Техническая документация на инфракрасный светодиод HIR67-21C/L11/TR8 - Пиковая длина волны 850 нм - Угол обзора 120° - Прямой ток 65 мА

1. Обзор продукта

HIR67-21C/L11/TR8 — это высокопроизводительный инфракрасный (ИК) излучающий диод, предназначенный для поверхностного монтажа. Он заключен в миниатюрный SMD-корпус с плоской верхней линзой, отлитой из прозрачной пластмассы, которая также выполняет роль линзы. Устройство сконструировано для излучения света с пиковой длиной волны 850 нм, что обеспечивает спектральное соответствие с распространенными кремниевыми фотодиодами и фототранзисторами. Это соответствие имеет решающее значение для максимизации эффективности детектирования в оптоэлектронных системах.

Его ключевые преимущества включают низкое прямое напряжение, способствующее энергоэффективности, и совместимость со стандартными процессами инфракрасной и парофазной пайки оплавлением. Компонент также соответствует ключевым экологическим и нормам безопасности: не содержит свинца (Pb-free), соответствует директиве RoHS, регламенту ЕС REACH и не содержит галогенов, соответствуя установленным порогам по содержанию брома и хлора.

Целевой рынок для данного ИК-светодиода охватывает различные сегменты потребительской и промышленной электроники, где требуется надежное невидимое световое детектирование.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельно допустимые параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Непрерывный прямой ток (IF):65 мА. Это максимальный постоянный ток, который может непрерывно протекать через светодиод.
• Обратное напряжение (VR):5 В. Превышение этого обратного напряжения смещения может вызвать пробой p-n перехода.
• Рабочая температура и температура хранения (Topr, Tstg):от -40°C до +100°C. Этот широкий диапазон обеспечивает надежность работы в жестких условиях окружающей среды.
• Температура пайки (Tsol):260°C в течение максимум 5 секунд, что совместимо с профилями бессвинцовой пайки оплавлением.
• Рассеиваемая мощность (Pd):130 мВт при температуре окружающей среды 25°C или ниже. При более высоких температурах необходимо снижение мощности (дерейтинг).

2.2 Электрооптические характеристики (Ta=25°C)

Эти параметры определяют производительность устройства в типичных рабочих условиях.

• Излучаемая интенсивность (Ie):Обычно 2,0 мВт/ср при прямом токе (IF) 20 мА. В импульсном режиме (ширина импульса 100 мкс, скважность ≤1%) при токе 100 мА может достигать 10 мВт/ср.
• Пиковая длина волны (λp):850 нм (типовое значение). Это длина волны, на которой излучаемая оптическая мощность максимальна.
• Спектральная ширина (Δλ):45 нм (типовое значение). Это указывает на диапазон излучаемых длин волн, центрированный вокруг пика.
• Прямое напряжение (VF):Обычно 1,45 В при 20 мА, максимум 1,65 В. При 100 мА (импульсный) диапазон составляет от 1,80 В до 2,40 В.
• Обратный ток (IR):Максимум 10 мкА при обратном напряжении 5 В.
• Угол обзора (2θ1/2):120 градусов (типовое значение). Это полный угол, при котором излучаемая интенсивность падает до половины от максимального значения, что указывает на очень широкую диаграмму направленности.

3. Анализ характеристических кривых

В технической документации представлены несколько характеристических кривых, необходимых для проектирования схемы и управления тепловым режимом.

3.1 Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры окружающей среды

Этот график показывает, как максимально допустимая рассеиваемая мощность уменьшается с ростом температуры окружающей среды. Конструкторы должны использовать эту кривую, чтобы гарантировать работу светодиода в пределах его безопасной рабочей области, особенно в высокотемпературных приложениях. Снижение мощности (дерейтинг) является линейным, начиная с 130 мВт при 25°C и достигая нуля при максимальной температуре перехода.

