Техническая спецификация инфракрасного светодиода IR323 - Корпус 5.0 мм - Длина волны 940 нм - Прямое напряжение 1.5 В - Рассеиваемая мощность 150 мВт

1. Обзор продукта

Настоящий документ содержит полные технические характеристики высокоинтенсивного 5-мм инфракрасного светоизлучающего диода (ИК-светодиода). Устройство заключено в синий прозрачный пластиковый корпус и предназначено для излучения света с пиковой длиной волны 940 нанометров (нм), что относит его к ближнему инфракрасному спектру. Эта длина волны стратегически выбрана для оптимальной работы в датчиках и приложениях дистанционного управления, так как она хорошо согласуется со спектральной чувствительностью распространённых кремниевых фототранзисторов, фотодиодов и инфракрасных приёмных модулей. Основными целями разработки данного компонента являются высокая надёжность, высокая излучающая способность и работа при низком прямом напряжении, что делает его подходящим для различных электронных систем на основе инфракрасного излучения.

1.1 Ключевые особенности и преимущества

Светодиод предлагает несколько ключевых преимуществ, способствующих его производительности и простоте интеграции:

• Высокая излучательная сила:Обеспечивает типичную излучательную силу 6.4 мВт/ср при стандартном токе накачки 20 мА, гарантируя мощную передачу сигнала.
• Низкое прямое напряжение:Характеризуется типичным прямым напряжением (Vf) 1.2 В при 20 мА, что способствует снижению энергопотребления всей системы.
• Стандартизированный корпус:Использует распространённый 5-мм корпус с радиальными выводами и расстоянием между ними 2.54 мм (0.1 дюйма), совместимый со стандартными макетами печатных плат и макетными платами.
• Соответствие экологическим нормам:Продукт производится без содержания свинца, соответствует директивам ЕС RoHS и REACH, а также соответствует стандартам, исключающим использование галогенов (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm).
• Определённый угол излучения:Обеспечивает типичный угол половинной мощности (2θ1/2) 30 градусов, формируя сфокусированный луч, подходящий для направленных применений.

2. Анализ технических параметров

В данном разделе представлена детальная, объективная интерпретация электрических, оптических и тепловых пределов и характеристик устройства.

2.1 Абсолютные максимальные режимы эксплуатации

Эти режимы определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа на этих пределах или за их пределами не гарантируется.

• Постоянный прямой ток (I_F):100 мА. Максимальный постоянный ток, который может протекать через светодиод неограниченно долго при температуре окружающей среды 25°C.
• Пиковый прямой ток (I_FP):1.0 А. Этот высокий импульсный ток допустим только при строгих условиях: длительность импульса ≤ 100 мкс и скважность ≤ 1%. Полезен для кратковременной высокоинтенсивной сигнализации.
• Обратное напряжение (V_R):5 В. Максимальное напряжение, которое может быть приложено в обратном направлении смещения. Превышение этого значения может вызвать пробой p-n перехода.
• Рассеиваемая мощность (P_d):150 мВт при температуре свободного воздуха ≤25°C. Это максимальная мощность, которую корпус может рассеивать в виде тепла. Номинал снижается с ростом температуры окружающей среды.
• Диапазоны температур:Эксплуатации (T_opr): от -40°C до +85°C; Хранения (T_stg): от -40°C до +100°C.
• Температура пайки (T_sol):Максимум 260°C в течение времени, не превышающего 5 секунд, что определяет технологическое окно для волновой или ручной пайки.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры, измеренные при Ta=25°C, определяют типичные характеристики устройства в нормальных рабочих условиях.

• Излучательная сила (I_e):Основная мера оптической мощности. Минимум 4.0 мВт/ср, Типично 6.4 мВт/ср при I_F=20 мА. При максимальном постоянном токе 100 мА типичная сила возрастает до 30 мВт/ср.
• Пиковая длина волны (λ_p):940 нм (типично). Это длина волны, на которой излучаемая оптическая мощность максимальна.
• Спектральная ширина (Δλ):45 нм (типично). Определяет диапазон излучаемых длин волн, обычно измеряемый на половине максимальной мощности (полная ширина на половине максимума - FWHM).
• Прямое напряжение (V_F):1.2 В (типично), 1.5 В (максимум) при 20 мА. Увеличивается до 1.4 В (типично), 1.8 В (максимум) при 100 мА из-за последовательного сопротивления диода.
• Обратный ток (I_R):Максимум 10 мкА при обратном смещении 5 В.
• Угол излучения (2θ_1/2):30 градусов (типично). Угловой разброс между точками, где излучательная сила составляет половину значения на оси (0 градусов).

