دیتاشیت LED مادون قرمز LTE-4206 - طول موج 940 نانومتر - جریان مستقیم 20 میلی‌آمپر - ولتاژ مستقیم 1.6 ولت - زاویه دید 20 درجه - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTE-4206 یک فرستنده مادون قرمز (IR) کم‌هزینه و مینیاتوری است که برای استفاده در کاربردهای حسگری و ارتباطات نوری طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تابش نور مادون قرمز در طول موج اوج 940 نانومتر (نانومتر) است. این قطعه در یک پکیج پلاستیکی شفاف و رو به انتها قرار دارد که امکان تابش نور کارآمد را فراهم می‌کند. یک ویژگی کلیدی، تطابق مکانیکی و طیفی آن با سری‌های متناظر فتوترانزیستورها است که طراحی مدارهای گیرنده را با تضمین سازگاری در ابعاد فیزیکی و پاسخ طیفی ساده می‌کند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 محدوده‌های مطلق حداکثر

این مقادیر، محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. این مقادیر در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند.

• اتلاف توان (P_D):90 میلی‌وات. این حداکثر توان مجازی است که قطعه می‌تواند به صورت حرارت تلف کند.
• جریان مستقیم پیک (I_FP):1 آمپر. این حداکثر جریان پالسی مجاز است که تحت شرایط 300 پالس در ثانیه (pps) با عرض پالس 10 میکروثانیه مشخص شده است.
• جریان مستقیم پیوسته (I_F):60 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 به پیوند LED آسیب برساند.
• محدوده دمای کاری:40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. عملکرد قطعه در این محدوده دمای محیط تضمین شده است.
• محدوده دمای نگهداری:55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در T_A=25 درجه سلسیوس اندازه‌گیری شده و عملکرد قطعه را تحت شرایط کاری عادی تعریف می‌کنند. جریان مستقیم (I_F) برای آزمایش پارامترهای نوری معمولاً 20 میلی‌آمپر است.

• تابندگی روزنه (E_e):بر حسب میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع اندازه‌گیری می‌شود. این توان تابشی در واحد سطح است که بر یک سطح می‌تابد. مقدار آن بر اساس دسته (بین) متفاوت است (به بخش 3 مراجعه کنید).
• شدت تابشی (I_E):بر حسب میلی‌وات بر استرادیان اندازه‌گیری می‌شود. این توان تابشی ساطع شده در واحد زاویه فضایی است. این یک پارامتر کلیدی برای مشخص کردن روشنایی منبع مادون قرمز است. مقادیر دسته‌بندی شده‌اند.
• طول موج اوج تابش (λ_اوج):940 نانومتر (معمول). این طول موجی است که در آن توان نوری ساطع شده حداکثر است. این طول موج در محدوده طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):50 نانومتر (معمول). این پارامتر که به عنوان عرض کامل در نصف بیشینه (FWHM) نیز شناخته می‌شود، پهنای باند طیفی را نشان می‌دهد. مقدار 50 نانومتر به این معنی است که نور ساطع شده محدوده‌ای از طول‌موج‌ها به عرض تقریبی 50 نانومتر را حول نقطه اوج پوشش می‌دهد.
• ولتاژ مستقیم (V_F):1.2 ولت (حداقل)، 1.6 ولت (معمول) در I_F=20 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ روی LED هنگام عبور جریان مشخص شده است.
• جریان معکوس (I_R):100 میکروآمپر (حداکثر) در V_R=5 ولت. این جریان نشتی کوچکی است که هنگام بایاس معکوس قطعه جریان می‌یابد.
• زاویه دید (2θ_1/2):20 درجه. این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار حداکثر خود (روی محور) کاهش می‌یابد. زاویه 20 درجه نشان‌دهنده یک پرتو نسبتاً متمرکز است.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

LTE-4206 از یک سیستم دسته‌بندی برای پارامترهای خروجی نوری کلیدی خود، یعنی تابندگی روزنه (E_e) و شدت تابشی (I_E) استفاده می‌کند. دسته‌بندی یک فرآیند تولیدی است که قطعات را بر اساس گروه‌های عملکردی مرتب می‌کند تا یکنواختی را در یک محدوده تعریف شده تضمین کند. این قطعه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شود: A، B، C و D.

