Техническая документация на мощный инфракрасный светодиод HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR - SMD корпус - 850нм - 3.5В - 3Вт

1. Обзор продукта

HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR — это мощный инфракрасный излучающий диод, предназначенный для требовательных применений, где необходима надежная и эффективная ИК-подсветка. Он выполнен в компактном корпусе для поверхностного монтажа (SMD), что делает его пригодным для автоматизированных процессов сборки. Корпус отлит из прозрачного силиконового материала со сферической верхней линзой, что способствует достижению заданного угла обзора и диаграммы направленности излучения.

Основное преимущество данного светодиода заключается в сочетании малых габаритов и высокой эффективности оптического выхода. Он изготовлен на основе кристалла из GaAlAs (арсенида галлия-алюминия), оптимизированного для излучения в ближнем инфракрасном диапазоне. Ключевой особенностью является спектральное соответствие кремниевым фотодиодам и фототранзисторам, что делает его идеальным источником света для систем обнаружения и формирования изображений, использующих эти распространенные кремниевые детекторы. Это обеспечивает максимальную чувствительность и отношение сигнал/шум в целевых приложениях.

Основные целевые рынки и области применения включают системы видеонаблюдения и безопасности, в частности камеры ночного видения на основе ПЗС-матриц, а также различные ИК-системы, такие как датчики приближения, промышленная автоматизация и машинное зрение. Соответствие экологическим стандартам, таким как RoHS, REACH и требованиям по отсутствию галогенов, делает его пригодным для использования в продуктах со строгими нормативными требованиями.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Номинальный постоянный прямой ток (I_F) составляет 1500 мА. В импульсном режиме он может выдерживать пиковый прямой ток (I_FP) до 5000 мА при определенных условиях (длительность импульса ≤100 мкс, скважность ≤1%). Максимальное обратное напряжение (V_R) составляет 5 В, что является типичным значением для светодиодов и указывает на то, что устройство не должно подвергаться значительному обратному смещению. Диапазон рабочих температур и температур хранения составляет от -40°C до +100°C, с максимальной температурой перехода (T_j) 125°C. Превышение этих значений может привести к необратимому повреждению.

Тепловое сопротивление от перехода к выводам (R_th(j-L)) составляет 18 К/Вт. Этот параметр критически важен для управления тепловым режимом. Он определяет, насколько повышается температура перехода на каждый ватт рассеиваемой мощности. При указанной рассеиваемой мощности (P_d) 3 Вт при I_F=700 мА эффективный теплоотвод необходим для поддержания температуры перехода в безопасных пределах, особенно при более высоких токах накачки.

2.2 Электрооптические характеристики

Основные оптические параметры измерены при стандартной температуре окружающей среды 25°C. Пиковая длина волны (λ_p) составляет 850 нм, что соответствует ближнему инфракрасному диапазону, невидимому для человеческого глаза, но хорошо обнаруживаемому кремниевыми сенсорами. Типичная ширина спектральной полосы (Δλ) составляет 25 нм, что указывает на спектральную чистоту излучаемого света.

Излучаемая мощность зависит от тока накачки:

• При I_F=350 мА: Полная излучаемая мощность (P_o) составляет 500 мВт (тип.), Сила излучения (I_E) составляет 200 мВт/ср (тип.).
• При I_F=700 мА: P_oсоставляет 900 мВт (тип.), I_Eсоставляет 400 мВт/ср (тип.).
• При I_F=1 А: P_oсоставляет 1300 мВт (тип.), I_Eсоставляет 560 мВт/ср (тип.).

Прямое напряжение (V_F) увеличивается с ростом тока из-за внутреннего сопротивления диода:

• 3.0 В (тип.) при 350 мА.
• 3.3 В (тип.) при 700 мА.
• 3.5 В (тип.) при 1 А.
• 3.8 В (тип.) при 5 А (импульсный).

Обратный ток (I_R) не превышает 10 мкА при V_R=5 В. Угол обзора (2θ_1/2), определяемый как полный угол на уровне половины интенсивности, составляет 90 градусов, обеспечивая относительно широкую диаграмму направленности, подходящую для подсветки площади.

