دیتاشیت LED مادون قرمز LTE-7377LM1-TA - سرعت بالا، توان بالا، پکیج آبی - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

این سند جزئیات مشخصات یک قطعه فرستنده مادون قرمز (IR) با عملکرد بالا را تشریح می‌کند. این قطعه برای کاربردهایی طراحی شده که نیازمند زمان‌های پاسخ سریع و توان نوری خروجی قابل توجه هستند. فلسفه طراحی هسته آن بر پایه قابلیت اطمینان و بازدهی در محیط‌های عملیاتی پالسی است و آن را برای طیف وسیعی از سیستم‌های سنجش و ارتباطی مناسب می‌سازد. قطعه در یک پکیج آبی رنگ شفاف متمایز قرار گرفته است که می‌تواند در شناسایی بصری حین مونتاژ کمک کند و ممکن است ویژگی‌های فیلترینگ یا عبور خاصی برای طول موج منتشر شده ارائه دهد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 ریتینگ‌های حداکثر مطلق

ریتینگ‌های حداکثر مطلق، محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر برای عملیات پیوسته نیستند، بلکه آستانه‌هایی هستند که تحت هیچ شرایطی نباید از آن‌ها تجاوز کرد.

• اتلاف توان (P_D):200 میلی‌وات. این حداکثر مقدار توانی است که قطعه می‌تواند به صورت گرما دفع کند. تجاوز از این حد خطر فرار حرارتی و خرابی را به همراه دارد.
• جریان مستقیم پیک (I_FP):2 آمپر. این ریتینگ تحت شرایط پالسی خاص (100 پالس در ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه) اعمال می‌شود. این نشان‌دهنده قابلیت قطعه برای تحمل جریان‌های لحظه‌ای بسیار بالا در مدت زمان کوتاه است که برای تولید پالس‌های نوری با شدت بالا حیاتی می‌باشد.
• جریان مستقیم پیوسته (I_F):100 میلی‌آمپر. حداکثر جریان DC که می‌توان به طور پیوسته از قطعه عبور داد بدون آن که عملکرد یا طول عمر آن کاهش یابد.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان در جهت بایاس معکوس اعمال کرد. تجاوز از این مقدار می‌تواند باعث شکست پیوندگاه شود.
• محدوده دمای عملیاتی (T_A):40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. محدوده دمای محیطی که در آن قطعه تضمین می‌شود تا مشخصات منتشر شده خود را برآورده کند.
• محدوده دمای ذخیره‌سازی (T_stg):55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس. محدوده دمایی برای ذخیره‌سازی غیرعملیاتی بدون تخریب.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج. این مشخصه تحمل پروفایل حرارتی برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا دستی را تعریف می‌کند.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط استاندارد 25 درجه سلسیوس اندازه‌گیری شده و عملکرد معمول قطعه تحت شرایط تست مشخص شده را تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (I_E):35 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل). با جریان مستقیم (I_F) 50 میلی‌آمپر اندازه‌گیری شده است. شدت تابشی، توان نوری منتشر شده در واحد زاویه فضایی (استرادیان) را توصیف می‌کند که نشان‌دهنده روشنایی منبع از یک جهت خاص است.
• طول موج تابش پیک (λ_P):880 نانومتر (معمول). این طول‌موجی است که در آن توان نوری خروجی حداکثر است. 880 نانومتر در طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد، برای چشم انسان نامرئی اما توسط فوتودیودهای سیلیکونی و بسیاری از سنسورها قابل تشخیص است.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):50 نانومتر (حداکثر). این پارامتر که به عنوان عرض کامل در نصف بیشینه (FWHM) نیز شناخته می‌شود، پهنای باند طیفی نور منتشر شده را نشان می‌دهد. مقدار 50 نانومتر نشان می‌دهد که این یک منبع تک‌رنگ نیست، بلکه در محدوده‌ای از طول‌موج‌ها حول 880 نانومتر تابش می‌کند.
• ولتاژ مستقیم (V_F):1.5 ولت (حداقل)، 1.75 ولت (معمول)، 2.1 ولت (حداکثر). در جریان پالسی بالا 350 میلی‌آمپر (100 پالس بر ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه) اندازه‌گیری شده است. این افت ولتاژ روی دیود هنگام بایاس مستقیم و هدایت جریان است. برای طراحی مدار درایو و محاسبه اتلاف توان حیاتی می‌باشد.
• جریان معکوس (I_R):100 میکروآمپر (حداکثر). جریان نشتی هنگامی که بایاس معکوس 5 ولت اعمال می‌شود. مقدار پایین مطلوب است.
• زمان صعود/سقوط (T_r/T_f):40 نانوثانیه (حداکثر). این سرعت سوئیچینگ قطعه را تعریف می‌کند و به عنوان زمان لازم برای انتقال خروجی نوری از 10% به 90% مقدار نهایی خود (صعود) و بالعکس (سقوط) اندازه‌گیری می‌شود. مشخصه 40 نانوثانیه مناسب بودن آن را برای کاربردهای مدولاسیون و پالسی پرسرعت تأیید می‌کند.
• زاویه دید (2θ_1/2):16 درجه (معمول). این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار بیشینه خود (روی محور) کاهش می‌یابد. زاویه 16 درجه نشان‌دهنده یک پرتو نسبتاً باریک است که برای روشنایی جهت‌دار یا سنجش در یک مسیر خاص مفید می‌باشد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه معمول اشاره می‌کند که برای تحلیل طراحی دقیق ضروری هستند. در حالی که نمودارهای خاص در متن ارائه شده بازتولید نشده‌اند، محتوای معمول و اهمیت آن‌ها در زیر توضیح داده شده است.

