دیتاشیت فرستنده مادون قرمز HSDL-4261 - طول موج 870 نانومتر - ولتاژ مستقیم 1.4 ولت - اتلاف توان 190 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

HSDL-4261 یک قطعه گسسته فرستنده مادون قرمز است که برای کاربردهای نیازمند انتقال نوری پرسرعت داده طراحی شده است. این قطعه از فناوری LED آلومینیوم گالیم آرسناید (AlGaAs) برای تولید نور مادون قرمز با طول موج اوج 870 نانومتر استفاده می‌کند. این دستگاه با قابلیت‌های سوئیچینگ سریع خود شناخته می‌شود و آن را برای رابط‌های ارتباطی دیجیتال مناسب می‌سازد.

1.1 مزایای اصلی

• عملکرد پرسرعت:دارای زمان صعود و فرود نوری معمولی 15 نانوثانیه است که امکان انتقال داده در کاربردهای با پهنای باند بالا را فراهم می‌کند.
• توان نوری بالا:شدت تابشی بالایی ارائه می‌دهد و سیگنال قوی برای ارتباط مادون قرمز مطمئن فراهم می‌کند.
• مطابق با RoHS:به عنوان یک محصول بدون سرب تولید شده و با مقررات زیست‌محیطی مطابقت دارد.
• پکیج شفاف:در یک پکیج با رنگ شفاف قرار گرفته که نور مادون قرمز ساطع شده را فیلتر نمی‌کند.

1.2 کاربردهای هدف

• تجهیزات صنعتی مادون قرمز
• دستگاه‌های قابل حمل مادون قرمز
• الکترونیک مصرفی (مانند موس‌های نوری)
• ارتباطات مادون قرمز پرسرعت (مانند شبکه‌های محلی IR، مودم‌ها، دانگل‌ها)

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

تمامی مشخصات در دمای محیط (TA) 25 درجه سلسیوس تعریف شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• جریان مستقیم پیوسته (IFDC):حداکثر 100 میلی‌آمپر.
• جریان مستقیم پیک (IFPK):حداکثر 500 میلی‌آمپر، تحت شرایط پالسی (ضریب وظیفه=20%، عرض پالس=100 میکروثانیه).
• اتلاف توان (PDISS):حداکثر 190 میلی‌وات. باید با افزایش دمای محیط مطابق منحنی‌های مشخصه کاهش یابد.
• ولتاژ معکوس (VR):حداکثر 5 ولت.
• محدوده دمای ذخیره‌سازی (TS):40- درجه تا 100+ درجه سلسیوس.
• محدوده دمای عملیاتی (TO):40- درجه تا 85+ درجه سلسیوس.
• دمای اتصال (TJ):حداکثر 110 درجه سلسیوس.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سلسیوس برای حداکثر 5 ثانیه، با فاصله نوک هویه حداقل 1.6 میلی‌متر از بدنه پکیج.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

اینها پارامترهای عملکرد معمول تحت شرایط تست مشخص شده هستند.

• توان نوری تابشی (Po):معمولاً 9 میلی‌وات در IF=20mA و 45 میلی‌وات در IF=100mA.
• شدت تابشی روی محور (IE):معمولاً 36 میلی‌وات بر استرادیان در IF=20mA و 180 میلی‌وات بر استرادیان در IF=100mA.
• طول موج اوج تابش (λPeak):معمولاً 870 نانومتر (محدوده: 850 نانومتر تا 890 نانومتر) در IF=20mA.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):تقریباً 47 نانومتر در IF=20mA.
• ولتاژ مستقیم (Vf):معمولاً 1.4 ولت در IF=20mA و 1.7 ولت در IF=100mA.
• ضریب دمایی ولتاژ مستقیم (△V/△T):تقریباً 1.5- میلی‌ولت بر درجه سلسیوس در IF=20mA.
• زاویه دید (2θ1/2):معمولاً 26 درجه، که گسترش زاویه‌ای تابش ساطع شده را تعریف می‌کند.
• ضریب دمایی شدت (△IE/△T):تقریباً 0.22- درصد بر درجه سلسیوس در IF=100mA، که نشان‌دهنده کاهش خروجی با افزایش دما است.
• ضریب دمایی طول موج (△λ/△T):تقریباً 0.18+ نانومتر بر درجه سلسیوس در IF=20mA.
• زمان صعود/فرود نوری (Tr/Tf):معمولاً 15 نانوثانیه، اندازه‌گیری شده از 10% تا 90% خروجی نوری.
• مقاومت سری (RS):معمولاً 4.1 اهم در IF=100mA.
• خازن دیود (CO):معمولاً 80 پیکوفاراد در بایاس 0 ولت و فرکانس 1 مگاهرتز.
• مقاومت حرارتی (RθJA):معمولاً 280 درجه سلسیوس بر وات از اتصال به محیط از طریق پایه‌ها.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که روابط کلیدی را نشان می‌دهند.

