1.8mm Yuvarlak Subminiature Kızılötesi LED IR42-21C/TR8 Veri Sayfası - Çap 1.8mm - Gerilim 1.2V - Güç 130mW - Su Berraklığında Lens - Türkçe Teknik Doküman

1. Ürün Genel Bakışı

IR42-21C/TR8, kompakt optoelektronik uygulamalar için tasarlanmış, subminiature, yüzey montajlı bir kızılötesi yayan diyottur. Işık çıkışını optimize eden, küresel üst lensli, su berraklığında plastikten kalıplanmış 1.8mm çapında yuvarlak bir pakete sahiptir. Cihaz, silikon fotodiyotlar ve fototransistörler ile spektral olarak eşleşen ve sensör sistemlerinde verimli algılamayı sağlayan Galyum Alüminyum Arsenür (GaAlAs) çip malzemesini kullanır. Temel tasarım hedefleri, minyatürleştirme, otomatik montaj süreçleri ile uyumluluk ve çeşitli tüketici ve endüstriyel elektronik cihazlarda güvenilir performanstır.

1.1 Temel Avantajlar ve Hedef Pazar

Bu LED, tasarımcılar için birkaç önemli avantaj sunar. Düşük ileri gerilimi (tipik olarak 1.2V) enerji verimli çalışmaya katkıda bulunur. Bileşen, kurşunsuz (Pb-free), RoHS, EU REACH ve halojensiz düzenlemelerine (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm) tam uyumludur ve bu da onu katı çevre standartlarına sahip küresel pazarlar için uygun kılar. Hem kızılötesi hem de buhar fazı reflow lehimleme süreçleri ile uyumludur, bu da yüksek hacimli, otomatik PCB montajını kolaylaştırır. Başlıca hedef pazarlar arasında kompakt kızılötesi sensörler, otomasyon için minyatür ışık bariyerleri, disket sürücüleri (eski veya özel sistemler için), genel amaçlı optoelektronik anahtarlar ve görünmez bir IR kaynağı gerektiren duman algılama sistemleri üreticileri bulunur.

2. Derinlemesine Teknik Parametre Analizi

IR42-21C/TR8'nin performansı, standart ortam sıcaklığında (Ta) 25°C'de ölçülen bir dizi mutlak maksimum değer ve elektro-optik karakteristiklerle tanımlanır. Bu parametreleri anlamak, güvenilir devre tasarımı ve LED'in güvenli çalışma alanı (SOA) içinde çalışmasını sağlamak için kritik öneme sahiptir.

2.1 Mutlak Maksimum Değerler

Bu değerler, cihaza kalıcı hasar verebilecek stres sınırlarını tanımlar. Anlık olarak bile asla aşılmamalıdır. Sürekli ileri akım (IF) 65 mA olarak derecelendirilmiştir. İzin verilen maksimum ters gerilim (VR) 5 V'dur. Cihaz, -25°C ila +85°C arasında bir ortam sıcaklığı aralığında (Topr) çalışabilir ve -40°C ile +85°C arasında saklanabilir (Tstg). Lehimleme sıcaklığı (Tsol), reflow işlemleri sırasında 5 saniye veya daha kısa süre için 260°C'yi geçmemelidir. 25°C veya altındaki serbest hava sıcaklığında toplam güç dağılımı (Pd) 130 mW'dır. Bu sınırlardan herhangi birinin aşılması, felaket arızası veya hızlanmış bozulma riski taşır.

2.2 Elektro-Optik Karakteristikler

Bu parametreler, tipik olarak 20 mA ileri akımda (IF) ölçülür ve cihazın fonksiyonel performansını tanımlar. Işınım şiddeti (Ie), birim katı açı başına yayılan optik gücün bir ölçüsüdür ve minimum değeri 1.0 mW/sr, tipik değeri ise 3.0 mW/sr'dir. Tepe dalga boyu (λp) tipik olarak 940 nm'dir ve bu da onu silikon tabanlı dedektörler için ideal olan yakın kızılötesi spektrumuna yerleştirir. Spektral bant genişliği (Δλ) tipik olarak 45 nm'dir ve yayılan dalga boyu aralığını tanımlar. İleri gerilim (VF), 20 mA'de tipik değeri 1.2 V ve maksimum değeri 1.5 V'dir. Ters akım (IR), 5 V ters öngerilim uygulandığında maksimum 10 µA'dır. Işınım şiddetinin tepe değerinin yarısına düştüğü tam açı olarak tanımlanan görüş açısı (2θ1/2) tipik olarak 30 derecedir ve orta derecede odaklanmış bir ışın sağlar.

3. Performans Eğrisi Analizi

Veri sayfası, temel parametrelerin çalışma koşullarına göre nasıl değiştiğini gösteren birkaç karakteristik eğri sağlar. Bu grafikler, 25°C'deki tek nokta özelliklerinin ötesinde gerçek dünya davranışını anlamak için gereklidir.

