دیتاشیت دیود مادون قرمز LTE-11L2D - بسته‌بندی T1 3 میلی‌متری - طول موج 940 نانومتر - ولتاژ آستانه 1.8 ولت - اتلاف توان 170 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

دیود مادون قرمز LTE-11L2D یک دیود تابشی با عملکرد بالا است که برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به تابش نور نامرئی قابل اعتماد و کارآمد دارند. عملکرد اصلی آن تبدیل انرژی الکتریکی به تابش مادون قرمز در طول موج اوج 940 نانومتر است. این طول موج برای کاربردهایی که نیاز به حداقل کردن تداخل نور مرئی محیطی دارند ایده‌آل است، زیرا خارج از طیف دید معمولی انسان قرار می‌گیرد. قطعه در یک بسته‌بندی استاندارد T-1 با قطر 3 میلی‌متر قرار دارد و دارای یک لنز آبی تیره است که به شناسایی قطعه کمک می‌کند و ممکن است برخی ویژگی‌های فیلترینگ را ارائه دهد. یک مزیت کلیدی این فرستنده، شدت تابشی بالای آن است که امکان انتقال سیگنال قوی را حتی در جریان‌های راه‌اندازی متوسط فراهم می‌کند. طراحی آن بازارها و کاربردهایی را هدف قرار می‌دهد که در آن‌ها اندازه فشرده، مقرون به صرفه بودن و عملکرد نوری یکنواخت حیاتی هستند.

1.1 ویژگی‌های اصلی و کاربردهای هدف

ویژگی‌های اصلی LTE-11L2D شامل فرم فاکتور محبوب T-1 است که سازگاری با طرح‌های استاندارد PCB و فرآیندهای مونتاژ خودکار را تضمین می‌کند. لنز آبی تیره یک شناسه بصری است. تابش اوج آن در 940 نانومتر یک استاندارد برای ارتباطات مادون قرمز است که تعادل خوبی بین حساسیت فوتودتکتور سیلیکونی و انتقال اتمسفری ارائه می‌دهد. قطعه از عملکرد پالسی پشتیبانی می‌کند که برای سیستم‌های کنترل از راه دور کم‌مصرف و پروتکل‌های انتقال داده ضروری است. بدون سرب و مطابق با RoHS بودن، آن را برای تولید الکترونیک جهانی مناسب می‌سازد. حوزه‌های اصلی کاربرد، سیگنالینگ مادون قرمز در کنترل‌های از راه دور مصرفی برای تلویزیون‌ها، سیستم‌های صوتی و سایر لوازم خانگی است. همچنین برای پیوندهای انتقال داده کوتاه‌برد و فناوری‌های مختلف سنسوری، مانند سنسورهای مجاورتی، شمارنده‌های اشیاء و کلیدهای نوری بازتابی مناسب است، جایی که یک منبع نور نامرئی ترجیح داده می‌شود.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی عمیق

این بخش تحلیل مفصلی از ویژگی‌های الکتریکی، نوری و حرارتی مشخص شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد و اهمیت آن‌ها را برای مهندسان طراح توضیح می‌دهد.

2.1 حداکثر مقادیر مطلق

حداکثر مقادیر مطلق، محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این‌ها شرایط برای عملکرد عادی نیستند. اتلاف توان (P_V) در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس، 170 میلی‌وات درجه‌بندی شده است. این مقدار با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد، همانطور که در منحنی کاهش درجه‌بندی نشان داده شده است. جریان مستقیم پیوسته (I_F) 100 میلی‌آمپر است، در حالی که یک جریان موجی (I_FSM) بسیار بالاتر به میزان 700 میلی‌آمپر برای پالس‌های بسیار کوتاه (100 میکروثانیه) مجاز است که برای انتقال انفجاری کنترل از راه دور معمول است. درجه‌بندی ولتاژ معکوس پایین (V_R= 5V) نشان می‌دهد که پیوند PN دیود برای تحمل بایاس معکوس قابل توجه طراحی نشده است، بنابراین اغلب محافظت مدار (مانند یک مقاومت سری یا دیود محافظ موازی) ضروری است. حداکثر دمای پیوند (T_j) 100 درجه سلسیوس است و مقاومت حرارتی از پیوند به محیط (R_thJA) هنگامی که پایه‌ها به یک PCB با طول 7 میلی‌متر لحیم شده‌اند، 300 کلوین بر وات است. این پارامتر حرارتی برای محاسبه حداکثر اتلاف توان مجاز در دمای محیط بالا برای جلوگیری از گرمای بیش از حد حیاتی است.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی و نوری

