری از هالوژن طبقه‌بندی شده است.

1.1 ویژگی‌های اصلی و مطابقت

• بهره‌وری الکتریکی:ویژگی‌های ولتاژ پیشروی پایین.
• عملکرد نوری:زاویه دید معمولی 30 درجه برای انتشار هدایت‌شده.
• مطابقت زیست‌محیطی:ساختار بدون سرب (Pb-free).
• مطابقت با RoHS:محصول مطابق با دستورالعمل محدودیت مواد خطرناک است.
• مطابقت با REACH:نیازمندهای مقررات ثبت، ارزیابی، مجوز و محدودیت مواد شیمیایی اتحادیه اروپا را برآورده می‌کند.
• عاری از هالوژن:حاوی سطوح بسیار پایین برم (Br) و کلر (Cl) است، به طور خاص Br <900 ppm، Cl <900 ppm و Br+Cl < 1500 ppm.

2. بررسی عمیق مشخصات فنی

2.1 حداکثر مقادیر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• جریان پیشروی پیوسته (I_F):65 میلی‌آمپر
• جریان پیشروی پیک (I_FP):200 میلی‌آمپر (عرض پالس ≤500μs، چرخه کاری ≤5%)
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت
• دمای عملیاتی (T_opr):40- درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد
• دمای ذخیره‌سازی (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد
• دمای لحیم‌کاری (T_sol):260 درجه سانتی‌گراد (برای ≤5 ثانیه)
• اتلاف توان (P_d):100 میلی‌وات (در دمای محیط 25 درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر)

2.2 مشخصات الکترو-نوری

این پارامترها در دمای محیط استاندارد 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری می‌شوند و عملکرد دستگاه را تحت شرایط عملیاتی معمولی تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (I_e):40 تا 125 میلی‌وات بر استرادیان (اندازه‌گیری شده در I_F=70mA، پالس 20ms). دستگاه در رتبه‌های مختلف دسته‌بندی می‌شود (C: 40-80 mW/sr، D: 63-125 mW/sr).
• طول موج اوج (λ_p):850 نانومتر (معمولی، در I_F=100mA).
• پهنای باند طیفی (Δλ):30 نانومتر (معمولی، در I_F=100mA).
• ولتاژ پیشروی (V_F):
  • 1.40 ولت تا 1.70 ولت (در I_F=20mA)
  • 1.55 ولت تا 1.90 ولت (در I_F=70mA، پالس 20ms)
• جریان معکوس (I_R):حداکثر 10 میکروآمپر (در V_R=5V).
• زاویه دید (2θ_1/2):30 درجه (معمولی، در I_F=20mA).

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ضروری برای طراحی مدار و مدیریت حرارتی ارائه می‌دهد.

3.1 جریان پیشروی در مقابل دمای محیط

این نمودار کاهش حداکثر جریان پیشروی پیوسته مجاز را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. رتبه جریان به صورت خطی از 65mA در 25 درجه سانتی‌گراد تا مقادیر پایین‌تر با نزدیک شدن دما به حد عملیاتی حداکثر 100 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. طراحان باید از این منحنی استفاده کنند تا اطمینان حاصل شود LED در محیط‌های با دمای بالا بیش از حد تحریک نمی‌شود.

3.2 جریان پیشروی در مقابل ولتاژ پیشروی (منحنی I-V)

منحنی I-V رابطه نمایی معمول دیودها را نشان می‌دهد. این برای انتخاب مقاومت محدودکننده جریان مناسب بسیار مهم است. افزایش کوچک ولتاژ فراتر از V_Fمعمولی می‌تواند منجر به افزایش بزرگ و بالقوه مخرب جریان شود که ضرورت استفاده از یک مقاومت سری را برجسته می‌کند.

3.3 شدت تابشی در مقابل جریان پیشروی

این منحنی نشان می‌دهد که خروجی نوری (شدت تابشی) با جریان پیشروی افزایش می‌یابد، اما رابطه کاملاً خطی نیست، به ویژه در جریان‌های بالاتر. این به طراحان کمک می‌کند تا نقطه عملیاتی را انتخاب کنند که روشنایی را با بهره‌وری و طول عمر دستگاه متعادل می‌کند.

3.4 توزیع طیفی

نمودار طیفی تأیید می‌کند که انتشار در 850nm متمرکز شده است با عرض کامل در نصف بیشینه (FWHM) معمولی 30nm. این پهنای باند باریک، تطابق خوبی با حساسیت اوج آشکارسازهای مبتنی بر سیلیکون تضمین می‌کند.