3. Объяснение системы бининга

Для данного продукта используется система бининга по полной излучаемой мощности, измеренной при токе накачки 1000 мА (1 А). Эта система классифицирует светодиоды по их оптической мощности для обеспечения стабильности характеристик в приложениях. Коды бинов и соответствующие им диапазоны мощности (включая ±10% допуск при тестировании):

• Бин G:Минимум 800 мВт, Максимум 1260 мВт.
• Бин H:Минимум 1000 мВт, Максимум 1600 мВт.
• Бин I:Минимум 1260 мВт, Максимум 2000 мВт.

Это позволяет разработчикам выбирать компоненты, соответствующие конкретным минимальным требованиям к яркости для их системы. В данной спецификации для этого артикула не указаны отдельные бины для длины волны или прямого напряжения, что говорит о жестком контроле этих параметров при производстве.

4. Анализ характеристических кривых

В спецификации приведены несколько типовых характеристических кривых, которые имеют решающее значение для понимания поведения устройства в различных рабочих условиях.

Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (Рис.1):Эта ВАХ показывает экспоненциальную зависимость, типичную для диода. Она необходима для проектирования схемы управления током и расчета потребляемой мощности (V_F* I_F). Кривая смещается с изменением температуры.

Прямой ток в зависимости от силы излучения / полной мощности (Рис.2 и Рис.3):Эти графики иллюстрируют зависимость светового потока от тока накачки. Зависимость, как правило, линейна при низких токах, но может демонстрировать признаки снижения эффективности (сублинейный рост) при очень высоких токах из-за тепловых и электрических эффектов. Это помогает выбрать оптимальную рабочую точку для баланса выходной мощности и эффективности/нагрева.

Относительная сила излучения в зависимости от углового смещения (Рис.4):Эта полярная диаграмма определяет пространственное распределение излучения. Здесь подтверждается угол обзора 90 градусов. Форма кривой (например, ламбертова, "крыло летучей мыши") влияет на распределение света по целевой области.

Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды (Рис.5):Эта кривая снижения номинальных значений является одной из самых важных для надежности. Она показывает максимально допустимый прямой ток для поддержания температуры перехода ниже 125°C при повышении температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды 100°C допустимый постоянный ток значительно снижается. Этот график необходимо использовать при любом проектировании, работающем в условиях, отличных от 25°C.

5. Механическая информация и данные о корпусе

5.1 Габаритные размеры корпуса

Светодиод выполнен в корпусе для поверхностного монтажа. Ключевые размеры на чертеже включают размер корпуса, высоту линзы и расстояние между выводами. Допуски, как правило, составляют ±0,1 мм, если не указано иное. Важное примечание по обращению предупреждает о недопустимости приложения силы к линзе, так как это может повредить внутреннюю структуру и привести к отказу устройства. Во время сборки устройство следует брать за корпус или выводы.

5.2 Конфигурация контактных площадок и полярность

Устройство имеет три электрические контактные площадки: Площадка 1 — Анод (+), Площадка 2 — Катод (-), и Площадка P — специальная Тепловая площадка. Тепловая площадка критически важна для отвода тепла от перехода светодиода на печатную плату (ПП). Для оптимальных тепловых и электрических характеристик разводка ПП должна включать медную полигонную заливку соответствующего размера, соединенную с этой площадкой, с тепловыми переходами на внутренние или нижние слои при необходимости. Для работы обязательна правильная полярность подключения (Анод к положительному источнику питания).

6. Рекомендации по пайке и монтажу

6.1 Профиль оплавления при пайке

Устройство подходит для стандартных процессов SMT-оплавления. Приведен профиль оплавления для бессвинцовой пайки:

• Скорость нагрева:2~3 °C/сек.
• Предварительный нагрев:150~200°C в течение 60~120 секунд.
• Температура плавления припоя (T_L):217°C.
• Время выше T_L:60~90 секунд.
• Пиковая температура (T_P):240 ±5°C.
• Время при пиковой температуре (t_P):Максимум 20 секунд.
• Скорость охлаждения:3~5 °C/сек.

Рекомендуется выполнять пайку оплавлением не более двух раз, чтобы минимизировать термические напряжения на корпусе и внутренних соединениях. Следует избегать механических напряжений на светодиоде во время нагрева, а плату не следует изгибать после пайки, чтобы предотвратить механическое повреждение паяных соединений или самого светодиода.