این پارامترها تحت شرایط آزمایش خاص (معمولاً I_F= 100mA، عرض پالس = 20ms) در دمای 25 درجه سلسیوس اندازه‌گیری می‌شوند و عملکرد معمول قطعه را نشان می‌دهند. شدت تابشی (I_E) مقدار معمول 68 میلی‌وات بر استرادیان، با حداقل 40 میلی‌وات بر استرادیان دارد. این مقدار، توان نوری تابش شده در هر واحد زاویه فضایی را اندازه‌گیری می‌کند و یک شاخص کلیدی برای روشنایی فرستنده است. تلرانس ±10٪ باید در طراحی نوری در نظر گرفته شود. طول موج تابش اوج (λ_P) معمولاً 940 نانومتر است. پهنای باند طیفی (Δλ) تقریباً 50 نانومتر است که محدوده طول‌موج‌های تابش شده را تعریف می‌کند. ولتاژ آستانه (V_F) معمولاً 1.8 ولت با حداکثر 1.5 ولت در جریان آزمایش است که برای محاسبه ولتاژ تغذیه مورد نیاز و مقدار مقاومت سری مهم است. جریان معکوس (I_R) بسیار کم است (حداکثر 10 میکروآمپر در 5 ولت). زمان‌های افزایش و کاهش (t_r, t_f) 20 نانوثانیه است که نشان می‌دهد قطعه می‌تواند بسیار سریع سوئیچ شود و از عملکرد پالسی پرسرعت پشتیبانی می‌کند. زاویه نیمه (θ_1/2) ±22 درجه است، به این معنی که زاویه تابشی که در آن شدت به 50٪ از مقدار اوج خود می‌رسد. این عرض پرتو و الگوی تابش را تعریف می‌کند.

3. تحلیل منحنی عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که رفتار قطعه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد که برای طراحی سیستم قوی ضروری هستند.

3.1 توزیع طیفی نسبی

شکل 1 شدت تابشی نسبی در مقابل طول موج را نشان می‌دهد. منحنی حول 940 نانومتر با پهنای باند تعریف شده 50 نانومتر متمرکز شده است. این نمودار برای اطمینان از سازگاری با حساسیت طیفی فوتودتکتور گیرنده حیاتی است که معمولاً در منطقه مادون قرمز نزدیک نیز به اوج می‌رسد. طراحان باید تأیید کنند که طیف خروجی فرستنده به اندازه کافی با منحنی پاسخ آشکارساز همپوشانی دارد تا قدرت سیگنال بهینه حاصل شود.

3.2 کاهش درجه‌بندی حرارتی و جریانی

شکل 2 حد جریان مستقیم در مقابل دمای محیط را به تصویر می‌کشد. نشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان پیوسته مجاز با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سلسیوس کاهش می‌یابد تا دمای پیوند زیر حداکثر 100 درجه سلسیوس باقی بماند. این کاهش درجه‌بندی نتیجه مستقیم مقاومت حرارتی و اتلاف توان قطعه است. برای عملکرد قابل اعتماد در محیط‌های با دمای بالا، جریان راه‌اندازی باید متناسب کاهش یابد.