3.1 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V)

این نمودار رابطه بین جریان عبوری از دیود و ولتاژ دو سر آن را نشان می‌دهد. این رابطه غیرخطی است و یک ولتاژ آستانه روشن‌شدن (حدود 1.2 تا 1.4 ولت برای LEDهای مادون قرمز GaAs) را نشان می‌دهد که پس از آن جریان با افزایش کمی در ولتاژ به سرعت افزایش می‌یابد. طراحان از این منحنی برای انتخاب مقاومت‌های محدودکننده جریان مناسب یا طراحی درایورهای جریان ثابت استفاده می‌کنند.

3.2 شدت تابشی در مقابل جریان مستقیم

این نمودار نشان می‌دهد که چگونه توان نوری خروجی با جریان درایو افزایش می‌یابد. این رابطه معمولاً در یک محدوده وسیع خطی است اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا به دلیل اثرات حرارتی و افت بازدهی داخلی اشباع شود. شیب این خط به بازده کوانتومی خارجی قطعه مرتبط است.

3.3 شدت تابشی در مقابل دمای محیط

این منحنی وابستگی دمایی خروجی نوری را نشان می‌دهد. برای LEDها، شدت تابشی عموماً با افزایش دمای پیوند کاهش می‌یابد. این فاکتور کاهش ریتینگ برای طراحی سیستم‌هایی که در کل محدوده دمایی (40- تا 85+ درجه سلسیوس) کار می‌کنند، حیاتی است تا عملکرد یکنواخت تضمین شود.

3.4 توزیع طیفی

نموداری که توان نوری نسبی منتشر شده را به عنوان تابعی از طول‌موج نشان می‌دهد. این نمودار در طول‌موج معمول 880 نانومتر به پیک می‌رسد و عرضی دارد که توسط مشخصه FWHM برابر 50 نانومتر تعریف شده است. این برای تطبیق فرستنده با حساسیت طیفی آشکارساز مورد استفاده مهم است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

این قطعه از یک فرمت پکیج LED استاندارد با یک فلنج برای پایداری مکانیکی و به طور بالقوه برای هیت‌سینک استفاده می‌کند. نکات ابعادی کلیدی از دیتاشیت شامل موارد زیر است:

• همه ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند، با اینچ در پرانتز.
• یک تلرانس عمومی ±0.25 میلی‌متر (±0.010 اینچ) اعمال می‌شود مگر اینکه یک ویژگی خاص مشخصه متفاوتی داشته باشد.
• رزین زیر فلنج ممکن است حداکثر تا 1.5 میلی‌متر (0.059 اینچ) بیرون زدگی داشته باشد.
• فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بدنه پکیج خارج می‌شوند، که برای طراحی جای پای PCB حیاتی است.

نقشه ابعادی خاص مقادیر دقیق طول، عرض، ارتفاع بدنه، قطر و فاصله پایه‌ها را ارائه می‌دهد.

4.2 شناسایی قطبیت

LEDهای مادون قرمز قطعاتی قطبی هستند. پکیج معمولاً یک طرف صاف یا یک بریدگی روی لبه دارد که پایه کاتد (منفی) را نشان می‌دهد. پایه بلندتر نیز ممکن است نشان‌دهنده آند (مثبت) باشد، اما علامت‌گذاری روی پکیج مرجع قطعی است. قطبیت صحیح برای عملکرد ضروری است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

رعایت مشخصات لحیم‌کاری برای جلوگیری از آسیب مکانیکی یا حرارتی حیاتی است.

