دیتاشیت LED مادون قرمز LTE-4238 - طول موج 880 نانومتر - جریان مستقیم 100 میلی‌آمپر - اتلاف توان 150 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

LTE-4238 یک دیود نورافشان (LED) مادون قرمز (IR) پرتوان است که برای کاربردهای نیازمند روشنایی قوی و قابل اعتماد مادون قرمز طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تابش نور نامرئی در طول موج اوج 880 نانومتر است که آن را برای سیستم‌های سنجش، کنترل از راه دور و سوئیچینگ نوری مناسب می‌سازد. یک ویژگی کلیدی، همسانی مکانیکی و طیفی آن با سری‌های خاصی از فتوترانزیستورها است که عملکرد بهینه در جفت‌های فرستنده-گیرنده را برای انتقال دقیق سیگنال تضمین می‌کند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مشخصات حداکثر مطلق

این قطعه برای کار در محدوده‌های سخت محیطی و الکتریکی تعیین شده است تا طول عمر و قابلیت اطمینان آن تضمین شود. حداکثر جریان مستقیم پیوسته 100 میلی‌آمپر است، با قابلیت جریان مستقیم اوج 2 آمپر در شرایط پالسی (300 پالس بر ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه). حداکثر اتلاف توان در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس، 150 میلی‌وات است. محدوده دمای کاری از 40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس است، در حالی که محدوده ذخیره‌سازی از 55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس گسترش می‌یابد. قطعه می‌تواند ولتاژ معکوس تا 5 ولت را تحمل کند. برای مونتاژ، پایه‌ها را می‌توان در دمای 260 درجه سلسیوس به مدت حداکثر 5 ثانیه لحیم کرد، که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه بسته‌بندی اندازه‌گیری می‌شود.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی و نوری

پارامترهای کلیدی عملکرد در T_A=25°C و جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر مشخص شده‌اند. شدت تابشی (I_E) به طور معمول 4.81 میلی‌وات بر استرادیان است که نشان‌دهنده توان خروجی نوری در هر زاویه فضایی است. تابندگی روزنه (E_e) 0.64 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع است. ولتاژ مستقیم (V_F) به طور معمول در محدوده 1.3 تا 1.8 ولت قرار دارد. ویژگی‌های طیفی با طول موج تابش اوج (λ_اوج) 880 نانومتر و پهنای نیمه طیفی (Δλ) 50 نانومتر تعریف می‌شوند که باریکی باند نور تابش‌شده را مشخص می‌کند. جریان معکوس (I_R) در ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت، حداکثر 100 میکروآمپر است. زاویه دید (2θ_1/2) 20 درجه است که گسترش زاویه‌ای تابش را توصیف می‌کند، جایی که شدت به نصف مقدار اوج خود کاهش می‌یابد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که رفتار قطعه را در شرایط مختلف نشان می‌دهد.

3.1 توزیع طیفی

شکل 1 شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. منحنی بر روی 880 نانومتر متمرکز است با پهنای نیمه معمولی 50 نانومتر که ماهیت تک‌رنگ خروجی IR را برای فیلتر کردن و تشخیص دقیق تأیید می‌کند.

3.2 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

شکل 2 کاهش مجاز حداکثر جریان مستقیم را با افزایش دمای محیط به تصویر می‌کشد. این نمودار برای طراحی مدیریت حرارتی حیاتی است و اطمینان می‌دهد که قطعه در تمام شرایط محیطی در محدوده عملیاتی ایمن (SOA) خود کار می‌کند.

3.3 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم

شکل 3 مشخصه جریان-ولتاژ (IV) دیود را نشان می‌دهد. این رابطه غیرخطی برای طراحی مدار درایو ضروری است و ولتاژ مورد نیاز برای دستیابی به یک جریان کاری خاص را تعیین می‌کند.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل دمای محیط و جریان مستقیم

شکل‌های 4 و 5 نشان می‌دهند که توان خروجی نوری چگونه با دما و جریان درایو تغییر می‌کند. خروجی معمولاً با افزایش دما کاهش می‌یابد (شکل 4) و به صورت فوق خطی با جریان مستقیم افزایش می‌یابد (شکل 5) که تعادل بین خروجی، بازده و بار حرارتی را برجسته می‌کند.

3.5 الگوی تابش

شکل 6 یک نمودار قطبی است که توزیع فضایی نور تابش‌شده را نشان می‌دهد. زاویه دید 20 درجه تأیید می‌شود که یک پروفایل پرتو نسبتاً متمرکز را نشان می‌دهد که برای کاربردهای روشنایی جهت‌دار مفید است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

این قطعه از یک بسته‌بندی استاندارد LED با فلنج استفاده می‌کند. ابعاد کلیدی شامل اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و محدودیت‌های بیرون‌زدگی است. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلرانس استاندارد ±0.25 میلی‌متر ارائه شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای که پایه‌ها از بدنه بسته‌بندی خارج می‌شوند اندازه‌گیری می‌شود. حداکثر بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج 1.0 میلی‌متر مجاز است. مهندسان باید برای جایگذاری دقیق و طراحی ردپا روی بردهای مدار چاپی (PCB) به نقشه مکانیکی دقیق (که در PDF اشاره شده) مراجعه کنند.

