دیتاشیت فنی HIR25-21C/L289/2T - LED مادون قرمز SMD بسته‌بندی 1206 با لنز داخلی - ابعاد 3.2x1.6x1.1mm - ولتاژ 1.4V - توان 130mW - طول موج 850nm

1. مرور کلی محصول

HIR25-21C/L289/2T یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IR) با عملکرد بالا است که در یک بسته‌بندی مینیاتوری دستگاه نصب سطحی (SMD) 1206 قرار دارد. این قطعه به‌طور خاص برای کاربردهایی طراحی شده است که نیاز به تابش مادون قرمز قابل اطمینان و منطبق بر آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون دارند. عملکرد اصلی آن تبدیل انرژی الکتریکی به نور مادون قرمز در طول موج اوج 850 نانومتر (nm) است.

این دستگاه با ماده تراشه GaAlAs (گالیم آلومینیوم آرسنید) ساخته شده است که به دلیل بازدهی آن در طیف مادون قرمز شناخته شده است. بسته‌بندی از پلاستیک شفاف قالب‌گیری شده و دارای یک لنز داخلی کروی است. این طراحی لنز برای کنترل الگوی خروجی نور حیاتی است و منجر به زاویه دید معمولی (2θ1/2) 60 درجه می‌شود. ظاهر "شفاف" نشان‌دهنده این است که ماده لنز نور مرئی را فیلتر نمی‌کند و حداکثر انتقال تابش مادون قرمز مورد نظر را ممکن می‌سازد.

یک مزیت کلیدی این LED تطابق طیفی آن با فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی است. آشکارسازهای سیلیکونی حساسیت اوج در ناحیه مادون قرمز نزدیک دارند و خروجی 850nm این LED به خوبی با این ویژگی هماهنگ است که باعث اطمینان از قدرت سیگنال بهینه و بازدهی سیستم در کاربردهای سنجش می‌شود.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

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

• جریان مستقیم پیوسته (I_F): 65 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور پیوسته به آند LED اعمال کرد.
• ولتاژ معکوس (V_R): 5 ولت. اعمال ولتاژ معکوس بالاتر از این می‌تواند پیوند PN LED را خراب کند.
• اتلاف توان (P_d): 130 میلی‌وات در دمای محیط 25°C یا کمتر. این حداکثر توانی است که بسته‌بندی می‌تواند به صورت گرما دفع کند. فراتر رفتن از این محدودیت خطر گرمای بیش از حد را به همراه دارد.
• دمای کارکرد و نگهداری: 25- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد (کارکرد)، 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد (نگهداری).
• دمای لحیم‌کاری (T_sol): 260 درجه سانتی‌گراد حداکثر به مدت 5 ثانیه. این برای فرآیندهای لحیم‌کاری بازجوشی بدون سرب (Pb-free) حیاتی است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی (Ta=25°C)

این پارامترها تحت شرایط آزمایش استاندارد (جریان مستقیم 20mA، دمای 25°C) اندازه‌گیری می‌شوند و عملکرد دستگاه را تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (I_e): 4.0 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل)، 5.0 میلی‌وات بر استرادیان (معمول). این پارامتر توان نوری ساطع شده در واحد زاویه فضایی (استرادیان) را اندازه‌گیری می‌کند. این یک شاخص مستقیم از روشنایی LED در جهت اصلی آن است.
• طول موج اوج (λ_p): 850 نانومتر (معمول). طول موجی که در آن توان خروجی نوری بیشترین است. این در طیف مادون قرمز نزدیک (NIR) قرار دارد و برای چشم انسان نامرئی است.
• پهنای باند طیفی (Δλ): 30 نانومتر (معمول). محدوده طول موج‌های ساطع شده، که معمولاً در نصف توان اوج (عرض کامل در نصف بیشینه - FWHM) اندازه‌گیری می‌شود. پهنای باند 30nm برای یک LED مادون قرمز استاندارد است.
• ولتاژ مستقیم (V_F): 1.4 ولت (معمول)، 1.7 ولت (حداکثر) در 20mA. افت ولتاژ در دو سر LED هنگام کارکرد. این ولتاژ پایین مشخصه دیودهای مادون قرمز GaAlAs است و برای محاسبه مقادیر مقاومت سری و مصرف توان مهم است.
• جریان معکوس (I_R): 10 میکروآمپر (حداکثر) در V_R=5V. جریان نشتی کوچکی که هنگام بایاس معکوس دیود جریان می‌یابد.
• زاویه دید (2θ_1/2): 60 درجه (معمول). زاویه کامل‌ای که در آن شدت تابشی به نصف مقدار حداکثر خود کاهش می‌یابد. لنز کروی این پرتو نسبتاً پهن را ایجاد می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ضروری برای مهندسان طراح ارائه می‌دهد.

