دیتاشیت فنی LED مادون قرمز زیرمینی‌اتوره 1.8 میلی‌متری IR42-21C/TR8 - قطر 1.8 میلی‌متر - ولتاژ 1.2 ولت - توان 130 میلی‌وات - لنز شفاف

1. مرور کلی محصول

IR42-21C/TR8 یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز زیرمینی‌اتوره و نصب‌سطحی است که برای کاربردهای فوتوالکتریک فشرده طراحی شده است. این قطعه دارای یک بسته‌بندی گرد به قطر 1.8 میلی‌متر است که از پلاستیک شفاف قالب‌گیری شده و دارای لنز بالایی کروی برای بهینه‌سازی خروجی نور می‌باشد. این دستگاه از ماده تراشه گالیم آلومینیوم آرسناید (GaAlAs) استفاده می‌کند که از نظر طیفی با فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی هماهنگ است و تشخیص کارآمد را در سیستم‌های سنسوری تضمین می‌نماید. اهداف اصلی طراحی آن، مینیاتوری‌سازی، سازگاری با فرآیندهای مونتاژ خودکار و عملکرد قابل اطمینان در طیف وسیعی از دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی و صنعتی است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

این LED چندین مزیت کلیدی برای طراحان ارائه می‌دهد. ولتاژ آستانه پایین آن (معمولاً 1.2 ولت) به عملکرد کم‌مصرف کمک می‌کند. این قطعه کاملاً با مقررات بدون سرب (Pb-free)، RoHS، EU REACH و بدون هالوژن (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm) مطابقت دارد و آن را برای بازارهای جهانی با استانداردهای سختگیرانه زیست‌محیطی مناسب می‌سازد. این قطعه با فرآیندهای لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز و فاز بخار سازگار است و مونتاژ PCB خودکار در حجم بالا را تسهیل می‌نماید. بازارهای هدف اصلی شامل تولیدکنندگان سنسورهای مادون قرمز فشرده، موانع نوری مینیاتوری برای اتوماسیون، درایوهای فلاپی دیسک (برای سیستم‌های قدیمی یا تخصصی)، کلیدهای فوتوالکتریک عمومی و سیستم‌های تشخیص دود است که در آن‌ها به یک منبع IR نامرئی نیاز می‌باشد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

عملکرد IR42-21C/TR8 توسط مجموعه‌ای از حداکثر مقادیر مجاز مطلق و ویژگی‌های الکترواپتیکی اندازه‌گیری شده در دمای محیط استاندارد (Ta) برابر با 25 درجه سانتی‌گراد تعریف می‌شود. درک این پارامترها برای طراحی مدار قابل اطمینان و اطمینان از عملکرد LED در محدوده عملیاتی ایمن (SOA) آن حیاتی است.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر، محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. هرگز نباید از این مقادیر تجاوز کرد، حتی به صورت لحظه‌ای. جریان مستقیم پیوسته (IF) در 65 میلی‌آمپر درجه‌بندی شده است. حداکثر ولتاژ معکوس مجاز (VR) برابر 5 ولت است. دستگاه می‌تواند در محدوده دمای محیطی (Topr) بین 25- تا 85+ درجه سانتی‌گراد کار کند و در دمای ذخیره‌سازی (Tstg) بین 40- تا 85+ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود. دمای لحیم‌کاری (Tsol) در طول فرآیند رفلو نباید از 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه یا کمتر تجاوز کند. تلفات توان کل (Pd) در دمای هوای آزاد 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر، 130 میلی‌وات است. تجاوز از هر یک از این محدودیت‌ها خطر خرابی فاجعه‌بار یا تخریب تسریع‌شده را به همراه دارد.

