Техническая спецификация инфракрасного светодиода HIR333/H0 - 5 мм диаметр - 1.45 В прямое напряжение - 850 нм длина волны - 150 мВт рассеиваемая мощность

1. Обзор продукта

HIR333/H0 — это высокоинтенсивный инфракрасный излучающий диод в стандартном корпусе T-1 3/4 (5 мм) для монтажа в отверстия с желтой пластиковой линзой. Устройство разработано для обеспечения надежной работы в системах инфракрасного обнаружения и связи. Его основная функция — излучение инфракрасного света с пиковой длиной волны 850 нм, что спектрально оптимизировано для совместимости с распространенными кремниевыми фотодетекторами, такими как фототранзисторы, фотодиоды и интегральные модули ИК-приемников. Продукт спроектирован с акцентом на высокую надежность и стабильный выходной сигнал.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Ключевые преимущества этого компонента включают высокую силу излучения, обеспечивающую мощную передачу сигнала, и низкое прямое напряжение, способствующее энергоэффективной работе. Он изготовлен из бессвинцовых материалов и соответствует основным экологическим и нормативным директивам, включая RoHS, EU REACH и стандарты по отсутствию галогенов (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). Эти особенности делают его подходящим для широкого спектра коммерческих и промышленных ИК-приложений, где критически важны соответствие нормативам и долгосрочная надежность. Целевой рынок включает производителей систем безопасности, пультов дистанционного управления, оптических переключателей, датчиков обнаружения объектов и различной потребительской электроники, требующей невидимых источников света.

2. Подробный анализ технических параметров

В этом разделе представлено детальное описание электрических, оптических и тепловых характеристик, определяющих рабочие границы и производительность светодиода.

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Предельные эксплуатационные параметры определяют границы нагрузок, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Эти значения никогда не должны превышаться, даже кратковременно. Для надежной работы следует соблюдать рекомендуемые рабочие условия.

• Постоянный прямой ток (I_F)): 100 мА. Это максимальный постоянный ток, который можно непрерывно подавать на светодиод.
• Пиковый прямой ток (I_FP)): 1.0 А. Такой высокий ток допустим только в импульсном режиме при длительности импульса ≤ 100 мкс и скважности ≤ 1% для предотвращения перегрева.
• Обратное напряжение (V_R)): 5 В. Превышение этого напряжения обратного смещения может вызвать пробой p-n перехода.
• Рассеиваемая мощность (P_d)): 150 мВт при температуре окружающего воздуха 25°C или ниже. Этот параметр снижается с ростом температуры окружающей среды.
• Температурные диапазоны: Рабочий: от -40°C до +85°C; Хранения: от -40°C до +100°C.
• Температура пайки (T_sol)): 260°C максимум в течение 5 секунд, что определяет ограничения для процессов волновой или конвекционной пайки.

2.2 Электрооптические характеристики

Электрооптические характеристики указаны при стандартных условиях испытаний: температура окружающей среды (T_a) 25°C. Эти параметры определяют типичную производительность устройства.

• Сила излучения (I_e)): Это оптическая мощность, излучаемая в единицу телесного угла, измеряется в милливаттах на стерадиан (мВт/ср). Типичное значение составляет 15 мВт/ср при прямом токе (I_F) 20 мА. При импульсном токе 100 мА сила излучения может достигать 80 мВт/ср.
• Пиковая длина волны (λ_p)): 850 нм (тип.). Это длина волны, на которой оптическая выходная мощность максимальна. Эта длина волны невидима для человеческого глаза, но эффективно детектируется кремниевыми сенсорами.
• Спектральная ширина (Δλ): 45 нм (тип.). Это указывает на диапазон длин волн, излучаемых светодиодом, измеренный на половине максимальной интенсивности (полная ширина на половине максимума - FWHM).
• Прямое напряжение (V_F)): 1.45 В (тип.) при I_F=20 мА, максимум 1.65 В. При I_F=100 мА (импульсный), типичное V_Fвозрастает до 1.80 В с максимумом 2.40 В.
• Обратный ток (I_R)): Максимум 10 мкА при V_R=5 В, что указывает на очень низкую утечку в закрытом состоянии.
• Угол обзора (2θ_1/2)): 30 градусов (тип.). Это полный угол, при котором сила излучения падает до половины своего значения в центре (0°). Угол 30° обеспечивает умеренно сфокусированный луч.