3.1 جریان مستقیم در مقابل شدت تابشی نسبی

این منحنی نشان می‌دهد که شدت خروجی نوری به صورت فوق خطی با جریان مستقیم افزایش می‌یابد، به ویژه در جریان‌های بالاتر. این موضوع اهمیت درایو جریان برای دستیابی به روشنایی مطلوب را برجسته می‌کند.

3.2 ولتاژ مستقیم در مقابل جریان مستقیم

منحنی مشخصه IV رابطه نمایی معمول برای یک دیود را نشان می‌دهد. ولتاژ مستقیم با جریان افزایش می‌یابد و همچنین وابسته به دما است.

3.3 ولتاژ مستقیم در مقابل دمای محیط

این نمودار ضریب دمایی منفی ولتاژ مستقیم را نشان می‌دهد. در یک جریان ثابت، Vf با افزایش دما کاهش می‌یابد، که یک ملاحظه حیاتی برای مدارهای درایو با ولتاژ ثابت است.

3.4 کاهش جریان مستقیم DC در مقابل دمای محیط

این یک نمودار حیاتی برای قابلیت اطمینان است. حداکثر جریان مستقیم پیوسته مجاز را به عنوان تابعی از دمای محیط تعریف می‌کند. با افزایش دما، حداکثر جریان مجاز باید کاهش یابد تا از تجاوز دمای اتصال از حد 110 درجه سلسیوس جلوگیری شود. به عنوان مثال، در دمای 85 درجه سلسیوس، حداکثر جریان DC به طور قابل توجهی کمتر از دمای 25 درجه سلسیوس است.

3.5 الگوی تابش

نمودار قطبی توزیع فضایی نور مادون قرمز ساطع شده را نشان می‌دهد. HSDL-4261 دارای زاویه دید معمولی 26 درجه (عرض کامل در نصف بیشینه) است که منجر به یک پرتو نسبتاً متمرکز مناسب برای پیوندهای ارتباطی جهت‌دار می‌شود.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی

این دستگاه یک پکیج استاندارد LED سوراخ‌دار است. ابعاد کلیدی شامل فاصله پایه‌ها، قطر بدنه و ارتفاع کلی می‌شود. پایه‌ها طوری طراحی شده‌اند که در نقطه‌ای حداقل 3 میلی‌متر از پایه لنز خم شوند. حداقل بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج مشخص شده است. تمام تلرانس‌های ابعادی معمولاً ±0.25 میلی‌متر هستند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

4.2 شناسایی قطبیت

این قطعه از نشانه‌گذاری قطبیت استاندارد LED استفاده می‌کند. پایه بلندتر معمولاً نشان‌دهنده آند (اتصال مثبت) است، در حالی که پایه کوتاه‌تر کاتد (اتصال منفی) است. این موضوع باید در طول مونتاژ تأیید شود تا عملکرد صحیح تضمین گردد.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 شرایط نگهداری

برای نگهداری بلندمدت، محیط نباید از 30 درجه سلسیوس یا 70% رطوبت نسبی تجاوز کند. اگر قطعات از کیسه اصلی ضد رطوبت خارج شوند، باید ظرف سه ماه استفاده شوند. برای نگهداری طولانی‌مدت خارج از بسته‌بندی اصلی، از یک ظرف درب‌دار با ماده جاذب رطوبت یا یک خشک‌کن پر از نیتروژن استفاده کنید.