2.2 ویژگی‌های الکترواپتیکی

این پارامترها که معمولاً در جریان مستقیم (IF) 20 میلی‌آمپر اندازه‌گیری می‌شوند، عملکرد عملیاتی دستگاه را تعریف می‌کنند. شدت تابشی (Ie)، که معیاری از توان نوری ساطع شده در هر زاویه فضایی است، دارای حداقل مقدار 1.0 میلی‌وات بر استرادیان و مقدار معمول 3.0 میلی‌وات بر استرادیان می‌باشد. طول موج اوج (λp) معمولاً 940 نانومتر است که آن را به طور قطعی در طیف مادون قرمز نزدیک قرار می‌دهد و برای آشکارسازهای مبتنی بر سیلیکون ایده‌آل است. پهنای باند طیفی (Δλ) معمولاً 45 نانومتر است که محدوده طول‌موج‌های ساطع شده را تعریف می‌کند. ولتاژ مستقیم (VF) دارای مقدار معمول 1.2 ولت و حداکثر 1.5 ولت در 20 میلی‌آمپر است. جریان معکوس (IR) حداکثر 10 میکروآمپر است هنگامی که بایاس معکوس 5 ولت اعمال می‌شود. زاویه دید (2θ1/2)، که به عنوان زاویه کامل تعریف می‌شود که در آن شدت تابشی به نصف مقدار اوج خود کاهش می‌یابد، معمولاً 30 درجه است و یک پرتو نسبتاً متمرکز ارائه می‌دهد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد پارامترهای کلیدی چگونه با شرایط عملیاتی تغییر می‌کنند. این نمودارها برای درک رفتار در دنیای واقعی فراتر از مشخصات تک‌نقطه‌ای در 25 درجه سانتی‌گراد ضروری هستند.

3.1 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

این منحنی رابطه بین جریان مستقیم پیوسته مجاز و دمای محیط را نشان می‌دهد. با افزایش دمای محیط، حداکثر جریان مستقیم مجاز به صورت خطی کاهش می‌یابد. این کاهش درجه‌بندی برای جلوگیری از تجاوز دمای اتصال از حد مجاز آن، که به درجه‌بندی تلفات توان مرتبط است، ضروری می‌باشد. طراحان باید از این نمودار برای انتخاب جریان عملیاتی مناسب برای حداکثر دمای محیطی مورد انتظار در کاربرد خود استفاده کنند.

3.2 توزیع طیفی

منحنی توزیع طیفی، شدت تابشی نسبی را در برابر طول موج ترسیم می‌کند. این منحنی به صورت بصری طول موج اوج 940 نانومتر و پهنای باند طیفی تقریباً 45 نانومتری را تأیید می‌کند. منحنی نامتقارن است که برای طیف‌های انتشار LED معمول می‌باشد. این اطلاعات برای کاربردهایی که نیاز به تطابق طیفی خاص با منحنی پاسخ‌دهی یک آشکارساز نوری دارند، حیاتی است.

3.3 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم

این منحنی مشخصه IV (جریان-ولتاژ) مانند همه دیودها غیرخطی است. این منحنی نشان می‌دهد که یک افزایش کوچک در ولتاژ مستقیم فراتر از ولتاژ "زانو" منجر به افزایش بزرگ و نمایی در جریان مستقیم می‌شود. این موضوع اهمیت حیاتی استفاده از یک مقاومت محدودکننده جریان سری یا یک درایور جریان ثابت را برای جلوگیری از فرار حرارتی و تخریب LED ناشی از جریان بیش از حد تأکید می‌کند.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی، الگوی انتشار فضایی LED را نشان می‌دهد. شدت در 0 درجه (روی محور) به حداکثر مقدار خود نرمال شده است. منحنی نشان می‌دهد که شدت چگونه با افزایش زاویه مشاهده کاهش می‌یابد و زاویه دید 30 درجه‌ای را تعریف می‌کند که در آن شدت 50% از مقدار اوج است. الگوی انتشار برای این بسته‌بندی گنبدی شکل عموماً لامبرتی (شبیه کسینوس) است که برای محاسبه تابندگی در یک آشکارساز مفید می‌باشد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

دستگاه در یک بسته‌بندی SMD گرد و فشرده با قطر 1.8 میلی‌متر قرار دارد. نقشه‌های مکانیکی دقیق در دیتاشیت، تمام ابعاد حیاتی از جمله ارتفاع بدنه، فاصله پایه‌ها و هندسه لنز را ارائه می‌دهند. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند و تلرانس استاندارد ±0.1 میلی‌متر می‌باشد مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. یک طرح پد پیشنهادی برای طراحی PCB ارائه شده است، اما صراحتاً ذکر شده که این فقط برای مرجع است و باید بر اساس نیازمندی‌های فرآیند فردی و نیازهای مدیریت حرارتی اصلاح شود.

