ИК-излучающий светодиод 5мм прозрачный корпус - Диаметр 5мм - Прямое напряжение 1.8В - Сила излучения 4.81мВт/ср - Техническая спецификация на русском

1. Обзор продукта

В данном документе подробно описаны характеристики мощного миниатюрного инфракрасного (ИК) светоизлучающего диода (СИД), размещенного в прозрачном пластиковом корпусе. Устройство представляет собой торцевой излучатель, предназначенный для применений, требующих надежного инфракрасного освещения. Его основная функция — преобразование электрического тока в инфракрасное излучение, обычно для использования в системах обнаружения, детектирования и связи, где он часто используется в паре с совместимым фотодетектором.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Устройство предназначено для надежной работы в пределах указанных электрических и температурных ограничений. Превышение этих параметров может привести к необратимому повреждению.

• Рассеиваемая мощность:150 мВт. Это максимальное количество мощности, которое устройство может безопасно рассеивать в виде тепла при любых условиях эксплуатации.
• Пиковый прямой ток:2 А. Это максимально допустимый импульсный ток, указанный для условий 300 импульсов в секунду с длительностью импульса 10 микросекунд. Он значительно превышает номинальный постоянный ток, позволяя создавать кратковременные вспышки высокой интенсивности.
• Постоянный прямой ток:100 мА. Это максимальный постоянный ток, который можно подавать на светодиод неограниченно долго без риска повреждения.
• Обратное напряжение:5 В. Приложение обратного напряжения смещения, превышающего это значение, может привести к пробою полупроводникового перехода.
• Диапазон рабочих температур:от -40°C до +85°C. Гарантируется работа устройства в этом диапазоне температур окружающей среды.
• Диапазон температур хранения:от -55°C до +100°C. Устройство может храниться без эксплуатации в этом более широком температурном диапазоне.
• Температура пайки выводов:260°C в течение 5 секунд, измеренная на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Это определяет термостойкость для процессов сборки.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры измерены при стандартной температуре окружающей среды 25°C и определяют производительность устройства в нормальных рабочих условиях. Условие тестирования для большинства оптических параметров — прямой ток (I_F) 20 мА.

• Облученность на апертуре (E_e):0,64 мВт/см² (мин.). Измеряет излучаемую мощность на единицу площади в апертуре излучателя. Это ключевой параметр для применений, где излучатель расположен близко к детектору.
• Сила излучения (I_E):4,81 мВт/ср (мин.). Это излучаемая мощность на единицу телесного угла (стерадиан). Это основная мера "яркости" выхода светодиода в инфракрасном спектре и ключевой параметр для расчета освещенности на расстоянии.
• Пиковая длина волны излучения (λ_пик):880 нм (тип.). Устройство излучает инфракрасный свет с центром около этой длины волны. Это ближний инфракрасный (БИК) диапазон, невидимый для человеческого глаза, но легко обнаруживаемый кремниевыми фотодетекторами.
• Полуширина спектральной линии (Δλ):50 нм (макс.). Определяет диапазон длин волн, в котором излучаемая оптическая мощность составляет не менее половины пикового значения. Значение 50 нм указывает на умеренно широкий спектральный выход, что типично для стандартных ИК-светодиодов.
• Прямое напряжение (V_F):1,3 В (мин.), 1,8 В (макс.) при I_F=20мА. Это падение напряжения на светодиоде при работе. Необходимо для проектирования схемы ограничения тока.
• Обратный ток (I_R):100 мкА (макс.) при V_R=5В. Это небольшой ток утечки, протекающий при обратном смещении устройства.
• Угол обзора (2θ_1/2):40° (тип.). Это полный угол, при котором сила излучения падает до половины своего максимального значения (на оси). Угол 40° обеспечивает широкий луч, подходящий для применений, требующих покрытия большой площади.

3. Анализ графиков характеристик

В спецификации представлено несколько графических представлений поведения устройства в различных условиях.

3.1 Спектральное распределение

Кривая спектрального выхода (Рис. 1) показывает относительную силу излучения в зависимости от длины волны. Она подтверждает пиковое излучение примерно на 880 нм с характерной колоколообразной кривой, спадающей по обе стороны. Полуширину можно визуально оценить по этому графику.