5.2 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری، فقط از حلال‌های مبتنی بر الکل مانند ایزوپروپیل الکل استفاده کنید. باید از مواد شیمیایی خشن اجتناب شود.

5.3 شکل‌دهی پایه‌ها

خم‌کردن باید در دمای اتاق و قبل از لحیم‌کاری انجام شود. خم باید حداقل در فاصله 3 میلی‌متری از پایه لنز LED ایجاد شود. بدنه پکیج نباید به عنوان تکیه‌گاه در طول خم‌کردن استفاده شود تا از آسیب به اتصال داخلی تراشه یا سیم‌های اتصال جلوگیری شود.

5.4 پارامترهای لحیم‌کاری

لحیم‌کاری دستی (هویه):حداکثر دما 260 درجه سلسیوس برای حداکثر 5 ثانیه برای هر پایه. نوک هویه باید حداقل 1.6 میلی‌متر از پایه لنز اپوکسی فاصله داشته باشد.

لحیم‌کاری موجی:پیش‌گرم تا حداکثر 100 درجه سلسیوس برای حداکثر 60 ثانیه. دمای موج لحیم باید حداکثر 260 درجه سلسیوس با زمان تماس 5 ثانیه باشد. دستگاه نباید کمتر از 2 میلی‌متر از پایه حباب اپوکسی فرو برده شود.

مهم:باید از فرو بردن لنز در لحیم اجتناب شود. لحیم‌کاری بازجریانی IR برای این نوع پکیج سوراخ‌دار مناسب نیست. دمای بیش از حد یا زمان طولانی می‌تواند باعث تغییر شکل لنز یا خرابی فاجعه‌بار شود.

6. ملاحظات طراحی کاربردی

6.1 طراحی مدار درایو

LEDها دستگاه‌های جریان‌محور هستند. برای اطمینان از روشنایی یکنواخت هنگام درایو چندین LED به صورت موازی، اکیداً توصیه می‌شود که از یک مقاومت محدودکننده جریان جداگانه به صورت سری با هر LED استفاده شود. اتصال مستقیم LEDها به صورت موازی بدون مقاومت‌های جداگانه به دلیل تغییرات در مشخصات ولتاژ مستقیم (Vf) آن‌ها توصیه نمی‌شود، زیرا می‌تواند منجر به عدم تعادل جریان قابل توجه و روشنایی ناهموار شود.

6.2 مدیریت حرارتی

با توجه به مقاومت حرارتی (RθJA) 280 درجه سلسیوس بر وات، اتلاف توان باید به دقت مدیریت شود. عملکرد در حداکثر جریان پیوسته (100mA) با Vf معمولی 1.7 ولت منجر به اتلاف توان 170 میلی‌وات می‌شود. این امر باعث افزایش دمای اتصال تقریباً 47.6 درجه سلسیوس بالاتر از محیط (170mW * 280°C/W) می‌شود. در دمای محیط 85 درجه سلسیوس، اتصال به 132.6 درجه سلسیوس می‌رسد که از حداکثر مقدار مجاز 110 درجه سلسیوس تجاوز می‌کند. بنابراین، باید منحنی کاهش در شکل 6 به شدت رعایت شود.

6.3 محافظت در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD)

این قطعه مستعد آسیب ناشی از تخلیه الکترواستاتیک است. اقدامات احتیاطی توصیه شده برای جابجایی شامل موارد زیر است:

- استفاده از مچ‌بند زمین‌شده یا دستکش‌های ضد استاتیک.

- اطمینان از اینکه تمام تجهیزات، ایستگاه‌های کاری و قفسه‌های نگهداری به درستی زمین شده‌اند.

- استفاده از یونیزه‌کننده برای خنثی کردن بار استاتیکی که ممکن است در طول جابجایی روی لنز پلاستیکی ایجاد شود.