3.1 İleri Akım - Ortam Sıcaklığı İlişkisi

Bu eğri, izin verilen sürekli ileri akım ile ortam sıcaklığı arasındaki ilişkiyi gösterir. Ortam sıcaklığı arttıkça, izin verilen maksimum ileri akım doğrusal olarak azalır. Bu güç azaltma, bağlantı sıcaklığının güç dağılım derecesi ile bağlantılı olan sınırını aşmasını önlemek için gereklidir. Tasarımcılar, uygulamalarının beklenen maksimum ortam sıcaklığı için uygun bir çalışma akımı seçmek için bu grafiği kullanmalıdır.

3.2 Spektral Dağılım

Spektral dağılım eğrisi, bağıl ışınım şiddetini dalga boyuna karşı çizer. Görsel olarak 940 nm tepe dalga boyunu ve yaklaşık 45 nm spektral bant genişliğini doğrular. Eğri asimetriktir, bu LED emisyon spektrumları için tipiktir. Bu bilgi, bir fotodedektörün duyarlılık eğrisi ile belirli spektral eşleşme gerektiren uygulamalar için çok önemlidir.

3.3 İleri Akım - İleri Gerilim İlişkisi

Bu IV (Akım-Gerilim) karakteristik eğrisi, tüm diyotlar gibi doğrusal değildir. "Diz" geriliminin ötesinde ileri gerilimdeki küçük bir artışın, ileri akımda büyük, üstel bir artışa yol açtığını gösterir. Bu, termal kaçak ve LED'in aşırı akımdan tahrip olmasını önlemek için bir seri akım sınırlama direnci veya sabit akım sürücüsü kullanmanın kritik önemini vurgular.

3.4 Bağıl Işınım Şiddeti - Açısal Yer Değiştirme İlişkisi

Bu kutupsal çizim, LED'in uzamsal emisyon modelini gösterir. Şiddet, 0 derecede (eksen üzerinde) maksimum değerine normalize edilmiştir. Eğri, gözlem açısı arttıkça şiddetin nasıl düştüğünü gösterir ve şiddetin tepe değerin %50'si olduğu 30 derecelik görüş açısını tanımlar. Bu kubbe şeklindeki paket için model genellikle Lambertian (kosinüs benzeri) olup, bir dedektördeki ışınımı hesaplamak için kullanışlıdır.

4. Mekanik ve Paketleme Bilgisi

4.1 Paket Boyutları

Cihaz, 1.8mm çapında kompakt, yuvarlak bir SMD paketinde bulunur. Veri sayfasındaki detaylı mekanik çizimler, gövde yüksekliği, bacak aralığı ve lens geometrisi dahil tüm kritik boyutları sağlar. Aksi belirtilmedikçe tüm boyutlar milimetre cinsindendir ve standart toleranslar ±0.1mm'dir. PCB tasarımı için önerilen bir pad düzeni sağlanmıştır, ancak bunun sadece referans amaçlı olduğu ve bireysel proses gereksinimleri ve termal yönetim ihtiyaçlarına göre değiştirilmesi gerektiği açıkça belirtilmiştir.

4.2 Polarite Tanımlama ve Taşıyıcı Bant

Paket, montaj sırasında doğru yönlendirme için gerekli olan katot (negatif) bacağını belirtmek için düz bir kenara veya benzer bir işarete sahiptir. Yüksek hacimli üretim için, bileşenler taşıyıcı bant makaraları üzerinde tedarik edilir. Veri sayfası, cep boyutu, aralık ve makara çapını belirten taşıyıcı bant boyutlarını içerir. Standart bir makara, otomatik pick-and-place makineleri için tipik olan 1000 adet içerir.

5. Lehimleme ve Montaj Kılavuzları

Uygun kullanım ve lehimleme, güvenilirlik için hayati öneme sahiptir. LED nem hassasiyetine sahiptir ve nem bariyerli bir torbada kurutucu ile birlikte gelir.

5.1 Depolama ve Nem Hassasiyeti

Kapalı torba açılmadan önce, LED'ler 30°C veya daha düşük sıcaklıkta ve %90 Bağıl Nem (RH) veya daha düşük nemde saklanmalıdır. Raf ömrü bir yıldır. Torba açıldıktan sonra, bileşenler 30°C/%60RH veya daha düşük koşullarda tutulmalı ve 168 saat (7 gün) içinde kullanılmalıdır. Depolama süresi aşılırsa veya kurutucu nem girişini gösteriyorsa, reflow lehimleme sırasında "patlamış mısır" etkisini önlemek ve emilen nemi gidermek için kullanımdan önce 60 ± 5°C'de 24 saat boyunca bir pişirme işlemi gereklidir.

