دیتاشیت فنی کامل برای LED مادون قرمز مینی‌تاپ HIR67-21C/L11/TR8 - طول موج اوج 850 نانومتر - زاویه دید 120 درجه - جریان مستقیم 65 میلی‌آمپر

1. مرور کلی محصول

HIR67-21C/L11/TR8 یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IR) با عملکرد بالا است که برای کاربردهای نصب سطحی طراحی شده است. این قطعه در یک بسته‌بندی SMD مینیاتوری با رویه تخت و قالب‌گیری شده از پلاستیک شفاف آبی عرضه می‌شود که نقش لنز را ایفا می‌کند. این دستگاه برای تابش نور در طول موج اوج 850 نانومتر مهندسی شده است که آن را از نظر طیفی با فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی متداول هماهنگ می‌سازد. این هماهنگی برای حداکثر کردن بازده تشخیص در سیستم‌های نوری-الکترونیکی حیاتی است.

مزایای اصلی آن شامل ولتاژ مستقیم پایین (که به بهره‌وری انرژی کمک می‌کند) و سازگاری با فرآیندهای استاندارد لحیم‌کاری بازجریانی مادون قرمز و فاز بخار است. این قطعه همچنین با استانداردهای کلیدی زیست‌محیطی و ایمنی مطابقت دارد، به‌طوری که عاری از سرب، مطابق با RoHS، مطابق با REACH اتحادیه اروپا و عاری از هالوژن بوده و آستانه‌های خاصی برای محتوای برم و کلر را برآورده می‌کند.

بازار هدف این LED مادون قرمز، بخش‌های مختلف الکترونیک مصرفی و صنعتی را در بر می‌گیرد که در آن‌ها به حس‌گری نور نامرئی قابل اطمینان نیاز است.

2. بررسی 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 (IF):65 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور پیوسته از LED عبور داد.
• ولتاژ معکوس (VR):5 ولت. تجاوز از این ولتاژ بایاس معکوس می‌تواند باعث شکست پیوندگاه شود.
• دمای کارکرد و نگهداری (Topr, Tstg):40- درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد. این محدوده وسیع، قابلیت اطمینان در محیط‌های خشن را تضمین می‌کند.
• دمای لحیم‌کاری (Tsol):260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه، که با پروفیل‌های بازجریانی عاری از سرب سازگار است.
• اتلاف توان (Pd):130 میلی‌وات در دمای محیط 25 درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر. کاهش امتیاز توان در دماهای بالاتر ضروری است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی (دمای محیط=25 درجه سانتی‌گراد)

این پارامترها عملکرد دستگاه را تحت شرایط کارکرد معمولی تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (Ie):معمولاً 2.0 میلی‌وات بر استرادیان در جریان مستقیم (IF) برابر با 20mA. در کارکرد پالسی (عرض پالس 100μs، چرخه وظیفه ≤1%) در 100mA، می‌تواند به 10 mW/sr برسد.
• طول موج اوج (λp):850 نانومتر (معمولی). این طول‌موجی است که در آن توان نوری ساطع شده حداکثر است.
• پهنای باند طیفی (Δλ):45 نانومتر (معمولی). این نشان‌دهنده محدوده طول‌موج‌های ساطع شده است که حول نقطه اوج متمرکز شده‌اند.
• ولتاژ مستقیم (VF):معمولاً 1.45 ولت در 20mA، با حداکثر 1.65 ولت. در 100mA (پالسی)، از 1.80 ولت تا 2.40 ولت متغیر است.
• جریان معکوس (IR):حداکثر 10 میکروآمپر در ولتاژ معکوس 5 ولت.
• زاویه دید (2θ1/2):120 درجه (معمولی). این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار حداکثری خود کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده یک الگوی پرتو بسیار وسیع است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

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

3.1 اتلاف توان در مقابل دمای محیط

این نمودار نشان می‌دهد که چگونه حداکثر اتلاف توان مجاز با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. طراحان باید از این منحنی استفاده کنند تا اطمینان حاصل شود LED در محدوده عملیاتی ایمن خود کار می‌کند، به‌ویژه در کاربردهای با دمای بالا. کاهش امتیاز خطی است و از 130mW در 25 درجه سانتی‌گراد شروع شده و در حداکثر دمای پیوندگاه به صفر می‌رسد.