• دسته A: E_e= 0.184 - 0.54 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع؛ I_E= 1.383 - 4.06 میلی‌وات بر استرادیان.
• دسته B: E_e= 0.36 - 0.78 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع؛ I_E= 2.71 - 5.87 میلی‌وات بر استرادیان.
• دسته C: E_e= 0.52 - 1.02 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع؛ I_E= 3.91 - 7.67 میلی‌وات بر استرادیان.
• دسته D: E_e= 0.68 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع (حداقل)؛ I_E= 5.11 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل). این دسته نمایانگر گروه با بالاترین خروجی است.

این سیستم به طراحان اجازه می‌دهد تا دسته‌ای را انتخاب کنند که نیازهای حساسیت یا برد خاص آن‌ها را برای یک کاربرد معین برآورده کند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که رفتار قطعه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد.

4.1 توزیع طیفی (شکل 1)

این منحنی شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. این منحنی تابش اوج در 940 نانومتر و نیم‌عرض طیفی تقریبی 50 نانومتر را تأیید می‌کند. شکل منحنی برای یک LED مادون قرمز GaAlAs معمول است.

4.2 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی IV) (شکل 3)

این نمودار I_Fرا در مقابل V_Fترسیم می‌کند. این نمودار رابطه نمایی مشخصه یک دیود را نشان می‌دهد. این منحنی برای طراحی مدار درایور محدودکننده جریان ضروری است. مقدار معمول V_F=1.6 ولت در 20 میلی‌آمپر را می‌توان در اینجا تأیید کرد.

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

این نمودار نشان می‌دهد که خروجی نوری (شدت تابشی) در یک محدوده قابل توجه تقریباً با جریان مستقیم خطی است. این خطی‌بودن کنترل را ساده می‌کند؛ افزایش جریان درایو به طور مستقیم و قابل پیش‌بینی خروجی نور را افزایش می‌دهد.

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

این منحنی حیاتی وابستگی دمایی خروجی LED را نشان می‌دهد. شدت تابشی با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. این کاهش ظرفیت (دری‌تینگ) باید در طراحی‌هایی که قرار است در کل محدوده دمایی (40- تا 85+ درجه سلسیوس) کار کنند، در نظر گرفته شود تا قدرت سیگنال کافی در دمای بالا تضمین شود.

4.5 نمودار تابش (شکل 6)

این یک نمودار قطبی است که توزیع فضایی نور ساطع شده را به تصویر می‌کشد. این نمودار به صورت بصری زاویه دید 20 درجه را تأیید می‌کند و نشان می‌دهد که شدت نور در زوایای دور از محور مرکزی (0 درجه) چگونه کاهش می‌یابد.

5. اطلاعات مکانیکی و پکیج

این قطعه از یک پکیج پلاستیکی مینیاتوری رو به انتها استفاده می‌کند. نکات کلیدی ابعادی از دیتاشیت شامل موارد زیر است:

• همه ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند (ابعاد اینچی در پرانتز ارائه شده‌اند).
• تلرانس عمومی ±0.25 میلی‌متر (±0.010 اینچ) است مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد.
• حداکثر بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج 1.0 میلی‌متر (0.039 اینچ) است.
• فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بدنه پکیج خارج می‌شوند.
• پکیج شفاف و روشن است.

(توجه: ابعاد عددی خاص از یک نقشه در متن ارائه نشده است، اما معمولاً شامل قطر بدنه، طول، قطر پایه و فاصله می‌شود).

6. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

راهنمای اصلی ارائه شده برای لحیم‌کاری دستی است: پایه‌ها را می‌توان در دمای 260 درجه سلسیوس به حداکثر مدت 5 ثانیه لحیم کرد، به شرطی که حرارت حداقل در فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه پکیج پلاستیکی اعمال شود. این کار برای جلوگیری از آسیب حرارتی به رزین اپوکسی است. برای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو، باید پروفایل‌های استاندارد LED مادون قرمز رعایت شود و به دمای پیک و زمان بالای نقطه ذوب توجه شود تا در محدوده حرارتی پکیج باقی بماند.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

• تشخیص شیء و حسگری مجاورت:جفت شده با یک فتوترانزیستور منطبق (مانند سری LTR-4206) در پیکربندی‌های بازتابی یا شکست پرتو. در پرینترها، کپی‌برها، دستگاه‌های فروش خودکار و اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شود.
• انتقال داده مادون قرمز:مناسب برای پیوندهای ارتباطی سریال برد کوتاه و نرخ داده پایین، واحدهای کنترل از راه دور یا انکودرهای نوری.
• تشخیص دود:در آشکارسازهای دود مبتنی بر محفظه نوری استفاده می‌شود.