• دمای لحیم‌کاری:پایه‌ها می‌توانند دمای 260 درجه سلسیوس را تا 5 ثانیه تحمل کنند، مشروط بر اینکه حرارت حداقل در فاصله 1.6 میلی‌متری (0.063 اینچ) از بدنه پکیج پلاستیکی اعمال شود. این از ذوب شدن یا تنش حرارتی رزین جلوگیری می‌کند.
• توصیه فرآیند:برای لحیم‌کاری ریفلو، یک پروفایل استاندارد بدون سرب با دمای پیک حداکثر 260 درجه سلسیوس مناسب است. زمان بالای دمای مایع باید کنترل شود تا ورودی حرارتی کل به حداقل برسد.
• تمیزکاری:در صورت نیاز به تمیزکاری، از فرآیندهای سازگار با رزین اپوکسی آبی شفاف استفاده کنید. باید از حلال‌های خشن اجتناب کرد.
• شرایط ذخیره‌سازی:در یک محیط خشک و ضد استاتیک در محدوده دمای ذخیره‌سازی مشخص شده (55- تا 100+ درجه سلسیوس) نگهداری شود. اطلاعات سطح حساسیت به رطوبت (MSL)، در صورت وجود، در یک مشخصه بسته‌بندی جداگانه یافت می‌شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

صفحه آخر دیتاشیت به جزئیات بسته‌بندی اختصاص دارد. این معمولاً شامل موارد زیر است:

• فرمت بسته‌بندی:احتمالاً قطعات روی نوار و قرقره برای جایگذاری خودکار عرضه می‌شوند، که برای قطعات نصب سطحی استاندارد است. اندازه قرقره، عرض نوار، ابعاد جیب و جهت‌گیری در اینجا تعریف شده است.
• تعداد در هر قرقره:تعداد استاندارد قطعات در هر قرقره (مثلاً 1000، 2000، 4000).
• شماره مدل:شماره قطعهLTE-7377LM1-TAکد سفارش کامل است. پسوندهایی مانند "-TA" ممکن است نشان‌دهنده بسته‌بندی نوار و قرقره یا گزینه‌های دسته‌بندی خاص باشد.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

• سنجش مادون قرمز:سنسورهای مجاورتی، تشخیص شیء، ربات‌های دنبال‌کننده خط و سوئیچ‌های نوری قطع‌شونده (مانند تشخیص کاغذ در پرینترها). زاویه دید باریک و سرعت بالا مفید هستند.
• ارتباطات نوری:لینک‌های داده برد کوتاه، فرستنده‌های کنترل از راه دور (برای تلویزیون و غیره) و انتقال داده IR صنعتی که نیاز به مصونیت در برابر EMI دارند. زمان صعود/سقوط 40 نانوثانیه از نرخ داده متوسط پشتیبانی می‌کند.
• بینایی ماشین و روشنایی:تأمین روشنایی نامرئی برای دوربین‌های مداربسته با قابلیت دید در شب یا برای سیستم‌های تخصصی بینایی ماشین.

7.2 ملاحظات طراحی

• مدار درایو:به دلیل جریان پالسی مجاز بالا (2 آمپر)، تقریباً همیشه به یک ترانزیستور درایور اختصاصی (BJT یا MOSFET) نیاز است. یک مقاومت سری ساده برای چنین پالس‌های جریان بالا کافی نیست و توان زیادی را هدر می‌دهد.
• محدود کردن جریان:برای عملیات DC یا پالسی، جریان باید به طور فعال محدود شود تا از تجاوز از ریتینگ‌های حداکثر مطلق جلوگیری شود. برای خروجی نوری پایدار از یک درایور جریان ثابت استفاده کنید.
• مدیریت حرارت:در حالی که پکیج دارای فلنج است، برای عملیات پیوسته در جریان‌های بالا (نزدیک به 100 میلی‌آمپر)، باید به چیدمان PCB به عنوان یک هیت‌سینک توجه شود، به ویژه اگر در دمای محیط بالا کار می‌کند.
• طراحی نوری:زاویه دید 16 درجه‌ای ممکن است در صورت نیاز به الگوی پرتو متفاوت، نیاز به لنز یا دیفیوزر داشته باشد. طول‌موج 880 نانومتر نیاز به آشکارسازی دارد که در آن محدوده حساس باشد (مانند فوتودیود سیلیکونی، فوتوترانزیستور).
• محافظت الکتریکی:یک مقاومت سری کوچک یا یک سرکاب‌کننده ولتاژ گذرا (TVS) ممکن است برای محافظت در برابر اسپایک‌های ولتاژ توصیه شود، به ویژه در محیط‌های صنعتی، علیرغم ریتینگ ولتاژ معکوس 5 ولت.