3.2 Спектральное распределение

Кривая спектрального распределения отображает относительную интенсивность в зависимости от длины волны. Она подтверждает пик излучения на 850 нм и спектральную ширину примерно 45 нм. Эта информация жизненно важна для выбора соответствующих фотодетекторов и оптических фильтров.

3.3 Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (Вольт-амперная характеристика)

Эта нелинейная зависимость критически важна для проектирования схемы ограничения тока. Кривая показывает, что небольшое увеличение напряжения питания сверх типичного VF может привести к большому, потенциально разрушительному увеличению тока, что подчеркивает необходимость правильного регулирования тока (например, с помощью последовательного резистора или источника постоянного тока).

3.4 Относительная излучаемая интенсивность в зависимости от углового смещения

Эта полярная диаграмма наглядно представляет угол обзора 120 градусов. Интенсивность максимальна при 0 градусов (перпендикулярно поверхности светодиода) и симметрично уменьшается до 50% от максимума при ±60 градусах от центра.

4. Механическая информация и упаковка

4.1 Габаритные размеры корпуса

Светодиод поставляется в компактном SMD-корпусе. Ключевые размеры включают размер корпуса, расстояние между выводами и общую высоту. Все размеры указаны в миллиметрах со стандартным допуском ±0,1 мм, если не указано иное. Конструкция с плоской верхней линзой способствует широкому углу обзора.

4.2 Идентификация полярности

Катод обычно обозначается маркировкой на корпусе, такой как выемка, точка или укороченный вывод. Во время монтажа необходимо соблюдать правильную полярность, чтобы предотвратить повреждение от обратного смещения.

4.3 Спецификация намотки на катушку и транспортной ленты

Компоненты поставляются на 8-миллиметровой транспортной ленте, намотанной на катушки диаметром 7 дюймов, что является стандартом для автоматизированной сборки. Каждая катушка содержит 2000 штук. Предоставлены подробные размеры транспортной ленты (размер гнезда, шаг и т.д.) для обеспечения совместимости с автоматическим сборочным оборудованием.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

5.1 Хранение и чувствительность к влаге

Светодиоды чувствительны к влаге (MSL). Меры предосторожности включают:

• Не вскрывайте влагозащитный пакет до момента готовности к использованию.
• Храните невскрытые пакеты при температуре ≤30°C и влажности ≤90%. Используйте в течение одного года.
• После вскрытия используйте компоненты в течение 168 часов (7 дней) при хранении в условиях ≤30°C и ≤70% влажности.
• Если время хранения превышено или индикатор влажности показывает наличие влаги, перед использованием необходимо прогреть компоненты при 60±5°C в течение 24 часов.

5.2 Пайка оплавлением

Предоставлен рекомендуемый температурный профиль для бессвинцовой пайки оплавлением. Ключевые моменты:

• Пиковая температура не должна превышать 260°C.
• Время выше температуры ликвидуса (например, 217°C) должно контролироваться.
• Пайку оплавлением не следует выполнять более двух раз.
• Избегайте механических нагрузок на корпус во время нагрева и охлаждения.

5.3 Ручная пайка и ремонт

Если необходима ручная пайка:

• Используйте паяльник с температурой жала<350°C.
• Ограничьте время контакта ≤3 секундами на каждый вывод.
• Используйте паяльник мощностью ≤25 Вт.
• Обеспечьте интервал охлаждения ≥2 секунды между пайкой каждого вывода.
• Избегайте ремонта уже припаянных светодиодов. Если это неизбежно, используйте двусторонний паяльник для одновременного нагрева обоих выводов и минимизации термического напряжения. Проверьте работоспособность устройства после любой попытки ремонта.

6. Рекомендации по применению

6.1 Типовые сценарии применения

В технической документации перечислены несколько областей применения, включая:

• Накопители на гибких дисках и видеомагнитофоны:Для определения положения и обнаружения конца ленты.
• Оптоэлектронные переключатели:Используются для обнаружения объектов, подсчета и определения положения путем объединения ИК-светодиода с фототранзистором или фотодиодом.
• Камеры:Часто используются в системах автофокусировки или для инфракрасной подсветки в ночном видении.
• Детекторы дыма:Применяются в детекторах затенения, где частицы дыма прерывают ИК-луч между светодиодом и датчиком.

