Техническая документация на инфракрасный светодиод IR67-21C/TR8 - SMD корпус - Пиковая длина волны 940 нм - Угол обзора 120°

1. Обзор продукта

IR67-21C/TR8 — это инфракрасный излучающий диод с верхним излучением, размещённый в миниатюрном корпусе для поверхностного монтажа (SMD). Корпус выполнен из прозрачного пластика с плоской верхней линзой и предназначен для совместимости с современными инфракрасными и парофазными процессами пайки оплавлением. Его основная функция — излучение инфракрасного света с пиковой длиной волны, согласованной с кремниевыми фотодиодами и фототранзисторами, что делает его ключевым компонентом в различных датчиках и коммутационных приложениях.

Ключевые преимущества этого компонента включают низкое прямое напряжение, широкий угол обзора 120 градусов и соответствие экологическим стандартам, не содержащим свинца (Pb-free) и RoHS. Его миниатюрный SMD форм-фактор позволяет осуществлять высокоплотный монтаж на печатных платах, что важно для компактной потребительской и промышленной электроники.

1.1 Основные характеристики и выбор устройства

Фундаментальные характеристики, определяющие IR67-21C/TR8, — это материал чипа и оптические свойства. Светоизлучающий чип изготовлен из арсенида галлия-алюминия (GaAlAs) — полупроводникового материала, хорошо подходящего для генерации инфракрасного излучения. Корпус оснащён прозрачной линзой, которая не фильтрует излучаемый ИК-свет, обеспечивая максимальную выходную излучаемую интенсивность. Эта комбинация чипа GaAlAs и прозрачной линзы специально разработана для оптимальной работы в приложениях с датчиками, где критически важна сила детектируемого сигнала.

2. Технические параметры: Подробный объективный анализ

В этом разделе представлен детальный объективный анализ электрических, оптических и тепловых параметров, указанных для инфракрасного светодиода IR67-21C/TR8. Понимание этих номиналов имеет решающее значение для надёжного проектирования схемы и обеспечения долгосрочной работоспособности устройства.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Абсолютные максимальные параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Это не рекомендуемые рабочие условия, а пороговые значения, которые ни при каких обстоятельствах не должны быть превышены, включая переходные процессы.

• Постоянный прямой ток (I_F): 65 мА. Это максимальный постоянный ток, который может протекать через переход светодиода неограниченно долго при температуре окружающей среды (T_a) 25°C.
• Пиковый прямой ток (I_FP): 1.0 А. Этот высокий ток допустим только при строгих импульсных условиях: длительность импульса ≤ 100 мкс и скважность ≤ 1%. Этот параметр актуален для приложений, требующих кратковременных импульсов ИК-света высокой интенсивности.
• Обратное напряжение (V_R): 5 В. Приложение обратного смещения, превышающего это значение, может вызвать пробой перехода.
• Рассеиваемая мощность (P_d): 130 мВт при 25°C. Это максимальная мощность, которую корпус может рассеивать в виде тепла. Фактически допустимая мощность уменьшается с ростом температуры окружающей среды, как показано на кривой снижения номинала.
• Тепловое сопротивление, переход-окружающая среда (R_thj-a): 400 К/Вт. Этот параметр количественно определяет эффективность отвода тепла от полупроводникового перехода к окружающему воздуху. Более низкое значение указывает на лучший теплоотвод. При таком значении на каждый ватт рассеиваемой мощности температура перехода будет повышаться на 400°C относительно температуры окружающей среды.
• Температура пайки (T_sol): 260°C максимум в течение 5 секунд. Это определяет допустимый профиль температуры при пайке оплавлением.

2.2 Электрооптические характеристики

Эти параметры, измеренные при стандартных условиях испытаний 25°C, описывают работу устройства в нормальном режиме. Столбец 'Typ.' представляет типичные или ожидаемые значения, а 'Min.' и 'Max.' определяют гарантированные пределы характеристик.