3.2 توزیع طیفی

منحنی توزیع طیفی، شدت نسبی را در مقابل طول‌موج ترسیم می‌کند. این منحنی تابش اوج در 850nm و پهنای باند طیفی تقریبی 45nm را تأیید می‌کند. این اطلاعات برای انتخاب آشکارسازهای نوری و فیلترهای نوری هماهنگ حیاتی است.

3.3 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی IV)

این رابطه غیرخطی برای طراحی مدار محدودکننده جریان حیاتی است. منحنی نشان می‌دهد که یک افزایش کوچک در ولتاژ منبع فراتر از VF معمولی می‌تواند منجر به افزایش بسیار زیاد و بالقوه مخرب در جریان شود که نیاز به تنظیم جریان مناسب (مانند یک مقاومت سری یا درایور جریان ثابت) را تأکید می‌کند.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی، زاویه دید 120 درجه‌ای را به صورت بصری نشان می‌دهد. شدت در 0 درجه (عمود بر سطح LED) بیشترین است و به طور متقارن در ±60 درجه از مرکز به 50% از حداکثر خود کاهش می‌یابد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته

LED در یک بسته‌بندی SMD فشرده ارائه می‌شود. ابعاد کلیدی شامل اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و ارتفاع کلی است. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلرانس استاندارد ±0.1mm است، مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. طراحی لنز رویه تخت به زاویه دید وسیع کمک می‌کند.

4.2 شناسایی قطبیت

کاتد معمولاً با یک علامت روی بسته، مانند یک شکاف، نقطه یا پایه کوتاه‌شده نشان داده می‌شود. قطبیت صحیح باید در حین مونتاژ رعایت شود تا از آسیب بایاس معکوس جلوگیری شود.

4.3 مشخصات نوار حامل و قرقره

قطعات در نوار 8mm روی قرقره‌هایی به قطر 7 اینچ عرضه می‌شوند که استاندارد مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place است. هر قرقره حاوی 2000 قطعه است. ابعاد دقیق نوار حامل (اندازه حفره، گام و غیره) ارائه شده‌اند تا سازگاری با تجهیزات مونتاژ اتوماتیک تضمین شود.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 نگهداری و حساسیت به رطوبت

LEDها به رطوبت حساس هستند (MSL). اقدامات احتیاطی شامل موارد زیر است:

• کیسه ضد رطوبت را تا زمان آمادگی برای استفاده باز نکنید.
• کیسه‌های بازنشده را در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤90% نگهداری کنید. ظرف یک سال استفاده کنید.
• پس از باز کردن، قطعات را ظرف 168 ساعت (7 روز) در صورت نگهداری در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤70% استفاده کنید.
• اگر زمان نگهداری بیش‌تر شد یا جاذب رطوبت نشان‌دهنده رطوبت بود، قبل از استفاده به مدت 24 ساعت در دمای 60±5°C پخت (بیک) انجام دهید.

5.2 لحیم‌کاری بازجریانی

یک پروفیل دمای بازجریانی عاری از سرب توصیه شده ارائه شده است. نکات کلیدی:

• دمای اوج نباید از 260°C تجاوز کند.
• زمان بالاتر از نقطه ذوب (مثلاً 217°C) باید کنترل شود.
• بازجریانی نباید بیش از دو بار انجام شود.
• از اعمال تنش مکانیکی روی بسته در حین گرمایش و سرمایش خودداری کنید.

