Техническая документация на инфракрасный светодиод IR333C - Корпус 5мм T-1 - Пиковая длина волны 940нм - Прямое напряжение 1.5В

1. Обзор продукта

IR333C — это высокоинтенсивный инфракрасный излучающий диод в стандартном 5-миллиметровом (T-1) прозрачном пластиковом корпусе. Он предназначен для излучения света с пиковой длиной волны 940 нм, что идеально подходит для применений, требующих невидимых источников света. Спектральные характеристики устройства согласованы с распространёнными кремниевыми фототранзисторами, фотодиодами и инфракрасными приёмными модулями, что обеспечивает оптимальную производительность в системах передачи сигналов.

Ключевые преимущества этого компонента включают высокую надёжность, высокую выходную силу излучения и низкое требование к прямому напряжению. Расстояние между выводами 2,54 мм обеспечивает совместимость со стандартными макетными платами и печатными платами. Продукт также производится как не содержащий свинца и соответствующий директиве RoHS, что соответствует современным экологическим стандартам.

1.1 Основные характеристики и целевой рынок

Основные характеристики, определяющие IR333C, — это его оптические и электрические параметры, адаптированные для инфракрасных применений. Высокая сила излучения с пиком на 940 нм делает его высокоэффективным для оптической связи в свободном пространстве. Низкое прямое напряжение снижает энергопотребление, что критически важно для устройств с батарейным питанием.

Области применения разнообразны и включают:

• Системы передачи по воздуху:Используются для беспроводных каналов передачи данных на короткие расстояния.
• Блоки инфракрасных пультов дистанционного управления:В частности, устройства с высокими требованиями к мощности для увеличения дальности или работы через препятствия.
• Детекторы дыма:Применяются в конструкциях оптических камер для обнаружения частиц дыма.
• Общие прикладные инфракрасные системы:Сюда входят обнаружение объектов, датчики приближения и промышленная автоматизация.

2. Подробный анализ технических параметров

Тщательное понимание спецификаций устройства имеет решающее значение для надёжного проектирования схем и интеграции систем.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Их нельзя превышать даже кратковременно.

• Постоянный прямой ток (I_F):100 мА. Это максимальный постоянный ток, который может протекать через светодиод неограниченно долго в заданных условиях.
• Пиковый прямой ток (I_FP):1,0 А. Такой высокий ток допустим только в импульсном режиме (длительность импульса ≤ 100 мкс, скважность ≤ 1%). Это полезно для достижения очень высокой мгновенной силы излучения.
• Обратное напряжение (V_R):5 В. Максимальное напряжение, которое может быть приложено в обратном направлении. Превышение этого значения может вызвать пробой перехода.
• Рассеиваемая мощность (P_d):150 мВт при температуре 25°C или ниже. Этот параметр учитывает как прямое падение напряжения, так и ток. Работа сверх этого предела вызовет чрезмерный нагрев и ухудшение характеристик или отказ.
• Температурные диапазоны:Рабочая температура и температура хранения указаны от -40°C до +85°C, что указывает на пригодность для промышленных и автомобильных сред.
• Температура пайки (T_sol):260°C максимум в течение 5 секунд. Это критически важно для процессов волновой или конвекционной пайки, чтобы предотвратить повреждение корпуса.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измерены в стандартных условиях испытаний (Ta=25°C) и определяют производительность устройства.

• Сила излучения (E_e):Это оптическая мощность, излучаемая на единицу телесного угла (мВт/ср). Типичное значение составляет 15 мВт/ср при I_F=20 мА. В импульсном режиме при I_F=100 мА оно возрастает до 60 мВт/ср, а при I_F=1 А достигает 450 мВт/ср. Это демонстрирует значительный прирост выходной мощности при использовании импульсного управления.
• Пиковая длина волны (λ_p):940 нм (тип.). Это ближний инфракрасный спектр, невидимый для человеческого глаза, но эффективно обнаруживаемый кремниевыми датчиками.
• Спектральная ширина (Δλ):45 нм (тип.). Определяет диапазон излучаемых длин волн вокруг пика. Более узкая ширина может быть полезна для фильтрации шумов от окружающего света.
• Прямое напряжение (V_F):Обычно 1,5 В при I_F=20 мА, максимум 1,85 В при I_F=100 мА (импульсный). Низкое V_Fявляется ключевым преимуществом для проектирования низковольтных схем.
• Обратный ток (I_R):Максимум 10 мкА при V_R=5 В. Этот ток утечки очень мал.
• Угол обзора (2θ_1/2):20 градусов (тип.). Этот узкий угол луча концентрирует силу излучения в направленный пучок, увеличивая эффективную дальность для таких применений, как пульты ДУ.

3. Объяснение системы сортировки

IR333C сортируется на разные группы (бины) на основе его силы излучения при стандартном испытательном токе 20 мА. Это позволяет разработчикам выбирать компоненты с гарантированным минимальным уровнем производительности для своего применения.