• Излучаемая интенсивность (I_e): Это оптическая мощность, излучаемая на единицу телесного угла (измеряется в милливаттах на стерадиан, мВт/ср). При стандартном токе накачки 20 мА типичная излучаемая интенсивность составляет 1.5 мВт/ср, с гарантированным минимумом 1.0 мВт/ср. В импульсном режиме с высоким током (100 мА, ≤100 мкс, ≤1% скважность) интенсивность может достигать типичного значения 20 мВт/ср.
• Пиковая длина волны (λ_p): 940 нм (типично). Это длина волны, на которой светодиод излучает максимальную оптическую мощность. Она спектрально согласована с пиком чувствительности распространённых кремниевых фотодетекторов.
• Спектральная ширина полосы (Δλ): 45 нм (типично). Это определяет диапазон излучаемых длин волн, обычно измеряемый на половине максимальной интенсивности (полная ширина на половине максимума, FWHM). Полоса шириной 45 нм с центром на 940 нм означает, что значительное излучение происходит примерно от 917.5 нм до 962.5 нм.
• Прямое напряжение (V_F): При 20 мА типичное прямое напряжение составляет 1.2 В, максимум 1.5 В. В импульсном режиме 100 мА, V_Fувеличивается до типичных 1.4 В (макс. 1.8 В). Это низкое V_Fвыгодно для низковольтных и устройств с батарейным питанием.
• Угол обзора (2θ_1/2): 120 градусов. Это полный угол, при котором излучаемая интенсивность падает до половины своего пикового значения (измеренного на оси). Широкий угол 120° обеспечивает широкое, рассеянное освещение, идеальное для датчиков приближения или присутствия, где положение цели может меняться.

3. Анализ характеристических кривых

В технической документации приведены несколько характеристических кривых, иллюстрирующих, как ключевые параметры меняются в зависимости от рабочих условий. Эти графики необходимы для динамического проектирования систем.

3.1 Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая снижения номинала показывает, что максимально допустимая рассеиваемая мощность (P_d) линейно уменьшается с 130 мВт при 25°C до 0 мВт примерно при 150°C. Конструкторы должны использовать этот график для расчёта безопасного рабочего тока для своей конкретной максимальной температуры окружающей среды. Например, если максимальная температура окружающей среды составляет 85°C, график показывает, что допустимая рассеиваемая мощность значительно снижена, что, в свою очередь, ограничивает максимально допустимый прямой ток.

3.2 Спектральное распределение

Кривая спектрального распределения отображает относительную излучаемую интенсивность в зависимости от длины волны. Она наглядно подтверждает пиковую длину волны 940 нм и спектральную ширину полосы примерно 45 нм. Кривая обычно имеет гауссову форму с центром на пиковой длине волны.

3.3 Пиковая длина волны излучения в зависимости от температуры окружающей среды

Эта кривая демонстрирует температурную зависимость пиковой длины волны. Как правило, пиковая длина волны светодиода смещается в сторону более длинных волн (\"красное смещение\") с увеличением температуры перехода. График количественно определяет это смещение, что важно для приложений, требующих точного спектрального согласования, поскольку чувствительность детектора также может зависеть от температуры.

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

Вольт-амперная характеристика нелинейна, как у стандартного диода. Она показывает зависимость между током через светодиод и напряжением на нём. \"Колено\" этой кривой находится в районе типичного прямого напряжения. Кривая помогает в проектировании схемы ограничения тока, особенно при питании светодиода от источника напряжения.

3.5 Относительная излучаемая интенсивность в зависимости от углового смещения

Эта полярная диаграмма иллюстрирует пространственную диаграмму направленности излучения. Она подтверждает угол обзора 120°, показывая распределение интенсивности. Диаграмма направленности для светодиода с плоской линзой в прозрачном корпусе обычно близка к ламбертовскому распределению, где интенсивность пропорциональна косинусу угла от нормали (центра).

4. Механическая и упаковочная информация

4.1 Габариты корпуса

IR67-21C/TR8 размещён в миниатюрном SMD корпусе. Чертёж габаритов предоставляет все критические размеры для проектирования посадочного места на печатной плате, включая длину, ширину, высоту корпуса, расстояние между выводами и размеры контактных площадок. Ключевые размеры включают общие габариты (например, приблизительно 3.2 мм x 2.8 мм, хотя точные значения необходимо брать с чертежа), расстояние между контактными площадками и рекомендуемый рисунок контактных площадок для надёжной пайки. Все размеры указаны в миллиметрах со стандартным допуском ±0.1 мм, если не указано иное.

4.2 Идентификация полярности

Корпус имеет маркировку или особенности (такие как выемка, скошенный угол или метка катода) для идентификации анодного и катодного выводов. Правильную полярность необходимо соблюдать во время сборки, так как приложение обратного смещения может повредить устройство.

4.3 Спецификации намотки на катушку и в ленту

Для автоматизированной сборки компоненты поставляются на эмбоссированной несущей ленте, намотанной на катушки. В технической документации указаны размеры несущей ленты, включая размер кармана, шаг и ширину ленты. Катушка обычно содержит 2000 штук. Эти размеры критически важны для программирования автоматов установки компонентов.