5.3 لحیم‌کاری دستی و تعمیر

در صورت لزوم لحیم‌کاری دستی:

• از هویه با دمای نوک<350°C استفاده کنید.
• زمان تماس را به ≤3 ثانیه برای هر پایانه محدود کنید.
• از هویه با توان نامی ≤25W استفاده کنید.
• بین لحیم‌کاری هر پایانه، یک فاصله خنک‌کننده ≥2 ثانیه در نظر بگیرید.
• از تعمیر LEDهای لحیم‌شده خودداری کنید. اگر اجتناب‌ناپذیر است، از یک هویه دو سر برای گرم کردن همزمان هر دو پایانه استفاده کنید تا تنش حرارتی به حداقل برسد. پس از هر تلاش تعمیر، عملکرد دستگاه را تأیید کنید.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 سناریوهای کاربردی متداول

دیتاشیت چندین کاربرد را فهرست می‌کند، از جمله:

• درایوهای فلاپی دیسک و VCRها:برای حس‌گری موقعیت و تشخیص انتهای نوار.
• سوئیچ‌های نوری-الکترونیکی:در تشخیص شیء، شمارش و حس‌گری موقعیت با جفت کردن LED مادون قرمز با یک فوتوترانزیستور یا فوتودیود استفاده می‌شود.
• دوربین‌ها:اغلب در سیستم‌های فوکوس خودکار یا نورپردازی مادون قرمز برای دید در شب استفاده می‌شود.
• آشکارسازهای دود:در آشکارسازهای نوع تیرگی به کار می‌رود که در آن ذرات دود پرتو IR بین یک LED و یک سنسور را قطع می‌کنند.

6.2 ملاحظات طراحی

محدود کردن جریان:این حیاتی‌ترین جنبه طراحی است. یک مقاومت سری خارجی برای تنظیم جریان کارکرد و محافظت از LED در برابر جریان بیش‌ازحد ناشی از نوسانات جزئی ولتاژ الزامی است. مقدار مقاومت (R) را می‌توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد: R = (ولتاژ منبع - VF) / IF، که در آن VF ولتاژ مستقیم از دیتاشیت در جریان مورد نظر IF است.
مدیریت حرارتی:برای کارکرد پیوسته نزدیک به جریان نامی حداکثر یا در دمای محیط بالا، چیدمان PCB را برای دفع حرارت در نظر بگیرید. اطمینان حاصل کنید که اتلاف توان (Pd = VF * IF) از حداکثر کاهش‌یافته از منحنی اتلاف توان در مقابل دما تجاوز نمی‌کند.
طراحی نوری:پرتو وسیع 120 درجه‌ای برای کاربردهایی که نیاز به پوشش گسترده دارند مناسب است. برای پرتوهای متمرکزتر، ممکن است به لنزها یا بازتابنده‌های خارجی نیاز باشد. اطمینان حاصل کنید که مواد محفظه برای نور IR با طول‌موج 850nm شفاف هستند.

7. مقایسه و تمایز فنی

در حالی که دیتاشیت قطعات رقیب خاصی را مقایسه نمی‌کند، HIR67-21C/L11/TR8 ترکیبی از ویژگی‌ها را ارائه می‌دهد که آن را به خوبی در بازار قرار می‌دهد:

• زاویه دید وسیع (120°):پوشش گسترده‌تری نسبت به بسیاری از LEDهای مادون قرمز استاندارد ارائه می‌دهد که اغلب زوایای دیدی حدود 20 تا 60 درجه دارند.
• ولتاژ مستقیم پایین:در مقایسه با LEDهای دارای VF بالاتر، به مصرف توان کمتر و تولید حرارت کاهش‌یافته کمک می‌کند.
• مطابقت زیست‌محیطی:وضعیت عاری از سرب، RoHS، REACH و عاری از هالوژن آن، الزامات نظارتی سختگیرانه جهانی را برآورده می‌کند که یک تمایز کلیدی برای تولید الکترونیک مدرن است.
• خروجی پالسی بالا:توانایی ارائه 10 mW/sr تحت کارکرد پالسی (100mA) آن را برای کاربردهایی که نیاز به قدرت سیگنال آنی بالا دارند، مانند برخی پروتکل‌های حس‌گری یا ارتباطی مناسب می‌سازد.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: چرا یک مقاومت محدودکننده جریان کاملاً ضروری است؟
پ: منحنی IV رابطه نمایی جریان-ولتاژ LED را نشان می‌دهد. یک افزایش کوچک در ولتاژ منبع فراتر از VF اسمی باعث افزایش بسیار زیاد و بالقوه مخرب در جریان می‌شود. یک مقاومت سری، افت ولتاژ خطی ایجاد می‌کند، جریان را تثبیت کرده و از LED محافظت می‌کند.

