دیتاشیت LED مادون قرمز IR25-21C/TR8 با پکیج معکوس - پکیج SMD - چیپ GaAlAs - لنز شفاف - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

IR25-21C/TR8 یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز با پکیج سطح‌نشین (SMD) مینیاتوری است. این قطعه دارای طراحی پکیج معکوس است که در پلاستیک شفاف قالب‌گیری شده و دارای لنز بالایی کروی می‌باشد. عملکرد اصلی این قطعه، ساطع کردن نور مادون قرمز است که خروجی طیفی آن به طور خاص با فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی تطابق دارد و آن را به منبعی ایده‌آل برای کاربردهای مختلف سنجشی تبدیل می‌کند.

مزایای کلیدی این LED شامل پکیج دو سر کوچک آن است که نصب روی PCB و ادغام در طراحی‌های با محدودیت فضا را تسهیل می‌کند. این قطعه با ولتاژ فوروارد پایین کار می‌کند که به بهره‌وری انرژی کمک می‌نماید. دستگاه با استانداردهای اصلی زیست‌محیطی و ایمنی از جمله RoHS، EU REACH مطابقت دارد و فاقد هالوژن است که آن را برای تولید الکترونیک مدرن مناسب می‌سازد.

1.1 راهنمای انتخاب دستگاه

IR25-21C/TR8 متعلق به دسته LEDهای مادون قرمز (IR) است. این قطعه از ماده چیپ گالیم آلومینیوم آرسناید (GaAlAs) استفاده می‌کند که به دلیل ساطع‌کنندگی کارآمد مادون قرمز شناخته شده است. لنز آن شفاف است که امکان انتقال حداکثری نور مادون قرمز بدون فیلتر رنگ را فراهم می‌آورد.

2. مشخصات فنی و تفسیر عینی

2.1 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

محدودیت‌های عملیاتی دستگاه تحت دمای محیط استاندارد (Ta=25°C) تعریف شده است. تجاوز از این ریتینگ‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی شود.

• جریان فوروارد (I_F):100 میلی‌آمپر - حداکثر جریان پیوسته مجاز از طریق LED.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت - حداکثر ولتاژی که می‌توان در جهت معکوس اعمال کرد.
• توان تلف شده (P_d):120 میلی‌وات - حداکثر توانی که پکیج می‌تواند به صورت گرما دفع کند.
• دمای عملیاتی (T_opr):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمای محیط برای عملکرد مطمئن.
• دمای نگهداری (T_stg):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد - محدوده دمای ایمن برای نگهداری دستگاه در حالت خاموش.
• دمای لحیم‌کاری (T_s):260 درجه سانتی‌گراد حداکثر به مدت 5 ثانیه - حداکثر دما و مدت زمانی که LED در طول لحیم‌کاری ریفلو می‌تواند تحمل کند.

2.2 مشخصات الکترواپتیکی

این پارامترها در Ta=25°C اندازه‌گیری شده و عملکرد معمول LED را تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (I_e):40 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل) در I_F=20 میلی‌آمپر - این توان نوری خروجی در واحد زاویه فضایی است، معیاری کلیدی برای روشنایی منابع جهت‌دار مانند LEDها.
• طول موج پیک (λ_p):940 نانومتر (معمولی) - طول موجی که در آن LED بیشترین توان نوری را ساطع می‌کند. این مقدار به خوبی با حساسیت پیک آشکارسازهای نوری سیلیکونی متداول هم‌خوانی دارد.
• پهنای باند طیفی (Δλ):50 نانومتر (معمولی) - محدوده طول موج‌های ساطع شده، که در نصف شدت پیک اندازه‌گیری می‌شود (عرض کامل در نصف بیشینه).
• ولتاژ فوروارد (V_F):1.5 ولت (معمولی) در I_F=20 میلی‌آمپر - افت ولتاژ دو سر LED هنگام کار در جریان مشخص شده. مقدار پایین آن برای مدارهای با ولتاژ پایین مفید است.
• زاویه دید (2θ_1/2):±20 درجه (معمولی) - گستره زاویه‌ای که در آن شدت تابشی حداقل نصف شدت پیک است. این پارامتر عرض پرتو را تعریف می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که رفتار دستگاه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد.