3.5 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی به صورت بصری زاویه دید 30 درجه را تعریف می‌کند و نشان می‌دهد که شدت در ±15 درجه از محور مرکزی به نصف مقدار اوج خود کاهش می‌یابد. این اطلاعات برای طراحی سیستم نوری، تعیین گسترش پرتو و نیازهای هم‌ترازی حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

HIR89-01C/1R از یک پکیج نصب سطحی MIDLED فشرده استفاده می‌کند. ابعاد کلیدی (بر حسب میلی‌متر) عبارتند از:

• طول کلی: 3.0 میلی‌متر
• عرض کلی: 2.8 میلی‌متر
• ارتفاع کلی: 1.9 میلی‌متر
• فاصله پایه‌ها: 2.0 میلی‌متر

تلرانس برای ابعاد نامشخص ±0.1mm است. یک نقشه ابعادی دقیق در دیتاشیت برای طراحی ردپای PCB ارائه شده است.

4.2 شناسایی قطبیت

کاتد روی پکیج مشخص شده است. دیتاشیت شامل یک نمودار است که نشانگر کاتد را نشان می‌دهد که برای جهت‌دهی صحیح در طول مونتاژ برای جلوگیری از اتصال بایاس معکوس ضروری است.

4.3 ابعاد نوار حامل

دستگاه بر روی نوار حامل برجسته‌دار برای مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place عرضه می‌شود. ابعاد نوار برای سازگاری با تجهیزات استاندارد SMT مشخص شده است. هر ریل حاوی 2000 قطعه است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب

یک پروفیل دمای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب توصیه شده ارائه شده است. پارامترهای کلیدی شامل:

• منطقه پیش‌گرم و خیس‌اندن.
• دمای اوج از 260 درجه سانتی‌گراد تجاوز نکند.
• زمان بالاتر از نقطه مایع (معمولاً 217 درجه سانتی‌گراد).
• نرخ خنک‌سازی.

لحیم‌کاری ریفلو نباید بیش از دو بار انجام شود.

5.2 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، باید نهایت دقت به کار گرفته شود:

• از یک هویه با دمای نوک < 350 درجه سانتی‌گراد استفاده کنید.
• زمان لحیم‌کاری برای هر ترمینال را به ≤ 3 ثانیه محدود کنید.
• از هویه با رتبه توان ≤ 25W استفاده کنید.
• بین لحیم‌کاری هر ترمینال حداقل فاصله 2 ثانیه‌ای را رعایت کنید تا از شوک حرارتی جلوگیری شود.

5.3 بازکاری و تعمیر

تعمیر پس از لحیم‌کاری به شدت توصیه نمی‌شود. در صورت اجتناب ناپذیر بودن، باید از یک هویه دو سر برای گرم کردن همزمان هر دو ترمینال استفاده شود تا تنش روی پکیج LED به حداقل برسد. تأثیر بر ویژگی‌های دستگاه پس از هر بازکاری باید تأیید شود.

6. احتیاط‌های ذخیره‌سازی و جابجایی

6.1 حساسیت به رطوبت

LED به رطوبت حساس است. احتیاط‌ها شامل:

• کیسه مانع رطوبت را تا زمان آماده‌سازی برای استفاده باز نکنید.
• کیسه‌های بازنشده را در دمای ≤ 30°C و رطوبت نسبی (RH) ≤ 90% ذخیره کنید.
• ظرف یک سال از تاریخ حمل استفاده کنید.
• پس از باز کردن، در دمای ≤ 30°C و رطوبت نسبی ≤ 70% ذخیره کنید.
• لحیم‌کاری را ظرف 168 ساعت (7 روز) از باز کردن کیسه کامل کنید.
• اگر زمان ذخیره‌سازی بیش از حد باشد یا سیلیکاژل نشان‌دهنده نفوذ رطوبت باشد، قطعات را قبل از استفاده به مدت 24 ساعت در دمای 60 ±5°C پخت کنید.

6.2 محافظت جریان

بسیار مهم:استفاده از یک مقاومت محدودکننده جریان خارجی اجباری است. مشخصه نمایی I-V LED به این معنی است که افزایش کوچک ولتاژ می‌تواند باعث افزایش شدید جریان شود که منجر به سوختن فوری می‌شود. مقدار مقاومت باید بر اساس ولتاژ تغذیه و جریان پیشروی مورد نظر، با در نظر گرفتن V_F range.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 روش بسته‌بندی

LEDها در یک کیسه آلومینیومی ضد رطوبت حاوی سیلیکاژل بسته‌بندی می‌شوند. روی کیسه با اطلاعات حیاتی برچسب زده شده است.