4.2 شناسایی قطبیت و نوار حامل

بسته‌بندی دارای یک طرف صاف یا علامت مشابه برای نشان دادن پایه کاتد (منفی) است که برای جهت‌دهی صحیح در طول مونتاژ ضروری می‌باشد. برای تولید انبوه، قطعات بر روی قرقره‌های نوار حامل عرضه می‌شوند. دیتاشیت شامل ابعاد نوار حامل است که اندازه حفره، گام و قطر قرقره را مشخص می‌کند. یک قرقره استاندارد حاوی 1000 قطعه است که برای ماشین‌آلات برداشت و قراردادن خودکار معمول می‌باشد.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت و لحیم‌کاری صحیح برای قابلیت اطمینان حیاتی است. LED به رطوبت حساس است و در یک کیسه محافظ رطوبت همراه با ماده خشک‌کننده عرضه می‌شود.

5.1 ذخیره‌سازی و حساسیت به رطوبت

قبل از باز کردن کیسه مهر و موم شده، LEDها باید در دمای 30 درجه سانتی‌گراد یا کمتر و رطوبت نسبی (RH) 90% یا کمتر ذخیره شوند. عمر قفسه یک سال است. پس از باز کردن کیسه، قطعات باید در شرایط 30 درجه سانتی‌گراد/60% RH یا کمتر نگهداری شوند و باید ظرف 168 ساعت (7 روز) استفاده شوند. اگر زمان ذخیره‌سازی بیش از حد باشد یا ماده خشک‌کننده نشان‌دهنده نفوذ رطوبت باشد، قبل از استفاده نیاز به عملیات پخت در دمای 60 ± 5 درجه سانتی‌گراد به مدت 24 ساعت است تا رطوبت جذب شده حذف شود و از "پف کردن" در طول لحیم‌کاری رفلو جلوگیری گردد.

5.2 پارامترهای لحیم‌کاری رفلو

این دستگاه با پروفیل‌های لحیم‌کاری رفلو بدون سرب (Pb-free) سازگار است. یک پروفیل دمایی خاص توصیه می‌شود که معمولاً شامل مرحله پیش‌گرم، ناحیه خیس‌اندن، ناحیه دمای اوج که از 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه تجاوز نمی‌کند و مرحله خنک‌کننده کنترل‌شده است. لحیم‌کاری رفلو نباید بیش از دو بار انجام شود. در طول گرمایش، نباید هیچ تنش مکانیکی به بدنه یا پایه‌های LED اعمال شود و PCB پس از لحیم‌کاری نباید تاب بردارد.

5.3 لحیم‌کاری دستی و تعمیر مجدد

اگر لحیم‌کاری دستی اجتناب‌ناپذیر است، باید نهایت دقت به کار رود. دمای نوک هویه باید زیر 350 درجه سانتی‌گراد باشد و زمان تماس با هر ترمینال باید به 3 ثانیه یا کمتر محدود شود. استفاده از هویه کم‌توان (25 وات یا کمتر) توصیه می‌شود. بین لحیم‌کاری هر پایه باید وقفه‌ای حداقل 2 ثانیه‌ای رعایت شود. تعمیر مجدد پس از لحیم‌کاری اولیه به شدت توصیه نمی‌شود. اگر کاملاً ضروری باشد، باید از یک هویه دو سر تخصصی استفاده شود تا هر دو پایه به طور همزمان گرم شده و قطعه بدون اعمال تنش به بسته‌بندی برداشته شود. پتانسیل آسیب در طول تعمیر مجدد بالا است.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربردی معمول

اساسی‌ترین مدار کاربردی، اتصال سری ساده LED، یک مقاومت محدودکننده جریان و یک منبع ولتاژ است. مقدار مقاومت (R) با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود: R = (V_source - VF_LED) / IF. به عنوان مثال، با یک منبع 5 ولت، VF برابر 1.2 ولت و IF مورد نظر 20 میلی‌آمپر، R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 اهم خواهد بود. یک مقاومت 200 اهمی یک مقدار استاندارد مناسب خواهد بود. برای عملکرد پایدارتر، به ویژه با یک منبع تغذیه متغیر، یک مدار درایور جریان ثابت ترجیح داده می‌شود.