5. Рекомендации по пайке и сборке

Правильное обращение и пайка имеют решающее значение для предотвращения повреждения светодиода и обеспечения долгосрочной надёжности.

5.1 Процесс пайки оплавлением

Устройство совместимо с инфракрасными и парофазными процессами пайки оплавлением. Предоставлен рекомендуемый температурный профиль для бессвинцовой пайки, определяющий предварительный нагрев, выдержку, пиковую температуру оплавления (не более 260°C) и скорости охлаждения. Пайку оплавлением не следует выполнять более двух раз. Во время нагрева не следует прикладывать механическое напряжение к корпусу светодиода, а печатная плата не должна деформироваться после пайки.

5.2 Ручная пайка

Если необходима ручная пайка, требуется особая осторожность. Температура жала паяльника должна быть ниже 350°C, а время контакта с каждым выводом не должно превышать 3 секунд. Рекомендуется маломощный паяльник (≤25 Вт). Между пайкой каждого вывода следует соблюдать интервал охлаждения не менее 2 секунд. В технической документации настоятельно рекомендуется избегать ручной пайки, так как она часто приводит к повреждениям.

5.3 Переделка и ремонт

Ремонт после пайки светодиода не рекомендуется. Если это неизбежно, следует использовать паяльник с двумя жалами для одновременного нагрева обоих выводов, минимизируя термическое напряжение. Потенциальный риск повреждения характеристик светодиода во время переделки должен быть оценён заранее.

6. Хранение и чувствительность к влаге

IR67-21C/TR8 чувствителен к влаге. Необходимо принять меры предосторожности для предотвращения \"взрыва\" корпуса (растрескивания из-за быстрого расширения пара) во время пайки оплавлением.

• Влагозащитный пакет не следует открывать до тех пор, пока компоненты не будут готовы к использованию.
• До вскрытия хранить при температуре ≤30°C и относительной влажности (RH) ≤90%. Срок годности — один год.
• После вскрытия хранить при температуре ≤30°C и относительной влажности (RH) ≤70%. \"Время жизни на открытом воздухе\" (время вне пакета) составляет 168 часов (7 дней).
• Если силикагелевый осушитель изменил цвет (указывает на насыщение) или превышено время хранения, требуется прогрев при 60 ±5°C в течение 24 часов перед пайкой оплавлением.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типичные сценарии применения

IR67-21C/TR8 предназначен для широкого спектра оптоэлектронных применений, где невидимый инфракрасный свет используется для детектирования или сигнализации.

• Датчики: Используется в качестве источника света в датчиках приближения, детекторах объектов и роботах, следующих по линии.
• Оптоэлектронные переключатели: Составляет одну половину оптического прерывателя или щелевого датчика, где объект прерывает луч между светодиодом и фотодетектором.
• Потребительская электроника: Передатчики для пультов дистанционного управления телевизорами, видеомагнитофонами и другим аудио/видео оборудованием (хотя для большей дальности часто используются более мощные светодиоды).
• Видеонаблюдение: Инфракрасная подсветка для камер видеонаблюдения, особенно в режимах слабого освещения или ночного видения.
• Устройства безопасности: Может использоваться как компонент в некоторых типах дымовых извещателей, использующих принцип оптического рассеяния.

7.2 Критические аспекты проектирования

• Ограничение тока: Внешний токоограничивающий резистор абсолютно обязателен. Светодиод имеет крутую ВАХ, что означает, что небольшое увеличение напряжения вызывает большое увеличение тока, приводящее к мгновенному перегоранию при неправильном управлении. Номинал резистора рассчитывается по закону Ома: R = (V_supply- V_F) / I_F.
• Тепловой режим: Хотя SMD корпус рассеивает тепло через контактные площадки на печатной плате, необходимо тщательно учитывать кривую снижения номинала по рассеиваемой мощности, особенно в условиях высокой температуры окружающей среды. Достаточная площадь медного покрытия на плате (тепловые контактные площадки) может помочь снизить температуру перехода.
• Спектральное согласование: Убедитесь, что выбранный фотодетектор (фотодиод, фототранзистор) имеет пик чувствительности около 940 нм для оптимального отношения сигнал/шум системы.
• Оптическая конструкция: Угол обзора 120° обеспечивает широкое покрытие. Для большей дальности или более направленного луча могут потребоваться вторичные оптические элементы (линзы).

8. Упаковка и информация для заказа

8.1 Процедура упаковки

Светодиоды упакованы во влагозащитные алюминиевые пакеты, содержащие осушитель и индикаторные карточки влажности. Пакеты промаркированы критически важной информацией для прослеживаемости и правильного применения.