3. Объяснение системы сортировки (бининга)

Устройства сортируются (биннируются) на основе измеренной излучательной силы при стандартном тестовом условии I_F= 20 мА. Это позволяет разработчикам выбирать компоненты с гарантированными минимальным и максимальным уровнями выходной мощности для обеспечения стабильной работы системы.

Например, компонент, помеченный бином "L", гарантированно имеет излучательную силу в диапазоне от 5.6 до 8.9 мВт/ср. Более высокие буквы бинов (например, P) соответствуют устройствам с более высокой выходной мощностью. В спецификации для данного конкретного продукта не указана сортировка по другим параметрам, таким как прямое напряжение или пиковая длина волны, что говорит о жёстком производственном контроле этих характеристик.

4. Анализ характеристических кривых

Представленные характеристические кривые дают ценную информацию о поведении устройства в различных условиях.

4.1 Зависимость прямого тока от температуры окружающей среды

На этом графике показано снижение максимально допустимого постоянного прямого тока с ростом температуры окружающей среды. При 25°C допустимы все 100 мА. При повышении температуры максимальный ток должен быть уменьшен, чтобы не превысить предел рассеиваемой мощности 150 мВт и обеспечить долгосрочную надёжность. Эта кривая критически важна для проектирования систем, работающих в условиях повышенных температур.

4.2 Зависимость излучательной силы от прямого тока

Этот график иллюстрирует взаимосвязь между током накачки (I_F) и оптической мощностью (I_e). Излучательная сила увеличивается сверхлинейно с током на низких уровнях и стремится к более линейной зависимости при высоких токах, хотя в конечном итоге происходит насыщение. Кривая подтверждает типичные значения, указанные в таблице (например, ~6.4 мВт/ср при 20 мА, ~30 мВт/ср при 100 мА).

4.3 Спектральное распределение

Спектральный график отображает относительную излучательную силу в зависимости от длины волны. Он визуально подтверждает пиковую длину волны (λ_p) 940 нм и спектральную ширину (Δλ) приблизительно 45 нм в точках FWHM. Кривая характерна для полупроводниковой системы на основе GaAlAs (арсенид галлия-алюминия).

4.4 Зависимость относительной излучательной силы от углового смещения

Эта полярная диаграмма изображает диаграмму направленности светодиода. Она показывает, как интенсивность уменьшается с увеличением угла от центральной оси (0°). Угол, при котором интенсивность падает до 50% от осевого значения, определяет угол половинной мощности, показанный здесь как приблизительно 30 градусов, что даёт умеренно сфокусированный луч.

5. Механическая информация и данные о корпусе

5.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство использует стандартный 5-мм корпус с радиальными выводами. Чертёж размеров определяет ключевые измерения: общий диаметр (5.0 мм типично), диаметр выводов, расстояние от основания линзы до изгиба выводов и расстояние между выводами (2.54 мм). На чертеже указано, что допуски составляют ±0.25 мм, если не указано иное. Более длинный вывод обычно указывает на анод (положительное соединение).

6. Рекомендации по пайке и сборке

Правильное обращение необходимо для сохранения целостности и производительности устройства.

6.1 Формовка выводов

• Изгиб должен производиться в точке не менее чем в 3 мм от основания эпоксидной линзы, чтобы избежать напряжения на уплотнении.
• Формовку следует завершить до любой операции пайки.
• Обрезку выводов следует проводить при комнатной температуре, чтобы предотвратить тепловой удар.
• Отверстия на печатной плате должны точно совпадать с выводами светодиода, чтобы избежать монтажного напряжения.

6.2 Хранение

• Рекомендуемые условия хранения: ≤30°C и ≤70% относительной влажности (RH) до 3 месяцев с момента отгрузки.
• Для более длительного хранения (до одного года) используйте герметичный контейнер с азотной атмосферой и осушителем.
• Избегайте резких перепадов температуры во влажной среде, чтобы предотвратить конденсацию.

6.3 Процесс пайки

Критическое правило:Соблюдайте минимальное расстояние 3 мм от места пайки до эпоксидной колбы.

• Ручная пайка:Температура жала паяльника ≤300°C (для паяльника мощностью до 30 Вт), время пайки ≤3 секунды на вывод.
• Волновая/погружная пайка:Предварительный нагрев ≤100°C в течение ≤60 секунд. Температура ванны припоя ≤260°C, время погружения ≤5 секунд.
• Избегайте механических нагрузок на выводы во время высокотемпературных фаз.
• Погружную или ручную пайку не следует выполнять более одного раза.
• После пайки позвольте светодиоду постепенно остыть до комнатной температуры; избегайте быстрого охлаждения (закалки).

6.4 Очистка

• При необходимости очищайте только изопропиловым спиртом при комнатной температуре не более одной минуты.
• Не используйте ультразвуковую очистку, если это не абсолютно необходимо и только после тщательных предварительных испытаний, так как она может вызвать механические повреждения.

