دیتاشیت فرستنده مادون قرمز LTE-3276 - طول موج 850 نانومتر - جریان مستقیم 50 میلی‌آمپر - ولتاژ مستقیم 1.8 ولت - توان و سرعت بالا - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

LTE-3276 یک فرستنده مادون قرمز (IR) با عملکرد بالا است که برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به زمان پاسخ سریع و خروجی تابشی قابل توجه دارند. مزایای اصلی آن در ترکیب قابلیت‌های سرعت بالا و توان بالا نهفته است که آن را برای کار پالسی در محیط‌های سخت مناسب می‌سازد. این قطعه در یک پکیج شفاف و شیشه‌ای قرار دارد که برای فرستنده‌های مادون قرمز معمول است تا حداکثر انتقال نور مادون قرمز را فراهم کند. بازار هدف شامل اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های ارتباطی (مانند IrDA)، کنترل‌های از راه دور، سوئیچ‌های نوری و سیستم‌های سنسوری است که در آن‌ها سیگنال‌دهی مادون قرمز با شدت بالا و قابل اعتماد مورد نیاز است.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد در این محدودیت‌ها یا نزدیک به آن‌ها برای مدت طولانی توصیه نمی‌شود.

• اتلاف توان (P_D):200 میلی‌وات. این حداکثر توان کلی است که قطعه تحت هر شرایط کاری می‌تواند به صورت گرما تلف کند.
• جریان مستقیم پیک (I_FP):1 آمپر. این جریان بالا فقط تحت شرایط پالسی (300 پالس در ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه) مجاز است. این موضوع قابلیت قطعه را برای تولید نور شدید و کوتاه مدت برجسته می‌سازد.
• جریان مستقیم پیوسته (I_F):100 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور پیوسته اعمال کرد.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. تجاوز از این ولتاژ در بایاس معکوس می‌تواند باعث شکست اتصال نیمه‌هادی شود.
• محدوده دمای کاری و ذخیره‌سازی:40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. این محدوده وسیع، قابلیت اطمینان در شرایط محیطی سخت را تضمین می‌کند.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سانتی‌گراد به مدت 6 ثانیه در فاصله 1.6 میلی‌متر از بدنه. این پارامتر برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو برای جلوگیری از آسیب حرارتی حیاتی است.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند و عملکرد معمول قطعه را تعریف می‌کنند.

• شدت تابشی (I_E):یک معیار کلیدی برای توان خروجی نوری در هر زاویه فضایی. در I_F= 20mA، این مقدار 12.75 میلی‌وات بر استرادیان (معمول) است. در I_F= 50mA، به طور قابل توجهی به 32 میلی‌وات بر استرادیان (معمول) افزایش می‌یابد که نشان‌دهنده افزایش غیرخطی و کارآمد با جریان است.
• طول موج تابش پیک (λ_P):850 نانومتر (معمول). این طول موج در طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد که برای چشم انسان نامرئی است اما به راحتی توسط فوتودیودهای سیلیکونی و دوربین‌های حساس به IR قابل تشخیص است.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):40 نانومتر (معمول). این مقدار پهنای باند طیفی را نشان می‌دهد؛ عرض باریک‌تر نشان‌دهنده منبع تک‌رنگ‌تر است.
• ولتاژ مستقیم (V_F):در I_F= 50mA، V_Fمعمولاً 1.49 ولت است، با حداکثر 1.80 ولت. در I_F= 200mA، V_Fبه 1.83 ولت (معمول) افزایش می‌یابد، حداکثر 2.3 ولت. این ضریب دمایی مثبت باید در طراحی درایور در نظر گرفته شود.
• زاویه دید (2θ_1/2):50 درجه (معمول). این زاویه کامل است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار پیک خود کاهش می‌یابد. زاویه 50 درجه تعادل خوبی بین تمرکز پرتو و پوشش ارائه می‌دهد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه معمول را ارائه می‌دهد که برای طراحی مدار و درک رفتار قطعه تحت شرایط مختلف ضروری هستند.

3.1 توزیع طیفی (شکل 1)

این منحنی شدت تابشی نسبی را در مقابل طول موج ترسیم می‌کند. طول موج پیک حدود 850 نانومتر را تأیید می‌کند و شکل و عرض (نیم‌عرض 40 نانومتر) طیف تابش را نشان می‌دهد. این برای تطبیق فرستنده با حساسیت طیفی آشکارساز بسیار مهم است.

