Техническая документация на инфракрасный светодиод IR26-91C/L510/2D - Корпус SMD 3.0x1.0мм - Длина волны 940нм - Прямое напряжение 1.6В

1. Обзор продукта

IR26-91C/L510/2D — это миниатюрный инфракрасный излучающий диод для поверхностного монтажа (SMD). Он заключен в компактный корпус размером 3.0мм x 1.0мм, отлитый из прозрачного пластика со сферической линзой. Основная функция компонента — излучение инфракрасного света с пиковой длиной волны 940 нанометров (нм), что спектрально согласовано с чувствительностью распространенных кремниевых фотодиодов и фототранзисторов. Это делает его идеальным источником для инфракрасных систем датчиков и связи, где требуется точная оптическая связь.

1.1 Ключевые особенности и преимущества

Устройство предлагает несколько ключевых технических и нормативных преимуществ. Его основная оптическая особенность — пиковая длина волны 940нм, выбранная для оптимальной работы с кремниевыми детекторами при хорошей атмосферной проницаемости. Электрически оно отличается низким типичным прямым напряжением 1.3В при токе 20мА, что способствует энергоэффективной работе. Компонент производится без свинца (Pb-free) и соответствует европейской директиве RoHS (Об ограничении использования опасных веществ) и регламенту REACH (Регистрация, оценка, разрешение и ограничение химических веществ). Он также классифицируется как бесгалогенный: содержание брома (Br) и хлора (Cl) каждое ниже 900 частей на миллион (ppm), а их общая сумма ниже 1500 ppm.

1.2 Целевые области применения

Этот инфракрасный светодиод предназначен для использования в различных инфракрасных системах. Типичные применения включают датчики приближения, обнаружение объектов, бесконтактные выключатели, оптические энкодеры и каналы передачи данных ближнего действия. Его малый форм-фактор и SMD-исполнение делают его подходящим для автоматизированных процессов сборки в потребительской электронике, промышленной автоматизации и автомобильных модулях внутреннего зондирования.

2. Анализ технических параметров

В этом разделе представлена детальная, объективная интерпретация ключевых электрических, оптических и тепловых параметров, указанных в документации. Понимание этих номиналов критически важно для надежного проектирования схем и обеспечения долгосрочной работы устройства.

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Предельные эксплуатационные параметры определяют границы нагрузок, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Эти параметры не предназначены для непрерывной работы. Непрерывный прямой ток (I_F) имеет номинал 65 мА. Значительно более высокий пиковый прямой ток (I_FP) в 700 мА допустим, но только при строгих импульсных условиях: длительность импульса ≤ 70 микросекунд (мкс) и скважность ≤ 0.7%. Максимальное обратное напряжение (V_R) составляет 5В, что указывает на очень низкую устойчивость светодиода к обратному смещению. Устройство может работать при температурах окружающей среды (T_opr) от -40°C до +85°C и храниться (T_stg) от -40°C до +100°C. Максимальная температура пайки (T_sol) при оплавлении составляет 260°C в течение не более 5 секунд. Рассеиваемая мощность (P_d) при температуре свободного воздуха 25°C или ниже равна 100 мВт. Устройство также имеет защиту от электростатического разряда (ESD) с номиналом по модели человеческого тела (HBM) не менее 2000В и по машинной модели (MM) не менее 200В.

2.2 Электрооптические характеристики

Таблица электрооптических характеристик предоставляет типичные и максимальные/минимальные значения при указанных условиях испытаний (Ta=25°C). Сила излучения (I_e), мера оптической мощности на единицу телесного угла, обычно составляет 8.0 милливатт на стерадиан (мВт/ср) при прямом токе 20мА. Пиковая длина волны (λ_p) центрирована на 940нм. Спектральная ширина полосы (Δλ), представляющая диапазон излучаемых длин волн на половине максимальной интенсивности, обычно равна 45нм. Прямое напряжение (V_F) варьируется от типичного 1.3В до максимального 1.6В при 20мА. Обратный ток (I_R) имеет максимальное значение 10 микроампер (мкА) при приложении обратного смещения 5В. Угол обзора, определяемый как полный угол, при котором интенсивность падает до половины пикового значения, является асимметричным: приблизительно 130 градусов по оси X и 20 градусов по оси Y. Это создает сильно эллиптическую диаграмму направленности, что является критически важным фактором при проектировании формирования луча и юстировки датчика.