7. Упаковка и информация для заказа

7.1 Спецификация маркировки

Маркировка на упаковке содержит несколько кодов: Номер продукта заказчика (CPN), Номер продукта производителя (P/N), Количество в упаковке (QTY), а также ранги производительности для Силы света (CAT), Доминирующей длины волны (HUE) и Прямого напряжения (REF). Также включены Номер партии и код даты (Месяц).

7.2 Спецификация упаковки

• Светодиоды упакованы в антистатические пакеты.
• Типичная упаковка: 200-500 штук в пакете, 5 пакетов во внутренней коробке, 10 внутренних коробок в основной (внешней) коробке.

8. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

8.1 Типичные сценарии применения

• Инфракрасные пульты дистанционного управления:Для телевизоров, аудиосистем и другой бытовой электроники. Длина волны 940 нм идеальна, так как она невидима для человеческого глаза, но эффективно обнаруживается кремниевыми приёмниками.
• Датчики приближения и обнаружения объектов:Используются в автоматических кранах, сушилках для рук, системах безопасности и промышленном счётном оборудовании. ИК-светодиод в паре с фотодетектором может обнаруживать прерывание или отражение своего луча.
• Оптические переключатели и энкодеры:Для обнаружения движения или положения в принтерах, системах управления двигателями и поворотных энкодерах.
• Подсветка для ночного видения:Обеспечение скрытой подсветки для камер видеонаблюдения, оснащённых датчиками, чувствительными к ИК-излучению.
• Передача данных:В короткодистанционных оптических линиях передачи данных в пределах прямой видимости (например, устаревшие системы IrDA).

8.2 Соображения при проектировании

• Ограничение тока:Всегда используйте последовательный токоограничивающий резистор при питании светодиода от источника напряжения. Рассчитайте номинал резистора по формуле R = (V_{питания}- V_F) / I_F. Не подключайте напрямую к источнику напряжения.
• Теплоотвод:При работе, близкой к максимальному току, или в условиях высокой температуры окружающей среды учитывайте кривую снижения номинальных характеристик. При необходимости обеспечьте адекватную вентиляцию или теплоотвод, особенно для плотно упакованных массивов.
• Оптическая конструкция:Угол излучения 30 градусов обеспечивает сфокусированный луч. Для более широкого покрытия используйте несколько светодиодов или вторичную оптику, такую как рассеиватели. Для увеличения дальности можно использовать линзы для дальнейшей коллимации луча.
• Устойчивость к электрическим помехам:В приложениях с датчиками модулируйте ИК-сигнал (например, несущей частотой 38 кГц), чтобы отличить его от фонового инфракрасного света (солнечный свет, лампы накаливания). Это значительно улучшает соотношение сигнал/шум.
• Согласование с приёмником:Убедитесь, что выбранный фотодетектор или приёмный модуль (например, интегрированный приёмник на 38 кГц) спектрально чувствителен в районе 940 нм для оптимальной производительности.

9. Техническое сравнение и дифференциация

Хотя существует множество 5-мм ИК-светодиодов, комбинация параметров данного устройства предлагает определённые преимущества:

• По сравнению с ИК-светодиодами с большей длиной волны (например, 850 нм):Излучение 940 нм менее заметно в виде слабого красного свечения, что делает его более подходящим для скрытых применений. Однако кремниевые фотодетекторы немного менее чувствительны на 940 нм, чем на 850 нм, что компенсируется высокой излучательной силой данного светодиода.
• По сравнению со стандартными ИК-светодиодами средней яркости:Наличие бинов с более высокой выходной мощностью (например, бины N, P) позволяет реализовывать конструкции, требующие большей дальности или меньших токов накачки для той же силы сигнала, повышая энергоэффективность.
• По сравнению с поверхностно-монтируемыми ИК-светодиодами (SMD):Корпус для монтажа в отверстия проще для прототипирования, использования любителями и применений, где механическая надёжность соединения приоритетнее, чем место на плате.
• Ключевые отличительные особенности:Чётко определённая и относительно узкая структура бининга по интенсивности в сочетании с всесторонним соответствием экологическим нормам (RoHS, REACH, без галогенов) делает эту деталь подходящей для современных, регулируемых электронных продуктов.

10. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

10.1 В чём разница между "излучательной силой" и "силой света"?

Излучательная сила (измеряется в мВт/ср) — это оптическая мощность, излучаемая на единицу телесного угла, актуальная для всех длин волн. Сила света (измеряется в канделах, мкд) взвешивает оптическую мощность по чувствительности человеческого глаза (фотопическая кривая). Поскольку человеческий глаз практически нечувствителен к инфракрасному свету с длиной волны 940 нм, сила света для этого светодиода практически равна нулю. Излучательная сила является правильной метрикой для ИК-компонентов, используемых с электронными датчиками.