3.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

این نمودار کاهش (دریتینگ) حداکثر جریان مستقیم مجاز را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. با افزایش دما، توانایی LED در دفع گرما کاهش می‌یابد، بنابراین حداکثر جریان باید کاهش یابد تا در محدوده اتلاف توان 130mW باقی بماند. طراحان برای کارکرد در دمای بالا باید به این منحنی مراجعه کنند.

3.2 توزیع طیفی

این نمودار خروجی نور را به عنوان تابعی از طول موج، حول اوج 850nm با پهنای باند FWHM 30nm، به صورت بصری نشان می‌دهد. این نمودار تطابق طیفی با آشکارسازهای سیلیکونی را تأیید می‌کند که معمولاً پاسخ‌دهی بالایی در محدوده 800-900nm دارند.

3.3 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V)

این منحنی اساسی رابطه نمایی بین جریان و ولتاژ برای یک دیود را نشان می‌دهد. ولتاژ "زانو" حدود 1.2-1.3V است. این منحنی برای طراحی مدار درایور، به ویژه برای محاسبه مقاومت محدودکننده جریان حیاتی است: R = (V_supply- V_F) / I_F.

3.4 شدت تابشی در مقابل جریان مستقیم

این نمودار رابطه خطی بین جریان درایو و توان خروجی نوری (شدت تابشی) را در محدوده کارکرد نشان می‌دهد. این نشان می‌دهد که افزایش جریان به طور متناسب خروجی نور را افزایش می‌دهد، تا حد محدودیت‌های حرارتی دستگاه.

3.5 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی الگوی تابش یا پروفایل پرتو را نشان می‌دهد. این نمودار به صورت بصری زاویه دید 60 درجه را تأیید می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه شدت با افزایش زاویه از محور مرکزی (0 درجه) کاهش می‌یابد. این برای طراحی سیستم‌های نوری حیاتی است و اطمینان می‌دهد که گیرنده در داخل پرتو مؤثر LED قرار دارد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد قطعه

این قطعه از فوت‌پرینت استاندارد SMD 1206 پیروی می‌کند: تقریباً 3.2 میلی‌متر طول، 1.6 میلی‌متر عرض و 1.1 میلی‌متر ارتفاع. نقشه‌های ابعادی دقیق در دیتاشیت تمام اندازه‌گیری‌های حیاتی از جمله فاصله پد (معمولاً 2.0mm)، ارتفاع قطعه و انحنای لنز را با تلرانس‌های ±0.1mm مشخص می‌کنند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

4.2 شناسایی قطبیت

کاتد معمولاً علامت‌گذاری شده است، اغلب با یک شکاف، یک نوار سبز، یا اندازه/شکل متفاوت پد روی نوار و قرقره بسته‌بندی. نقشه دیتاشیت سمت کاتد را نشان می‌دهد. قطبیت صحیح در حین مونتاژ برای جلوگیری از آسیب بایاس معکوس ضروری است.

4.3 مشخصات بسته‌بندی

LEDها روی نوار حامل برجسته به عرض 8 میلی‌متر که روی قرقره‌هایی به قطر 7 اینچ پیچیده شده‌اند، عرضه می‌شوند. هر قرقره حاوی 2000 قطعه است. ابعاد نوار حامل (اندازه جیب، گام و غیره) برای برنامه‌ریزی ماشین‌های برداشت و قراردادن خودکار ارائه شده است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری، مونتاژ و جابجایی

5.1 احتیاط‌های حیاتی

• محدود کردن جریان اجباری است: همیشه باید از یک مقاومت سری خارجی استفاده شود. ولتاژ مستقیم پایین LED و منحنی I-V تیز آن به این معنی است که یک افزایش کوچک در ولتاژ تغذیه می‌تواند باعث افزایش زیاد و مخرب جریان شود.
• حساسیت به رطوبت: بسته‌بندی پلاستیکی به رطوبت حساس است. دستگاه‌ها باید در کیسه ضد رطوبت اصلی خود تحت شرایط کنترل شده (10-30°C، ≤60% رطوبت نسبی) نگهداری شوند. پس از باز شدن، "عمر مفید در محیط کار" 168 ساعت (7 روز) تحت همان شرایط است. فراتر رفتن از این مدت نیاز به پخت (به عنوان مثال، 96 ساعت در 60°C) قبل از لحیم‌کاری بازجوشی دارد تا از "ترکیدن" یا ترک خوردن بسته‌بندی جلوگیری شود.

