دیتاشیت فنی LED مادون قرمز IR29-01C/L510/R/TR8 - بسته‌بندی SMD گرد 1.2 میلی‌متری - ولتاژ پیشرو 1.6 ولت - طول موج 940 نانومتر - توان 100 میلی‌وات

1. مرور کلی محصول

IR29-01C/L510/R/TR8 یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IR) فوق‌میکرو و ساید-لوکینگ است که برای کاربردهای نصب سطحی طراحی شده است. این قطعه دارای یک بسته‌بندی دو سر فشرده قالب‌گیری شده در پلاستیک شفاف با یک لنز کروی در بالا است که برای انتشار کارآمد مادون قرمز بهینه‌سازی شده است. خروجی طیفی دستگاه به طور خاص با فوتودیودها و فوتوترانزیستورهای سیلیکونی هماهنگ است و آن را به یک منبع ایده‌آل برای سیستم‌های حسگری مادون قرمز تبدیل می‌کند. مزایای اصلی آن شامل اندازه کوچک، ولتاژ پیشرو پایین و مطابقت با استانداردهای زیست‌محیطی مدرن مانند RoHS، REACH و الزامات بدون هالوژن است.

1.1 ویژگی‌های اصلی و بازار هدف

ویژگی‌های کلیدی این قطعه شامل بسته‌بندی SMD مینیاتوری آن است که طراحی‌های PCB با چگالی بالا را تسهیل می‌کند. ولتاژ پیشرو پایین به عملکرد بهینه انرژی کمک می‌کند. این قطعه بر روی نوار 8 میلی‌متری پیچیده شده روی قرقره با قطر 7 اینچ عرضه می‌شود که با فرآیندهای مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place سازگار است. دستگاه بدون سرب (Pb-free) بوده و با مقررات سختگیرانه زیست‌محیطی، از جمله محدودیت‌های محتوای برم (Br) و کلر (Cl)، مطابقت دارد. این LED مادون قرمز عمدتاً برای طراحان و مهندسانی هدف‌گیری شده است که سیستم‌های مبتنی بر مادون قرمز مانند سنسورهای مجاورتی، تشخیص شی، انکودرها و ماژول‌های انتقال داده را توسعه می‌دهند، جایی که انتشار مادون قرمز مطمئن و هماهنگ حیاتی است.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی عمیق

این بخش تحلیل مفصلی از ویژگی‌های الکتریکی، نوری و حرارتی دستگاه را همانطور که در دیتاشیت تعریف شده است، ارائه می‌دهد.

2.1 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

ریتینگ‌های حداکثر مطلق محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. اینها شرایط کاری نیستند.

• جریان پیشرو پیوسته (IF):50 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور پیوسته به LED اعمال کرد.
• جریان پیشرو پیک (IFP):500 میلی‌آمپر. این جریان بالا تنها تحت شرایط پالسی با عرض پالس ≤ 100 میکروثانیه و چرخه کاری ≤ 1% مجاز است. این ریتینگ برای کاربردهایی که نیاز به پالس‌های کوتاه و با شدت بالا دارند، مفید است.
• ولتاژ معکوس (VR):5 ولت. تجاوز از این ولتاژ بایاس معکوس می‌تواند باعث شکست اتصال شود.
• دمای کاری و ذخیره‌سازی (Topr, Tstg):40- درجه سانتی‌گراد تا +100 درجه سانتی‌گراد. این محدوده وسیع، قابلیت اطمینان در محیط‌های سخت را تضمین می‌کند.
• دمای لحیم‌کاری (Tsol):260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه، که پروفیل لحیم‌کاری ریفلو را تعریف می‌کند.
• توان تلف شده (Pc):100 میلی‌وات در دمای محیط 25 درجه سانتی‌گراد یا پایین‌تر. این پارامتر برای طراحی مدیریت حرارتی حیاتی است.