3.2 Зависимость прямого тока от прямого напряжения

Вольт-амперная характеристика (Рис. 3) иллюстрирует нелинейную зависимость между приложенным прямым напряжением и результирующим током. Она показывает типичную экспоненциальную характеристику включения диода. Указанный диапазон V_F при 20мА можно сверить с этой кривой.

3.3 Зависимость относительной силы излучения от прямого тока

Эта кривая (Рис. 5) демонстрирует, как оптическая выходная мощность увеличивается с ростом тока накачки. Она, как правило, линейна в значительном диапазоне, но может проявлять насыщение или снижение эффективности при очень высоких токах. Этот график критически важен для определения необходимого тока накачки для достижения желаемого уровня выходной мощности.

3.4 Зависимость относительной силы излучения от температуры окружающей среды

Кривая температурной зависимости (Рис. 4) показывает, что выходная мощность светодиода уменьшается с ростом температуры перехода. Это фундаментальная характеристика полупроводниковых источников света. График позволяет разработчикам снижать ожидаемую выходную мощность для высокотемпературных условий эксплуатации.

3.5 Диаграмма направленности

Полярная диаграмма направленности (Рис. 6) дает визуальное представление угла обзора. Она отображает относительную интенсивность в зависимости от угла от центральной оси, четко показывая половинный угол 40°, где интенсивность падает до 50%.

4. Механическая информация и информация о корпусе

4.1 Габариты корпуса

Устройство использует стандартный торцевой прозрачный пластиковый корпус диаметром 5 мм (часто называемый корпусом T-1 3/4). Ключевые размерные примечания включают:

• Все размеры указаны в миллиметрах с эквивалентами в дюймах.
• Стандартный допуск ±0,25 мм применяется, если не указано иное.
• Максимальный выступ смолы под фланцем составляет 1,5 мм.
• Расстояние между выводами измеряется в точке выхода выводов из корпуса.

Корпус прозрачный, что позволяет инфракрасному свету проходить с минимальным поглощением. Выводы обычно изготовлены из луженого медного сплава.

4.2 Идентификация полярности

Для данного типа корпуса более длинный вывод обычно обозначает анод (положительное соединение), а более короткий — катод (отрицательное соединение). Кроме того, на корпусе может быть плоская площадка на ободке рядом с катодным выводом. Для излучения света устройством необходимо соблюдать правильную полярность.

5. Рекомендации по пайке и сборке

Абсолютный максимальный параметр для пайки выводов составляет 260°C в течение 5 секунд, измеренный на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Этот параметр предназначен для процессов ручной или волновой пайки.

• Пайка оплавлением:Хотя явно не указано для оплавления, ограничение в 260°C предполагает, что оно может выдерживать некоторые профили оплавления. Однако настоятельно рекомендуется использовать профиль с более низкой пиковой температурой (например, 245°C) и контролируемыми скоростями нагрева, чтобы минимизировать термическую нагрузку на пластиковый корпус и внутренние проводные соединения.
• Общие меры предосторожности:Избегайте чрезмерных механических нагрузок на выводы. Не сгибайте выводы у основания корпуса. При необходимости используйте соответствующий теплоотвод во время пайки.
• Условия хранения:Храните в сухой антистатической среде в указанном температурном диапазоне (от -55°C до +100°C), чтобы предотвратить поглощение влаги и другие виды деградации.

6. Рекомендации по применению

6.1 Типичные сценарии применения

Этот ИК-излучатель хорошо подходит для различных оптоэлектронных применений, включая:

• Обнаружение и детектирование объектов:Используется в датчиках приближения, счетчиках объектов и системах детектирования уровня, часто в паре с фототранзистором, таким как упомянутая серия LTR-3208, для формирования оптического прерывателя или отражательного датчика.
• Системы дистанционного управления:Используется в качестве передатчика в инфракрасных пультах дистанционного управления для бытовой электроники.
• Оптические линии передачи данных:Обеспечивает беспроводную последовательную передачу данных на короткие расстояния.
• Системы безопасности:Используется для инфракрасной подсветки камер ночного видения или как часть лучей обнаружения вторжения.