4.2 شناسایی قطبیت

قراردادهای استاندارد قطبیت LED اعمال می‌شود که معمولاً توسط یک طرف صاف روی بسته‌بندی یا پایه‌هایی با طول‌های مختلف (آند بلندتر از کاتد) نشان داده می‌شود. علامت‌گذاری خاص باید از نقشه بسته‌بندی تأیید شود تا جهت‌گیری صحیح در حین مونتاژ تضمین شده و از آسیب بایاس معکوس جلوگیری شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر دمای مجاز مطلق برای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه است که در فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه بسته‌بندی اندازه‌گیری می‌شود. این رتبه‌بندی با پروفایل‌های استاندارد لحیم‌کاری بدون سرب ری‌فلو (مانند IPC/JEDEC J-STD-020) سازگار است. رعایت این محدودیت برای جلوگیری از آسیب حرارتی به تراشه نیمه‌هادی داخلی، اتصالات سیمی یا ماده لنز اپوکسی بسیار مهم است. پیش‌گرمایش برای به حداقل رساندن شوک حرارتی توصیه می‌شود. قطعات باید مطابق با دستورالعمل‌های سطح حساسیت رطوبت (MSL) که باید از دستورالعمل‌های نگهداری سازنده به دست آید، در یک محیط خشک و کنترل‌شده ذخیره شوند.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 سناریوهای کاربردی متداول

این فرستنده IR برای کاربردهای زیر ایده‌آل است: انکودرهای نوری و سنسورهای موقعیت، فرستنده‌های کنترل از راه دور مادون قرمز، تشخیص شیء و سنجش مجاورت، پرده‌های نوری اتوماسیون صنعتی و پیوندهای انتقال داده نوری. همسانی آن با فتوترانزیستورهای خاص، آن را به ویژه در طراحی‌های اپتوکوپلر بازتابی یا عبوری که تراز و پاسخ طیفی در آن‌ها حیاتی است، ارزشمند می‌سازد.

6.2 ملاحظات طراحی

مدار درایو:یک مقاومت محدودکننده جریان هنگام درایو با منبع ولتاژ برای تنظیم I_Fمورد نظر و جلوگیری از فرار حرارتی الزامی است. مقدار مقاومت با استفاده از R = (V_{منبع تغذیه}- V_F) / I_Fمحاسبه می‌شود. برای کار پالسی در جریان‌های اوج بالا (تا 2 آمپر)، یک سوئیچ ترانزیستوری (مانند MOSFET) که توسط یک مولد پالس درایو می‌شود، مورد نیاز است.
مدیریت حرارتی:محدودیت اتلاف توان 150 میلی‌وات باید رعایت شود. در دمای محیط بالا یا جریان‌های پیوسته بالا، دمای اتصال افزایش می‌یابد که ممکن است شدت خروجی و طول عمر قطعه را کاهش دهد. ممکن است چیدمان مناسب PCB با مساحت کافی مس برای هیت‌سینک ضروری باشد.
طراحی نوری:زاویه دید 20 درجه یک پرتو متمرکز ارائه می‌دهد. برای پوشش گسترده‌تر، ممکن است به یک لنز پخش‌کننده نیاز باشد. برای حداکثر بازده کوپلینگ با یک آشکارساز نوری همسان، اطمینان از تراز مکانیکی مناسب و در نظر گرفتن منابع بالقوه نویز IR محیطی (نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) ضروری است.

7. مقایسه و تمایز فنی

تمایز اصلی LTE-4238 درشدت تابشی بالای آن (معمولاً 4.81 میلی‌وات بر استرادیان)وانتخاب خاص آن برای عملکرد همسان با فتوترانزیستورهای همراهنهفته است. در مقایسه با LEDهای IR عمومی، این پیش‌انتخاب، تلرانس‌های تنگ‌تری را در سیستم‌های اپتوالکترونیکی جفت‌شده تضمین می‌کند که منجر به حساسیت یکنواخت‌تر، کراس‌تاک کمتر و نسبت سیگنال به نویز بهبودیافته می‌شود. طول موج 880 نانومتر یک استاندارد رایج است که تعادل خوبی بین حساسیت آشکارساز نوری سیلیکونی و قابلیت مشاهده کمتر در مقایسه با منابع 940 نانومتر ارائه می‌دهد.

8. پرسش‌های متداول (FAQs)

س: هدف از رتبه‌بندی جریان مستقیم اوج (2 آمپر) چیست اگر جریان پیوسته فقط 100 میلی‌آمپر است؟
ج: رتبه‌بندی اوج اجازه پالس‌های جریان بالا و بسیار کوتاه را می‌دهد. این برای کاربردهایی مانند کنترل از راه دور یا انتقال داده که در آن‌ها توان نوری لحظه‌ای بالا برای برد یا سرعت مورد نیاز است، اما توان متوسط (و گرما) کم باقی می‌ماند، ضروری است.