8.2 Спецификация этикетки

Этикетка включает несколько полей: Номер детали заказчика (CPN), Номер детали производителя (P/N), Количество в упаковке (QTY), Номер партии (LOT NO) и информацию о сортировке по оптическим параметрам, такую как Категория (CAT, вероятно, для излучаемой интенсивности) и Оттенок (HUE, для пиковой длины волны). Также может присутствовать справочный код (REF).

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Какова цель номинала пикового прямого тока 1.0 А, если постоянный ток составляет всего 65 мА?
О: Номинальный пиковый ток позволяет управлять светодиодом очень короткими импульсами высокой мощности. Это полезно в таких приложениях, как измерение расстояния (время пролёта) или передача данных, где необходим кратковременный интенсивный всплеск ИК-света для преодоления фонового шума или достижения большей дальности без генерации избыточного среднего тепла.

В: Как определить безопасный рабочий ток для моего приложения, если температура окружающей среды составляет 50°C?
О: Вы должны использовать кривую снижения номинала \"Рассеиваемая мощность в зависимости от температуры окружающей среды\". Найдите на кривой точку, соответствующую 50°C, чтобы определить максимально допустимую рассеиваемую мощность (P_d(max)) при этой температуре. Затем, используя типичное прямое напряжение (V_F) при желаемом токе, рассчитайте максимальный безопасный ток: I_F(max)= P_d(max)/ V_F. Всегда включайте запас прочности.

В: Могу ли я использовать этот светодиод для пульта дистанционного управления телевизором?
О: Хотя он излучает на правильной длине волны (940 нм является стандартом для пультов), его излучаемая интенсивность при 20 мА (типично 1.5 мВт/ср) может быть ниже, чем у специальных светодиодов для пультов, которые часто работают при более высоких токах или имеют другую оптику для большей дальности. Он может работать для пультов малой дальности, но для типичных расстояний в гостиной может быть более подходящим компонент, специально рассчитанный на более высокую выходную мощность.

В: Почему процедуры хранения и прогрева так специфичны?
О: Пластиковый SMD корпус может поглощать влагу из воздуха. Во время высокотемпературного процесса пайки оплавлением эта поглощённая влага может быстро превратиться в пар, создавая внутреннее давление, которое может привести к расслоению корпуса или растрескиванию кристалла (\"взрыв\"). Контролируемые процедуры хранения и прогрева являются отраслевым стандартом (основанным на рейтингах JEDEC MSL) для безопасного удаления этой влаги перед пайкой.

10. Принципы работы и технологический контекст

10.1 Основной принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) работает на принципе электролюминесценции в полупроводниковом p-n переходе. При приложении прямого напряжения электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются в область перехода. При рекомбинации этих носителей заряда высвобождается энергия. В полупроводнике GaAlAs эта энергия высвобождается в основном в виде фотонов в инфракрасном спектре (около 940 нм). Конкретная длина волны определяется шириной запрещённой зоны полупроводникового материала, которая регулируется изменением соотношения алюминия и галлия в кристалле.

10.2 Роль в оптоэлектронных системах

В типичной сенсорной системе IR67-21C/TR8 выступает в качестве активного источника сигнала. Его свет либо непосредственно принимается детектором (для датчиков на просвет), отражается от цели (для датчиков приближения/отражения), либо прерывается объектом (для датчиков прерывания луча). Детектор преобразует модулированный или прерванный ИК-свет в электрический сигнал для обработки. Длина волны 940 нм идеальна, потому что она невидима для человеческого глаза, избегает помех от большинства окружающих источников видимого света и совпадает с областью высокой чувствительности недорогих кремниевых детекторов, будучи менее подверженной поглощению воздухом и обычными материалами по сравнению с более длинными ИК-волнами.

10.3 Отраслевые тенденции и контекст

Развитие SMD инфракрасных светодиодов, таких как IR67-21C/TR8, обусловлено миниатюризацией и автоматизацией сборки электроники. Тенденция направлена на уменьшение размеров корпусов, увеличение излучаемой интенсивности на единицу площади, улучшение тепловых характеристик и более жёсткую сортировку для обеспечения стабильных характеристик. Также ведутся исследования новых полупроводниковых материалов (например, InGaN на кремнии для различных ИК-диапазонов) и интегрированных решений, объединяющих драйвер светодиода, датчик и обработку сигнала в одном модуле (например, модули датчиков приближения). Спрос на надёжные, недорогие ИК-компоненты продолжает расти с расширением Интернета вещей (IoT), автомобильных систем датчиков (например, мониторинг салона) и промышленной автоматизации.