6.2 Соображения при проектировании

• Ограничение тока:Светодиод — это устройство с токовым управлением. Всегда используйте последовательный токоограничивающий резистор или схему драйвера постоянного тока, чтобы предотвратить превышение максимального постоянного прямого тока, особенно учитывая, что прямое напряжение имеет диапазон (1,3В-1,8В).
• Управление теплом:Хотя рассеиваемая мощность мала, работа при высоких постоянных токах или в условиях высокой температуры окружающей среды снизит выходную мощность и срок службы. При необходимости обеспечьте адекватную вентиляцию.
• Оптическое согласование:В спецификации указано, что устройство механически и спектрально согласовано с определенными фототранзисторами. Использование рекомендованного детектора обеспечивает оптимальную чувствительность на пиковой длине волны 880 нм и физическое выравнивание в собранных модулях.
• Защита схемы:Рассмотрите возможность добавления защиты от всплесков обратного напряжения или электростатического разряда (ЭСР), поскольку максимальное обратное напряжение составляет всего 5 В.

7. Техническое сравнение и дифференциация

Ключевые особенности, отличающие этот ИК-излучатель, включают:

• Выбранные диапазоны интенсивности:Устройства сортируются или отбираются для соответствия спецификациям по силе излучения, обеспечивая стабильность производства.
• Высокая выходная мощность:Минимальная сила излучения 4,81 мВт/ср при 20 мА является конкурентоспособной для стандартного корпуса 5 мм, обеспечивая хорошую силу сигнала.
• Широкий угол обзора (40°):Обеспечивает широкое покрытие, что является преимуществом для датчиков приближения и отражательных датчиков, где точное выравнивание менее критично.
• Прозрачный корпус:В отличие от тонированных или рассеивающих корпусов, прозрачная линза максимизирует прямое световое излучение и нейтральна к цвету излучаемого света, что идеально для ИК-применений.
• Согласованность с серией детекторов:Это упрощает проектирование и закупку для систем, использующих парный фототранзистор, гарантируя оптическую и механическую совместимость.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

8.1 Какое значение резистора следует использовать с источником питания 5 В?

Используя закон Ома (R = (V_{питания}- V_F) / I_F) и предполагая целевой I_F20 мА, значение резистора зависит от фактического V_F. Для наихудшего случая проектирования, гарантирующего, что ток никогда не превысит 20 мА, используйте минимальное V_F(1,3 В). R = (5В - 1,3В) / 0,02А = 185 Ом. Ближайшее стандартное значение — 180 Ом. Это обеспечивает максимальный ток ~20,6 мА, что безопасно. Номинальная мощность: P = I²R = (0,02)² * 180 = 0,072 Вт, поэтому резистора на 1/8 Вт или 1/4 Вт достаточно.

8.2 Могу ли я управлять им напрямую с вывода микроконтроллера?

Как правило, нет. Большинство выводов GPIO микроконтроллеров имеют ограничение по току источника/стока 20-40 мА, что находится на границе рабочей точки этого светодиода. Даже если в пределах лимита, выходное напряжение вывода упадет под нагрузкой, делая управление током неточным. Всегда рекомендуется использовать транзистор (например, NPN BJT или N-канальный MOSFET) в качестве переключателя, управляемого выводом микроконтроллера, для независимого управления током светодиода.

8.3 Как температура влияет на производительность?

Как показано на Рис. 4, относительная сила излучения уменьшается с ростом температуры окружающей среды. При +85°C выходная мощность может составлять всего 60-80% от значения при 25°C. И наоборот, при очень низких температурах выходная мощность может быть выше. Это необходимо учитывать в расчетах чувствительности системы, особенно для наружных применений или применений с высокими требованиями к надежности. Прямое напряжение (V_F) также имеет отрицательный температурный коэффициент, то есть немного уменьшается с ростом температуры.

8.4 В чем разница между облученностью на апертуре и силой излучения?

Сила излучения (I_E, мВт/ср)— это угловая мера мощности; она описывает, сколько мощности излучается в определенном направлении (на стерадиан). Она не зависит от расстояния.Облученность на апертуре (E_e, мВт/см²)— это поверхностная мера плотности мощности; она описывает, сколько мощности проходит через единицу площади в апертуре источника. E_eболее актуальна для применений на очень близком расстоянии, где детектор находится практически на поверхности излучателя, в то время как I_Eиспользуется с законом обратных квадратов для расчета облученности на расстоянии.

9. Пример проектирования и использования

Сценарий: Проектирование счетчика листов бумаги для принтера.