7.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان:همیشه از یک مقاومت سری یا درایور جریان ثابت برای محدود کردن I_Fبه مقدار مورد نظر (مثلاً 20 میلی‌آمپر برای عملکرد مشخصه) استفاده کنید، هرگز مستقیماً به یک منبع ولتاژ وصل نکنید.
• مدیریت حرارتی:کاهش ظرفیت خروجی با دما را در نظر بگیرید (شکل 4). اطمینان حاصل کنید که اتلاف توان (I_F* V_F) با در نظر گرفتن شرایط محیطی از 90 میلی‌وات تجاوز نکند.
• هم‌ترازی نوری:زاویه دید 20 درجه نیاز به هم‌ترازی دقیق با حسگر جفت شده برای کوپلینگ سیگنال بهینه دارد، به ویژه در تنظیمات شکست پرتو.
• نویز الکتریکی:در کاربردهای حسگری، جریان درایور LED را مدوله کنید و از تشخیص همزمان در مدار گیرنده برای حذف نور محیطی (مانند نور خورشید، لامپ‌های رشته‌ای) که ممکن است حاوی اجزای مادون قرمز 940 نانومتر باشد، استفاده کنید.

8. مقایسه و تمایز فنی

متمایزکننده‌های اصلی LTE-4206تطابق مکانیکی و طیفیآن با یک سری خاص فتوترانزیستور است. این تضمین می‌کند که ناحیه فعال گیرنده و منحنی حساسیت طیفی آن به طور بهینه با الگوی خروجی و طول موج فرستنده هم‌تراز شده‌اند که کارایی سیستم را به حداکثر می‌رساند و طراحی مکانیکی را ساده می‌کند.پکیج شفافدر مقایسه با پکیج‌های رنگی یا پخش‌کننده نور، بازده خارجی بالاتری ارائه می‌دهد.سیستم دسته‌بندیانعطاف‌پذیری در انتخاب سطح خروجی مورد نیاز را فراهم می‌کند.هزینه کم و اندازه مینیاتوریآن را برای کاربردهای مصرفی و صنعتی با حجم بالا و محدودیت فضا مناسب می‌سازد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: هدف از طول موج 940 نانومتر چیست؟

ج: 940 نانومتر در محدوده مادون قرمز نزدیک قرار دارد و برای چشم انسان نامرئی است. این یک طول موج رایج است زیرا از تداخل نور مرئی اجتناب می‌کند، بسیاری از آشکارسازهای نوری سیلیکونی (مانند فتوترانزیستورها) در این محدوده حساسیت خوبی دارند و در مقایسه با LEDهای 850 نانومتر، کمتر مستعد تداخل از نور محیطی رشته‌ای (که اوج آن در محدوده ~1000 نانومتر است) می‌باشد.

س: آیا می‌توانم این LED را با منبع تغذیه 5 ولت راه‌اندازی کنم؟

ج: بله، اما حتماً باید از یک مقاومت محدودکننده جریان استفاده کنید. به عنوان مثال، برای دستیابی به I_F=20 میلی‌آمپر با V_Fمعمول 1.6 ولت از یک منبع 5 ولتی: R = (5V - 1.6V) / 0.02A = 170Ω. از نزدیک‌ترین مقدار استاندارد (مثلاً 180Ω) استفاده کنید و جریان واقعی را بررسی کنید.

س: "زاویه دید" برای یک فرستنده به چه معناست؟

ج: این پارامتر عرض پرتو را تعریف می‌کند. زاویه کامل 20 درجه به این معنی است که نور ساطع شده در یک مخروط نسبتاً باریک متمرکز شده است. نصف شدت پیک در ±10 درجه از محور مرکزی یافت می‌شود. یک زاویه کوچکتر، پرتو متمرکزتری برای برد بیشتر یا هم‌ترازی دقیق‌تر ایجاد می‌کند.

س: چرا خروجی دسته‌بندی شده است؟

ج: تغییرات تولید باعث تفاوت‌های جزئی در توان خروجی می‌شود. دسته‌بندی، LEDها را در گروه‌هایی با حداقل و حداکثر خروجی تضمین شده مرتب می‌کند. این به طراحان اجازه می‌دهد تا دسته‌ای را انتخاب کنند که اطمینان حاصل کند سیستم آن‌ها به طور قابل اعتماد کار می‌کند، در حالی که محدوده عملکرد دقیق قطعه را می‌دانند.

10. مورد عملی طراحی

مورد: طراحی یک سنسور تشخیص کاغذ برای یک پرینتر.

یک سنسور شکست پرتو برای تشخیص وجود کاغذ مورد نیاز است. یک LTE-4206 (دسته C) در یک طرف مسیر کاغذ قرار می‌گیرد و یک فتوترانزیستور منطبق LTR-4206 دقیقاً در مقابل آن قرار می‌گیرد.