6.2 ملاحظات طراحی برای سیستم‌های مادون قرمز

هنگام طراحی یک سیستم سنجش مادون قرمز، چندین عامل باید در نظر گرفته شود. هم‌ترازی نوری بین LED مادون قرمز و آشکارساز نوری حیاتی است، به ویژه با پرتو 30 درجه‌ای. اغلب لازم است نور محیط حذف شود؛ این امر می‌تواند با مدوله کردن جریان درایور LED و استفاده از یک مدار آشکارساز همگام‌سازی شده برای فیلتر کردن نور محیط DC حاصل شود. شدت تابشی و حساسیت آشکارساز باید برای فاصله سنجش مورد نیاز مطابقت داده شوند. مدیریت حرارتی باید در نظر گرفته شود اگر در نزدیکی حداکثر مقادیر مجاز کار می‌کند، زیرا افزایش دمای اتصال، خروجی نور و طول عمر را کاهش می‌دهد.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز بزرگتر از نوع ترو-هول، مزیت اصلی IR42-21C/TR8، اندازه کوچک SMD آن است که امکان طراحی‌های PCB کوچکتر، سبک‌تر و خودکارتر را فراهم می‌کند. در مقایسه با سایر LEDهای مادون قرمز SMD، تمایزدهنده‌های کلیدی آن، اندازه خاص بسته‌بندی گرد 1.8 میلی‌متری، طول موج اوج 940 نانومتری بهینه‌شده برای آشکارسازهای سیلیکونی و مطابقت آن با آخرین مقررات زیست‌محیطی (بدون هالوژن، REACH) است. لنز شفاف، در مقابل یک لنز رنگی یا پخش‌کننده، انتقال نور مادون قرمز را به حداکثر می‌رساند و شدت تابشی بالاتری برای یک ورودی الکتریکی معین به دست می‌دهد.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: چرا یک مقاومت محدودکننده جریان کاملاً ضروری است؟

پ: منحنی IV رابطه نمایی بین ولتاژ و جریان LED را نشان می‌دهد. یک افزایش جزئی در ولتاژ منبع یا کاهش در ولتاژ مستقیم LED (به دلیل دما) می‌تواند باعث افزایش عظیم و کنترل‌نشده جریان شود که منجر به سوختن فوری می‌گردد. مقاومت، یک امپدانس خطی و تثبیت‌کننده ارائه می‌دهد.

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً با یک پین میکروکنترلر 3.3 ولت راه‌اندازی کنم؟

پ: احتمالاً، اما نه به صورت بهینه. با VF برابر 1.2 ولت، یک مقاومت سری مورد نیاز خواهد بود. جریان در دسترس از یک پین GPIO اغلب محدود است (مثلاً 20-25 میلی‌آمپر). شما باید اطمینان حاصل کنید که کل جریان کشی، شامل محاسبه مقاومت (R = (3.3V - 1.2V) / I_desired)، از قابلیت تأمین جریان GPIO تجاوز نمی‌کند. برای جریان‌های بالاتر یا چندین LED، یک درایور ترانزیستوری مورد نیاز است.

س: "هماهنگی طیفی با آشکارساز نوری سیلیکونی" به چه معناست؟

پ: فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی حساسیت اوجی در ناحیه مادون قرمز نزدیک، حدود 800-900 نانومتر دارند. انتشار اوج 940 نانومتری این LED در این ناحیه با پاسخ‌دهی بالا قرار می‌گیرد و حداکثر بازده انتقال سیگنال از منبع نور به آشکارساز را تضمین می‌کند که منجر به نسبت سیگنال به نویز و برد بهتر سیستم می‌شود.