3. Объяснение системы сортировки

Сила излучения светодиодов сортируется по различным бинам (рангам) для обеспечения единообразия для конечного пользователя. Сортировка проводится при стандартных условиях испытаний: I_F= 20 мА. Доступные бины определяются буквенным кодом (M, N, P, Q, R) с соответствующими минимальными и максимальными значениями силы излучения. Это позволяет разработчикам выбрать компонент, соответствующий их конкретным требованиям к чувствительности или дальности. Например, выбор бина 'P' гарантирует минимальную силу излучения 15.0 мВт/ср и максимальную 24.0 мВт/ср. В спецификации для данного артикула не указана отдельная сортировка по длине волны (Hue) или прямому напряжению (REF), но спецификация маркировки предполагает, что эти параметры отслеживаются в процессе производства.

4. Анализ характеристических кривых

Типичные характеристические кривые визуально демонстрируют поведение устройства в различных условиях, что крайне важно для проектирования схемы и управления температурным режимом.

4.1 Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая снижения номинальных значений показывает, как максимально допустимый постоянный прямой ток уменьшается с ростом температуры окружающей среды выше 25°C. Чтобы температура p-n перехода оставалась в безопасных пределах и обеспечивалась долгосрочная надежность, рабочий ток должен быть снижен в условиях высокой температуры окружающей среды. Разработчики должны обращаться к этой кривой при работе светодиода в корпусах или при повышенных температурах окружающей среды.

4.2 Спектральное распределение

График спектрального распределения показывает зависимость относительной силы излучения от длины волны. Он визуально подтверждает пиковую длину волны 850 нм и спектральную ширину примерно 45 нм. Кривая характерна для полупроводникового материала GaAlAs (арсенид галлия-алюминия). Узкий, четко выраженный пик обеспечивает минимальное перекрытие с видимым светом и оптимальную связь с кремниевыми детекторами, пиковая чувствительность которых находится в районе 800-900 нм.

4.3 Сила излучения в зависимости от прямого тока

Эта кривая иллюстрирует зависимость между током накачки и оптической выходной мощностью. Сила излучения увеличивается сверхлинейно с током на низких уровнях и становится более линейной при высоких токах, в конечном итоге насыщаясь из-за снижения внутренней эффективности из-за тепловых эффектов. Кривая для импульсного режима (100 мА) показывает значительно более высокую выходную мощность по сравнению с режимом постоянного тока, подчеркивая преимущество импульсной работы для достижения высокой пиковой интенсивности без теплового повреждения.

4.4 Относительная сила излучения в зависимости от углового смещения

Эта полярная диаграмма изображает пространственную диаграмму направленности излучения светодиода. Она показывает, как интенсивность света уменьшается при отклонении угла обзора от центральной оси (0°). Для данного типа корпуса диаграмма направленности примерно ламбертовская, причем интенсивность в точках половинного угла (приблизительно ±15°) составляет 50% от осевой интенсивности, что определяет угол обзора 30°.

5. Механическая информация и информация о корпусе

Устройство использует стандартный радиальный выводной корпус 5 мм (T-1 3/4). Выводы имеют стандартный шаг 2.54 мм (0.1 дюйма), совместимый с распространенными макетными платами с отверстиями и разводкой печатных плат. Чертеж размеров корпуса предоставляет критические измерения, включая общий диаметр, высоту линзы, длину и диаметр выводов. Корпус отлит из желтого пластика, который прозрачен для инфракрасного света 850 нм, но имеет цвет для визуальной идентификации и отличия от светодиодов видимого света. Катод обычно идентифицируется по плоскому срезу на ободке линзы и/или более короткому выводу. Все размеры имеют стандартный допуск ±0.25 мм, если не указано иное.

6. Рекомендации по пайке и сборке

Правильное обращение во время сборки крайне важно для предотвращения механического или теплового повреждения светодиода.

6.1 Формовка выводов

Если выводы необходимо согнуть, это должно быть сделано в точке не менее чем в 3 мм от основания эпоксидной колбы. Формовку всегда следует выполнять перед пайкой, при комнатной температуре, и с осторожностью, чтобы избежать приложения напряжения непосредственно к эпоксидному корпусу, что может привести к его растрескиванию или повреждению внутренних проводных соединений. Отверстия на печатной плате должны точно совпадать с выводами светодиода, чтобы избежать монтажных напряжений.

6.2 Хранение

Светодиоды следует хранить в прохладной, сухой среде (≤30°C, ≤70% относительной влажности). Рекомендуемый срок хранения после отгрузки — 3 месяца. Для более длительного хранения (до одного года) компоненты следует хранить в герметичном влагозащитном пакете с осушителем, предпочтительно в атмосфере азота, чтобы предотвратить поглощение влаги и возможное \"вздутие\" (popcorning) во время пайки.