3.1 جریان فوروارد در مقابل دمای محیط

شکل 1 کاهش جریان فوروارد مجاز حداکثر را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. برای جلوگیری از گرمای بیش از حد، جریان باید هنگام کار بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش یابد. این منحنی برای طراحی مدیریت حرارتی حیاتی است.

3.2 توزیع طیفی

شکل 2 شدت نسبی را در مقابل طول موج ترسیم می‌کند که پیک در حدود 940 نانومتر و پهنای باند حدود 50 نانومتر را تأیید می‌نماید. این تطابق با پاسخ‌دهی آشکارساز سیلیکونی (که پیک آن حدود 900-1000 نانومتر است)، قدرت سیگنال را در سیستم‌های سنسوری به حداکثر می‌رساند.

3.3 شدت نسبی در مقابل جریان فوروارد

شکل 3 رابطه بین خروجی نوری و جریان درایو را نشان می‌دهد. خروجی با جریان افزایش می‌یابد اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا به دلیل گرمایش و افت بازده، زیرخطی شود. کار در محدوده توصیه شده، عملکرد پایدار را تضمین می‌کند.

3.4 جریان فوروارد در مقابل ولتاژ فوروارد

شکل 4 منحنی مشخصه I-V است. این منحنی رابطه نمایی معمول یک دیود را نشان می‌دهد. این منحنی اهمیت استفاده از یک مقاومت محدودکننده جریان یا درایور جریان ثابت را برجسته می‌کند، زیرا افزایش کوچک در ولتاژ فراتر از نقطه زانو، باعث افزایش زیاد و بالقوه مخرب در جریان می‌شود.

3.5 جابجایی زاویه‌ای

شکل 5 شدت تابشی نسبی را در مقابل زاویه از محور مرکزی ترسیم می‌کند که الگوی تابش فضایی (لامبرتی یا غیره) را تعریف می‌نماید. این برای طراحی اپتیکی ضروری است و تعیین می‌کند که نور چگونه در ناحیه هدف توزیع می‌شود.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد پکیج

LED دارای فوت‌پرینت SMD فشرده است. ابعاد کلیدی شامل اندازه بدنه تقریباً 2.0 میلی‌متر در 1.25 میلی‌متر، با ارتفاع حدود 0.8 میلی‌متر می‌باشد. نقشه‌های دقیق، طرح پد، فاصله ترمینال‌ها و هندسه لنز را مشخص می‌کنند. تلرانس‌ها معمولاً ±0.1 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. یک الگوی لند پیشنهادی (طرح پد) برای طراحی PCB ارائه شده است اما باید بر اساس فرآیندهای تولید خاص و نیازهای حرارتی بهینه‌سازی شود.

4.2 شناسایی قطبیت

قطعه دارای پکیج معکوس است. قطبیت توسط یک علامت روی بدنه یا توسط شکل فوت‌پرینت پکیج نشان داده می‌شود. جهت‌گیری صحیح برای عملکرد مدار حیاتی است.

4.3 ابعاد نوار حامل

دستگاه بر روی نوار حامل برجسته به عرض 8 میلی‌متر که روی قرقره‌ای به قطر 7 اینچ پیچیده شده است، عرضه می‌شود. گام نوار و ابعاد جیب مشخص شده‌اند تا سازگاری با تجهیزات مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place تضمین شود. هر قرقره حاوی 2000 قطعه است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 نگهداری و جابجایی

LEDها به رطوبت حساس هستند (MSL). کیسه‌های مهر و موم شده رطوبتی باید در دمای زیر 30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 90% نگهداری شوند. پس از باز شدن، "عمر مفید در محیط باز" 168 ساعت (7 روز) است در صورتی که در رطوبت نسبی ≤60% نگهداری شوند. تجاوز از این مدت نیاز به پخت (مثلاً 96 ساعت در 60 درجه سانتی‌گراد) قبل از ریفلو دارد تا از آسیب "پاپ کورن" در حین لحیم‌کاری جلوگیری شود.

5.2 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

پروفیل دمایی ریفلو بدون سرب توصیه می‌شود. پارامترهای کلیدی شامل ناحیه پیش‌گرم، افزایش تدریجی دما، دمای پیک حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد به مدت حداکثر 5 ثانیه و فاز خنک‌کننده کنترل شده است. ریفلو نباید بیش از دو بار روی یک دستگاه انجام شود.