س: دستورالعمل‌های حساسیت به رطوبت و پخت چقدر حیاتی هستند؟

پ: برای قطعات SMD بسیار حیاتی هستند. رطوبت جذب شده می‌تواند در طول فرآیند لحیم‌کاری رفلو با دمای بالا به سرعت تبخیر شود و باعث لایه‌لایه شدن داخلی، ترک‌خوردگی یا "پف کردن" شود که دستگاه را از بین می‌برد. پیروی از رویه‌های مدیریت سطح حساسیت به رطوبت (MSL) برای بازده تولید و قابلیت اطمینان بلندمدت ضروری است.

9. مطالعه موردی طراحی و استفاده عملی

سناریو: طراحی یک سنسور تشخیص شیء فشرده.یک طراح نیاز به ایجاد یک سنسور تشخیص شیء غیرتماسی برای یک دستگاه خودکار کوچک دارد. فضا محدود است و نیاز به یک قطعه SMD دارد. آنها IR42-21C/TR8 را به دلیل اندازه کوچک آن انتخاب می‌کنند. آن را با یک فوتوترانزیستور در پیکربندی بازتابنده معکوس جفت می‌کنند: هر دو قطعه در کنار هم روی یک PCB قرار می‌گیرند و در یک جهت قرار دارند. یک شیء که از جلو عبور می‌کند، پرتو IR را به فوتوترانزیستور بازمی‌تاباند. طراح از شدت تابشی معمول (3.0 میلی‌وات بر استرادیان) و حساسیت فوتوترانزیستور برای محاسبه جریان مورد نیاز برای برد تشخیص مورد نظر 10 سانتی‌متر استفاده می‌کند. آنها یک مدار تایمر 555 ساده برای پالس‌دهی به LED در 1 کیلوهرتز پیاده‌سازی می‌کنند و مدار آشکارساز شامل یک فیلتر میان‌گذر تنظیم‌شده روی 1 کیلوهرتز برای حذف سوسو زدن نور محیط 50/60 هرتز و نور خورشید DC است. مقاومت محدودکننده جریان برای تأمین درایو 15 میلی‌آمپر انتخاب می‌شود که به خوبی در محدوده درجه‌بندی LED قرار دارد تا طول عمر آن تضمین شود. بسته‌بندی SMD فشرده اجازه می‌دهد کل مجموعه سنسور در محفظه‌ای با عرض کمتر از 15 میلی‌متر جای گیرد.

10. اصل عملکرد و روندهای فناوری

10.1 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 مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه نوع n و حفره‌ها از ناحیه نوع p به داخل اتصال تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار در ناحیه فعال (تراشه GaAlAs در این مورد) بازترکیب می‌شوند، انرژی به شکل فوتون (نور) آزاد می‌شود. گاف انرژی خاص ماده نیمه‌هادی GaAlAs، طول موج فوتون‌های ساطع شده را تعیین می‌کند که برای این دستگاه در طیف مادون قرمز (940 نانومتر) است. بسته‌بندی اپوکسی شفاف به عنوان یک لنز عمل می‌کند و نور ساطع شده را در زاویه دید مشخص شده شکل می‌دهد.

10.2 روندهای صنعت

روند در فوتوالکترونیک، مانند همه الکترونیک، به سمت مینیاتوری‌سازی بیشتر، بازده بالاتر و یکپارچه‌سازی بیشتر است. در حالی که اصل پایه LED مادون قرمز ثابت باقی می‌ماند، پیشرفت‌هایی در فناوری بسته‌بندی (حتی اندازه‌های کوچکتر مانند 0402 یا بسته‌بندی‌های مقیاس تراشه)، مواد اپیتاکسیال بهبودیافته برای بازده دیوار-پریز بالاتر (خروجی نور بیشتر به ازای هر وات ورودی الکتریکی) و یکپارچه‌سازی درایورها و منطق کنترل در ماژول‌های LED "هوشمند" مشاهده می‌شود. همچنین فشار مداومی برای گزینه‌های طیفی گسترده‌تر و دستگاه‌های قادر به کار در سرعت‌های مدولاسیون بالاتر برای کاربردهای ارتباط داده (مانند IRDA) وجود دارد. مطابقت زیست‌محیطی (بدون هالوژن، تولید با ردپای کربن کمتر) همچنان یک محرک قوی در سراسر صنعت باقی می‌ماند.