2.2 ویژگی‌های الکترو-اپتیکال

ویژگی‌های الکترو-اپتیکال (معمولاً در Ta=25°C) عملکرد مورد انتظار تحت شرایط کاری نرمال را تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (IE):معمولاً 25 میلی‌وات بر استرادیان در IF=20mA و 100 میلی‌وات بر استرادیان در IF=70mA (پالسی). شدت تابشی توان نوری ساطع شده در واحد زاویه فضایی را اندازه‌گیری می‌کند که نشان‌دهنده روشنایی منبع IR است.
• طول موج پیک (λp):940 نانومتر. این طول موجی است که در آن توان نوری ساطع شده حداکثر است و کاملاً با حساسیت پیک آشکارسازهای سیلیکونی رایج هماهنگ است.
• پهنای باند طیفی (Δλ):معمولاً 30 نانومتر. این محدوده طول‌موج‌های ساطع شده را تعریف می‌کند که حول طول موج پیک متمرکز است.
• ولتاژ پیشرو (VF):معمولاً 1.30 ولت، با حداکثر 1.60 ولت در IF=20mA. در IF=70mA (پالسی)، معمولاً 1.50 ولت با حداکثر 2.00 ولت است. این VF پایین برای طراحی‌های مدار با ولتاژ پایین مفید است.
• جریان معکوس (IR):حداکثر 10 میکروآمپر در VR=5V که نشان‌دهنده کیفیت خوب اتصال است.
• زاویه دید (2θ1/2):15 درجه. این زاویه دید باریک نشان‌دهنده یک پرتو متمرکز است که مشخصه LEDهای ساید-لوکینگ با لنز است و برای کاربردهای IR جهت‌دار مفید است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین منحنی مشخصه است که بینش عمیق‌تری از رفتار دستگاه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهد.

3.1 جریان پیشرو در مقابل دمای محیط

این نمودار کاهش ریتینگ حداکثر جریان پیشرو مجاز با افزایش دمای محیط را نشان می‌دهد. برای جلوگیری از گرمای بیش از حد و اطمینان از قابلیت اطمینان بلندمدت، جریان پیشرو باید هنگام کار بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد کاهش یابد. منحنی معمولاً کاهش خطی از جریان نامی در 25 درجه سانتی‌گراد تا صفر در حداکثر دمای اتصال را نشان می‌دهد.

3.2 شدت تابشی در مقابل جریان پیشرو

این نمودار رابطه بین جریان درایو (IF) و توان خروجی نوری (شدت تابشی) را نشان می‌دهد. این رابطه در محدوده کاری نرمال عموماً خطی است و تأیید می‌کند که خروجی نوری مستقیماً با جریان متناسب است. با این حال، در جریان‌های بسیار بالا، بازده ممکن است به دلیل اثرات حرارتی کاهش یابد.

3.3 جریان پیشرو در مقابل ولتاژ پیشرو

این منحنی IV رابطه نمونی معمول یک دیود را به تصویر می‌کشد. ولتاژ "زانو" حدود مقدار معمول VF است. درک این منحنی برای طراحی مدار درایور محدودکننده جریان ضروری است.

3.4 توزیع طیفی

این نمودار توان تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج، با مرکزیت 940 نانومتر و پهنای باند تعریف شده، نمایش می‌دهد. این به صورت بصری هماهنگی طیفی با آشکارسازهای سیلیکونی را تأیید می‌کند که حساسیت پیک آن‌ها در محدوده 800-1000 نانومتر است.

3.5 شدت تابشی نسبی در مقابل جابجایی زاویه‌ای

این نمودار قطبی، الگوی تابش یا پروفیل پرتو LED را تعریف می‌کند. زاویه دید 15 درجه (عرض کامل در نصف بیشینه، FWHM) در اینجا تأیید می‌شود. طراحی ساید-لوکینگ با لنز این الگوی انتشار جهت‌دار را ایجاد می‌کند که برای همترازی LED با یک آشکارساز در مجموعه سنسور حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

دستگاه یک بسته‌بندی SMD فوق‌میکرو گرد 1.2 میلی‌متری است. نقشه ابعادی دقیق تمام اندازه‌گیری‌های حیاتی از جمله قطر بدنه، ارتفاع، فاصله پایه‌ها و ابعاد پد را مشخص می‌کند. تلرانس‌های کلیدی معمولاً ±0.1 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. ابعاد دقیق برای طراحی فوت‌پرینت PCB و اطمینان از قرارگیری صحیح در حین مونتاژ حیاتی است.