3.3 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ و خروجی نسبی

شکل 3 منحنی مشخصه استاندارد I-V (جریان-ولتاژ) است. رابطه نمایی را نشان می‌دهد و V_Fمعمول حدود 1.8 ولت در 100 میلی‌آمپر را تأیید می‌کند. شکل 4 و شکل 5 نشان می‌دهند که چگونه شدت تابشی نسبی با جریان مستقیم و دمای محیط تغییر می‌کند. خروجی با جریان کاملاً خطی نیست و با افزایش دما به دلیل کاهش بازده کوانتومی داخلی کاهش می‌یابد. این منحنی‌ها در انتخاب نقطه عملیاتی بهینه برای دستیابی به خروجی نوری مورد نظر در حین مدیریت مصرف توان و بار حرارتی کمک می‌کنند.

3.4 نمودار تابش

شکل 6 یک نمودار قطبی الگوی تابش است. به صورت بصری زاویه نیمه ±22 درجه را نشان می‌دهد و نحوه توزیع شدت در فضا را نمایش می‌دهد. این برای طراحی مسیر نوری، چه برای پخش زاویه باز (مانند کنترل از راه دور) و چه برای پرتو متمرکزتر، حیاتی است. الگو برای این نوع بسته‌بندی عموماً شبیه لامبرت است، به این معنی که شدت تقریباً متناسب با کسینوس زاویه دید است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی

نقشه مکانیکی تمام ابعاد حیاتی را ارائه می‌دهد. بسته‌بندی یک T-1 استاندارد با قطر بدنه 3.2 میلی‌متر ±0.15 میلی‌متر و ارتفاع معمول لنز است. قطر پایه 0.5 میلی‌متر است. فاصله پایه‌ها، که در جایی اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بسته‌بندی خارج می‌شوند، اسمی 2.54 میلی‌متر است که گام استاندارد 0.1 اینچ برای قطعات سوراخ‌دار است. حداقل طول پایه 25.4 میلی‌متر است. یک ویژگی قابل توجه، امکان وجود تا 0.7 میلی‌متر رزین بیرون زده زیر فلنج است که باید برای فاصله PCB و تمیزکاری در نظر گرفته شود. آند و کاتد به وضوح در نمودار مشخص شده‌اند؛ پایه بلندتر معمولاً آند است، اما نمودار مرجع قطعی است.

4.2 شناسایی قطبیت

قطبیت به وضوح در نقشه کلی نشان داده شده است. اتصال قطبیت نادرست از تابش نور قطعه جلوگیری می‌کند و ممکن است آن را در معرض تنش ولتاژ معکوس قرار دهد. نقطه صاف روی لبه بسته‌بندی اغلب با سمت کاتد، که پایه کوتاه‌تر است، هم‌راستا است. همیشه در حین مونتاژ با نمودار دیتاشیت تأیید کنید.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 طرح پد لحیم توصیه شده

شکل 8 طرح پد لحیم توصیه شده برای طراحی PCB را نشان می‌دهد. پد برای کاتد و آند به همراه ابعاد برای مساحت مسی و مقاوم لحیم نشان داده شده است. یک پد طراحی شده خوب، یک اتصال لحیم قابل اعتماد، پایداری مکانیکی مناسب را تضمین می‌کند و به اتلاف حرارت در حین لحیم‌کاری کمک می‌کند. پیروی از این توصیه‌ها به جلوگیری از "تومبستونینگ" و فیله‌های لحیم ضعیف کمک می‌کند.

5.2 پروفیل لحیم‌کاری و احتیاط‌ها

دیتاشیت دمای لحیم‌کاری پایه را حداکثر 260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 2.0 میلی‌متری از بدنه مشخص می‌کند. این یک پارامتر حیاتی برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا دستی است. فراتر رفتن از این پروفیل زمان-دما می‌تواند به دای داخلی، اتصالات سیمی یا بسته‌بندی اپوکسی آسیب برساند و منجر به خرابی زودرس یا کاهش عملکرد نوری شود. شکل 9 یک پروفیل دمای لحیم‌کاری موجی توصیه شده را نشان می‌دهد که مراحل پیش‌گرم، خیساندن، بازجوش و خنک‌سازی را نشان می‌دهد. پیروی از این پروفیل برای به حداقل رساندن شوک حرارتی ضروری است. شرایط ذخیره‌سازی عمومی در محدوده دمای ذخیره‌سازی مشخص شده -40 درجه سلسیوس تا +100 درجه سلسیوس، در یک محیط خشک برای جلوگیری از جذب رطوبت است که می‌تواند باعث "پاپ کورن شدن" در حین بازجوش شود (اگرچه این برای قطعات SMD حیاتی‌تر است).