5.2 فرآیند لحیم‌کاری

• لحیم‌کاری بازجوشی: پروفیل دمایی بدون سرب (Pb-free) توصیه می‌شود، با دمای اوج 260°C حداکثر به مدت 5 ثانیه. بازجوشی نباید بیش از دو بار انجام شود.
• لحیم‌کاری دستی: در صورت لزوم، از هویه‌ای با دمای نوک زیر 350°C و توان زیر 25 وات استفاده کنید. زمان تماس برای هر ترمینال باید کمتر از 3 ثانیه باشد، با فواصل بین لحیم‌کاری هر ترمینال. برای هر کار تعمیری، استفاده از هویه دو سر برای به حداقل رساندن تنش حرارتی پیشنهاد می‌شود.
• اجتناب از تنش: در حین گرم کردن، تنش مکانیکی به LED وارد نکنید یا PCB را پس از لحیم‌کاری خم نکنید، زیرا این می‌تواند به اتصالات داخلی یا بسته‌بندی آسیب برساند.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 سناریوهای کاربردی متداول

• سنسورهای مادون قرمز نصب شده روی PCB: به عنوان فرستنده در سنسورهای مجاورتی، تشخیص اشیاء و ربات‌های دنبال‌کننده خط استفاده می‌شود.
• واحدهای کنترل از راه دور مادون قرمز: برای کنترل‌های از راه دور با نیاز توان بالا مناسب است و برد بیشتر یا نفوذ سیگنال قوی‌تری را فراهم می‌کند.
• اسکنرها: اسکنرهای بارکد، اسکنرهای اسناد و سایر سیستم‌های اسکن نوری.
• سیستم‌های مادون قرمز عمومی: سیستم‌های امنیتی (روشنایی IR برای دوربین‌ها)، انتقال داده (IrDA) و اتوماسیون صنعتی.

6.2 ملاحظات طراحی

• مدار درایور: همیشه یک مقاومت محدودکننده جریان را لحاظ کنید. مقدار مقاومت و توان آن را بر اساس ولتاژ تغذیه و جریان مستقیم مورد نظر (به عنوان مثال، 20mA برای مشخصات معمول) محاسبه کنید. برای کارکرد پالسی (مانند کنترل‌های از راه دور)، جریان‌های اوج بالاتر ممکن است در صورت پایین بودن چرخه وظیفه (Duty Cycle) امکان‌پذیر باشد، اما توان متوسط نباید از مقادیر نامی فراتر رود.
• طراحی نوری: هنگام هم‌ترازی فرستنده با یک آشکارساز نوری، زاویه دید 60 درجه را در نظر بگیرید. برای برد بیشتر، می‌توان از لنزها یا بازتابنده‌های خارجی برای موازی کردن پرتو استفاده کرد. برای پوشش وسیع‌تر، زاویه ذاتی ممکن است کافی باشد.
• مدیریت حرارتی: اطمینان حاصل کنید که مساحت کافی مس روی PCB یا ویای‌های حرارتی برای دفع گرما وجود دارد، به ویژه هنگام راه‌اندازی نزدیک به حداکثر جریان یا در دمای محیط بالا.
• نویز الکتریکی: در کاربردهای سنجش آنالوگ حساس، مدولاسیون سیگنال IR و استفاده از آشکارسازی همزمان را برای حذف نور محیط و نویز الکتریکی در نظر بگیرید.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای SMD نور مرئی استاندارد یا LEDهای مادون قرمز قدیمی ترو-هول، HIR25-21C/L289/2T چندین مزیت ارائه می‌دهد:

• اندازه و نصب: بسته‌بندی SMD 1206 امکان مونتاژ PCB خودکار با چگالی بالا را فراهم می‌کند و در مقایسه با قطعات ترو-هول، فضا و هزینه را صرفه‌جویی می‌کند.
• عملکرد نوری: لنز کروی یکپارچه یک الگوی تابشی کنترل شده و ثابت (60 درجه) را فراهم می‌کند که نسبت به LEDهای بدون لنز یا با پنجره صاف قابل اطمینان‌تر است.
• دقت طیفی: طول موج اوج 850nm یک استاندارد بهینه‌شده برای آشکارسازهای سیلیکونی است که تعادل خوبی بین پاسخ‌دهی آشکارساز و حذف نور محیط (نور خورشید در 850nm نسبت به 940nm IR کمتری دارد) ارائه می‌دهد.
• مطابقت: محصول بدون سرب است، با استانداردهای RoHS، REACH و بدون هالوژن (Br <900ppm، Cl <900ppm، Br+Cl <1500ppm) مطابقت دارد و مقررات زیست‌محیطی مدرن را برآورده می‌کند.