8. مقایسه و تمایز فنی

بر اساس مشخصات آن، این فرستنده IR خود را در بازار از طریق ترکیبی از ویژگی‌های کلیدی متمایز می‌کند:

• ترکیب سرعت بالا و توان بالا:سرعت سوئیچینگ 40 نانوثانیه همراه با شدت تابشی بالا (حداقل 35 میلی‌وات بر استرادیان) و قابلیت جریان پالسی بسیار بالا (2 آمپر) یک مزیت قابل توجه برای کاربردهایی است که نیازمند پالس‌های روشن و نرخ داده سریع یا زمان‌بندی دقیق هستند.
• بهینه‌شده برای عملیات پالسی:ریتینگ‌های صریح برای جریان پالسی پیک و ولتاژ مستقیم مشخص شده تحت شرایط پالس نشان می‌دهد که قطعه برای این حالت پرتنش مهندسی شده است و عملکرد و قابلیت اطمینان بهتری نسبت به LEDهایی که صرفاً برای DC ریت شده‌اند ارائه می‌دهد.
• زاویه دید باریک:پرتو 16 درجه‌ای باریک‌تر از بسیاری از LEDهای مادون قرمز استاندارد (که می‌توانند 30 تا 60 درجه باشند) است، نور جهت‌دارتر و شدت بالاتری روی محور فراهم می‌کند که نسبت سیگنال به نویز را در کاربردهای سنجش جهت‌دار بهبود می‌بخشد.

9. پرسش‌های متداول (FAQs)

سوال 1: آیا می‌توانم این LED را با یک پین میکروکنترلر 5 ولت و تنها با یک مقاومت سری راه‌اندازی کنم؟

پاسخ: برای پالس‌های کوتاه در جریان کم (مثلاً 20 تا 50 میلی‌آمپر)، محاسبه مقاومت سری امکان‌پذیر است (R = (V_CC- V_F) / I_F). با این حال، برای عملیات پالسی با جریان بالا (350 میلی‌آمپر یا 2 آمپر) که قطعه برای آن طراحی شده است، یک پین میکروکنترلر نمی‌تواند جریان کافی تأمین کند. یک سوئیچ ترانزیستوری (مانند MOSFET) که توسط MCU کنترل می‌شود، برای تحویل جریان مورد نیاز از یک منبع تغذیه جداگانه اجباری است.

سوال 2: هدف از پکیج آبی چیست؟ آیا فقط برای رنگ است؟

پاسخ: رزین اپوکسی آبی شفاف به عنوان یک فیلتر عبور طول‌موج کوتاه عمل می‌کند. برای نور مادون قرمز منتشر شده 880 نانومتر شفاف است اما نور مرئی را مسدود یا تضعیف می‌کند. این می‌تواند به کاهش تداخل از نور مرئی محیط در آشکارساز کمک کند و نسبت سیگنال به نویز سیستم IR را بهبود بخشد. همچنین به عنوان یک شناسه بصری عمل می‌کند.

سوال 3: چگونه مقدار "شدت تابشی" را برای طراحی خود تفسیر کنم؟

پاسخ: شدت تابشی (میلی‌وات بر استرادیان) معیاری است از اینکه چه مقدار توان نوری در یک زاویه فضایی معین منتشر می‌شود. برای تخمین تابندگی (توان در واحد سطح) در یک فاصله (d) روی محور نوری، می‌توانید از تقریب زیر استفاده کنید: E ≈ I_E/ d²برای زوایای کوچک، که در آن E بر حسب میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع است اگر d بر حسب سانتی‌متر باشد. این کمک می‌کند تا تعیین شود آیا نور کافی به آشکارساز شما می‌رسد یا خیر.

سوال 4: حداکثر دمای ذخیره‌سازی 100 درجه سلسیوس است، اما دمای لحیم‌کاری 260 درجه سلسیوس است. آیا این متناقض نیست؟

پاسخ: خیر. دمای ذخیره‌سازی برای شرایط غیرعملیاتی بلندمدت است که کل پکیج به طور یکنواخت در آن دما قرار دارد. ریتینگ لحیم‌کاری برای یک مواجهه حرارتی بسیار کوتاه و موضعی (5 ثانیه) است که فقط به پایه‌های فلزی اعمال می‌شود، که گرما را از پیوندگاه نیمه‌هادی حساس و بدنه پکیج دور می‌کنند.