3. Анализ характеристических кривых

Документация включает несколько графиков, иллюстрирующих поведение устройства в различных условиях. Эти кривые необходимы для понимания нелинейных зависимостей и проектирования для различных рабочих сред.

3.1 Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая снижения номинала показывает, как максимально допустимый непрерывный прямой ток уменьшается с ростом температуры окружающей среды. При 25°C доступен полный номинал 65мА. При повышении температуры ток должен быть снижен, чтобы не превысить максимальную температуру перехода и пределы рассеиваемой мощности, обеспечивая долгосрочную надежность.

3.2 Спектральное распределение

График спектрального распределения наглядно представляет световой выход как функцию длины волны. Он подтверждает пик на 940нм и спектральную ширину полосы приблизительно 45нм (полная ширина на половине максимума - FWHM). Кривая показывает, что излучается очень мало видимого света (ниже ~700нм), что желательно для незаметной работы в ИК-системах.

3.3 Сила излучения в зависимости от прямого тока

Эта кривая демонстрирует зависимость между током накачки и оптической выходной мощностью. Она, как правило, линейна при низких токах, но может демонстрировать насыщение или снижение эффективности при очень высоких токах из-за тепловых эффектов. Конструкторы используют это для определения необходимого тока накачки для достижения определенного уровня сигнала на детекторе.

3.4 Угловые диаграммы направленности

Отдельные графики для оси X и оси Y показывают относительную силу излучения как функцию углового смещения от оптического центра (0°). Диаграмма по оси X очень широкая (~130° полуугол), в то время как диаграмма по оси Y гораздо уже (~20° полуугол). Этот эллиптический паттерн необходимо учитывать при юстировке светодиода с датчиком или проектировании оптических элементов, таких как линзы или апертуры.

4. Механическая и упаковочная информация

4.1 Габаритные размеры и допуски корпуса

Устройство имеет номинальный размер корпуса: длина 3.0мм, ширина 1.0мм и указанная высота. Предоставлен детальный чертеж с размерами, включая расположение контактных площадок, форму линзы и индикатор полярности (обычно метка или точка на стороне катода). Все неуказанные размеры имеют допуск ±0.1мм. Также показана рекомендуемая конфигурация контактных площадок для бокового монтажа, чтобы обеспечить надлежащую механическую стабильность и формирование паяного соединения при оплавлении.

4.2 Упаковка в кассетную ленту и на катушку

Для автоматизированной сборки методом pick-and-place светодиоды поставляются в тисненой кассетной ленте, намотанной на катушки. В документации указаны точные размеры ячеек ленты, шаг и спецификации катушки. Стандартная катушка содержит 2000 штук. Эта информация жизненно важна для правильной настройки питателей сборочного оборудования.

5. Рекомендации по пайке и сборке

Правильное обращение и пайка имеют решающее значение для предотвращения повреждения светодиода и обеспечения надежности паяных соединений.

5.1 Профиль пайки оплавлением

Компонент подходит для процессов бессвинцовой (Pb-free) пайки оплавлением. Предоставлен рекомендуемый температурный профиль, обычно включающий предварительный нагрев, выдержку, оплавление (пиковая температура ≤ 260°C в течение ≤ 5 секунд) и стадии охлаждения. Количество циклов оплавления не должно превышать трех, чтобы минимизировать термическую нагрузку на пластиковый корпус и внутренние проводные соединения.

