Техническая документация на инфракрасный светодиод IR42-21C/TR8 - Диаметр 1.8мм - Напряжение 1.2В - Мощность 130мВт - Прозрачный корпус

1. Обзор продукта

IR42-21C/TR8 — это сверхминиатюрный инфракрасный излучающий диод для поверхностного монтажа, предназначенный для компактных оптоэлектронных применений. Он выполнен в круглом корпусе диаметром 1.8 мм из прозрачного пластика со сферической линзой, что оптимизирует световой поток. Устройство использует кристалл из арсенида галлия-алюминия (GaAlAs), спектрально согласованный с кремниевыми фотодиодами и фототранзисторами, что обеспечивает эффективное детектирование в сенсорных системах. Основные цели разработки — миниатюризация, совместимость с автоматизированными процессами сборки и надежная работа в широком спектре потребительских и промышленных электронных устройств.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Данный светодиод предлагает разработчикам несколько ключевых преимуществ. Его низкое прямое напряжение (типично 1.2 В) способствует энергоэффективной работе. Компонент полностью соответствует требованиям по отсутствию свинца (Pb-free), директивам RoHS, EU REACH и бесгалогенным стандартам (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm), что делает его пригодным для глобальных рынков со строгими экологическими нормами. Он совместим с процессами инфракрасной и парофазной пайки оплавлением, что облегчает крупносерийную автоматизированную сборку печатных плат. Основные целевые рынки включают производителей компактных инфракрасных датчиков, миниатюрных световых барьеров для автоматизации, дисководов для гибких дисков (для устаревших или специализированных систем), универсальных оптоэлектронных переключателей и систем обнаружения дыма, где требуется невидимый ИК-источник.

2. Подробный анализ технических параметров

Рабочие характеристики IR42-21C/TR8 определяются набором абсолютных максимальных режимов и электрооптических характеристик, измеренных при стандартной температуре окружающей среды (Ta) 25°C. Понимание этих параметров критически важно для надежного проектирования схемы и обеспечения работы светодиода в пределах его безопасной рабочей области (SOA).

2.1 Абсолютные максимальные режимы

Эти режимы определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Их нельзя превышать даже кратковременно. Непрерывный прямой ток (IF) составляет 65 мА. Максимально допустимое обратное напряжение (VR) — 5 В. Устройство может работать в диапазоне температур окружающей среды (Topr) от -25°C до +85°C и храниться (Tstg) при температуре от -40°C до +85°C. Температура пайки (Tsol) во время оплавления не должна превышать 260°C в течение 5 секунд или менее. Полная рассеиваемая мощность (Pd) при температуре свободного воздуха 25°C или ниже составляет 130 мВт. Превышение любого из этих пределов грозит катастрофическим отказом или ускоренной деградацией.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры, обычно измеряемые при прямом токе (IF) 20 мА, определяют функциональные характеристики устройства. Сила излучения (Ie), мера оптической мощности, излучаемой в единицу телесного угла, имеет минимальное значение 1.0 мВт/ср и типичное значение 3.0 мВт/ср. Пиковая длина волны (λp) составляет типично 940 нм, что помещает его в ближний инфракрасный спектр, идеальный для кремниевых детекторов. Спектральная ширина (Δλ) типично равна 45 нм, определяя диапазон излучаемых длин волн. Прямое напряжение (VF) имеет типичное значение 1.2 В и максимум 1.5 В при 20 мА. Обратный ток (IR) составляет максимум 10 мкА при обратном смещении 5 В. Угол обзора (2θ1/2), определяемый как полный угол, при котором сила излучения падает до половины пикового значения, типично равен 30 градусам, обеспечивая умеренно сфокусированный луч.

3. Анализ характеристических кривых

В технической документации представлены несколько характеристических кривых, иллюстрирующих, как ключевые параметры изменяются в зависимости от условий эксплуатации. Эти графики необходимы для понимания реального поведения устройства, выходящего за рамки точечных спецификаций при 25°C.

3.1 Зависимость прямого тока от температуры окружающей среды

Эта кривая показывает зависимость допустимого непрерывного прямого тока от температуры окружающей среды. С ростом температуры окружающей среды максимально допустимый прямой ток линейно уменьшается. Такое снижение номинала необходимо для предотвращения превышения предельной температуры перехода, которая связана с номинальной рассеиваемой мощностью. Разработчики должны использовать этот график для выбора соответствующего рабочего тока с учетом максимальной ожидаемой температуры окружающей среды в их применении.

3.2 Спектральное распределение

Кривая спектрального распределения отображает относительную силу излучения в зависимости от длины волны. Она наглядно подтверждает пиковую длину волны 940 нм и спектральную ширину примерно 45 нм. Кривая асимметрична, что типично для спектров излучения светодиодов. Эта информация критически важна для применений, требующих специфического спектрального согласования с кривой чувствительности фотодетектора.

