Техническая документация на инфракрасный светодиод IR25-21C/TR8 с обратным корпусом - SMD исполнение - GaAlAs кристалл - Прозрачная линза

1. Обзор продукта

IR25-21C/TR8 — это миниатюрный инфракрасный излучающий диод в корпусе для поверхностного монтажа (SMD). Он имеет конструкцию с обратным корпусом, отлитым из прозрачного пластика со сферической верхней линзой. Основная функция этого компонента — излучение инфракрасного света, причём его спектральный выход специально согласован с кремниевыми фотодиодами и фототранзисторами, что делает его идеальным источником для различных сенсорных применений.

Ключевые преимущества этого светодиода включают компактный двухвыводной корпус, который облегчает монтаж на печатную плату и интеграцию в конструкции с ограниченным пространством. Он работает при низком прямом напряжении, способствуя энергоэффективности. Устройство соответствует основным экологическим и стандартам безопасности, включая RoHS, EU REACH, и является бесгалогенным, что гарантирует его пригодность для современного электронного производства.

1.1 Руководство по выбору устройства

IR25-21C/TR8 относится к категории инфракрасных (ИК) светодиодов. В нём используется кристалл из арсенида галлия-алюминия (GaAlAs), известный эффективным инфракрасным излучением. Линза прозрачная, что обеспечивает максимальную передачу инфракрасного света без цветовой фильтрации.

2. Технические характеристики и объективная интерпретация

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Пределы работы устройства определены при стандартной температуре окружающей среды (Ta=25°C). Превышение этих параметров может привести к необратимому повреждению.

• Прямой ток (I_F):100 мА — максимальный непрерывный ток, допустимый через светодиод.
• ):_R):5 В — максимальное напряжение, которое может быть приложено в обратном направлении.
• Рассеиваемая мощность (P_d):120 мВт — максимальная мощность, которую корпус может рассеять в виде тепла.
• Рабочая температура (T_opr):от -40°C до +85°C — диапазон температуры окружающей среды для надёжной работы.
• Температура хранения (T_stg):от -40°C до +85°C — безопасный диапазон температур для хранения устройства без подачи питания.
• Температура пайки (T_s):260°C максимум в течение 5 секунд — пиковая температура и продолжительность, которые светодиод может выдержать во время пайки оплавлением.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры измерены при Ta=25°C и определяют типичные характеристики светодиода.

• Сила излучения (I_e):40 мВт/ср (мин.) при I_F=20 мА — это оптическая мощность на единицу телесного угла, ключевая мера яркости для направленных источников, таких как светодиоды.
• Пиковая длина волны (λ_p):940 нм (тип.) — длина волны, на которой светодиод излучает максимальную оптическую мощность. Это хорошо согласуется с пиком чувствительности распространённых кремниевых фотодетекторов.
• Спектральная ширина (Δλ):50 нм (тип.) — диапазон излучаемых длин волн, измеренный на половине пиковой интенсивности (полная ширина на половине максимума).
• Прямое напряжение (V_F):1.5 В (тип.) при I_F=20 мА — падение напряжения на светодиоде при работе на указанном токе. Низкое значение полезно для низковольтных схем.
• Угол обзора (2θ_1/2):±20° (тип.) — угловой диапазон, в котором сила излучения составляет не менее половины пиковой интенсивности. Это определяет ширину луча.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлено несколько графиков, иллюстрирующих поведение устройства в различных условиях.

3.1 Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды

Рисунок 1 показывает снижение максимально допустимого прямого тока с ростом температуры окружающей среды. Для предотвращения перегрева ток должен быть уменьшен при работе выше 25°C. Эта кривая критически важна для проектирования теплового режима.

3.2 Спектральное распределение

Рисунок 2 отображает относительную интенсивность в зависимости от длины волны, подтверждая пик примерно на 940 нм и ширину полосы около 50 нм. Это соответствие спектральной чувствительности кремниевого детектора (пик которой приходится на область 900-1000 нм) максимизирует уровень сигнала в сенсорных системах.

3.3 Относительная интенсивность в зависимости от прямого тока

Рисунок 3 демонстрирует зависимость оптической мощности от тока накачки. Выходная мощность увеличивается с током, но может стать сублинейной при очень высоких токах из-за нагрева и снижения эффективности. Работа в рекомендованном диапазоне обеспечивает стабильную производительность.