5.3 لحیم‌کاری دستی و تعمیر

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، باید از هویه‌ای با دمای نوک زیر 350 درجه سانتی‌گراد و توان زیر 25 وات استفاده شود. زمان تماس برای هر ترمینال باید کمتر از 3 ثانیه باشد. برای تعمیر، استفاده از هویه دو سر برای گرم کردن همزمان هر دو ترمینال و جلوگیری از تنش مکانیکی پیشنهاد می‌شود. تأثیر بر مشخصات دستگاه باید پس از هر تعمیر تأیید شود.

5.4 احتیاط‌های حیاتی

• محافظت جریان:یک مقاومت سری خارجی برای محدود کردن جریان فوروارد اجباری است. منحنی شیب‌دار I-V به این معنی است که نوسانات جزئی ولتاژ می‌تواند باعث جریان بیش از حد فاجعه‌بار شود.
• تنش مکانیکی:از اعمال نیرو به بدنه LED در حین یا پس از لحیم‌کاری خودداری کنید. PCB را در مجاورت LED نصب شده خم نکنید.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 سناریوهای کاربردی متداول

• سنسورهای مادون قرمز نصب شده روی PCB:به عنوان منبع نور در سنسورهای مجاورتی، تشخیص شی و کدگذاری موقعیت استفاده می‌شود.
• موانع نوری/سوئیچ‌های نوری مینیاتوری:همراه با یک آشکارساز نوری برای ایجاد پرتوی قابل قطع برای شمارش، پرده‌های ایمنی یا سوئیچ‌های محدودیت استفاده می‌شود.
• درایوهای فلاپی دیسک (قدیمی):در گذشته برای تشخیص ترک استفاده می‌شد.
• دتکتورهای دود:در دتکتورهای نوع تیرگی که ذرات دود یک پرتو نور را پراکنده می‌کنند، به کار می‌روند.

6.2 ملاحظات طراحی

• مدار درایو:یک منبع جریان ثابت یا یک منبع ولتاژ با مقاومت محدودکننده جریان محاسبه شده دقیق پیاده‌سازی کنید (R = (V_supply- V_F) / I_F).
• هم‌ترازی نوری:زاویه دید ±20 درجه نیاز به هم‌ترازی دقیق با آشکارساز گیرنده برای کوپلینگ سیگنال بهینه دارد، به ویژه در کاربردهای پرتو باریک.
• مدیریت حرارتی:اطمینان حاصل کنید که مساحت کافی مس روی PCB یا وایاهای حرارتی برای دفع گرما وجود دارد، به ویژه هنگام درایو در جریان‌های بالاتر یا در دمای محیط بالا.
• نویز الکتریکی:در مدارهای سنجش آنالوگ حساس، مدوله کردن سیگنال درایو LED یا استفاده از شیلدینگ را برای تمایز آن از نور محیط و نویز الکتریکی در نظر بگیرید.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز استاندارد، پکیج معکوس IR25-21C/TR8 پروفایل احتمالی پایین‌تر و الگوی تابشی متفاوتی ارائه می‌دهد. تمایز کلیدی آن تطابق طیفی خاص با سیلیکون است که می‌تواند نسبت سیگنال به نویز بالاتری در سیستم‌های آشکارساز نسبت به LEDهای با طول موج خارج از پیک ایجاد کند. مطابقت با استانداردهای بدون هالوژن و زیست‌محیطی مدرن، آن را برای ابتکارات الکترونیک سبز مناسب می‌سازد.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

8.1 چرا مقاومت محدودکننده جریان کاملاً ضروری است؟

مشخصه نمایی I-V دیود به این معنی است که فراتر از ولتاژ فوروارد زانو (حدود 1.5 ولت)، جریان با حداقل افزایش ولتاژ به شدت افزایش می‌یابد. بدون یک مقاومت برای تعیین نقطه کار، تغییرات جزئی منبع تغذیه یا تغییرات دما می‌تواند جریان را فراتر از حداکثر 100 میلی‌آمپر برده و LED را بلافاصله نابود کند.