Структура сортировки следующая:

• Бин M:Сила излучения от 7,8 мВт/ср (мин.) до 12,5 мВт/ср (макс.).
• Бин N:Сила излучения от 11,0 мВт/ср (мин.) до 17,6 мВт/ср (макс.).
• Бин P:Сила излучения от 15,0 мВт/ср (мин.) до 24,0 мВт/ср (макс.).
• Бин Q:Сила излучения от 21,0 мВт/ср (мин.) до 34,0 мВт/ср (макс.).

Для применений, требующих стабильной яркости или большей дальности, рекомендуется указывать более высокий бин (например, P или Q). На этикетке продукта есть поле \"CAT\", указывающее ранг.

4. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены несколько характеристических кривых, иллюстрирующих изменение параметров в зависимости от условий эксплуатации.

4.1 Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды (Рис. 1 и 8)

Эти кривые показывают взаимосвязь между максимально допустимым прямым током и температурой окружающей среды. С ростом температуры максимально допустимый постоянный ток линейно уменьшается. Это связано со снижением способности рассеивать мощность при более высоких температурах. Разработчики должны снижать рабочий ток в зависимости от ожидаемой максимальной температуры окружающей среды, чтобы обеспечить надёжность.

4.2 Спектральное распределение (Рис. 2)

На этом графике отображена относительная интенсивность в зависимости от длины волны. Он подтверждает пик излучения на 940 нм и показывает форму и ширину (примерно 45 нм) спектра излучения. Это важно для выбора соответствующих оптических фильтров в приёмнике.

4.3 Пиковая длина волны в зависимости от температуры (Рис. 3)

Пиковая длина волны излучения имеет небольшой температурный коэффициент, обычно смещаясь в сторону более длинных волн (красное смещение) с увеличением температуры перехода. Для инфракрасных светодиодов это смещение обычно невелико, но его следует учитывать в прецизионных измерительных приложениях.

4.4 Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (Рис. 4)

Это стандартная ВАХ для диода. Она показывает экспоненциальную зависимость. Кривая позволяет разработчикам определить падение напряжения для заданного тока управления, что необходимо для расчёта значений последовательного резистора или требований к схеме управления.

4.5 Относительная интенсивность в зависимости от прямого тока (Рис. 5)

Эта кривая показывает, что излучаемая мощность примерно линейно зависит от прямого тока в типичном рабочем диапазоне. Однако при очень высоких токах эффективность может снижаться из-за нагрева и других эффектов.

4.6 Относительная сила излучения в зависимости от углового смещения (Рис. 6)

Эта полярная диаграмма визуально определяет угол обзора. Интенсивность максимальна при 0 градусов (на оси) и уменьшается с увеличением угла, достигая половины максимального значения примерно при ±10 градусах (отсюда полный угол обзора 20 градусов).

5. Механическая информация и данные о корпусе

Устройство использует стандартный 5-миллиметровый корпус T-1. Расстояние между выводами составляет 2,54 мм (0,1 дюйма), что является стандартным шагом для многих макетных плат и разводок печатных плат. Корпус изготовлен из прозрачного пластика, который прозрачен для инфракрасного света с длиной волны 940 нм, что минимизирует оптические потери. Катод обычно идентифицируется по плоскому срезу на ободке пластиковой линзы и/или более короткому выводу. Подробный механический чертёж в техническом описании содержит все критические размеры с допусками, что необходимо для проектирования посадочного места на печатной плате и обеспечения правильной установки в корпуса или линзы.

6. Рекомендации по пайке и сборке

Чтобы предотвратить повреждение во время сборки, необходимо соблюдать определённые условия пайки. Абсолютное максимальное значение температуры пайки составляет 260°C, а время пайки не должно превышать 5 секунд. Это относится как к ручной, так и к волновой пайке. Для конвекционной пайки требуется профиль с пиком при 260°C или ниже. Длительное воздействие высокой температуры может привести к растрескиванию эпоксидного корпуса или повреждению внутренних проводных соединений. Также рекомендуется хранить компоненты в сухой среде, чтобы предотвратить поглощение влаги, которое может вызвать \"вспучивание\" (popcorning) во время конвекционной пайки.

7. Информация об упаковке и заказе

Стандартная упаковка для IR333C следующая: 500 штук упакованы в один пакет, 5 пакетов помещены в одну коробку, а 10 коробок составляют один картон. Итого 25 000 штук в картоне. На этикетке продукта содержится несколько ключевых полей для прослеживаемости и идентификации: CPN (номер детали заказчика), P/N (номер детали производителя), QTY (количество), CAT (ранг/бин интенсивности), HUE (пиковая длина волны), REF (ссылка) и LOT No (номер партии).

8. Рекомендации по проектированию приложений

8.1 Типовые схемы включения

Наиболее распространённая схема управления — простой последовательный резистор. Значение резистора (R_s) рассчитывается по закону Ома: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. Например, для питания светодиода током 20 мА от источника 5 В с типичным V_F1,5 В: R_s= (5В - 1,5В) / 0,02А = 175 Ом. Подойдёт стандартный резистор 180 Ом. Для импульсной работы при высоких токах (например, 1 А) необходим транзисторный или MOSFET-ключ, часто управляемый микроконтроллером.