5.2 Ручная пайка и переделка

Если необходима ручная пайка, необходимо соблюдать крайнюю осторожность. Температура жала паяльника должна быть ниже 350°C, а время контакта на каждый вывод должно быть ограничено 3 секундами или менее. Рекомендуется маломощный паяльник (≤25Вт). Для переделки рекомендуется использовать двусторонний паяльник для одновременного нагрева обоих выводов и избежания механической нагрузки на паяные соединения. Возможность и влияние переделки должны быть оценены заранее.

5.3 Чувствительность к влаге и хранение

Корпус SMD чувствителен к влаге. Устройство должно храниться в оригинальной влагозащищенной упаковке с осушителем при температуре ≤30°C и относительной влажности (RH) ≤90%. Срок годности до вскрытия упаковки составляет один год. После вскрытия компоненты должны храниться при ≤30°C и ≤70% RH и использоваться в течение 168 часов (7 дней). Если эти условия нарушены или осушитель указывает на насыщение, перед использованием требуется термообработка (прокалка) при 60 ±5°C в течение минимум 24 часов для удаления поглощенной влаги и предотвращения эффекта \"попкорна\" во время оплавления.

6. Соображения по проектированию приложений

6.1 Проектирование цепи управления

Критически важное замечание по проектированию — необходимость ограничения тока. Светодиод должен управляться источником тока или, что более распространено, источником напряжения последовательно с токоограничивающим резистором. В документации прямо указано, что небольшое изменение напряжения может вызвать большое изменение тока, потенциально приводящее к перегоранию. Значение резистора (R_limit) можно рассчитать по закону Ома: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F, где V_F — прямое напряжение светодиода при желаемом токе I_F. Использование максимального значения V_F (1.6В) для этого расчета гарантирует, что ток не превысит целевое значение при любых условиях.

6.2 Оптическое проектирование и юстировка

Из-за сильно эллиптической диаграммы направленности (130° x 20°) необходимо тщательное оптическое проектирование. Для приложений, требующих круглого пятна или определенного профиля освещения, могут потребоваться вторичные оптические элементы, такие как линзы или отражатели. Юстировка между светодиодом и парным фотодетектором также более критична вдоль узкой оси Y. Конструкторам следует обращаться к графикам углового смещения, чтобы понять спад интенсивности.

6.3 Тепловой менеджмент

Хотя рассеиваемая мощность относительно невелика (макс. 100мВт), эффективный тепловой менеджмент все еще важен, особенно в условиях высокой температуры окружающей среды или при работе на высоких токах. Необходимо следовать кривой снижения номинала. Обеспечение достаточной площади меди на печатной плате под контактными площадками светодиода и вокруг них помогает рассеивать тепло и поддерживать более низкую температуру перехода, что сохраняет световую эффективность и долговечность.

7. Техническое сравнение и дифференциация

IR26-91C/L510/2D выделяется на рынке благодаря специфической комбинации параметров. Его длина волны 940нм является распространенным стандартом, обеспечивая хороший баланс между чувствительностью кремниевых детекторов и меньшими помехами от окружающего света по сравнению со светодиодами на 850нм. Очень низкое прямое напряжение (типично 1.3В) является ключевым преимуществом для схем с батарейным питанием или низковольтной логикой, так как снижает необходимый запас по напряжению для драйвера. Компактный размер 3.0x1.0мм позволяет создавать высокоплотные компоновки печатных плат. Соответствие стандартам RoHS, REACH и бесгалогенности делает его подходящим для глобальных рынков со строгими экологическими нормами. Асимметричный угол обзора может быть как преимуществом, так и ограничением, в зависимости от оптических требований приложения.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

8.1 Почему токоограничивающий резистор обязателен?

Светодиод — это диод с нелинейной вольт-амперной характеристикой. После напряжения включения небольшое увеличение напряжения вызывает очень большое увеличение тока. Работа напрямую от источника напряжения без последовательного резистора позволила бы току расти неконтролируемо, быстро превышая предельные эксплуатационные параметры и разрушая устройство. Резистор обеспечивает линейную, предсказуемую зависимость между напряжением питания и током светодиода.