8. پرسش‌های متداول (FAQs)

8.1 هدف از لنز "شفاف" در یک LED مادون قرمز چیست؟

پلاستیک "شفاف" در طیف گسترده‌ای، از جمله نور مرئی و مادون قرمز نزدیک، بسیار شفاف است. عملکرد اصلی آن محافظت از تراشه نیمه‌هادی و قالب‌گیری به شکل خاص (لنز کروی) است که الگوی خروجی نور را کنترل می‌کند. این لنز نور IR را فیلتر نمی‌کند؛ در واقع، حداکثر انتقال طول موج 850nm را ممکن می‌سازد.

8.2 آیا می‌توانم این LED را با حداکثر جریان 65 میلی‌آمپر به طور مداوم راه‌اندازی کنم؟

شما فقط در صورتی می‌توانید آن را با 65mA راه‌اندازی کنید که بتوانید تضمین کنید دمای محیط به اندازه کافی پایین است و طراحی حرارتی به اندازه کافی مناسب است تا دمای پیوند در محدوده ایمن باقی بماند و اطمینان حاصل شود که اتلاف توان 130mW فراتر نمی‌رود. در دمای محیط بالاتر، حداکثر جریان مجاز به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. برای کارکرد قابل اطمینان بلندمدت، راه‌اندازی در شرایط معمول 20mA توصیه می‌شود.

8.3 چگونه آند و کاتد را شناسایی کنم؟

نقشه بسته‌بندی در دیتاشیت کاتد را نشان می‌دهد. روی نوار و قرقره فیزیکی، سمت کاتد جیب اغلب علامت‌گذاری شده است. روی خود قطعه، به دنبال علامت ظریفی مانند یک شکاف، یک نقطه یا یک نوار سبز باشید. در صورت شک، به برچسب بسته‌بندی سازنده یا دیتاشیت مراجعه کنید.

8.4 چرا نگهداری و جابجایی در مورد رطوبت این‌قدر سخت‌گیرانه است؟

ترکیب قالب‌گیری پلاستیکی می‌تواند رطوبت را از هوا جذب کند. در طول فرآیند لحیم‌کاری بازجوشی با دمای بالا، این رطوبت جذب شده به سرعت به بخار تبدیل می‌شود و فشار داخلی بالایی ایجاد می‌کند. این می‌تواند باعث لایه‌لایه شدن داخل بسته‌بندی، ترک در پلاستیک یا "ترکیدن" شود که منجر به خرابی فوری یا کاهش قابلیت اطمینان بلندمدت می‌شود. احتیاط‌های MSL (سطح حساسیت به رطوبت) از این امر جلوگیری می‌کند.

9. اصل عملکرد

این دستگاه یک دیود ساطع‌کننده نور (LED) است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم بیش از ولتاژ گاف انرژی آن (تقریباً 1.4V) در دو سر آند و کاتد اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها به ناحیه فعال تراشه نیمه‌هادی GaAlAs تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی را به شکل فوتون (ذرات نور) آزاد می‌کنند. ترکیب خاص ماده GaAlAs انرژی این فوتون‌ها را تعیین می‌کند که مربوط به طول موج مادون قرمز 850nm است. سپس لنز کروی این نور ساطع شده را شکل داده و به یک پرتو 60 درجه‌ای هدایت می‌کند.

10. روندهای صنعت

LEDهای مادون قرمز تحت تأثیر چندین روند کلیدی همچنان در حال تکامل هستند. تقاضا برای شدت تابشی و بازدهی بالاتر در بسته‌بندی‌های کوچک‌تر برای امکان‌پذیر کردن سنسورهای فشرده‌تر و قدرتمندتر در حال افزایش است. یکپارچه‌سازی روند مهم دیگری است، که در آن فرستنده‌های IR با درایورها، آشکارسازهای نوری و حتی میکروکنترلرها در ماژول‌های تک یا راه‌حل‌های سیستم در بسته (SiP) ترکیب می‌شوند. علاوه بر این، گسترش کاربردها در صنعت خودرو (مانیتورینگ داخل کابین، LiDAR)، الکترونیک مصرفی (تشخیص چهره، کنترل ژست) و اینترنت اشیاء صنعتی، دستگاه‌هایی با قابلیت اطمینان بهبودیافته، محدوده دمای کارکرد وسیع‌تر و مقاومت افزایش‌یافته در برابر محیط‌های خشن را طلب می‌کند. مطابقت با مقررات سخت‌گیرانه زیست‌محیطی و ایمنی همچنان یک نیاز اساسی برای تمام قطعات الکترونیکی است.