6.2 Условия хранения

Устройство поставляется в влагозащитной упаковке, включающей алюминиевый влагонепроницаемый пакет с осушителем. Если упаковка вскрыта, устройства чувствительны к поглощению влаги и должны быть использованы в течение указанного времени или просушены в соответствии со стандартными процедурами MSL (Уровень чувствительности к влаге) перед оплавлением, чтобы предотвратить повреждение типа "попкорн" во время пайки. Конкретный уровень MSL в предоставленном отрывке не указан.

7. Упаковка и информация для заказа

Устройство поставляется на несущей ленте в катушке для автоматизированной сборки методом "pick-and-place". В каждой катушке содержится 400 штук. Приведены размеры несущей ленты для обеспечения совместимости с оборудованием для подачи компонентов. На упаковочной этикетке указана стандартная информация, такая как номер детали (P/N), количество (QTY) и номер партии (LOT No.) для прослеживаемости. Здесь же указывается код бина для излучаемой мощности (CAT).

8. Примечания по применению и рекомендации по проектированию

8.1 Типовые схемы включения

Для стабильной работы данного инфракрасного светодиода требуется источник постоянного тока, а не постоянного напряжения. Для применений с низким током можно использовать простой последовательный резистор, но для высоких токов, на которые рассчитано это устройство, рекомендуется использовать специализированную микросхему драйвера светодиодов или токовый регулятор на транзисторах, чтобы обеспечить стабильный световой поток и защитить светодиод от токовых выбросов. Драйвер должен быть способен обеспечивать требуемый прямой ток и выдерживать падение прямого напряжения.

8.2 Тепловой режим

Это самый критичный аспект использования данного мощного светодиода. В спецификации прямо рекомендуется добавлять радиатор. Конструкция ПП должна включать значительную тепловую площадку, соединенную с тепловой площадкой светодиода и имеющую достаточную площадь меди. Настоятельно рекомендуется использовать тепловые переходы для отвода тепла на другие слои ПП или внешний радиатор. Максимальная температура перехода 125°C не должна быть превышена; следовательно, необходимо выполнять тепловые расчеты или измерения на основе фактического рабочего тока, температуры окружающей среды и тепловых свойств ПП.

8.3 Оптическое проектирование

Для применений, таких как подсветка камер, могут использоваться вторичная оптика (линзы или отражатели) для коллимации или формирования 90-градусного луча в более сфокусированный пучок, чтобы увеличить дальность действия или эффективность. Прозрачная линза обеспечивает минимальное поглощение инфракрасного света. При проектировании подсветки на расстоянии разработчикам следует учитывать силу излучения (мВт/ср), а не только полную мощность.

9. Техническое сравнение и отличия

По сравнению со стандартными инфракрасными светодиодами в корпусах 5 мм или 3 мм для монтажа в отверстия, данное SMD-устройство предлагает значительно более высокую оптическую мощность (до 1300+ мВт против десятков мВт) в более компактном и технологичном корпусе. Его тепловое сопротивление 18 К/Вт относительно невелико для SMD-светодиода, что указывает на хороший тепловой путь, но по-прежнему требует тщательного управления по сравнению со светодиодами, установленными на платах с металлическим основанием или со встроенными радиаторами. Длина волны 850 нм является распространенным стандартом, обеспечивающим хороший баланс между чувствительностью кремниевых детекторов и меньшей заметностью по сравнению со светодиодами 940 нм (которые почти невидимы, но дают меньший отклик сенсора).

10. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Могу ли я питать этот светодиод напрямую от источника 5В через резистор?

О: Возможно, но это требует тщательного расчета. При токе 1А, V_Fсоставляет ~3.5В. Последовательный резистор должен будет рассеять 1.5В при токе 1А, что означает R = 1.5 Ом и рассеиваемую мощность 1.5 Вт. Это неэффективно и создает дополнительное тепло. Для токов выше 350 мА настоятельно рекомендуется использовать специализированный стабилизатор тока.

В: Зачем необходим радиатор?