6.2 Особенности проектирования

Ограничение тока:Это наиболее критичный аспект проектирования. Внешний последовательный резистор обязателен для установки рабочего тока и защиты светодиода от перегрузки по току, вызванной незначительными колебаниями напряжения. Значение резистора (R) можно рассчитать по закону Ома: R = (Vпитания - VF) / IF, где VF — прямое напряжение из технической документации при требуемом токе IF.
Тепловой менеджмент:Для непрерывной работы, близкой к максимальному номинальному току, или в условиях высокой температуры окружающей среды, продумайте разводку печатной платы для отвода тепла. Убедитесь, что рассеиваемая мощность (Pd = VF * IF) не превышает сниженного максимума, определенного по кривой "Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры".
Оптическое проектирование:Широкий луч 120° подходит для приложений, требующих широкого покрытия. Для более сфокусированных лучей могут потребоваться внешние линзы или отражатели. Убедитесь, что материал корпуса прозрачен для ИК-света с длиной волны 850 нм.

7. Техническое сравнение и отличия

Хотя в технической документации не проводится сравнение с конкретными конкурентными изделиями, HIR67-21C/L11/TR8 предлагает комбинацию характеристик, которая хорошо позиционирует его на рынке:

• Широкий угол обзора (120°):Обеспечивает более широкое покрытие, чем многие стандартные ИК-светодиоды, у которых угол обзора часто составляет около 20-60 градусов.
• Низкое прямое напряжение:Способствует снижению энергопотребления и уменьшению тепловыделения по сравнению со светодиодами с более высоким VF.
• Соответствие экологическим нормам:Его статус "не содержит свинца", соответствие RoHS, REACH и отсутствие галогенов удовлетворяет строгим глобальным нормативным требованиям, что является ключевым отличием для современного производства электроники.
• Высокая импульсная мощность:Способность обеспечивать 10 мВт/ср в импульсном режиме (100 мА) делает его подходящим для приложений, требующих высокой мгновенной мощности сигнала, таких как определенные протоколы связи или датчики.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Почему ограничительный резистор абсолютно необходим?
А: Вольт-амперная характеристика показывает экспоненциальную зависимость тока от напряжения для светодиода. Небольшое увеличение напряжения питания сверх номинального VF вызывает очень большое, потенциально разрушительное увеличение тока. Последовательный резистор обеспечивает линейное падение напряжения, стабилизируя ток и защищая светодиод.

В: Могу ли я управлять этим светодиодом напрямую с вывода микроконтроллера на 3,3 В или 5 В?
А: Нет. Выводы микроконтроллера имеют ограниченную способность источника/стока тока (часто 20-40 мА) и не предназначены для прямого управления мощными светодиодами. Кроме того, вам все равно понадобится последовательный резистор. Используйте вывод микроконтроллера для управления транзистором или MOSFET, который коммутирует больший ток, необходимый для светодиода.

В: Что означает "спектрально согласован с кремниевым фотодиодом"?
А: Кремниевые фотодетекторы имеют пиковую чувствительность в ближней инфракрасной области, около 800-900 нм. Пиковая длина волны 850 нм этого светодиода попадает в эту зону высокой чувствительности, обеспечивая максимальное преобразование излучаемого света в электрический ток детектором, что приводит к оптимальному отношению сигнал/шум системы.

В: Как интерпретировать условие "Длительность импульса ≦100 мкс, Скважность ≦1%" для теста при 100 мА?
А: Это означает, что более высокие значения излучаемой интенсивности и прямого напряжения при 100 мА действительны только тогда, когда светодиод работает в импульсном режиме, а не от постоянного тока. Импульс должен быть длительностью 100 микросекунд или меньше, а время между импульсами должно быть достаточно большим, чтобы средняя скважность составляла 1% или меньше (например, один импульс 100 мкс каждые 10 мс). Это предотвращает чрезмерный нагрев.