10. مطالعه موردی طراحی عملی

سناریو: طراحی یک انکودر نوری پرسرعت.

یک انکودر چرخشی نوری نیاز به یک منبع نور دارد تا از طریق یک دیسک کدگذاری شده روی یک آرایه فوتودتکتور بتابد. انکودر باید در سرعت‌های چرخشی بالا کار کند، که نیازمند سوئیچینگ سریع منبع نور برای جلوگیری از محو شدن و امکان تشخیص لبه دقیق است.

• منطق انتخاب قطعه:LTE-7377LM1-TA انتخاب شده است زیرا زمان صعود/سقوط 40 نانوثانیه‌ای آن امکان پالس‌های نوری بسیار تیز را فراهم می‌کند و به سیستم اجازه می‌دهد تا تغییرات موقعیتی دقیق را با سرعت بالا تفکیک کند. زاویه دید باریک 16 درجه‌ای کمک می‌کند تا نور از طریق شکاف‌های باریک دیسک انکودر متمرکز شود و کنتراست را بهبود بخشد.
• طراحی مدار:یک مدار درایور جریان ثابت با استفاده از یک MOSFET پرسرعت پیاده‌سازی شده است. MOSFET توسط یک تایمر یا خروجی FPGA سوئیچ می‌شود. جریان روی 100 میلی‌آمپر (حداکثر پیوسته) یا یک مقدار پالسی مانند 350 میلی‌آمپر برای پالس‌های با شدت بالاتر تنظیم می‌شود، در محدوده‌های دیتاشیت باقی می‌ماند. ولتاژ مستقیم در این جریان برای محاسبه اتلاف توان در درایور استفاده می‌شود.
• چیدمان و حرارت:جای پای PCB با فاصله پایه‌های نقشه پکیج مطابقت دارد. یک پد تخلیه حرارتی کوچک متصل به صفحه زمین زیر فلنج قرار داده شده است تا به دفع حرارت در حین عملیات پیوسته کمک کند.
• تراز نوری:فرستنده و آشکارساز در دو طرف مقابل دیسک انکودر تراز شده‌اند. پرتو باریک حداقل تداخل بین ترک‌های مجاور روی دیسک را تضمین می‌کند.

11. اصل عملکرد

این قطعه یک دیود نورافشان (LED) بر اساس یک پیوندگاه p-n نیمه‌هادی است که معمولاً از موادی مانند آرسنید گالیم (GaAs) یا آرسنید گالیم آلومینیوم (AlGaAs) برای تولید نور مادون قرمز استفاده می‌کند. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم بیش از ولتاژ آستانه روشن‌شدن پیوندگاه اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در سراسر پیوندگاه تزریق می‌شوند. با بازترکیب این حامل‌های بار، انرژی به شکل فوتون آزاد می‌شود. انرژی گاف نواری خاص ماده نیمه‌هادی طول‌موج فوتون‌های منتشر شده را تعیین می‌کند که در این مورد حول 880 نانومتر متمرکز است. پکیج اپوکسی آبی تراشه نیمه‌هادی را محصور می‌کند، محافظت مکانیکی فراهم می‌کند و به عنوان یک لنز اولیه عمل می‌کند که پرتو خروجی را شکل می‌دهد در حالی که طول‌موج‌های کوتاه‌تر را فیلتر می‌کند.

12. روندهای فناوری

فناوری فرستنده مادون قرمز همچنان در کنار روندهای گسترده‌تر اپتوالکترونیک در حال تکامل است. همواره تلاشی مداوم برای دستیابی به بازدهی بالاتر (خروجی نور بیشتر به ازای هر وات ورودی الکتریکی) برای کاهش مصرف توان و تولید گرما وجود دارد. این امکان منابع روشن‌تر یا عمر باتری طولانی‌تر در دستگاه‌های قابل حمل را فراهم می‌کند. روند دیگر، ادغام فرستنده‌ها با درایورها و منطق کنترل در ماژول‌های هوشمند است که طراحی سیستم را ساده می‌کند. علاوه بر این، توسعه به سمت سرعت‌های سوئیچینگ حتی سریع‌تر برای پشتیبانی از نرخ داده بالاتر در ارتباطات نوری (مانند Li-Fi) و سنجش زمان پرواز (ToF) دقیق‌تر برای کاربردهای تصویربرداری سه‌بعدی و LiDAR در حال انجام است. فشار برای کوچک‌سازی نیز ادامه دارد که منجر به جای پای پکیج کوچک‌تر در حالی که ویژگی‌های عملکرد حفظ یا بهبود می‌یابند، می‌شود.