6. پیشنهادات کاربرد و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربرد معمول

رایج‌ترین کاربرد در فرستنده کنترل از راه دور مادون قرمز است. یک مدار پایه شامل یک پین GPIO میکروکنترلر است که فرستنده را از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان راه‌اندازی می‌کند. مقدار مقاومت به صورت R = (V_CC- V_F) / I_Fمحاسبه می‌شود. به عنوان مثال، با منبع تغذیه 3.3 ولت، V_F=1.8V، و I_Fمورد نظر =100mA، R = (3.3 - 1.8) / 0.1 = 15Ω. درجه‌بندی توان مقاومت باید کافی باشد (P = I_F²* R = 0.15W). برای عملکرد پالسی، اطمینان حاصل کنید که میکروکنترلر می‌تواند جریان اوج مورد نیاز را تأمین/جذب کند. یک درایور ترانزیستور (BJT یا MOSFET) اغلب برای جریان‌های بالاتر یا زمانی که پین MCU نمی‌تواند جریان کافی تأمین کند استفاده می‌شود.

6.2 ملاحظات طراحی نوری

برای برد و یکپارچگی سیگنال بهینه، فرستنده را با یک فوتودتکتور یا فوتوترانزیستور حساس در 940 نانومتر جفت کنید. الگوی تابش را در نظر بگیرید: برای یک کنترل از راه دور با پوشش گسترده، زاویه ±22 درجه مناسب است. برای یک پیوند جهت‌دارتر، ممکن است یک لنز برای موازی کردن پرتو اضافه شود. لنز آبی تیره ممکن است مقداری نور مرئی را تضعیف کند و نویز پس‌زمینه در گیرنده را کاهش دهد. اطمینان حاصل کنید که فرستنده و گیرنده به درستی هم‌راستا هستند. نور محیطی از خورشید یا لامپ‌های رشته‌ای حاوی اجزای IR است و می‌تواند باعث تداخل شود؛ استفاده از یک سیگنال مدوله شده (مانند حامل 38 کیلوهرتز) و یک گیرنده تنظیم شده متناسب به رد این نویز DC محیطی کمک می‌کند.

6.3 مدیریت حرارتی

اگرچه کوچک است، قطعه گرما را دفع می‌کند. در حداکثر جریان پیوسته 100 میلی‌آمپر و V_F=1.8V، توان اتلاف شده 180 میلی‌وات است که کمی از درجه‌بندی 170 میلی‌وات در 25 درجه سلسیوس فراتر می‌رود. بنابراین، برای عملکرد پیوسته، جریان باید کاهش درجه‌بندی شود، یا دمای محیط باید پایین باشد. در کاربردهای پالسی (مانند کنترل‌های از راه دور با چرخه وظیفه کم)، توان متوسط بسیار پایین‌تر است، بنابراین مسائل حرارتی کمتر نگران‌کننده هستند. فراهم کردن مساحت مسی کافی روی PCB اطراف پایه‌ها به دفع گرما کمک می‌کند.

7. سوالات متداول بر اساس پارامترهای فنی

س: آیا می‌توانم این LED مادون قرمز را مستقیماً از یک پین میکروکنترلر 5 ولت راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر، بدون یک مقاومت محدودکننده جریان نمی‌توان. اتصال مستقیم آن سعی می‌کند جریان بسیار بالایی بکشد که احتمالاً LED را از بین می‌برد و ممکن است به پین میکروکنترلر آسیب برساند. همیشه از یک مقاومت سری محاسبه شده بر اساس ولتاژ تغذیه و جریان مستقیم مورد نظر استفاده کنید.