9. Практический пример проектирования и использования

Пример: Проектирование простого датчика обнаружения объекта.
Цель:Обнаружить, когда объект проходит между ИК-светодиодом и фототранзистором.
Компоненты:ИК-светодиод HIR67-21C/L11/TR8, соответствующий кремниевый фототранзистор, резисторы, компаратор/операционный усилитель или микроконтроллер.
Шаги:

1. Схема драйвера светодиода:Питайте светодиод от источника 5 В. Выберите рабочий ток, например, 20 мА для хорошей интенсивности и долговечности. Рассчитайте последовательный резистор: R = (5В - 1,45В) / 0,020А = 177,5 Ом. Используйте стандартный резистор 180 Ом. Убедитесь, что рассеиваемая мощность на резисторе и светодиоде допустима.
2. Схема детектора:Расположите фототранзистор напротив светодиода, совместив их. Когда ИК-луч не прерывается, фототранзистор проводит ток, создавая падение напряжения на нагрузочном резисторе. Когда объект блокирует луч, фототранзистор перестает проводить, и напряжение изменяется.
3. Обработка сигнала:Это изменение напряжения можно подать на компаратор для создания четкого цифрового сигнала или непосредственно на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера для более сложной обработки.
4. Особенности:Защитите установку от окружающего света (который содержит ИК-излучение), чтобы предотвратить ложные срабатывания. Широкий луч 120° светодиода помогает с допуском на выравнивание, но может потребовать использования трубки или барьера для более точного определения пути детектирования.

10. Введение в принцип работы

Инфракрасные светоизлучающие диоды (ИК-светодиоды) работают по тому же фундаментальному принципу, что и видимые светодиоды: электролюминесценция в полупроводниковом материале. Когда прямое напряжение прикладывается к p-n переходу, электроны из n-области рекомбинируют с дырками из p-области. Это событие рекомбинации высвобождает энергию. В ИК-светодиоде полупроводниковый материал (в данном случае арсенид галлия-алюминия - GaAlAs) выбран таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны соответствовала излучению фотонов в инфракрасном спектре (длины волн больше, чем у видимого красного света, обычно от 700 нм до 1 мм). Длина волны 850 нм находится в области "ближнего инфракрасного диапазона" (БИК), который невидим для человеческого глаза, но легко обнаруживается кремниевыми датчиками. Корпус с плоской прозрачной эпоксидной линзой служит как для защиты от окружающей среды, так и в качестве линзы для формирования диаграммы направленности излучаемого света.

11. Тенденции развития

Область инфракрасной оптоэлектроники продолжает развиваться. Ключевые тенденции, относящиеся к таким компонентам, как HIR67-21C/L11/TR8, включают:

• Повышение эффективности:Постоянные исследования в области материаловедения направлены на разработку полупроводниковых структур с более высокой внутренней квантовой эффективностью (больше фотонов на электрон) и улучшенным извлечением света из корпуса, что приводит к более высокой излучаемой интенсивности при той же входной мощности.
• Миниатюризация:Стремление к созданию более компактной и плотной электроники стимулирует разработку еще более компактных SMD-корпусов при сохранении или улучшении оптических характеристик и тепловых свойств.
• Расширение вариантов длин волн:Хотя 850 нм и 940 нм являются распространенными, ведутся разработки в области других длин волн БИК для конкретных применений, таких как 810 нм для медицинских устройств или определенные полосы для газового анализа.
• Интеграция:Тенденции включают интеграцию ИК-светодиода с драйверной ИС или даже с фотодетектором в одном корпусе для создания полных, откалиброванных сенсорных модулей, упрощающих системное проектирование для конечных пользователей.
• Ужесточение нормативных требований:Экологические нормы и требования к материалам (RoHS, REACH, отсутствие галогенов) будут продолжать ужесточаться, стимулируя разработку новых материалов для корпусов и производственных процессов, которые соответствуют этим требованиям без ущерба для производительности или надежности.