6.4 طراحی نوری

زاویه دید 26 درجه و طول موج 870 نانومتر باید با یک آشکارساز نوری مناسب (مانند یک فوتودیود PIN با پاسخ طیفی مطابق) هماهنگ شود. برای بهینه‌سازی برد و یکپارچگی سیگنال، استفاده از لنزها یا دیافراگم‌ها برای موازی‌سازی یا متمرکز کردن پرتو را در نظر بگیرید، به ویژه در پیوندهای ارتباطی جهت‌دار. پکیج شفاف امکان استفاده از المان‌های نوری خارجی بدون فیلتر کردن ذاتی را فراهم می‌کند.

7. مقایسه و تمایز فنی

HSDL-4261 خود را در بازار فرستنده‌های مادون قرمز از طریق ترکیب‌های خاصی از پارامترها قرار می‌دهد:

سرعت در مقابل توان:این قطعه تعادلی بین سوئیچینگ پرسرعت (15ns) و خروجی توان نوری نسبتاً بالا (45mW معمولاً در 100mA) ارائه می‌دهد. برخی فرستنده‌ها ممکن است سریع‌تر با توان کمتر، یا توان بالاتر با پاسخ کندتر باشند.

طول موج:طول موج اوج 870 نانومتر یک استاندارد رایج برای بسیاری از پیوندهای داده مادون قرمز و سیستم‌های کنترل از راه دور است که تعادل خوبی بین حساسیت آشکارساز نوری سیلیکونی و نویز نور محیط کمتر در مقایسه با طول‌موج‌های مرئی یا نزدیک به مرئی ارائه می‌دهد.

پکیج:پکیج استاندارد سوراخ‌دار آن را هم برای نمونه‌سازی اولیه و هم برای کاربردهایی که از لحیم‌کاری موجی استفاده می‌کنند مناسب می‌سازد و آن را از جایگزین‌های نصب سطحی که نیاز به فرآیندهای بازجریانی دارند متمایز می‌کند.

8. پرسش‌های متداول (FAQs)

8.1 آیا می‌توانم این LED را با یک منبع ولتاژ ثابت درایو کنم؟

توصیه نمی‌شود. مشخصه نمایی I-V یک LED به این معنی است که یک تغییر کوچک در ولتاژ باعث تغییر بزرگی در جریان می‌شود که در صورت درایو مستقیم از یک منبع ولتاژ به راحتی می‌تواند از حداکثر مقدار مجاز تجاوز کند. همیشه از یک مقاومت سری یا یک درایور جریان ثابت برای تنظیم نقطه کار استفاده کنید.

8.2 چرا شدت خروجی با دما کاهش می‌یابد؟

ضریب دمایی منفی شدت تابشی (0.22- درصد بر درجه سلسیوس) یک ویژگی اساسی ماده نیمه‌هادی است. با افزایش دما، فرآیندهای بازترکیب غیرتابشی درون نیمه‌هادی غالب‌تر می‌شوند و بازده تولید نور را کاهش می‌دهند.

8.3 هدف منحنی کاهش چیست؟

منحنی کاهش (شکل 6) برای اطمینان از قابلیت اطمینان بلندمدت ضروری است. این منحنی با محدود کردن اتلاف توان (و در نتیجه جریان مستقیم) با افزایش دمای محیط، از تجاوز دمای اتصال LED از حداکثر مقدار مجاز آن (110 درجه سلسیوس) جلوگیری می‌کند. نادیده گرفتن این منحنی می‌تواند منجر به تخریب سریع و خرابی شود.

8.4 آیا این LED برای عملکرد پیوسته مناسب است؟

بله، اما در محدوده تعریف شده توسط حداکثر مقادیر مجاز مطلق و منحنی کاهش. برای عملکرد DC پیوسته، جریان مستقیم نباید در دمای محیط 25 درجه سلسیوس از 100mA تجاوز کند و باید در دماهای محیط بالاتر مطابق شکل 6 کاهش یابد. برای عملکرد پالسی با جریان‌های پیک بالا، باید مشخصات چرخه وظیفه و عرض پالس رعایت شود.

9. مثال کاربردی عملی

سناریو: طراحی یک فرستنده داده IR ساده برای ارتباط سریال کوتاه‌برد.