5.2 Reflow Lehimleme Parametreleri

Cihaz, kurşunsuz (Pb-free) reflow lehimleme profilleri ile uyumludur. Tipik olarak bir ön ısıtma aşaması, bir soak bölgesi, maksimum 5 saniye için 260°C'yi geçmeyen bir tepe sıcaklık bölgesi ve kontrollü bir soğutma aşaması içeren belirli bir sıcaklık profili önerilir. Reflow lehimleme iki kereden fazla yapılmamalıdır. Isıtma sırasında LED gövdesine veya bacaklarına mekanik stres uygulanmamalı ve lehimlemeden sonra PCB eğrilmemelidir.

5.3 El Lehimleme ve Yeniden İşleme

El lehimleme kaçınılmazsa, aşırı dikkat gösterilmelidir. Lehimleme demiri ucu sıcaklığı 350°C'nin altında olmalı ve her bir terminal ile temas süresi 3 saniye veya daha az ile sınırlandırılmalıdır. Düşük güçlü bir demir (25W veya daha az) önerilir. Her bacağın lehimlenmesi arasında en az 2 saniye duraklama gözlemlenmelidir. İlk lehimlemeden sonra yeniden işleme kesinlikle tavsiye edilmez. Kesinlikle gerekliyse, pakete stres uygulamadan her iki bacağı aynı anda ısıtmak ve bileşeni kaldırmak için özel bir çift uçlu lehimleme demiri kullanılmalıdır. Yeniden işleme sırasında hasar riski yüksektir.

6. Uygulama Önerileri ve Tasarım Hususları

6.1 Tipik Uygulama Devreleri

En temel uygulama devresi, LED, bir akım sınırlama direnci ve bir gerilim kaynağının basit bir seri bağlantısıdır. Direnç değeri (R) Ohm Kanunu kullanılarak hesaplanır: R = (V_kaynak - VF_LED) / IF. Örneğin, 5V kaynak, 1.2V VF ve istenen 20mA IF ile, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ohm'dur. 200 Ohm'luk bir direnç uygun bir standart değer olacaktır. Özellikle değişken bir besleme gerilimi ile daha kararlı çalışma için, sabit akım sürücü devresi tercih edilir.

6.2 Kızılötesi Sistemler için Tasarım Hususları

Bir kızılötesi algılama sistemi tasarlarken, birkaç faktör dikkate alınmalıdır. IR LED ve fotodedektör arasındaki optik hizalama, özellikle 30 derecelik bir ışınla kritik öneme sahiptir. Ortam ışığı reddi genellikle gereklidir; bu, LED sürücü akımını modüle ederek ve DC ortam ışığını filtrelemek için senkronize bir dedektör devresi kullanılarak başarılabilir. Işınım şiddeti ve dedektör hassasiyeti, gerekli algılama mesafesi için eşleştirilmelidir. Maksimum değerlere yakın çalışılıyorsa, artan bağlantı sıcaklığı ışık çıkışını ve ömrü azalttığı için termal yönetim dikkate alınmalıdır.

7. Teknik Karşılaştırma ve Farklılaşma

Daha büyük delikli IR LED'lere kıyasla, IR42-21C/TR8'nin birincil avantajı, daha küçük, daha hafif ve daha otomatik PCB tasarımlarına olanak tanıyan minyatür SMD ayak izidir. Diğer SMD IR LED'lere kıyasla, temel farklılaştırıcıları, spesifik 1.8mm yuvarlak paket boyutu, silikon dedektörler için optimize edilmiş 940nm tepe dalga boyu ve en son çevre düzenlemelerine (Halojensiz, REACH) uyumluluğudur. Renkli veya dağınık bir lensin aksine, su berraklığındaki lens, kızılötesi ışığın iletimini maksimize ederek, belirli bir elektriksel giriş için daha yüksek ışınım şiddeti sağlar.

8. Sıkça Sorulan Sorular (Teknik Parametrelere Dayalı)

S: Neden bir akım sınırlama direnci kesinlikle gereklidir?

C: IV eğrisi, LED'in gerilim ve akım arasındaki üstel ilişkisini gösterir. Besleme gerilimindeki hafif bir artış veya LED'in ileri gerilimindeki (sıcaklık nedeniyle) bir düşüş, kontrolsüz, büyük bir akım dalgalanmasına neden olabilir ve bu da anında yanmaya yol açar. Direnç, doğrusal, stabilize edici bir empedans sağlar.

S: Bu LED'i 3.3V mikrodenetleyici pini ile doğrudan sürebilir miyim?

C: Mümkün, ancak optimal değil. 1.2V VF ile bir seri direnç gerekli olacaktır. Bir GPIO pininden sağlanan akım genellikle sınırlıdır (örneğin, 20-25mA). Direnç hesaplaması (R = (3.3V - 1.2V) / I_istenen) dahil toplam akım çekişinin GPIO'nun akım sağlama kapasitesini aşmadığından emin olmalısınız. Daha yüksek akımlar veya birden fazla LED için bir transistör sürücüsü gereklidir.