س: تفاوت بین شدت تابشی (میلی‌وات بر استرادیان) و توان تابشی (میلی‌وات) چیست؟

ج: شدت تابشی وابسته به زاویه است - توان در هر زاویه فضایی. توان تابشی کل توان نوری تابش شده در تمام جهات است. برای یافتن توان کل، باید شدت را در کل زاویه فضایی تابش (تعریف شده توسط الگوی تابش) انتگرال بگیرید. دیتاشیت شدت را ارائه می‌دهد که برای محاسبه تابندگی در یک فاصله و زاویه خاص روی گیرنده مفیدتر است.

س: چرا درجه‌بندی ولتاژ معکوس فقط 5 ولت است؟

ج: LEDهای مادون قرمز برای هدایت مستقیم و تابش نور بهینه شده‌اند. پیوند PN آن‌ها برای مسدود کردن ولتاژهای معکوس بالا طراحی نشده است. اعتصال تصادفی یک بایاس معکوس بالاتر از 5 ولت می‌تواند باعث شکست و آسیب دائمی شود. در مدارهایی که امکان ولتاژ معکوس وجود دارد، یک دیود محافظ به صورت موازی اضافه کنید (کاتد به کاتد، آند به آند) یا اطمینان حاصل کنید که مدار راه‌اندازی هرگز بایاس معکوس اعمال نمی‌کند.

س: چگونه زاویه نیمه را برای طراحی خود تفسیر کنم؟

ج: زاویه نیمه ±22 درجه به این معنی است که پرتو عرض کل تقریباً 44 درجه دارد که در آن شدت بالاتر از 50٪ از مقدار اوج است. در زوایای بیشتر از این، شدت به سرعت کاهش می‌یابد. برای یک کنترل از راه دور که نیاز دارد وقتی کمی خارج از محور نشانه‌گیری می‌شود کار کند، این یک پوشش معقول ارائه می‌دهد. برای یک پیوند داده کاملاً خط دید، هم‌راستایی درون این مخروط برای دریافت سیگنال قوی ضروری است.

8. اصل عملکرد و روندهای فناوری

8.1 اصل عملکرد پایه

LTE-11L2D یک دیود نورگسیل نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم بیش از پتانسیل پیوند آن (حدود 1.8 ولت) اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها به منطقه فعال ماده نیمه‌هادی (معمولاً بر پایه آرسنید گالیم آلومینیوم - AlGaAs) تزریق می‌شوند. این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. ترکیب خاص لایه‌های نیمه‌هادی طول موج فوتون‌های تابش شده را تعیین می‌کند که برای این قطعه 940 نانومتر است. این فرآیند الکترولومینسانس نامیده می‌شود. بسته‌بندی اپوکسی آبی تیره برای محصور کردن و محافظت از تراشه نیمه‌هادی ظریف، شکل دادن به پرتو نور تابش شده و عمل کردن به عنوان لنز خدمت می‌کند.

8.2 روندهای صنعت

بازار فرستنده مادون قرمز همچنان در حال تکامل است. روندها شامل توسعه فرستنده‌هایی با شدت تابشی و بازده بالاتر از همان اندازه بسته‌بندی است که امکان برد بیشتر یا مصرف توان کمتر را فراهم می‌کند. همچنین کار مداومی برای بهبود سرعت (زمان‌های افزایش/کاهش) برای کاربردهای انتقال داده بسیار پرسرعت مانند IrDA در جریان است. یکپارچه‌سازی روند دیگری است، با ماژول‌های ترکیبی فرستنده-درایور که در دسترس قرار می‌گیرند. علاوه بر این، تلاش برای کوچک‌سازی ادامه دارد، اگرچه بسته‌بندی T-1 به دلیل استحکام و سهولت دست‌کاری، یک جزء اصلی برای کاربردهای سوراخ‌دار باقی می‌ماند. علم مواد زیربنایی بر بهبود بازده کوانتومی داخلی و پایداری حرارتی برای حفظ عملکرد در محدوده دمایی وسیع‌تر متمرکز است.