6.3 Процесс пайки

Минимальное расстояние 3 мм должно соблюдаться между паяным соединением и эпоксидной колбой. Рекомендуемые параметры пайки:
Ручная пайка: Температура жала паяльника ≤300°C (для паяльника мощностью до 30 Вт), время пайки ≤3 секунды на вывод.
Волновая/погружная пайка: Температура предварительного нагрева ≤100°C в течение ≤60 секунд; температура ванны припоя ≤260°C в течение ≤5 секунд.
Предоставленный график температурного профиля пайки рекомендует быстрый нагрев, зону выдержки (прогрева), кратковременный пик при 260°C и контролируемое охлаждение. Следует избегать быстрого охлаждения или термического удара. Повторная пайка (более одного цикла погружной или ручной пайки) не рекомендуется.

6.4 Очистка

Если очистка необходима после пайки, используйте изопропиловый спирт при комнатной температуре не более одной минуты. Не используйте ультразвуковую очистку, если ее воздействие (мощность, частота, продолжительность) не было предварительно тщательно проверено на образцах сборок, так как ультразвуковая энергия может разрушить хрупкую внутреннюю полупроводниковую структуру.

5.5 Управление тепловым режимом

Эффективное управление тепловым режимом является критически важным аспектом проектирования. Номинальная рассеиваемая мощность 150 мВт указана при 25°C. В реальных приложениях фактическая рассеиваемая мощность (V_F* I_F) должна быть снижена с ростом температуры окружающей среды, как показано на кривой снижения номинальных значений. Для непрерывной работы при высоких токах или в условиях высокой температуры окружающей среды рассмотрите возможность использования радиатора, увеличения потока воздуха или применения импульсного управления для снижения средней температуры перехода и обеспечения долгосрочной надежности.

7. Упаковка и информация для заказа

Светодиоды упакованы в антистатические пакеты для защиты от электростатического разряда (ESD). Эти пакеты помещаются во внутренние коробки, которые затем упаковываются в более крупные внешние коробки для отгрузки. Типичное количество в упаковке: 200-500 штук в пакете, 5 пакетов во внутренней коробке и 10 внутренних коробок в основной внешней коробке. Этикетка на пакете содержит ключевую информацию для прослеживаемости и идентификации, включая номер продукта заказчика (CPN), номер продукта производителя (P/N), количество (QTY) и ранг силы излучения (CAT). Другие коды могут указывать ранг доминирующей длины волны (HUE), ранг прямого напряжения (REF), номер партии и дату изготовления.

8. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

8.1 Типичные сценарии применения

• Инфракрасные пульты дистанционного управления: Используется в качестве передатчика в пультах для телевизоров, аудиоаппаратуры и приставок.
• Датчики приближения и обнаружения объектов: В паре с фототранзистором для определения наличия, отсутствия или положения объекта.
• Оптические переключатели: Используется в щелевых датчиках (например, обнаружение бумаги в принтерах) или отражательных датчиках.
• Системы безопасности: Для подсветки ночного видения в камерах видеонаблюдения или как часть инфракрасных лучей обнаружения вторжения.
• Промышленная автоматизация: Для бесконтактного обнаружения в приложениях подсчета, выравнивания и контроля уровня.

8.2 Соображения при проектировании

• Ограничение тока: Всегда используйте последовательный резистор или драйвер постоянного тока, чтобы ограничить прямой ток до желаемого значения, рассчитанного на основе напряжения питания и прямого напряжения светодиода.
• Импульсный режим работы: Для приложений, требующих высокой пиковой интенсивности (например, дальнее обнаружение), используйте импульсное управление с соответствующей скважностью, чтобы оставаться в пределах пикового тока и средней мощности.
• Оптическое проектирование: Учитывайте угол обзора 30° при проектировании линз, апертур или оптических трактов. Для увеличения дальности можно использовать внешние линзы для коллимации луча.
• Согласование с детектором: Убедитесь, что выбранный фотодетектор (фототранзистор, фотодиод или приемная ИС) имеет высокую чувствительность в области 850 нм.
• Защита от фоновой засветки: В средах с сильным фоновым освещением (особенно солнечным светом, содержащим ИК), используйте модулированные (импульсные) ИК-сигналы и синхронное детектирование в приемнике, чтобы отличить сигнал от фонового шума.

9. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению со стандартными светодиодами видимого света, этот ИК-светодиод оптимизирован для излучения в инфракрасном спектре с использованием материала (GaAlAs), обеспечивающего высокую эффективность на длине волны 850 нм. Его ключевые отличия в категории ИК-светодиодов — это сочетание относительно высокой силы излучения (15 мВт/ср, тип.) и низкого прямого напряжения (1.45 В, тип.), что может привести к снижению энергопотребления в устройствах с батарейным питанием. Угол обзора 30° обеспечивает хороший баланс между концентрацией луча и площадью покрытия. Соответствие современным экологическим стандартам (RoHS, REACH, Halogen-Free) является значительным преимуществом для продуктов, предназначенных для мирового рынка, устраняя проблемы соответствия материалов.

10. Часто задаваемые вопросы на основе технических параметров

В: Могу ли я питать этот светодиод напрямую от источника 5 В?
О: Нет. Вы должны использовать токоограничивающий резистор. Например, при питании 5 В и целевом токе 20 мА, и предполагая типичное V_F1.45 В, значение резистора будет R = (5 В - 1.45 В) / 0.02 А = 177.5 Ом. Подойдет стандартный резистор 180 Ом.

В: В чем разница между номиналами силы излучения для постоянного и импульсного тока?
О: Номинал для постоянного тока (15 мВт/ср при 20 мА) предназначен для непрерывной работы, где тепловые эффекты ограничивают выходную мощность. Номинал для импульсного тока (80 мВт/ср при 100 мА) достижим, потому что короткий импульс не позволяет переходу значительно нагреться, позволяя использовать гораздо более высокий мгновенный ток и, следовательно, более высокую световую отдачу.

В: Как определить катод?
О: В стандартном корпусе 5 мм катод обычно обозначается двумя признаками: 1) Плоский срез на круглом ободке пластиковой линзы. 2) Вывод катода обычно короче вывода анода. Всегда проверяйте полярность перед пайкой.

В: Чувствителен ли этот светодиод к ЭСР?
О: Как и все полупроводниковые приборы, он может быть поврежден электростатическим разрядом. Он поставляется в антистатической упаковке, и при сборке следует соблюдать соответствующие меры предосторожности от ЭСР.

11. Практический пример проектирования и использования

Пример: Проектирование простого датчика обнаружения объекта
Распространенное применение — датчик прерывания луча. ИК-светодиод HIR333/H0 размещается с одной стороны пути, а фототранзистор — прямо напротив. Когда объект проходит между ними, он прерывает инфракрасный луч, вызывая изменение выходного сигнала фототранзистора. Для этого проекта:
1. Управляйте светодиодом с постоянным током 20 мА, используя простой транзисторный ключ или вывод GPIO микроконтроллера (с последовательным резистором).
2. Для улучшения помехозащищенности и увеличения дальности подавайте на светодиод импульсы с частотой (например, 38 кГц) и используйте модуль фототранзистора со встроенным фильтром на 38 кГц.
3. Тщательно выровняйте светодиод и детектор, учитывая конус излучения 30°. Для больших расстояний рассмотрите возможность добавления трубки или коллимирующей линзы перед светодиодом для сужения луча.
4. Размещайте датчик вдали от прямого солнечного света или других сильных источников инфракрасного света, чтобы предотвратить ложные срабатывания.

12. Введение в принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) — это полупроводниковый диод с p-n переходом. При приложении прямого напряжения электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются через переход. Когда эти носители заряда рекомбинируют в активной области, энергия высвобождается в виде фотонов (света). Длина волны (цвет) излучаемого света определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала. HIR333/H0 использует арсенид галлия-алюминия (GaAlAs), ширина запрещенной зоны которого соответствует фотонам в ближнем инфракрасном спектре, в частности около 850 нанометров. Желтый пластиковый корпус легирован для прозрачности на этой длине волны, блокируя видимый свет, и также действует как первичная линза для формирования выходного луча.

13. Технологические тренды и разработки

Тренд в технологии инфракрасных светодиодов продолжает двигаться в сторону повышения эффективности (больше светового выхода на ватт электрической мощности) и увеличения плотности мощности. Это позволяет создавать либо более яркие источники, либо более энергоэффективные конструкции. Также ведутся разработки по изменению пиковых длин волн; хотя 850 нм и 940 нм являются распространенными, другие длины волн оптимизируются для конкретных применений, таких как газовый анализ или медицинская диагностика. Развивается упаковка для поддержки технологии поверхностного монтажа (SMD) для автоматизированной сборки, хотя выводные корпуса, такие как 5 мм, остаются популярными для прототипирования, ремонта и некоторых высоконадежных применений. Другой тренд — интеграция, когда ИК-светодиоды объединяются с драйверами, модуляторами и даже детекторами в единые модули, чтобы упростить системное проектирование для конечного пользователя.