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پایه میکروکنترلر 3.3V یا 5V راه‌اندازی کنم؟
پ: خیر. پایه‌های میکروکنترلر قابلیت تأمین/مکش جریان محدودی دارند (اغلب 20-40mA) و برای راه‌اندازی مستقیم LEDهای پرقدرت طراحی نشده‌اند. علاوه بر این، شما هنوز به یک مقاومت سری نیاز دارید. از پایه میکروکنترلر برای کنترل یک ترانزیستور یا MOSFET استفاده کنید که جریان بالاتر مورد نیاز LED را سوئیچ می‌کند.

س: "هماهنگی طیفی با فوتودیود سیلیکونی" به چه معناست؟
پ: آشکارسازهای نوری سیلیکونی حساسیت اوجی در ناحیه مادون قرمز نزدیک، حدود 800-900nm دارند. طول‌موج اوج 850nm این LED در این ناحیه با حساسیت بالا قرار می‌گیرد و تضمین می‌کند که نور ساطع شده حداکثر تبدیل به جریان الکتریکی توسط آشکارساز شود که منجر به نسبت سیگنال به نویز بهینه سیستم می‌شود.

س: چگونه شرط "عرض پالس ≦100μs، چرخه وظیفه ≦1%" برای تست 100mA را تفسیر کنم؟
پ: این بدان معناست که مقادیر شدت تابشی و ولتاژ مستقیم بالاتر در 100mA فقط زمانی معتبر هستند که LED به صورت پالسی راه‌اندازی شود، نه با DC. پالس باید 100 میکروثانیه یا کوتاه‌تر باشد و زمان بین پالس‌ها باید به اندازه‌ای طولانی باشد که چرخه وظیفه متوسط 1% یا کمتر باشد (مثلاً یک پالس 100μs هر 10ms). این از گرمایش بیش‌ازحد جلوگیری می‌کند.

9. مورد عملی طراحی و استفاده

مورد: طراحی یک سنسور ساده تشخیص شیء.
هدف:تشخیص زمانی که یک شیء بین یک LED مادون قرمز و یک فوتوترانزیستور عبور می‌کند.
قطعات:LED مادون قرمز HIR67-21C/L11/TR8، فوتوترانزیستور سیلیکونی هماهنگ، مقاومت‌ها، مقایسه‌گر/آپ‌آمپ یا میکروکنترلر.
مراحل:

1. مدار درایور LED:LED را از یک منبع 5V تغذیه کنید. یک جریان کارکرد انتخاب کنید، مثلاً 20mA برای شدت و طول عمر خوب. مقاومت سری را محاسبه کنید: R = (5V - 1.45V) / 0.020A = 177.5Ω. از یک مقاومت استاندارد 180Ω استفاده کنید. اتلاف توان در مقاومت و LED قابل قبول است را تأیید کنید.
2. مدار آشکارساز:فوتوترانزیستور را در مقابل LED و هم‌تراز قرار دهید. هنگامی که پرتو IR قطع نشده است، فوتوترانزیستور هدایت می‌کند و یک افت ولتاژ در مقاومت بار ایجاد می‌کند. هنگامی که یک شیء پرتو را مسدود می‌کند، فوتوترانزیستور هدایت را متوقف می‌کند و ولتاژ تغییر می‌کند.
3. شرط‌سازی سیگنال:این تغییر ولتاژ را می‌توان به یک مقایسه‌گر وارد کرد تا یک سیگنال دیجیتال تمیز ایجاد شود، یا مستقیماً به پایه مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یک میکروکنترلر برای پردازش پیچیده‌تر وارد کرد.
4. ملاحظات:تنظیمات را از نور محیطی (که حاوی IR است) محافظت کنید تا از تحریک‌های کاذب جلوگیری شود. پرتو 120 درجه‌ای LED به تحمل هم‌ترازی کمک می‌کند اما ممکن است برای تعریف دقیق‌تر مسیر حس‌گری به یک لوله یا مانع نیاز باشد.