1. طراحی مدار:از یک پین GPIO میکروکنترلر برای درایو LED استفاده کنید. یک مقاومت محدودکننده جریان را به صورت سری با آند LED قرار دهید. مقدار مقاومت را با استفاده از R = (Vcc - Vf_LED) / I_desired محاسبه کنید. برای منبع تغذیه 3.3 ولت، جریان مطلوب 50mA و Vf معمولی 1.5 ولت: R = (3.3V - 1.5V) / 0.05A = 36 اهم. از مقدار استاندارد بعدی (مثلاً 39 اهم) استفاده کنید.

2. بررسی حرارتی:اتلاف توان در LED: P = Vf * I = 1.5V * 0.05A = 75mW. افزایش دمای اتصال: ΔTj = P * RθJA = 0.075W * 280°C/W = 21°C. در حداکثر دمای محیط 85 درجه سلسیوس، Tj = 106°C، که زیر حد 110°C است.

3. نرم‌افزار:میکروکنترلر را پیکربندی کنید تا مدولاسیون دیجیتال مورد نظر (مانند کلیدزنی روشن-خاموش) را روی پین GPIO تولید کند. زمان صعود/فرود 15ns LED امکان نرخ داده بالا را فراهم می‌کند.

4. چیدمان:LED و مقاومت سری آن را نزدیک به پین درایو نگه دارید تا اندوکتانس پارازیتی به حداقل برسد. اطمینان حاصل کنید که گیرنده (فوتودیود) درون زاویه دید 26 درجه فرستنده تراز شده است.

10. اصل عملکرد

HSDL-4261 یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی مبتنی بر مواد AlGaAs است. هنگامی که یک بایاس مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n و حفره‌ها از ناحیه p از طریق پیوند به نواحی مخالف تزریق می‌شوند. این حامل‌های اقلیت تزریق شده با حامل‌های اکثریت بازترکیب می‌شوند. در یک نیمه‌هادی با شکاف باند مستقیم مانند AlGaAs، بخش قابل توجهی از این بازترکیب‌ها تابشی هستند، به این معنی که انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. شکاف باند انرژی خاص آلیاژ AlGaAs مورد استفاده، طول موج فوتون‌های ساطع شده را تعیین می‌کند که در این مورد حول 870 نانومتر در طیف مادون قرمز متمرکز است. پکیج اپوکسی شفاف تراشه نیمه‌هادی را محصور می‌کند، محافظت مکانیکی فراهم می‌کند و به عنوان یک لنز برای شکل‌دهی پرتو خروجی عمل می‌کند.

11. روندهای صنعت

فرستنده‌های مادون قرمز همچنان در چندین حوزه کلیدی مرتبط با قطعاتی مانند HSDL-4261 در حال تکامل هستند:

افزایش سرعت:تقاضا برای نرخ داده بالاتر در ارتباطات بی‌سیم نوری (Li-Fi، IRDA پرسرعت) توسعه فرستنده‌هایی با زمان‌های صعود/فرود حتی سریع‌تر را هدایت می‌کند.

افزایش بازده:بهبودها در رشد اپیتاکسیال و طراحی تراشه با هدف تولید توان نوری بیشتر (لومن یا شار تابشی) به ازای هر واحد توان ورودی الکتریکی (وات) است که تولید گرما را کاهش می‌دهد و بازده سیستم را بهبود می‌بخشد.

یکپارچه‌سازی:روندی به سمت یکپارچه‌سازی فرستنده با مدار درایو یا حتی با یک آشکارساز نوری در یک پکیج واحد برای ایجاد ماژول‌های کامل فرستنده-گیرنده نوری وجود دارد که طراحی کاربر نهایی را ساده می‌کند.

طول‌موج‌های جدید:در حالی که 870-940 نانومتر برای گیرنده‌های مبتنی بر سیلیکون استاندارد باقی می‌ماند، تحقیقاتی در مورد طول‌موج‌های دیگر برای کاربردهای خاص مانند حس‌گری گاز یا LiDAR ایمن برای چشم در جریان است.