3.2 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (شکل 3)

این منحنی I-V رابطه نمایی معمول یک دیود را نشان می‌دهد. این منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا ولتاژ درایو لازم برای جریان کاری مورد نظر را تعیین کنند، که برای طراحی درایورهای جریان ثابت حیاتی است.

3.3 شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم (شکل 5)

این نمودار نشان می‌دهد که چگونه خروجی نور با جریان درایو افزایش می‌یابد. این رابطه در جریان‌های پایین عموماً خطی است اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا به دلیل محدودیت‌های حرارتی و بازدهی، اثرات اشباع نشان دهد. این داده برای تنظیم نقطه کاری برای دستیابی به توان نوری مورد نیاز حیاتی است.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل دمای محیط (شکل 4)

این منحنی ضریب دمایی منفی خروجی LED را نشان می‌دهد. با افزایش دمای محیط، شدت تابشی کاهش می‌یابد. این کاهش حرارتی باید در طراحی‌های مورد نظر برای محیط‌های با دمای بالا لحاظ شود تا حاشیه سیگنال کافی تضمین گردد.

3.5 نمودار تابش (شکل 6)

این نمودار قطبی، توزیع فضایی نور تابیده شده را به صورت بصری نشان می‌دهد و زاویه دید 50 درجه را به وضوح نشان می‌دهد. این نمودار در طراحی سیستم‌های نوری برای فوکوس یا موازی‌سازی پرتو IR کمک می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد پکیج

این قطعه از یک پکیج استاندارد سوراخ‌دار، احتمالاً از نوع T-1 3/4 (5mm) که برای فرستنده‌های مادون قرمز رایج است، استفاده می‌کند. نکات کلیدی ابعادی از دیتاشیت شامل موارد زیر است:

• همه ابعاد بر حسب میلی‌متر (اینچ) هستند.
• تلرانس ±0.25mm(.010") است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.
• حداکثر رزین بیرون زده زیر فلنج 1.5mm(.059") است.
• فاصله پایه‌ها در جایی اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از پکیج خارج می‌شوند.

جنس پکیج شفاف و شیشه‌ای معمولاً اپوکسی است که برای عبوردهی بالا در 850 نانومتر بهینه شده است.

4.2 شناسایی قطبیت

برای یک پکیج LED استاندارد، پایه بلندتر معمولاً آند (مثبت) و پایه کوتاه‌تر کاتد (منفی) است. پکیج ممکن است یک طرف صاف نیز در نزدیکی کاتد داشته باشد. رعایت قطبیت صحیح برای جلوگیری از آسیب بایاس معکوس ضروری است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقدار مجاز مطلق برای لحیم‌کاری پایه‌ها به صراحت ذکر شده است:260 درجه سانتی‌گراد به مدت 6 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متر (.063") از بدنه. این یک پارامتر حیاتی برای مونتاژ است.

• لحیم‌کاری موجی/دستی:به طور دقیق به محدودیت 260°C/6s پایبند باشید. پیش‌گرمایش برای به حداقل رساندن شوک حرارتی توصیه می‌شود.
• لحیم‌کاری ریفلو:اگرچه به صراحت برای SMD ذکر نشده است، اما پروفیل دمایی باید اطمینان حاصل کند که دمای بدنه پکیج برای مدت طولانی از حداکثر دمای ذخیره‌سازی 85°C تجاوز نکند و دمای پایه در نقطه مشخص شده نباید از 260°C فراتر رود.
• شرایط نگهداری:در یک محیط خشک و ضد استاتیک در محدوده دمای مشخص شده (40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد) نگهداری شود تا از جذب رطوبت و تخریب جلوگیری شود.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 سناریوهای کاربردی معمول

• انتقال داده مادون قرمز (IrDA):سرعت بالای آن، آن را برای لینک‌های داده سریال مناسب می‌سازد.
• کنترل‌های از راه دور:توان بالا، برد طولانی و عملکرد قابل اعتماد را تضمین می‌کند.
• سوئیچ‌های نوری و تشخیص شیء:در کنار یک آشکارساز نوری برای حس کردن حضور، موقعیت یا شمارش استفاده می‌شود.
• پرده‌های ایمنی صنعتی:ایجاد یک مانع پرتو نامرئی برای حفاظت از ماشین‌آلات.
• روشنایی دید در شب:برای دوربین‌های مداربسته با حساسیت IR.