3.4 Прямой ток в зависимости от прямого напряжения

Рисунок 4 — это вольт-амперная характеристика. Она показывает экспоненциальную зависимость, типичную для диода. Кривая подчёркивает важность использования токоограничивающего резистора или источника постоянного тока, так как небольшое увеличение напряжения за точкой излома вызывает большое, потенциально разрушительное, увеличение тока.

3.5 Угловое распределение

Рисунок 5 отображает относительную силу излучения в зависимости от угла от центральной оси, определяя пространственную диаграмму направленности (ламбертовскую или иную). Это необходимо для оптического проектирования, определяя, как свет распределяется в целевой области.

4. Механическая и упаковочная информация

4.1 Габаритные размеры корпуса

Светодиод имеет компактную посадочную площадку SMD. Ключевые размеры включают размер корпуса приблизительно 2.0мм x 1.25мм и высоту около 0.8мм. Подробные чертежи определяют расположение контактных площадок, расстояние между выводами и геометрию линзы. Допуски, как правило, составляют ±0.1мм, если не указано иное. Предоставлен рекомендуемый рисунок контактных площадок для проектирования печатной платы, но его следует оптимизировать в зависимости от конкретных производственных процессов и тепловых требований.

4.2 Идентификация полярности

Компонент имеет обратный корпус. Полярность обозначена маркировкой на корпусе или формой посадочного места. Правильная ориентация критически важна для работы схемы.

4.3 Размеры упаковочной ленты

Устройство поставляется на эмбоссированной транспортной ленте шириной 8мм, намотанной на катушку диаметром 7 дюймов. Шаг ленты и размеры ячеек указаны для обеспечения совместимости с автоматическим сборочным оборудованием для установки компонентов. Каждая катушка содержит 2000 штук.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

5.1 Хранение и обращение

Светодиоды чувствительны к влаге (MSL). Не вскрытые влагозащитные пакеты должны храниться при температуре ниже 30°C и влажности 90% RH. После вскрытия "срок хранения на производстве" составляет 168 часов (7 дней) при хранении при влажности ≤60% RH. Превышение этого срока требует просушки (например, 96 часов при 60°C) перед оплавлением, чтобы предотвратить повреждение типа "попкорн" во время пайки.

5.2 Профиль оплавления при пайке

Рекомендуется бессвинцовый (Pb-free) температурный профиль оплавления. Ключевые параметры включают зону предварительного нагрева, плавный подъём температуры, пиковую температуру не выше 260°C максимум в течение 5 секунд и контролируемую фазу охлаждения. Оплавление не должно выполняться более двух раз на одном и том же устройстве.

5.3 Ручная пайка и перемонтаж

Если необходима ручная пайка, следует использовать паяльник с температурой жала ниже 350°C и мощностью ниже 25 Вт. Время контакта на каждый вывод должно быть менее 3 секунд. Для перемонтажа рекомендуется использовать паяльник с двумя жалами для одновременного нагрева обоих выводов и избежания механических напряжений. После любого перемонтажа следует проверить влияние на характеристики устройства.

5.4 Критические меры предосторожности

• Защита по току:Внешний последовательный резистор обязателен для ограничения прямого тока. Крутая ВАХ означает, что незначительные колебания напряжения могут вызвать катастрофический перегруз по току.
• Механические напряжения:Избегайте приложения силы к корпусу светодиода во время или после пайки. Не изгибайте печатную плату вблизи установленного светодиода.

6. Рекомендации по применению и конструктивные соображения

6.1 Типичные сценарии применения

• Инфракрасные датчики на печатной плате:Используется в качестве источника света в датчиках приближения, детекторах объектов и позиционных энкодерах.
• Миниатюрные световые барьеры/оптические выключатели:В паре с фотодетектором создаёт прерываемый луч для счётчиков, световых завес или концевых выключателей.
• Накопители на гибких дисках (устаревшие):Исторически использовались для обнаружения дорожек.
• Дымовые извещатели:Применяются в дымовых извещателях затеняющего типа, где частицы дыма рассеивают световой луч.

6.2 Конструктивные соображения

• Схема управления:Реализуйте источник постоянного тока или источник напряжения с точно рассчитанным токоограничивающим резистором (R = (V_supply- V_F) / I_F).
• Оптическая юстировка:Угол обзора ±20° требует тщательного выравнивания с принимающим детектором для оптимальной связи сигнала, особенно в приложениях с узким лучом.
• Тепловой режим:Обеспечьте достаточную площадь медного покрытия на печатной плате или тепловые переходные отверстия для рассеивания тепла, особенно при работе на более высоких токах или при повышенной температуре окружающей среды.
• Электрические помехи:В чувствительных аналоговых сенсорных схемах рассмотрите возможность экранирования или модуляции сигнала управления светодиодом, чтобы отличить его от окружающего света и электрических помех.

7. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению со стандартными инфракрасными светодиодами, обратный корпус IR25-21C/TR8 предлагает потенциально меньшую высоту и другую диаграмму направленности. Его ключевым отличием является специфическое спектральное соответствие кремнию, что может дать более высокое отношение сигнал/шум в детекторных системах по сравнению со светодиодами с длинами волн вне пика. Соответствие бесгалогенным и современным экологическим стандартам делает его подходящим для инициатив по созданию "зелёной" электроники.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

8.1 Почему токоограничивающий резистор абсолютно необходим?

Экспоненциальная ВАХ диода означает, что за точкой излома прямого напряжения (около 1.5В) ток резко возрастает при минимальном увеличении напряжения. Без резистора, задающего рабочую точку, незначительные колебания источника питания или изменения температуры могут вывести ток за пределы максимального значения 100 мА, мгновенно разрушив светодиод.

8.2 Что означает "спектральное соответствие кремниевому фотодетектору"?

Кремниевые фотодиоды и фототранзисторы имеют определённую кривой спектральной чувствительности; они наиболее чувствительны к свету в диапазоне 800-1000 нм. Пик излучения этого светодиода на 940 нм попадает прямо в эту область высокой чувствительности, гарантируя, что детектор преобразует максимальное количество оптической мощности светодиода в электрический ток, улучшая эффективность системы и дальность действия.

8.3 Насколько критичен срок хранения 168 часов после вскрытия упаковки?

Это очень критично для надёжного монтажа. Влага, поглощённая пластиковым корпусом, может быстро испаряться во время высокотемпературного процесса пайки оплавлением, вызывая внутреннее расслоение, трещины или повреждение соединительных проводов (эффект "попкорна"). Соблюдение срока хранения или выполнение правильной просушки предотвращает этот вид отказа.

9. Пример практического применения

Проектирование счётчика листов бумаги:В офисной технике IR25-21C/TR8 может быть установлен с одной стороны бумагопроводящего тракта, прямо напротив фототранзистора с другой стороны. Когда бумага отсутствует, инфракрасный луч достигает детектора, генерируя высокий сигнал. Когда лист бумаги проходит, он прерывает луч, вызывая падение сигнала детектора. Это событие подсчитывается микроконтроллером. Длина волны 940 нм невидима и не подвержена влиянию окружающего света в помещении. Низкое прямое напряжение позволяет системе питаться от источника логического напряжения 3.3В или 5В, а простой последовательный резистор (например, (5В - 1.5В)/0.02А = 175 Ом) устанавливает ток светодиода на безопасные 20 мА.

10. Введение в принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) — это полупроводниковый p-n переходный диод. При прямом смещении электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются в область перехода. При рекомбинации этих носителей заряда высвобождается энергия. В материальной системе GaAlAs эта энергия высвобождается в основном в виде фотонов (частиц света) в инфракрасном спектре (длины волн больше, чем у видимого красного света, обычно от 700 нм до 1 мм). Конкретный состав слоев галлия, алюминия и арсенида определяет пиковую длину волны излучения. Прозрачная эпоксидная оболочка действует как линза, формируя излучаемый свет в определённую диаграмму направленности.

11. Тенденции и развитие отрасли

Тенденция в оптоэлектронике для сенсорики продолжается в сторону миниатюризации, повышения эффективности и интеграции. В то время как дискретные светодиоды, такие как IR25-21C/TR8, остаются жизненно важными для гибкости и производительности, растёт рынок интегрированных сенсорных модулей, которые объединяют излучатель, детектор и схемы обработки сигналов в одном корпусе. Эти модули упрощают проектирование, но могут предлагать меньше возможностей для оптимизации под конкретные приложения. Другая тенденция — спрос на более высокоскоростную модуляцию для приложений передачи данных (например, ИК-пульты дистанционного управления), что требует светодиодов с быстрым временем нарастания/спада. Соответствие экологическим нормам (RoHS, REACH, бесгалогенность) стало стандартным требованием, а не отличительной особенностью. Базовые технологии для эффективного инфракрасного излучения продолжают совершенствоваться, включая исследования новых материальных систем, таких как InGaN, для различных диапазонов длин волн.