10. معرفی اصول عملکرد

دیودهای ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) بر اساس همان اصل اساسی LEDهای مرئی عمل می‌کنند: الکترولومینسانس در یک ماده نیمه‌هادی. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم در سراسر پیوندگاه p-n اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n با حفره‌های ناحیه p بازترکیب می‌شوند. این رویداد بازترکیب انرژی آزاد می‌کند. در یک LED مادون قرمز، ماده نیمه‌هادی (در این مورد، گالیوم آلومینیوم آرسناید - GaAlAs) به گونه‌ای انتخاب شده است که شکاف انرژی با انتشار فوتون‌ها در طیف مادون قرمز (طول‌موج‌های بلندتر از نور قرمز مرئی، معمولاً 700nm تا 1mm) مطابقت دارد. طول‌موج 850nm در ناحیه "مادون قرمز نزدیک" (NIR) قرار دارد که برای چشم انسان نامرئی است اما به راحتی توسط سنسورهای مبتنی بر سیلیکون قابل تشخیص است. بسته اپوکسی شفاف رویه تخت هم به عنوان درزگیر محیطی و هم به عنوان لنز برای شکل‌دهی به الگوی تابش نور ساطع شده عمل می‌کند.

11. روندهای توسعه

حوزه نوری-الکترونیک مادون قرمز همچنان در حال تکامل است. روندهای کلیدی مرتبط با قطعاتی مانند HIR67-21C/L11/TR8 شامل موارد زیر است:

• افزایش بازده:تحقیقات مداوم علم مواد با هدف توسعه ساختارهای نیمه‌هادی با بازده کوانتومی داخلی بالاتر (فوتون‌های بیشتر به ازای هر الکترون) و بهبود استخراج نور از بسته است که منجر به شدت تابشی بالاتر برای همان توان ورودی می‌شود.
• مینیاتوری‌سازی:تلاش برای الکترونیک کوچک‌تر و متراکم‌تر، بسته‌های SMD حتی فشرده‌تر را در حالی که عملکرد نوری و ویژگی‌های حرارتی حفظ یا بهبود می‌یابد، پیش می‌برد.
• گزینه‌های طول‌موج بهبودیافته:در حالی که 850nm و 940nm متداول هستند، توسعه در سایر طول‌موج‌های NIR برای کاربردهای خاص، مانند 810nm برای دستگاه‌های پزشکی یا باندهای خاص برای حس‌گری گاز در حال انجام است.
• یکپارچه‌سازی:روندها شامل یکپارچه‌سازی LED مادون قرمز با یک IC درایور یا حتی با آشکارساز نوری در یک بسته واحد برای ایجاد ماژول‌های سنسور کامل و کالیبره شده است که طراحی سیستم را برای کاربران نهایی ساده می‌کند.
• مطابقت سخت‌گیرانه‌تر:مقررات زیست‌محیطی و مواد (RoHS، REACH، عاری از هالوژن) همچنان سخت‌گیرانه‌تر خواهند شد و توسعه مواد بسته‌بندی جدید و فرآیندهای تولیدی را که این الزامات را بدون به خطر انداختن عملکرد یا قابلیت اطمینان برآورده می‌کنند، پیش می‌برند.