8.2 Могу ли я управлять этим светодиодом с вывода микроконтроллера на 3.3В или 5В?

Да, но последовательный резистор всегда требуется. Например, для работы при I_F=20мА от источника 3.3В, предполагая V_F=1.5В: R = (3.3В - 1.5В) / 0.020А = 90 Ом. Подошел бы стандартный резистор на 91 Ом. Вывод микроконтроллера также должен быть способен выдавать или принимать требуемый ток 20мА.

8.3 Для чего нужна длина волны 940нм?

Инфракрасный свет с длиной волны 940нм невидим для человеческого глаза, что позволяет работать незаметно. Он сильно поглощается кремнием, материалом, используемым в большинстве фотодиодов и фототранзисторов, что делает обнаружение эффективным. Он также испытывает меньше помех от распространенных источников окружающего света (которые имеют меньше ИК-составляющей на 940нм по сравнению с 850нм) и менее подвержен шумам в сенсорах изображения.

8.4 Как определить анод и катод?

Корпус включает маркер полярности. Обратитесь к чертежу корпуса в документации. Обычно катод помечается зеленой точкой, выемкой на корпусе или скошенным углом. Неправильное подключение полярности предотвратит свечение светодиода и, если приложено обратное напряжение, превышающее 5В, может повредить устройство.

9. Практический пример проектирования

Рассмотрим проектирование простого датчика обнаружения объектов с использованием этого светодиода и кремниевого фототранзистора. Светодиод управляется от источника 5В через резистор 180 Ом (ограничивая ток до ~20мА, предполагая V_F=1.5В). Фототранзистор размещается на расстоянии в несколько сантиметров, выровненный по той же оптической оси. Когда объект отсутствует, ИК-свет от светодиода не достигает фототранзистора, и его выходной сигнал низкий. Когда объект проходит между ними, он отражает часть ИК-света на фототранзистор, вызывая увеличение его выходного тока. Этот сигнал может быть усилен и подан на компаратор или АЦП микроконтроллера для обнаружения присутствия объекта. Эллиптическая диаграмма направленности светодиода означает, что эффективная зона обнаружения датчика будет шире по горизонтали, чем по вертикали, что необходимо учитывать при определении поля зрения датчика.

10. Принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) работает по принципу электролюминесценции в полупроводниковом материале. IR26-91C/L510/2D использует кристалл арсенида галлия-алюминия (GaAlAs). Когда прикладывается прямое напряжение, превышающее напряжение запрещенной зоны диода, электроны из n-области инжектируются через p-n-переход в p-область, а дырки инжектируются в противоположном направлении. Эти носители заряда (электроны и дырки) рекомбинируют в активной области перехода. Энергия, выделяемая при этой рекомбинации, излучается в виде фотонов (частиц света). Конкретный состав полупроводника GaAlAs определяет энергию запрещенной зоны, которая напрямую диктует длину волны излучаемых фотонов — в данном случае, центрированную около 940нм в инфракрасном спектре.

11. Отраслевые тренды

Рынок инфракрасных светодиодов продолжает развиваться. Ключевые тренды включают стремление к более высокой силе излучения и эффективности от меньших корпусов для обеспечения более мощного зондирования в компактных устройствах. Растет интеграция ИК-светодиодов с драйверами и датчиками в полные модули или системы-в-корпусе (SiP). Спрос на специфические длины волн диверсифицируется; хотя 940нм остается стандартом, длины волн, такие как 850нм (для наблюдения) и 1050нм/1300нм (для специальных сенсорных приложений), набирают популярность. Кроме того, стремление к снижению энергопотребления и повышению надежности в автомобильных (например, мониторинг салона), потребительских (например, распознавание лица) и промышленных IoT-приложениях стимулирует развитие технологии кристаллов, корпусов и теплового менеджмента для ИК-излучателей.