4.2 شناسایی قطبیت

کاتد معمولاً توسط یک نشانگر بصری روی بسته‌بندی، مانند یک شکاف، لبه صاف یا علامت سبز رنگ نشان داده می‌شود. نقشه ابعادی دیتاشیت باید این ویژگی شناسایی را به وضوح نشان دهد تا از نصب معکوس در حین مونتاژ جلوگیری شود.

4.3 ابعاد نوار حامل و قرقره

محصول در یک نوار حامل برجسته 8 میلی‌متری روی قرقره با قطر 7 اینچ عرضه می‌شود. دیتاشیت نقشه‌های دقیقی از ابعاد جیب، پیتچ و مشخصات قرقره را ارائه می‌دهد. این بسته‌بندی از تجهیزات مونتاژ اتوماتیک با سرعت بالا پشتیبانی می‌کند. قرقره استاندارد حاوی 1500 قطعه است.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت و لحیم‌کاری صحیح برای حفظ عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه حیاتی است.

5.1 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

پروفیل دمای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب (Pb-free) توصیه می‌شود. دمای پیک نباید از 260 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند و زمان بالای 240 درجه سانتی‌گراد باید محدود شود (معمولاً 5 ثانیه مطابق با ریتینگ حداکثر مطلق). مراحل پیش‌گرم، خیس‌اندن، ریفلو و خنک‌سازی باید کنترل شوند تا شوک حرارتی به حداقل برسد. لحیم‌کاری ریفلو نباید بیش از دو بار انجام شود.

5.2 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، 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) توصیه می‌شود. بین لحیم‌کاری هر پایه، زمان خنک‌سازی کافی در نظر بگیرید تا از آسیب حرارتی به بسته‌بندی پلاستیکی جلوگیری شود.

5.3 ذخیره‌سازی و حساسیت رطوبتی

LEDها در یک کیسه ضد رطوبت همراه با سیلیکاژل بسته‌بندی شده‌اند. اقدامات احتیاطی کلیدی شامل موارد زیر است:

• تا زمان آمادگی برای استفاده، کیسه را باز نکنید.
• کیسه‌های بازنشده را در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤60% ذخیره کنید.
• ظرف یک سال از تاریخ حمل استفاده کنید.
• پس از باز کردن، قطعات را ظرف 168 ساعت (7 روز) تحت همان شرایط ذخیره‌سازی استفاده کنید.
• اگر زمان ذخیره‌سازی بیش از حد باشد یا سیلیکاژل نشان‌دهنده رطوبت باشد، قبل از لحیم‌کاری نیاز به عملیات پخت در دمای 60±5 درجه سانتی‌گراد به مدت حداقل 24 ساعت است تا از اثر "پاپ‌کورن" در حین ریفلو جلوگیری شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 روش بسته‌بندی

قطعات در یک کیسه ضد رطوبت لمینیت آلومینیومی حاوی سیلیکاژل بسته‌بندی می‌شوند. روی کیسه اطلاعات حیاتی از جمله شماره قطعه (P/N)، تعداد (QTY)، شماره بچ (LOT No.) و سایر کدهای مرتبط مانند طول موج پیک (HUE) درج شده است.

6.2 راهنمای انتخاب دستگاه

دستگاه خاص IR29-01C/L510/R/TR8 از ماده چیپ گالیم آلومینیوم آرسناید (GaAlAs) و یک لنز شفاف استفاده می‌کند. خود شماره قطعه احتمالاً ویژگی‌های کلیدی را کدگذاری می‌کند: IR برای مادون قرمز، 29 ممکن است به یک سری یا اندازه اشاره کند، 01C می‌تواند یک کد واریانت باشد، L510 ممکن است نشان‌دهنده سطل طول موج پیک باشد، R برای بسته‌بندی قرقره‌ای و TR8 برای نوار 8 میلی‌متری.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی معمول

این LED مادون قرمز برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای حسگری و انتقال مادون قرمز مناسب است، از جمله:

• حسگری مجاورت و حضور:استفاده در شیرهای آب اتوماتیک، دیسپنسرهای صابون، خشک‌کن‌های دست و کلیدهای بدون تماس.
• تشخیص و شمارش شی:در دستگاه‌های فروش خودکار، اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های نوار نقاله.
• انکودرهای نوری:برای حسگری موقعیت و سرعت در موتورها و تجهیزات دوار.
• انتقال داده IR:در واحدهای کنترل از راه دور و لینک‌های داده کوتاه‌برد (نیاز به مدولاسیون مناسب دارد).
• سیستم‌های امنیتی:به عنوان یک منبع نور نامرئی برای دوربین‌های دید در شب و سنسورهای شکست پرتو.