س: دمای محیط چگونه بر عملکرد تأثیر می‌گذارد؟
ج: با افزایش دما، ولتاژ مستقیم معمولاً کمی کاهش می‌یابد، خروجی تابشی کاهش می‌یابد (همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است) و حداکثر جریان پیوسته مجاز باید کاهش یابد (شکل 2). طراحی باید این تغییرات را در نظر بگیرد.

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پین GPIO یک میکروکنترلر درایو کنم؟
ج: احتمالاً، اما با احتیاط. یک پین GPIO ممکن است 20-50 میلی‌آمپر جریان تأمین کند. شما باید از یک مقاومت سری برای محدود کردن جریان به I_Fمورد نظر (مثلاً 20 میلی‌آمپر) استفاده کنید و اطمینان حاصل کنید که جریان کل از محدودیت‌های پین و بسته‌بندی میکروکنترلر تجاوز نمی‌کند. برای جریان‌های بالاتر یا پالس‌ها، یک ترانزیستور درایور خارجی مورد نیاز است.

س: "همسان طیفی" به چه معناست؟
ج: به این معنی است که طیف تابش این LED IR بهینه شده است تا با حساسیت طیفی اوج فتوترانزیستور جفت‌شده آن هم‌راستا شود. این کار، قدرت سیگنال تشخیص‌داده‌شده را برای یک توان تابش‌شده معین به حداکثر می‌رساند.

9. مطالعه موردی طراحی عملی

سناریو: طراحی یک سنسور مجاورت.هدف، تشخیص یک شیء در فاصله 10 سانتی‌متری است. سیستم از یک فرستنده IR LTE-4238 و یک فتوترانزیستور همسان که در کنار هم و رو به یک جهت قرار گرفته‌اند (حالت سنجش بازتابی) استفاده می‌کند.
پیاده‌سازی:LED با پالس‌های 50 میلی‌آمپری (در محدوده رتبه‌بندی پیوسته) در فرکانس 1 کیلوهرتز درایو می‌شود. یک مقاومت محدودکننده جریان، این بایاس را تنظیم می‌کند. کلکتور فتوترانزیستور به یک مقاومت pull-up و یک مدار تقویت‌کننده/فیلتر متصل است. هنگامی که یک شیء در محدوده قرار دارد، نور IR به داخل فتوترانزیستور بازتاب می‌یابد و باعث افت ولتاژ کلکتور آن می‌شود. این سیگنال سپس پردازش شده و به یک مقایسه‌گر یا ADC میکروکنترلر تغذیه می‌شود تا یک رویداد تشخیص را فعال کند.
محاسبات کلیدی:مقدار مقاومت درایو بر اساس منبع تغذیه 5 ولت و V_Fحدود 1.5 ولت محاسبه می‌شود: R = (5V - 1.5V) / 0.05A = 70 اهم (از مقدار استاندارد 68 Ω استفاده کنید). اتلاف توان در LED: P = V_F* I_F= 1.5V * 0.05A = 75 mW، که به خوبی زیر حداکثر 150 میلی‌وات در 25 درجه سلسیوس است.

10. معرفی اصل عملکرد

یک LED مادون قرمز یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه n و حفره‌ها از ناحیه p به ناحیه پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی به شکل فوتون (نور) آزاد می‌شود. طول موج خاص 880 نانومتر توسط انرژی گاف نواری مواد نیمه‌هادی مورد استفاده (معمولاً آلومینیوم گالیم آرسناید، AlGaAs) تعیین می‌شود. نور تابش‌شده ناهم‌دوس است و در طیف مادون قرمز نزدیک قرار می‌گیرد که برای چشم انسان نامرئی است اما به راحتی توسط آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون قابل تشخیص است.

11. روندهای فناوری

روند در فرستنده‌های IR برای سنجش به سمت چگالی توان و بازده بالاتر در بسته‌بندی‌های کوچک‌تر ادامه دارد. این امر امکان برد تشخیص طولانی‌تر و مصرف توان سیستم کمتر را فراهم می‌کند. همچنین حرکتی به سمت راه‌حل‌های یکپارچه وجود دارد که فرستنده، درایو و گاهی اوقات آشکارساز را در یک ماژول واحد با رابط‌های دیجیتال (I2C، SPI) ترکیب می‌کند. علاوه بر این، پیشرفت‌ها در بسته‌بندی در سطح ویفر (WLP) و بسته‌بندی در مقیاس تراشه (CSP) در حال کاهش اندازه و هزینه قطعات اپتوالکترونیک گسسته هستند در حالی که قابلیت اطمینان را بهبود می‌بخشند. اصل اساسی عملکرد باقی می‌ماند، اما یکپارچگی و عملکرد در واحد حجم به طور پیوسته در حال افزایش است.