Требуется датчик оптического прерывателя для подсчета листов бумаги, проходящих через механизм принтера. П-образный кронштейн удерживает ИК-излучатель с одной стороны и согласованный фототранзистор с другой. Когда бумага отсутствует, ИК-свет от излучателя напрямую попадает на детектор, заставляя его проводить ток. Когда лист бумаги проходит через зазор, он блокирует ИК-луч, вызывая падение проводимости детектора.

Обоснование выбора компонентов:

• Этот ИК-излучатель выбран за еговысокую силу излучения (мин. 4,81 мВт/ср), что обеспечивает сильный сигнал, способный достичь детектора, даже если выравнивание кронштейна не идеально или накапливается пыль.
• Егоширокий угол обзора 40°полезен, так как обеспечивает допуск на незначительные механические смещения между излучателем и детектором, размещенными в отдельных плечах П-образного кронштейна.
• Егоспектральное согласование с фототранзистором LTR-3208гарантирует, что детектор наиболее чувствителен на излучаемой длине волны 880 нм, максимизируя отношение сигнал/шум.
• Егопрозрачный корпусидеален, так как не ослабляет ИК-свет без необходимости.

Реализация схемы:Излучатель питается от источника постоянного тока 20 мА для стабильного выхода. Фототранзистор подключен по схеме с общим эмиттером с подтягивающим резистором. Компаратор или вход АЦП микроконтроллера отслеживает напряжение на коллекторе фототранзистора. Проходящий лист бумаги вызывает отчетливый переход напряжения, который подсчитывается прошивкой микроконтроллера.

10. Введение в принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК СИД) — это полупроводниковый p-n переход. Когда прикладывается прямое напряжение, превышающее встроенный потенциал перехода, электроны из n-области инжектируются через переход в p-область, а дырки из p-области инжектируются в n-область. Эти инжектированные неосновные носители (электроны в p-области, дырки в n-области) рекомбинируют с основными носителями. В полупроводниковом материале с прямой запрещенной зоной, таком как арсенид галлия (GaAs) или подобные соединения, используемые для ИК-излучения, значительная часть этих рекомбинаций являетсяизлучательной.

При излучательной рекомбинации энергия рекомбинирующей электрон-дырочной пары высвобождается в виде фотона. Длина волны (λ) этого фотона определяется энергией запрещенной зоны (E_g) полупроводникового материала согласно уравнению λ = hc / E_g, где h — постоянная Планка, а c — скорость света. Для пика излучения на 880 нм соответствующая энергия запрещенной зоны составляет примерно 1,41 эВ. Прозрачный эпоксидный корпус инкапсулирует полупроводниковый кристалл, обеспечивает механическую защиту и действует как линза, формируя диаграмму направленности излучаемого света.

11. Технологические тренды

Хотя основной принцип работы ИК-светодиодов остается неизменным, несколько тенденций влияют на их развитие и применение:

• Увеличение мощности и эффективности:Постоянные улучшения в материаловедении и дизайне кристаллов приводят к созданию устройств с более высокой силой излучения и эффективностью (выходная оптическая мощность / входная электрическая мощность), что позволяет получать более яркие сигналы или снижать энергопотребление.
• Миниатюризация:Существует сильная тенденция к использованию корпусов для поверхностного монтажа (SMD) (например, 0805, 0603, чип-корпуса) для автоматизированной сборки, что уменьшает размер и стоимость. Сквозной корпус 5 мм остается популярным для прототипирования, образовательных целей и применений, требующих более высокой выходной мощности от одного устройства или более простой ручной сборки.
• Специализация по длине волны:Помимо распространенных светодиодов 850-940 нм, растет использование определенных длин волн для специализированных применений, таких как 810 нм для медицинской пульсоксиметрии или 1450 нм для безопасного для глаз LiDAR.
• Интеграция:Излучатели все чаще интегрируются с драйверами, модуляторами, а иногда даже с детекторами в единые модули или ИС, упрощая проектирование систем для передачи данных и детектирования.
• Расширение областей применения:Распространение Интернета вещей (IoT), носимых устройств, автомобильного LiDAR и передового биометрического детектирования (например, распознавание лиц, детектирование вен) продолжает стимулировать спрос на надежные, недорогие ИК-излучатели с определенными характеристиками.