7.2 ملاحظات طراحی و حفاظت مدار

محدود کردن جریان اجباری است:همانطور که به صراحت در دیتاشیت هشدار داده شده است، همیشه باید از یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با LED استفاده شود. ولتاژ پیشرو دارای ضریب دمایی منفی است (با افزایش دما کاهش می‌یابد). بدون مقاومت، یک افزایش کوچک در ولتاژ منبع یا کاهش VF ناشی از گرمایش می‌تواند باعث افزایش بزرگ و کنترل‌نشده جریان شود که منجر به فرار حرارتی فوری و خرابی دستگاه می‌شود.

طراحی مدار درایور:برای کار DC، یک مقاومت سری ساده که با استفاده از قانون اهم (R = (Vcc - VF) / IF) محاسبه شده است، کافی است. برای کار پالسی جهت دستیابی به شدت پیک بالاتر، می‌توان از یک سوئیچ ترانزیستور یا MOSFET که توسط یک مولد پالس هدایت می‌شود، استفاده کرد. اطمینان حاصل کنید که عرض پالس و چرخه کاری در محدوده مشخص شده (≤100μs، ≤1%) باقی بماند.

همترازی نوری:پرتو باریک 15 درجه‌ای نیاز به همترازی مکانیکی دقیق با فوتودیود گیرنده دارد تا قدرت سیگنال به حداکثر برسد. هنگام طراحی محفظه سنسور، نمودار الگوی تابش را در نظر بگیرید.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز استاندارد تابش از بالا، بسته‌بندی ساید-لوکینگ (یا ساید-ویو) IR29-01C مزیت متمایزی در کاربردهایی ارائه می‌دهد که PCB باید موازی با صفحه حسگری نصب شود. این امر نیاز به لوله‌های نوری یا اپتیک اضافی برای تغییر جهت پرتو به اندازه 90 درجه را از بین می‌برد، طراحی مکانیکی را ساده کرده و تعداد قطعات را کاهش می‌دهد. طول موج 940 نانومتری آن تعادل خوبی بین حساسیت آشکارساز سیلیکونی و قابلیت دید کمتر در مقایسه با منابع 850 نانومتری ارائه می‌دهد و آن را در حین کار کمتر قابل توجه می‌سازد. اندازه مینیاتوری 1.2 میلی‌متری امکان طراحی سنسورهای بسیار فشرده را فراهم می‌کند.

9. سوالات متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

سوال 1: چرا مقاومت محدودکننده جریان کاملاً ضروری است؟
پاسخ 1: مشخصه I-V LED نمایی است. یک تغییر جزئی در ولتاژ پیشرو (که خود با دما کاهش می‌یابد) می‌تواند باعث تغییر بزرگی در جریان شود. بدون یک مقاومت سری برای تثبیت جریان، فرار حرارتی رخ می‌دهد که به سرعت LED را از بین می‌برد.

سوال 2: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پین میکروکنترلر 3.3V یا 5V راه‌اندازی کنم؟
پاسخ 2: خیر. پین‌های میکروکنترلر قابلیت تأمین/جذب جریان محدودی دارند (اغلب حداکثر 20-40 میلی‌آمپر) و برای راه‌اندازی مستقیم LED طراحی نشده‌اند. همیشه از یک مدار درایور (مثلاً یک ترانزیستور) که توسط پین MCU کنترل می‌شود، همراه با یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با LED استفاده کنید.

سوال 3: تفاوت بین شدت تابشی (mW/sr) و شدت نورانی (mcd) چیست؟
پاسخ 3: شدت نورانی (اندازه‌گیری شده در کاندلا) با حساسیت چشم انسان (منحنی فوتوپیک) وزن‌دهی می‌شود که در طیف مادون قرمز تقریباً صفر است. شدت تابشی، توان نوری واقعی ساطع شده در واحد زاویه فضایی را اندازه‌گیری می‌کند و آن را معیار صحیحی برای دستگاه‌های IR که برای تشخیص ماشین، نه انسان، در نظر گرفته شده‌اند، می‌سازد.