8.2 "تطابق طیفی با آشکارساز نوری سیلیکونی" به چه معناست؟

فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون یک منحنی پاسخ‌دهی خاص دارند؛ آن‌ها به نور در محدوده 800-1000 نانومتر حساس‌تر هستند. پیک تابش این LED در 940 نانومتر مستقیماً در این ناحیه با حساسیت بالا قرار می‌گیرد و اطمینان می‌دهد که آشکارساز حداکثر مقدار توان نوری LED را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند که بازده و برد سیستم را بهبود می‌بخشد.

8.3 محدودیت 168 ساعته عمر مفید در محیط باز چقدر حیاتی است؟

برای مونتاژ مطمئن بسیار حیاتی است. رطوبت جذب شده در پکیج پلاستیکی می‌تواند در طول فرآیند لحیم‌کاری ریفلو با دمای بالا به سرعت تبخیر شود و باعث لایه‌لایه شدن داخلی، ترک یا آسیب سیم اتصال ("پاپ کورن") شود. رعایت عمر مفید در محیط باز یا انجام پخت مناسب از این حالت خرابی جلوگیری می‌کند.

9. مثال موردی عملی

طراحی یک شمارنده برگه کاغذ:در یک دستگاه اداری، IR25-21C/TR8 می‌تواند در یک طرف مسیر کاغذ نصب شود و مستقیماً روبروی یک فوتوترانزیستور در طرف دیگر قرار گیرد. وقتی کاغذی وجود ندارد، پرتو مادون قرمز به آشکارساز می‌رسد و یک سیگنال بالا تولید می‌کند. وقتی یک برگه کاغذ عبور می‌کند، پرتو را قطع می‌کند و باعث افت سیگنال آشکارساز می‌شود. این رویداد توسط یک میکروکنترلر شمارش می‌شود. طول موج 940 نانومتر نامرئی است و تحت تأثیر نور محیط اتاق قرار نمی‌گیرد. ولتاژ فوروارد پایین به سیستم اجازه می‌دهد تا توسط منبع تغذیه منطقی 3.3 ولت یا 5 ولت تغذیه شود، با یک مقاومت سری ساده (مثلاً (5V - 1.5V)/0.02A = 175Ω) که جریان LED را روی مقدار ایمن 20 میلی‌آمپر تنظیم می‌کند.

10. معرفی 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 و حفره‌ها از ناحیه p به ناحیه پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی آزاد می‌کنند. در سیستم ماده GaAlAs، این انرژی عمدتاً به صورت فوتون (ذرات نور) در طیف مادون قرمز (طول موج‌های بلندتر از نور قرمز مرئی، معمولاً 700 نانومتر تا 1 میلی‌متر) آزاد می‌شود. ترکیب خاص لایه‌های گالیم، آلومینیوم و آرسنید، طول موج پیک تابش را تعیین می‌کند. پکیج اپوکسی شفاف به عنوان لنز عمل می‌کند و نور ساطع شده را به یک الگوی پرتو مشخص شکل می‌دهد.

11. روندها و تحولات صنعت

روند در اپتوالکترونیک برای سنجش به سمت مینیاتوری‌سازی، بازده بالاتر و یکپارچه‌سازی ادامه دارد. در حالی که LEDهای مجزا مانند IR25-21C/TR8 برای انعطاف‌پذیری و عملکرد حیاتی باقی می‌مانند، بازار رو به رشدی برای ماژول‌های سنسور یکپارچه وجود دارد که ساطع‌کننده، آشکارساز و مدارهای شکل‌دهی سیگنال را در یک پکیج واحد ترکیب می‌کنند. این ماژول‌ها طراحی را ساده می‌کنند اما ممکن است بهینه‌سازی کمتری برای کاربردهای خاص ارائه دهند. روند دیگر، تقاضا برای مدولاسیون با سرعت بالاتر برای کاربردهای ارتباط داده (مانند کنترل‌های از راه دور IR) است که نیازمند LEDهایی با زمان‌های صعود/سقوط سریع است. مطابقت زیست‌محیطی (RoHS، REACH، بدون هالوژن) به یک الزام استاندارد به جای یک عامل تمایز تبدیل شده است. فناوری زیربنایی برای تابش کارآمد مادون قرمز همچنان در حال پالایش است، با تحقیقات بر روی سیستم‌های ماده جدید مانند InGaN برای محدوده‌های طول موج مختلف.