10.2 Могу ли я питать этот светодиод постоянным током 100 мА?

Да, но только если температура окружающей среды (Ta) составляет 25°C или ниже, согласно Абсолютным максимальным режимам эксплуатации. Если температура окружающей среды выше, вы должны обратиться к кривой снижения номинальных характеристик "Зависимость прямого тока от температуры окружающей среды", чтобы найти новый максимально допустимый постоянный ток. Например, при 85°C максимальный постоянный ток будет значительно ниже 100 мА.

10.3 Почему пиковый прямой ток (1 А) так сильно превышает постоянный ток (100 мА)?

Номинал 1 А предназначен для очень коротких импульсов (≤100 мкс) с низкой скважностью (≤1%). Во время такого краткого импульса полупроводниковый переход не успевает значительно нагреться. Номинал 100 мА для постоянного тока ограничен стационарной тепловой рассеивающей способностью корпуса. Высокий импульсный ток позволяет реализовывать приложения, такие как дальнобойная сигнализация короткими вспышками.

10.4 Как определить анод и катод?

В стандартном корпусе светодиода с радиальными выводами более длинный вывод обычно является анодом (положительным). Кроме того, если смотреть на светодиод снизу, вывод со стороны, где на ободке пластиковой линзы есть плоское место, обычно является катодом (отрицательным). Всегда проверяйте с помощью мультиметра в режиме проверки диодов, если не уверены.

11. Практические примеры проектирования и использования

11.1 Простая схема датчика приближения

Базовый отражательный датчик можно построить, разместив этот ИК-светодиод и фототранзистор рядом, направленными в одну сторону. Светодиод управляется выводом микроконтроллера через резистор 20-30 Ом (для ~50 мА от источника 3.3 В: R = (3.3 В - 1.2 В)/0.05 А ≈ 42 Ом). Коллектор фототранзистора подключён к источнику питания через подтягивающий резистор (например, 10 кОм), а эмиттер заземлён. Узел коллектора подключается к АЦП или цифровому входу микроконтроллера. Когда объект приближается, он отражает ИК-свет на фототранзистор, вызывая падение напряжения на его коллекторе, что обнаруживается микроконтроллером.

11.2 Управление модулем ИК-приёмника

Для приложений дистанционного управления соедините этот светодиод с 3-выводным модулем ИК-приёмника (например, настроенным на 38 кГц). Светодиод подключён последовательно с токоограничивающим резистором и NPN-транзистором. База транзистора управляется модулированным сигналом от микроконтроллера, который кодирует команду пульта дистанционного управления с использованием протокола, такого как NEC или RC5. Несущая частота 38 кГц находится в пределах полосы пропускания времени нарастания/спада светодиода. Приёмный модуль демодулирует этот сигнал и выводит чистый цифровой поток данных на микроконтроллер.

12. Принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) — это полупроводниковый диод с p-n переходом. При прямом смещении (положительное напряжение приложено к аноду относительно катода) электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются через переход. Когда эти носители заряда рекомбинируют в активной области перехода, они высвобождают энергию. В данном конкретном устройстве полупроводниковым материалом является арсенид галлия-алюминия (GaAlAs). Ширина запрещённой зоны этого материала определяет длину волны излучаемых фотонов. Для GaAlAs, настроенного на излучение на 940 нм, энергия рекомбинации соответствует фотонам в ближней инфракрасной части электромагнитного спектра. Синяя прозрачная эпоксидная линза действует как линза, формируя излучаемый свет в заданный угол излучения, и прозрачна для инфракрасной длины волны.

13. Технологические тренды

Хотя компоненты для монтажа в отверстия, такие как этот 5-мм светодиод, остаются популярными для прототипирования, обучения и некоторых промышленных применений, общая тенденция в отрасли смещается в сторону корпусов для поверхностного монтажа (SMD) (например, 0805, 1206 или чип-корпуса). SMD-компоненты предлагают меньший размер, лучшую пригодность для автоматизированной сборки, а также часто улучшенные тепловые характеристики благодаря большей контактной площадке для теплоотвода на печатной плате. Что касается именно инфракрасных светодиодов, тренды включают разработку устройств с более высокой эффективностью (больше светового выхода на ватт электрической мощности), более жёсткими допусками по длине волны для конкретных применений (например, датчики газа) и интеграцию с драйверами или датчиками в многокристальные модули. Фундаментальная физика и материаловедение, лежащие в основе GaAlAs и подобных ИК-излучателей на основе полупроводников III-V группы, продолжают совершенствоваться для повышения производительности и снижения стоимости.