3.3 Зависимость прямого тока от прямого напряжения

Эта ВАХ (вольт-амперная характеристика) нелинейна, как и у всех диодов. Она показывает, что небольшое увеличение прямого напряжения выше "колена" приводит к большому, экспоненциальному росту прямого тока. Это подчеркивает критическую важность использования последовательного токоограничивающего резистора или источника постоянного тока для предотвращения теплового разгона и разрушения светодиода от перегрузки по току.

3.4 Зависимость относительной силы излучения от углового смещения

Эта полярная диаграмма иллюстрирует пространственную диаграмму направленности излучения светодиода. Интенсивность нормирована к максимальному значению при 0 градусах (на оси). Кривая показывает, как интенсивность падает с увеличением угла наблюдения, определяя угол обзора 30 градусов, при котором интенсивность составляет 50% от пиковой. Для этого куполообразного корпуса диаграмма, как правило, ламбертова (косинусоидальная), что полезно для расчета облученности на детекторе.

4. Механическая и упаковочная информация

4.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство размещено в компактном круглом SMD-корпусе диаметром 1.8 мм. Подробные механические чертежи в документации содержат все критические размеры, включая высоту корпуса, расстояние между выводами и геометрию линзы. Все размеры указаны в миллиметрах со стандартными допусками ±0.1 мм, если не указано иное. Предоставлена рекомендуемая контактная площадка для проектирования печатной платы, но явно указано, что это только для справки и должно быть изменено в соответствии с индивидуальными требованиями процесса и потребностями теплового управления.

4.2 Идентификация полярности и упаковка в ленту

Корпус имеет плоскую сторону или аналогичную маркировку для обозначения катодного (отрицательного) вывода, что важно для правильной ориентации во время сборки. Для крупносерийного производства компоненты поставляются на катушках в транспортной ленте. В документации указаны размеры транспортной ленты, включая размер гнезда, шаг и диаметр катушки. Стандартная катушка содержит 1000 штук, что типично для автоматических установочных машин.

5. Рекомендации по пайке и сборке

Правильное обращение и пайка жизненно важны для надежности. Светодиод чувствителен к влаге и поставляется в влагозащитном пакете с осушителем.

5.1 Хранение и чувствительность к влаге

До вскрытия герметичного пакета светодиоды должны храниться при температуре 30°C или ниже и относительной влажности (RH) 90% или ниже. Срок годности — один год. После вскрытия пакета компоненты должны храниться при 30°C/60%RH или ниже и должны быть использованы в течение 168 часов (7 дней). Если время хранения превышено или осушитель указывает на проникновение влаги, перед использованием требуется термообработка (прокаливание) при 60 ± 5°C в течение 24 часов для удаления поглощенной влаги и предотвращения "вспучивания" (popcorning) во время пайки оплавлением.

5.2 Параметры пайки оплавлением

Устройство совместимо с профилями бессвинцовой (Pb-free) пайки оплавлением. Рекомендуется специфический температурный профиль, обычно включающий стадию предварительного нагрева, зону выдержки, зону пиковой температуры, не превышающую 260°C максимум в течение 5 секунд, и контролируемую стадию охлаждения. Пайку оплавлением не следует выполнять более двух раз. Во время нагрева не должно оказываться механическое воздействие на корпус светодиода или выводы, а печатная плата не должна деформироваться после пайки.

5.3 Ручная пайка и переделка

Если ручная пайка неизбежна, необходимо проявлять особую осторожность. Температура жала паяльника должна быть ниже 350°C, а время контакта с каждым выводом должно быть ограничено 3 секундами или менее. Рекомендуется маломощный паяльник (25 Вт или менее). Между пайкой каждого вывода следует делать паузу не менее 2 секунд. Переделку после первоначальной пайки настоятельно не рекомендуется. Если это абсолютно необходимо, следует использовать специализированный двусторонний паяльник для одновременного нагрева обоих выводов и снятия компонента без нагрузки на корпус. Риск повреждения во время переделки высок.

6. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

6.1 Типовые схемы включения

Наиболее фундаментальная схема включения — это простое последовательное соединение светодиода, токоограничивающего резистора и источника напряжения. Номинал резистора (R) рассчитывается по закону Ома: R = (V_источника - VF_светодиода) / IF. Например, при источнике 5 В, VF 1.2 В и желаемом IF 20 мА, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ом. Резистор на 200 Ом будет подходящим стандартным значением. Для более стабильной работы, особенно при переменном напряжении питания, предпочтительна схема с источником постоянного тока.

6.2 Соображения при проектировании инфракрасных систем

При проектировании инфракрасной сенсорной системы необходимо учитывать несколько факторов. Критически важна оптическая юстировка между ИК-светодиодом и фотодетектором, особенно при угле луча 30 градусов. Часто необходимо подавление фоновой засветки; этого можно достичь модуляцией тока светодиода и использованием синхронизированной детекторной схемы для фильтрации постоянной составляющей фонового света. Сила излучения и чувствительность детектора должны быть согласованы для требуемой дистанции обнаружения. Следует учитывать тепловое управление, если работа ведется вблизи максимальных режимов, так как повышение температуры перехода снижает световой выход и срок службы.

7. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению с более крупными выводными ИК-светодиодами, основное преимущество IR42-21C/TR8 — его миниатюрный SMD-корпус, позволяющий создавать более компактные, легкие и автоматизированные конструкции печатных плат. По сравнению с другими SMD ИК-светодиодами, его ключевые отличия — специфический круглый корпус размером 1.8 мм, пиковая длина волны 940 нм, оптимизированная для кремниевых детекторов, и соответствие последним экологическим нормам (бесгалогенный, REACH). Прозрачная линза, в отличие от тонированной или рассеивающей, максимизирует пропускание инфракрасного света, обеспечивая более высокую силу излучения при заданной электрической мощности.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Почему токоограничивающий резистор абсолютно необходим?

О: ВАХ показывает экспоненциальную зависимость между напряжением и током для светодиода. Небольшое увеличение напряжения питания или падение прямого напряжения светодиода (из-за температуры) может вызвать резкий, неконтролируемый скачок тока, приводящий к мгновенному перегоранию. Резистор обеспечивает линейное, стабилизирующее сопротивление.

В: Могу ли я управлять этим светодиодом напрямую с вывода микроконтроллера на 3.3 В?

О: Возможно, но не оптимально. При VF 1.2 В потребуется последовательный резистор. Ток, доступный с вывода GPIO, часто ограничен (например, 20-25 мА). Вы должны убедиться, что общий потребляемый ток, включая расчет резистора (R = (3.3В - 1.2В) / I_желаемый), не превышает возможности вывода GPIO по току. Для более высоких токов или нескольких светодиодов требуется транзисторный драйвер.

В: Что означает "спектрально согласован с Si-фотодетектором"?

О: Кремниевые фотодиоды и фототранзисторы имеют пик чувствительности в ближнем инфракрасном диапазоне, около 800-900 нм. Пик излучения этого светодиода 940 нм попадает в эту зону высокой чувствительности, обеспечивая максимальную эффективность передачи сигнала от источника света к детектору, что приводит к лучшему соотношению сигнал/шум и дальности действия системы.

В: Насколько критичны инструкции по чувствительности к влаге и прокаливанию?

О: Чрезвычайно критичны для SMD-компонентов. Поглощенная влага может быстро испаряться во время высокотемпературного процесса пайки оплавлением, вызывая внутреннее расслоение, трещины или "вспучивание", которое разрушает устройство. Соблюдение процедур обращения с учетом уровня чувствительности к влаге (MSL) необходимо для выхода годных изделий и долгосрочной надежности.

9. Практический пример проектирования и использования

Сценарий: Проектирование компактного датчика обнаружения объекта.Разработчику необходимо создать бесконтактный датчик обнаружения объекта для небольшого автоматизированного устройства. Пространство ограничено, требуется SMD-компонент. Он выбирает IR42-21C/TR8 из-за его малого размера. Он сочетает его с фототранзистором в ретрорефлекторной конфигурации: оба компонента размещены рядом на одной печатной плате, направлены в одну сторону. Объект, проходящий перед ними, отражает ИК-луч обратно на фототранзистор. Разработчик использует типичную силу излучения (3.0 мВт/ср) и чувствительность фототранзистора для расчета необходимого тока для желаемой дальности обнаружения 10 см. Он реализует простую схему на таймере 555 для импульсного управления светодиодом на частоте 1 кГц, а детекторная схема включает полосовой фильтр, настроенный на 1 кГц, для подавления фонового мерцания света 50/60 Гц и постоянного солнечного света. Токоограничивающий резистор выбран для обеспечения тока 15 мА, что хорошо в пределах номинала светодиода, для обеспечения долговечности. Компактный SMD-корпус позволяет всей сенсорной сборке поместиться в корпусе шириной менее 15 мм.

10. Принцип работы и технологические тренды

10.1 Принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) работает по принципу электролюминесценции в полупроводниковом p-n переходе. При приложении прямого напряжения электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются через переход. Когда эти носители заряда рекомбинируют в активной области (в данном случае кристалле GaAlAs), энергия высвобождается в виде фотонов (света). Конкретная ширина запрещенной зоны полупроводникового материала GaAlAs определяет длину волны излучаемых фотонов, которая для этого устройства находится в инфракрасном спектре (940 нм). Прозрачный эпоксидный корпус действует как линза, формируя излучаемый свет в заданный угол обзора.

10.2 Отраслевые тренды

Тренд в оптоэлектронике, как и во всей электронике, направлен на дальнейшую миниатюризацию, повышение эффективности и большую интеграцию. Хотя базовый принцип работы ИК-светодиода остается неизменным, прогресс наблюдается в технологии корпусирования (еще меньшие размеры, такие как 0402 или корпуса чип-скейл), улучшенных эпитаксиальных материалах для повышения эффективности (больше светового выхода на ватт электрической мощности) и интеграции драйверов и управляющей логики в "умные" светодиодные модули. Также наблюдается постоянное стремление к расширению спектральных возможностей и созданию устройств, способных работать на более высоких скоростях модуляции для применений в передаче данных (например, IRDA). Соответствие экологическим нормам (бесгалогенные технологии, производство с меньшим углеродным следом) остается сильным драйвером во всей отрасли.