7.2 مشخصات برچسب

برچسب شامل فیلدهای زیر است:

• CPN (شماره قطعه مشتری)
• P/N (شماره قطعه سازنده: HIR89-01C/1R)
• QTY (تعداد)
• CAT (رتبه‌ها، مثلاً C یا D برای شدت تابشی)
• HUE (طول موج اوج)
• LOT No. (شماره لات ردیابی)
• مبدا تولید
• سطح حساسیت به رطوبت (MSL)

7.3 راهنمای انتخاب دستگاه

HIR89-01C/1R تنها شماره قطعه در این سری است که دارای چیپ GaAlAs و لنز شفاف آبکی می‌باشد.

8. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

8.1 کاربردهای معمول

• سیستم‌های حس‌گری مادون قرمز:سنسورهای مجاورتی، تشخیص شیء، کلیدهای بدون تماس.
• انکودرهای نوری:حس‌گری موقعیت و سرعت در موتورها.
• انتقال داده:لینک‌های داده IR برد کوتاه (مثلاً کنترل از راه دور، IrDA).
• بینایی ماشین:روشنایی برای دوربین‌های دارای فیلتر IR.
• سیستم‌های امنیتی:روشنایی فعال برای دوربین‌های دید در شب.

8.2 نکات طراحی مدار

1. محدود کردن جریان:همیشه از یک مقاومت سری استفاده کنید. با استفاده از R = (V_supply- V_F) / I_Fمحاسبه کنید. از حداکثر V_Fاز دیتاشیت استفاده کنید تا جریان ایمن تحت همه شرایط تضمین شود.
2. مدار درایو:برای عملکرد پالسی (مثلاً حس‌گری، ارتباطات)، اطمینان حاصل کنید که عرض پالس و چرخه کاری در محدوده رتبه‌های I_FPباقی بمانند تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود.
3. مدیریت حرارتی:منحنی کاهش رتبه را در نظر بگیرید. در دمای محیط بالا یا هنگامی که روی برد با سایر قطعات تولیدکننده گرما نصب شده است، جریان عملیاتی را متناسباً کاهش دهید.
4. چیدمان PCB:الگوی لند توصیه شده از نقشه ابعادی را دنبال کنید. فاصله کافی از سایر قطعات را برای جلوگیری از تداخل حرارتی یا نوری تضمین کنید.

9. مقایسه و موقعیت‌یابی فنی

HIR89-01C/1R خود را به عنوان یک ساطع‌کننده مادون قرمز قابل اعتماد و همه‌کاره در یک پکیج SMD مینیاتوری معرفی می‌کند. طول موج 850nm آن استاندارد صنعتی برای سازگاری با آشکارسازهای سیلیکونی است. در مقایسه با LEDهای IR قدیمی‌تر از نوع Through-Hole، فرمت SMD آن امکان مونتاژ PCB کوچکتر و اتوماتیک را فراهم می‌کند. زاویه دید 30 درجه تعادل خوبی بین تمرکز پرتو و تلرانس هم‌ترازی برای بسیاری از کاربردها ارائه می‌دهد. ارائه دسته‌بندی دقیق (رتبه‌های C و D) به طراحان اجازه می‌دهد دستگاه‌ها را بر اساس توان خروجی مورد نیاز انتخاب کنند که می‌تواند برای دستیابی به محدوده حس‌گری یا قدرت سیگنال یکنواخت حیاتی باشد.

10. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

10.1 چرا استفاده از مقاومت محدودکننده جریان کاملاً ضروری است؟

مشخصه دیودی LED دارای مقاومت دینامیکی بسیار پایینی است به محض اینکه ولتاژ پیشروی فراتر رود. بدون مقاومت، جریان تنها توسط مقاومت داخلی منبع تغذیه و سیم‌کشی محدود می‌شود که معمولاً بسیار پایین است و منجر به جریان بیش از حد فاجعه‌بار می‌شود. مقاومت یک روش خطی، قابل پیش‌بینی و ایمن برای تنظیم جریان عملیاتی فراهم می‌کند.

10.2 آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پین میکروکنترلر 3.3V یا 5V راه‌اندازی کنم؟

No.پین‌های GPIO میکروکنترلر دارای محدودیت‌های تأمین/کشیدن جریان (اغلب 20-40mA) هستند که در سطح یا پایین‌تر از رتبه پیوسته این LED قرار دارند. مهم‌تر از آن، آن‌ها نمی‌توانند محدودیت جریان لازم را فراهم کنند. شما باید از GPIO برای کنترل یک ترانزیستور یا MOSFET استفاده کنید که سپس LED را از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان مناسب متصل به ریل اصلی تغذیه راه‌اندازی می‌کند.