S: "Si fotodedektör ile spektral olarak eşleşmiş" ne anlama gelir?

C: Silikon fotodiyotlar ve fototransistörler, yakın kızılötesi bölgede, yaklaşık 800-900nm civarında tepe hassasiyetine sahiptir. Bu LED'in 940nm tepe emisyonu, bu yüksek duyarlılık bölgesi içine düşer, bu da ışık kaynağından dedektöre maksimum sinyal transfer verimliliğini sağlar ve daha iyi sistem sinyal-gürültü oranı ve menzil ile sonuçlanır.

S: Nem hassasiyeti ve pişirme talimatları ne kadar kritiktir?

C: SMD bileşenleri için son derece kritiktir. Emilen nem, yüksek sıcaklıklı reflow lehimleme işlemi sırasında hızla buharlaşarak cihazı tahrip eden iç katman ayrılmasına, çatlaklara veya "patlamış mısır" etkisine neden olabilir. MSL (Nem Hassasiyet Seviyesi) işleme prosedürlerine uymak, üretim verimi ve uzun vadeli güvenilirlik için esastır.

9. Pratik Tasarım ve Kullanım Vaka Çalışması

Senaryo: Kompakt Nesne Algılama Sensörü Tasarımı.Bir tasarımcı, küçük bir otomatik cihaz için temasız bir nesne algılama sensörü oluşturmak istiyor. Alan sınırlıdır ve bir SMD bileşen gerektirir. Küçük boyutu nedeniyle IR42-21C/TR8'i seçerler. Retro-reflektif bir konfigürasyonda bir fototransistör ile eşleştirirler: her iki bileşen aynı PCB üzerinde yan yana, aynı yöne bakacak şekilde yerleştirilir. Önünden geçen bir nesne, IR ışınını fototransistöre geri yansıtır. Tasarımcı, tipik ışınım şiddetini (3.0 mW/sr) ve fototransistörün hassasiyetini, istenen 10cm algılama mesafesi için gerekli akımı hesaplamak için kullanır. LED'i 1kHz'de darbelemek için basit bir 555 zamanlayıcı devresi uygular ve dedektör devresi, ortam 50/60Hz ışık titremesini ve DC güneş ışığını reddetmek için 1kHz'e ayarlanmış bir bant geçiren filtre içerir. Akım sınırlama direnci, LED'in derecesi içinde kalmak ve uzun ömür sağlamak için 15mA sürüş sağlayacak şekilde seçilir. Kompakt SMD paketi, tüm sensör montajının 15mm'den daha dar bir muhafazaya sığmasına olanak tanır.

10. Çalışma Prensibi ve Teknoloji Trendleri

10.1 Çalışma Prensibi

Bir Kızılötesi Işık Yayan Diyot (IR LED), bir yarı iletken p-n bağlantısında elektrolüminesans prensibi ile çalışır. İleri bir gerilim uygulandığında, n-tipi bölgeden elektronlar ve p-tipi bölgeden delikler bağlantı boyunca enjekte edilir. Bu yük taşıyıcıları aktif bölgede (bu durumda GaAlAs çipi) yeniden birleştiğinde, enerji foton (ışık) şeklinde salınır. GaAlAs yarı iletken malzemesinin spesifik enerji bant aralığı, yayılan fotonların dalga boyunu belirler ve bu cihaz için kızılötesi spektrumdadır (940nm). Su berraklığındaki epoksi paket, yayılan ışığı belirtilen görüş açısına şekillendiren bir lens görevi görür.

10.2 Endüstri Trendleri

Optoelektronikteki trend, tüm elektroniklerde olduğu gibi, daha fazla minyatürleştirme, daha yüksek verimlilik ve daha büyük entegrasyon yönündedir. IR LED'in temel prensibi sabit kalırken, paketleme teknolojisinde (0402 veya çip ölçeğinde paketler gibi daha küçük ayak izleri), daha yüksek duvar prizi verimliliği için geliştirilmiş epitaksiyel malzemeler (elektriksel girişin her watt'ı için daha fazla ışık çıkışı) ve sürücülerin ve kontrol mantığının "akıllı" LED modüllerine entegrasyonunda ilerlemeler görülmektedir. Ayrıca, veri iletişim uygulamaları (IRDA gibi) için daha yüksek modülasyon hızlarında çalışabilen daha geniş spektral seçenekler ve cihazlar için sürekli bir itiş vardır. Çevresel uyumluluk (Halojensiz, daha düşük karbon ayak izi üretimi) endüstri genelinde güçlü bir itici güç olmaya devam etmektedir.