1. مدار درایور:LED توسط یک پین GPIO میکروکنترلر از طریق یک مقاومت 180Ω راه‌اندازی می‌شود تا I_Fرا در حدود 20 میلی‌آمپر تنظیم کند وقتی پین در حالت High (منطق 3.3 ولت یا 5 ولت) است.
2. مدولاسیون:میکروکنترلر LED را با فرکانس 1 کیلوهرتز (چرخه کاری 50%) پالس می‌دهد تا سیگنال آن را از نور محیطی متمایز کند.
3. مدار گیرنده:کلکتور فتوترانزیستور به یک مقاومت Pull-Up متصل است. ولتاژ کلکتور توسط یک ADC میکروکنترلر یا یک مقایسه‌گر خوانده می‌شود.
4. منطق تشخیص:وقتی کاغذ وجود ندارد، نور مادون قرمز به فتوترانزیستور می‌رسد، آن هدایت می‌کند و ولتاژ کلکتور را پایین می‌کشد. وقتی کاغذ پرتو را مسدود می‌کند، فتوترانزیستور خاموش می‌شود و ولتاژ کلکتور بالا می‌رود. میکروکنترلر این سیگنال را به طور همزمان در طول پالس LED نمونه‌برداری می‌کند تا تغییر حالت را تشخیص دهد.
5. ملاحظات:زاویه دید 20 درجه اطمینان می‌دهد که پرتو به اندازه کافی باریک است تا به وضوح توسط لبه کاغذ قطع شود. انتخاب دسته C شدت تابشی کافی برای ایجاد یک سیگنال قوی در گیرنده فراهم می‌کند، حتی با در نظر گرفتن تجمع گرد و غبار در طول زمان.

11. معرفی اصل عملکرد

یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم بیش از آستانه روشن شدن آن (تقریباً 1.2 ولت برای این قطعه) اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در سراسر پیوند تزریق می‌شوند. این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند و برای این ترکیب مواد خاص (معمولاً گالیم آلومینیوم آرسناید - GaAlAs)، انرژی آزاد شده در طول بازترکیب به شکل فوتون‌هایی با طول موج مرکزی حدود 940 نانومتر است که نور مادون قرمز است. شدت نور ساطع شده مستقیماً با نرخ بازترکیب متناسب است که توسط جریان مستقیم (I_F) کنترل می‌شود. پکیج اپوکسی شفاف به عنوان یک لنز عمل می‌کند و پرتو خروجی را به زاویه دید مشخص شده 20 درجه شکل می‌دهد.

12. روندهای فناوری

روندهای فناوری در فرستنده‌های مادون قرمز شامل موارد زیر است:

• افزایش بازده:توسعه مواد و ساختارها (مانند چاه‌های کوانتومی چندگانه) برای دستیابی به شدت تابشی بالاتر (میلی‌وات بر استرادیان) برای همان جریان درایو، که مصرف توان را کاهش می‌دهد.
• مینیاتوری‌سازی:کاهش مداوم اندازه پکیج (مانند پکیج‌های در مقیاس تراشه) برای امکان ادغام در دستگاه‌های کوچکتر مانند پوشیدنی‌ها و سنسورهای فوق فشرده.
• افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد در دمای بالاتر:بهبود مواد بسته‌بندی و فناوری‌های اتصال تراشه برای افزایش طول عمر و امکان کار در محیط‌های سخت‌تر (مانند خودرویی، صنعتی).
• راه‌حل‌های یکپارچه:ترکیب فرستنده مادون قرمز، درایور و گاهی یک آشکارساز یا منطق در یک ماژول یا IC واحد برای ساده‌سازی طراحی سیستم و کاهش فضای اشغالی.
• چند طول موجی و VCSEL:استفاده از لیزرهای گسیل‌کننده سطحی با حفره عمودی (VCSEL) برای کاربردهایی که نیاز به الگوهای نور بسیار دقیق، پرسرعت یا ساختاریافته دارند، مانند حسگری مجاورت پیشرفته، تصویربرداری سه‌بعدی (زمان پرواز) و تشخیص چهره.

LTE-4206 نمایانگر یک راه‌حل بالغ و مقرون‌به‌صرفه برای نیازهای استاندارد حسگری مادون قرمز است، در حالی که فناوری‌های جدیدتر به نیازهای عملکرد بالاتر، یکپارچگی و کاربردهای تخصصی می‌پردازند.