8.2 Вопросы проектирования

• Управление теплом:Хотя корпус мал, при высоких постоянных токах рассеиваемая мощность (P_d= V_F* I_F) может приближаться к пределу 150 мВт. Обеспечьте достаточную вентиляцию или рассмотрите возможность использования импульсного управления для снижения средней мощности.
• Оптическое проектирование:Угол обзора 20 градусов обеспечивает сфокусированный луч. Для более широкого покрытия может потребоваться рассеивающая линза. И наоборот, для приложений с очень большой дальностью можно использовать дополнительную коллимирующую линзу для дальнейшего сужения луча.
• Согласование с приёмником:Всегда используйте IR333C в паре с приёмником (фототранзистором, фотодиодом или ИС), чувствительным в области 940 нм. Использование оптического фильтра, блокирующего видимый свет, может значительно улучшить отношение сигнал/шум при наличии окружающего света.

9. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению со стандартными видимыми светодиодами или другими инфракрасными светодиодами, ключевыми отличительными особенностями IR333C являются сочетание высокой импульсной выходной мощности (450 мВт/ср при 1 А), низкого прямого напряжения и узкого угла луча 20 градусов. Некоторые конкурирующие устройства могут предлагать более широкие углы обзора для большего охвата, но за счёт осевой интенсивности. Длина волны 940 нм является одной из самых распространённых и экономически эффективных, с хорошей атмосферной передачей и множеством вариантов приёмников, по сравнению, например, со светодиодами на 850 нм, которые имеют видимое красное свечение.

10. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Могу ли я управлять этим светодиодом напрямую с вывода микроконтроллера?

О: Для непрерывной работы при 20 мА проверьте, может ли вывод GPIO вашего микроконтроллера выдавать или принимать такой ток. Многие могут работать только с 10-25 мА. Часто безопаснее использовать транзистор в качестве ключа.

В: Почему сила излучения намного выше в импульсном режиме?

О: Импульсный ток позволяет управлять светодиодом при токах, значительно превышающих его постоянный номинал, без перегрева перехода. Световой выход в основном является функцией мгновенного тока, поэтому короткие импульсы высокого тока дают очень яркие вспышки.

В: Как определить катод?

О: Найдите плоский срез на круглой пластиковой линзе. Вывод рядом с этим срезом — катод. Также вывод катода обычно короче вывода анода.

В: Безопасен ли такой инфракрасный светодиод для глаз?

О: Хотя излучение невидимо, инфракрасное излучение всё ещё может фокусироваться хрусталиком глаза на сетчатке. Для мощных применений, особенно с линзами, разумно избегать прямого наблюдения. Большинство бытовых пультов ДУ используют очень низкую среднюю мощность и считаются безопасными для глаз.

11. Пример практического применения

Сценарий: Дальнобойный инфракрасный пульт ДУ для ворот.

Разработчику нужен пульт с дальностью 50 метров в дневное время. Он выбирает IR333C в бине Q для максимальной интенсивности. Схема использует микроконтроллер для генерации несущего сигнала 38 кГц, который амплитудно модулируется кодом данных. Для импульсного управления светодиодом током 1 А с очень низкой скважностью (например, 1%) используется транзистор NPN. Перед светодиодом добавлена простая пластиковая линза для небольшой коллимации луча. На стороне приёмника используется стандартный ИК-приёмный модуль на 38 кГц с фильтром на 940 нм. Эта конструкция использует высокую импульсную мощность светодиода и узкий луч для достижения требуемой дальности при сохранении низкого среднего энергопотребления для длительного срока службы батареи.

12. Введение в принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) — это полупроводниковый p-n переход. При приложении прямого напряжения электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются через переход. При рекомбинации этих носителей заряда высвобождается энергия. В ИК-светодиоде полупроводниковый материал (GaAlAs для IR333C) выбран так, чтобы эта энергия высвобождалась в основном в виде фотонов в инфракрасной части электромагнитного спектра (около 940 нм). Прозрачный эпоксидный корпус действует как линза, формируя излучаемый свет в характерную диаграмму направленности.

13. Технологические тренды

Тренд в инфракрасных светодиодах продолжается в сторону повышения эффективности (больше излучаемой мощности на ватт электрической мощности) и увеличения плотности мощности. Это позволяет увеличить срок службы батареи и дальность работы портативных устройств. Также ведутся разработки в области многоспектральных и перестраиваемых ИК-источников для передовых измерительных применений, таких как анализ газов и спектроскопические измерения. Интеграция схемы управления светодиодом и даже датчика в компактные модули — ещё один распространённый тренд, упрощающий проектирование для конечных пользователей. Основополагающая тенденция к соблюдению директивы RoHS и стандартов \"зелёного\" производства остаётся сильной во всей отрасли.