О: При токе 700 мА рассеиваемая мощность составляет примерно 3.3В * 0.7А = 2.31 Вт. При тепловом сопротивлении 18 К/Вт температура перехода повысится на 2.31 Вт * 18 К/Вт = ~41.6°C относительно температуры выводов. Если ПП/выводы не охлаждаются, температура перехода может легко превысить 125°C, что приведет к быстрой деградации или отказу.

В: В чем разница между полной излучаемой мощностью (мВт) и силой излучения (мВт/ср)?

О: Полная излучаемая мощность — это интегральная оптическая мощность, излучаемая во всех направлениях. Сила излучения — это мощность, излучаемая в единицу телесного угла в определенном направлении (обычно по оси). Интенсивность более актуальна для направленных применений, в то время как полная мощность важна для общей эффективности системы.

В: Безопасен ли этот светодиод для глаз?

О: Инфракрасные светодиоды, особенно мощные, могут быть опасны для глаз. Они излучают невидимое излучение, которое может повредить сетчатку до срабатывания мигательного рефлекса. Всегда соблюдайте соответствующие стандарты безопасности лазерной/инфракрасной продукции (например, IEC 62471) и реализуйте соответствующие меры защиты (рассеиватели, кожухи, ограничения интенсивности) в конечном изделии.

11. Пример использования и проектирования

Сценарий: Подсветка ночного видения для камеры видеонаблюдения.

Разработчик создает компактную IP-камеру с функцией ночного видения на основе кремниевого сенсора изображения. Он выбирает этот светодиод 850 нм из-за его высокой мощности и спектрального соответствия. Четыре светодиода размещаются вокруг объектива камеры. Каждый из них питается током 700 мА от компактной импульсной микросхемы драйвера светодиодов для обеспечения стабильного выходного сигнала при изменении напряжения батареи. Плата представляет собой 4-слойную ПП, внутренний слой земли которой соединен через множество тепловых переходов с большой медной площадкой под каждым светодиодом для распределения тепла. На светодиоды нанесена слегка рассеивающая пленка для смешивания лучей и уменьшения "горячих точек" на изображении. Тепловая конструкция проверена с помощью тепловизора, подтвердив, что температура корпуса светодиода остается ниже 85°C при температуре окружающей среды 40°C, что удерживает температуру перехода в безопасных пределах. Полученная система обеспечивает четкое, равномерно освещенное видео ночного видения на расстоянии до 30 метров.

12. Введение в технические принципы

Инфракрасные светодиоды работают по тому же фундаментальному принципу, что и видимые светодиоды: электролюминесценция в полупроводниковом p-n переходе. При приложении прямого напряжения электроны и дырки инжектируются в активную область, где они рекомбинируют, высвобождая энергию в виде фотонов. Длина волны (цвет) излучаемого света определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала. GaAlAs (арсенид галлия-алюминия) является сложным полупроводником, ширину запрещенной зоны которого можно настраивать, изменяя содержание алюминия, для излучения в ближнем инфракрасном диапазоне, в частности около 850 нм. Прозрачная силиконовая оболочка прозрачна для этой длины волны и сформирована в виде линзы для формирования выходного луча. Высокая мощность достигается за счет использования большего полупроводникового кристалла и эффективного корпуса, предназначенного для отвода тепла.

13. Тенденции развития технологий

Тенденция в области инфракрасных светодиодов, особенно для сенсорных систем и систем формирования изображений, направлена на повышение эффективности (больше излучаемой мощности на ватт электрической мощности), что снижает тепловыделение и энергопотребление. Это достигается за счет усовершенствований в конструкции эпитаксиальных слоев и технологий вывода света. Также наблюдается движение в сторону более тесной интеграции, например, светодиодов со встроенными драйверами или комбинированных с фотодетекторами в одном корпусе. Длины волн, такие как 940 нм, набирают популярность для "скрытой" подсветки, поскольку они менее заметны для человеческого глаза, чем 850 нм, хотя и требуют сенсоров с более высокой чувствительностью. Кроме того, стремление к миниатюризации продолжается, требуя высокой мощности во все более компактных SMD-корпусах, что, в свою очередь, повышает важность передовых решений по тепловому управлению на уровне ПП и системы.