6.2 ملاحظات طراحی

• مدار درایور:همیشه از یک مقاومت محدودکننده جریان سری یا یک درایور جریان ثابت استفاده کنید. محاسبه بر اساس ولتاژ مستقیم (V_F) در جریان کاری مورد نظر (I_F) انجام شود.
• مدیریت حرارت:برای کار پیوسته نزدیک به حداکثر جریان، اتلاف توان (P_D= V_F* I_F) را در نظر بگیرید و در صورت لزوم اطمینان حاصل کنید که هیت‌سینک کافی برای نگه داشتن دمای اتصال در محدوده مجاز وجود دارد.
• عملکرد پالسی:برای جریان پالس پیک 1A، اطمینان حاصل کنید که درایور می‌تواند پالس جریان بالا مورد نیاز را با زمان صعود/سقوط سریع برای استفاده از قابلیت سرعت بالا ارائه دهد.
• طراحی نوری:از لنزها یا بازتابنده‌ها برای شکل‌دهی به پرتو 50 درجه‌ای مطابق با نیاز کاربردی استفاده کنید (مثلاً باریک برای برد طولانی، پهن برای پوشش منطقه‌ای).
• تطبیق آشکارساز:با یک آشکارساز نوری (مانند فوتوترانزیستور، فوتودیود) جفت کنید که حساسیت طیفی پیک آن حدود 850 نانومتر باشد تا عملکرد بهینه حاصل شود.

7. مقایسه و تمایز فنی

LTE-3276 از طریق ترکیب خاص پارامترهای خود در بازار متمایز می‌شود:

• توان بالا در جریان متوسط:32 میلی‌وات بر استرادیان در 50mA یک خروجی قوی است که برای کاربردهای نیازمند نسبت سیگنال به نویز خوب مفید است.
• قابلیت سرعت بالا:مشخصات عملکرد پالسی، زمان پاسخ ذاتی سریع را نشان می‌دهد که برای سیگنال‌های مدوله شده مناسب است.
• ساختار مستحکم:محدوده دمای کاری وسیع و پکیج شفاف نشان‌دهنده طراحی برای قابلیت اطمینان است.
• در مقایسه با LEDهای مادون قرمز کم‌توان استاندارد، این قطعه شدت تابشی به مراتب بالاتری ارائه می‌دهد. در مقایسه با دیودهای لیزر، ایمن‌تر است (در این کلاس توان برای چشم ایمن است)، پرتو پهن‌تری دارد و عموماً مستحکم‌تر و آسان‌تر برای درایو کردن است.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پایه میکروکنترلر 5 ولت راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. شما باید از یک مقاومت محدودکننده جریان استفاده کنید. به عنوان مثال، برای راه‌اندازی در I_F=50mA با V_Fحدود ~1.5V از منبع 5 ولت: R = (5V - 1.5V) / 0.05A = 70 اهم. از یک مقاومت 68 یا 75 اهمی استفاده کنید و ریتینگ توان را بررسی کنید (P = I²R = 0.175W، بنابراین یک مقاومت 1/4W کافی است).

س: تفاوت بین شدت تابشی (mW/sr) و تابندگی روزنه (mW/cm²) چیست؟

ج: شدت تابشی، توان تابیده شده در هر واحد زاویه فضایی (استرادیان) است که قدرت جهت‌دار منبع را توصیف می‌کند. تابندگی روزنه، چگالی توان (میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) است که در یک فاصله و تراز مشخص به سطح آشکارساز می‌رسد. مورد دوم به مورد اول و قانون مربع معکوس فاصله بستگی دارد.

س: چگونه از آن در حالت پالسی استفاده کنم؟

ج: از یک سوئیچ ترانزیستور (BJT یا MOSFET) که توسط سیگنال منطقی شما کنترل می‌شود، برای پالس دادن به LED استفاده کنید. اطمینان حاصل کنید که درایور می‌تواند جریان پیک بالا (تا 1A) را با سوئیچینگ سریع تأمین کند. جریان متوسط هنوز باید هنگام در نظر گرفتن چرخه کاری، به ریتینگ جریان پیوسته (100mA) احترام بگذارد.

س: چرا خروجی با دما کاهش می‌یابد؟

ج: این یک مشخصه اساسی LEDهای نیمه‌هادی است. افزایش دما، فرآیندهای بازترکیب غیرتابشی درون ماده نیمه‌هادی را افزایش می‌دهد که باعث کاهش بازده کوانتومی داخلی و در نتیجه کاهش خروجی نور می‌شود.