10.3 تفاوت بین دسته‌های رتبه C و D چیست؟

رتبه‌های C و D محدوده‌های مختلف شدت تابشی (I_e) اندازه‌گیری شده در 70mA را مشخص می‌کنند. رتبه C دارای محدوده خروجی پایین‌تر (40-80 mW/sr) است، در حالی که رتبه D دارای محدوده خروجی بالاتر (63-125 mW/sr) است. انتخاب یک دستگاه رتبه D می‌تواند توان نوری بیشتری برای برد بیشتر یا تشخیص سیگنال قوی‌تر فراهم کند، اما ممکن است با هزینه کمی بالاتر همراه باشد. رتبه خاص سفارش داده شده روی برچسب بسته مشخص خواهد شد.

10.4 دستورالعمل‌های حساسیت به رطوبت و پخت چقدر حیاتی هستند؟

بسیار حیاتی. رطوبت جذب شده در پکیج پلاستیکی می‌تواند در طول فرآیند لحیم‌کاری ریفلو با دمای بالا تبخیر شود و باعث لایه‌لایه شدن داخلی، ترک خوردگی یا "پاپ کورن شدن" شود که می‌تواند به دی یا اتصالات سیمی آسیب برساند. رعایت زمان‌های ذخیره‌سازی و انجام روش پخت در صورت لزوم برای بازده مونتاژ بالا و قابلیت اطمینان بلندمدت ضروری است.

11. مطالعه موردی طراحی و استفاده

11.1 طراحی یک سنسور مجاورتی ساده

هدف:تشخیص یک شیء در فاصله 10 سانتی‌متری.
طراحی:HIR89-01C/1R را با یک فوتوترانزیستور سیلیکونی مطابق جفت کنید. LED توسط یک منبع تغذیه 5V از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان راه‌اندازی می‌شود. با استفاده از V_Fمعمولی 1.55V در 70mA، مقدار مقاومت R = (5V - 1.55V) / 0.07A ≈ 49.3Ω است (از یک مقاومت استاندارد 51Ω استفاده کنید). LED با فرکانس خاصی (مثلاً 38kHz) با استفاده از میکروکنترلر پالس می‌دهد. خروجی فوتوترانزیستور به یک IC گیرنده دمدولاتور تنظیم شده بر روی همان فرکانس متصل می‌شود. این طراحی نور محیط را حذف می‌کند و حضور یک شیء توسط نور IR مدوله شده منعکس شده تشخیص داده می‌شود. پرتو 30 درجه به تعریف منطقه تشخیص کمک می‌کند.

12. اصل عملکرد

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) بر اساس اصل الکترولومینسانس در یک اتصال p-n نیمه‌هادی عمل می‌کند. هنگامی که یک ولتاژ پیشروی اعمال می‌شود، الکترون‌ها از منطقه نوع n و حفره‌ها از منطقه نوع p به داخل اتصال تزریق می‌شوند. این حامل‌های بار در منطقه فعال (لایه GaAlAs در این مورد) بازترکیب می‌شوند. انرژی آزاد شده در طول بازترکیب به صورت فوتون (نور) منتشر می‌شود. انرژی گاف باند خاص ماده نیمه‌هادی GaAlAs طول موج فوتون‌های منتشر شده را تعیین می‌کند که برای این دستگاه در طیف مادون قرمز نزدیک در 850nm متمرکز شده است. لنز اپوکسی شفاف آبکی نور منتشر شده را به زاویه دید مشخص شده شکل می‌دهد.

13. روندهای فناوری

فناوری LED مادون قرمز همچنان در حال تکامل است. روندها شامل:

• بهره‌وری بالاتر:توسعه مواد و ساختارهای نیمه‌هادی جدید (مثلاً چاه‌های کوانتومی چندگانه) برای دستیابی به توان نوری بیشتر در واحد ورودی الکتریکی (بهره‌وری دیوار-پریز بالاتر).
• چگالی توان افزایش یافته:دستگاه‌های قادر به تحمل جریان درایو بالاتر در پکیج‌های کوچکتر برای کاربردهایی مانند LiDAR و حس‌گری برد بلند.
• چند طول موجی و VCSEL:ظهور LEDها و لیزرهای گسیل از سطح حفره عمودی (VCSEL) در طول‌موج‌های IR دیگر (مثلاً 940nm برای ایمنی بهتر چشم، 1350nm/1550nm برای LiDAR برد بلندتر) برای تطابق با نیازهای کاربردی خاص.
• راه‌حل‌های یکپارچه:ترکیب ساطع‌کننده IR، مدار درایو و گاهی اوقات آشکارساز در یک ماژول واحد برای ساده‌سازی طراحی و بهبود عملکرد.

HIR89-01C/1R نماینده یک راه‌حل بالغ، مقرون به صرفه و قابل اعتماد برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای اصلی IR است.