سوال 4: چگونه زاویه دید 15 درجه را تفسیر کنم؟
پاسخ 4: این زاویه عرض کامل در نصف بیشینه (FWHM) است. شدت تابشی در 0 درجه (مستقیم از کنار بسته‌بندی) بیشترین است و در ±7.5 درجه از خط مرکزی به 50% از حداکثر مقدار خود کاهش می‌یابد که عرض کل پرتو را 15 درجه می‌سازد.

10. مورد عملی طراحی و استفاده

مورد: طراحی سنسور دیسپنسر دستمال کاغذی.IR29-01C یک کاندیدای ایده‌آل است. این قطعه روی لبه یک PCB نصب می‌شود و به صورت جانبی در سراسر شکاف دیسپنسینگ قرار می‌گیرد. یک فوتوترانزیستور سیلیکونی متناسب در طرف مقابل قرار می‌گیرد. در شرایط عادی، پرتو IR تشخیص داده می‌شود. هنگامی که یک دست پرتو را قطع می‌کند، میکروکنترلر موتور را برای بیرون دادن یک دستمال فعال می‌کند. بسته‌بندی ساید-لوکینگ اجازه می‌دهد PCB به صورت عمودی پشت پنل جلویی نصب شود، در حالی که LED و آشکارساز از طریق سوراخ‌های کوچک نمایان می‌شوند و یک طراحی بسیار شیک ایجاد می‌کنند. طول موج 940 نانومتری نامرئی است، بنابراین هیچ درخشش قرمز آزاردهنده‌ای وجود ندارد. طراح باید مقاومت سری مناسب را برای جریان درایو 20 میلی‌آمپر از ریل سیستم 5 ولتی محاسبه کند (R ≈ (5V - 1.3V) / 0.02A = 185Ω، یک مقدار استاندارد 180Ω یا 200Ω مناسب خواهد بود).

11. معرفی اصل عملکرد

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) یک دیود اتصال p-n نیمه‌هادی است که هنگام بایاس شدن الکتریکی در جهت پیشرو، نور مادون قرمز غیرقابل مشاهده ساطع می‌کند. الکترون‌ها با حفره‌ها در داخل دستگاه بازترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. طول موج نور ساطع شده توسط گپ انرژی ماده نیمه‌هادی تعیین می‌شود. برای IR29-01C، از سیستم ماده گالیم آلومینیوم آرسناید (GaAlAs) برای تولید فوتون‌هایی با انرژی پیک متناظر با طول موج 940 نانومتر استفاده می‌شود. بسته‌بندی اپوکسی شفاف به عنوان یک لنز عمل می‌کند و نور ساطع شده را به یک پرتو متمرکز شکل می‌دهد. ساختار ساید-ویو با نصب چیپ نیمه‌هادی به صورت جانبی در داخل بسته‌بندی به دست می‌آید، که باعث می‌شود نور موازی با صفحه PCB ساطع شود.

12. روندهای توسعه

روند در LEDهای مادون قرمز فوق‌میکرو مانند IR29-01C به سمت اندازه‌های بسته‌بندی حتی کوچکتر (مانند بسته‌بندی‌های مقیاس-چیپ)، شدت تابشی و بازده بالاتر و محدوده دمای کاری گسترده‌تر برای پشتیبانی از کاربردهای خودرویی و صنعتی است. یکپارچه‌سازی روند کلیدی دیگری است، با دستگاه‌هایی که ساطع‌کننده IR، درایور و گاهی یک فوتودیود را در یک ماژول واحد ترکیب می‌کنند. همچنین تمرکز بر بهبود سرعت (قابلیت مدولاسیون) برای کاربردهای ارتباط داده مانند انجمن داده مادون قرمز (IrDA) و کنترل‌های از راه دور لوازم الکترونیکی مصرفی وجود دارد. علاوه بر این، توسعه برای افزایش قابلیت اطمینان و استحکام در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و شرایط محیطی سخت ادامه دارد.