9. مورد عملی طراحی

مورد: طراحی یک سنسور تشخیص شیء مادون قرمز برد بلند.

هدف: تشخیص یک شیء در فاصله 5 متری.

مراحل طراحی:

1. درایو فرستنده:LTE-3276 را در I_F=50mA (پالس با فرکانس 1kHz، چرخه کاری 50%) راه‌اندازی کنید تا شدت پیک بالا (32 mW/sr) حاصل شود در حالی که توان متوسط قابل مدیریت باقی بماند.

2. اپتیک:یک لنز موازی‌ساز ساده در جلوی فرستنده اضافه کنید تا پرتو 50 درجه‌ای به یک پرتو متمرکزتر حدود ~10 درجه باریک شود و شدت را در فاصله به طور قابل توجهی افزایش دهد.

3. آشکارساز:از یک فوتوترانزیستور سیلیکونی تطبیق‌یافته با پاسخ پیک در 850nm استفاده کنید. یک فیلتر نوری باند باریک (مرکز 850nm) در جلوی آن قرار دهید تا نور محیطی حذف شود.

4. مدار:مدار گیرنده، فوتوکرنت کوچک را تقویت می‌کند. از تشخیص همزمان (مدوله کردن فرستنده و تنظیم گیرنده روی فرکانس یکسان) برای حذف نور محیطی DC و نویز فرکانس پایین استفاده کنید تا برد و قابلیت اطمینان به طور چشمگیری بهبود یابد.

این تنظیمات از توان و سرعت بالای LTE-3276 برای یک سیستم تشخیصی مستحکم و مقاوم در برابر تداخل استفاده می‌کند.

10. معرفی اصل عملکرد

یک فرستنده مادون قرمز مانند LTE-3276، یک دیود نورافشان (LED) بر اساس فیزیک نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم در سراسر اتصال p-n اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها به ناحیه فعال تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی آزاد می‌کنند. در این قطعه خاص، ماده نیمه‌هادی (معمولاً بر پایه آلومینیوم گالیم آرسناید - AlGaAs) به گونه‌ای مهندسی شده است که این انرژی به صورت فوتون در طیف مادون قرمز، با طول موج پیک 850 نانومتر آزاد می‌شود. پکیج اپوکسی "شفاف و شیشه‌ای" به گونه‌ای دوپ شده است که برای این طول موج شفاف باشد و اجازه می‌دهد فوتون‌ها به طور کارآمد خارج شوند. مشخصه "سرعت بالا" به زمان‌های روشن و خاموش سریع این فرآیند بازترکیب اشاره دارد که به LED امکان می‌دهد در فرکانس‌های بالا برای انتقال داده مدوله شود.

11. روندهای فناوری

فناوری فرستنده مادون قرمز همچنان در کنار روندهای گسترده‌تر فوتونیک در حال تکامل است. تحولات کلیدی شامل موارد زیر است:

افزایش بازده توان:تحقیقات بر بهبود بازده کوانتومی داخلی (فوتون بیشتر به ازای هر الکترون) و بازده استخراج نور از پکیج متمرکز است که منجر به شدت تابشی بالاتر برای همان توان ورودی الکتریکی می‌شود.

فرم‌فکتورهای کوچک‌تر:روند به سوی مینیاتوری‌سازی، پکیج‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) با عملکرد مشابه یا بهتر از انواع سنتی سوراخ‌دار را پیش می‌برد.

سرعت بهبودیافته:برای کاربردهای ارتباطی، دستگاه‌هایی با پهنای باند مدولاسیون حتی سریع‌تر برای پشتیبانی از نرخ داده بالاتر در حال توسعه هستند.

تنوع طول موج:در حالی که 850nm و 940nm رایج هستند، طول موج‌های دیگر برای کاربردهای خاص، مانند طول موج‌های بلندتر ایمن برای چشم یا خطوط جذب خاص برای حس‌گری گاز، در حال بهینه‌سازی هستند.

یکپارچه‌سازی:روندی به سوی یکپارچه‌سازی فرستنده با یک IC درایور یا حتی با یک آشکارساز در یک ماژول واحد وجود دارد که طراحی سیستم را برای کاربران نهایی ساده می‌کند.