دیتاشیت LED مادون قرمز LTE-4206C - ابعاد پکیج - ولتاژ فوروارد 1.6 ولت - شدت تابش 7.67 میلی‌وات بر استرادیان - طول موج پیک 940 نانومتر - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTE-4206C یک فرستنده مادون قرمز (IR) مینیاتوری و کم‌هزینه است که برای استفاده در کاربردهای حسگری و ارتباطات اپتوالکترونیکی طراحی شده است. عملکرد اصلی آن تابش نور مادون قرمز در طول موج پیک 940 نانومتر است که برای چشم انسان نامرئی بوده اما توسط آشکارسازهای نوری جفت شده قابل تشخیص است. این قطعه در یک پکیج پلاستیکی فشرده و از نوع "اند لوکینگ" با رنگ شفاف قرار دارد که آن را برای طراحی‌های با محدودیت فضا مناسب می‌سازد.

مزیت اصلی این قطعه، تطابق مکانیکی و طیفی آن با سری فتوترانزیستورهای LTR-4206 است. این جفت‌سازی از پیش تطبیق‌یافته، فرآیند طراحی را ساده‌سازی می‌کند، عملکرد بهینه را در جفت‌های فرستنده-گیرنده تضمین می‌نماید و زمان توسعه برای کاربردهایی مانند تشخیص شیء، حسگری مجاورتی و سوئیچ‌های نوری را کاهش می‌دهد. محدوده‌های شدت تابش انتخاب‌شده امکان دسته‌بندی (بینینگ) را فراهم می‌کنند و پارامترهای عملکردی یکنواختی را در اختیار طراحان قرار می‌دهند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدوده‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. عملکرد تحت این شرایط تضمین نمی‌شود.

• توان تلف شده (Pd):90 میلی‌وات. این حداکثر توانی است که قطعه می‌تواند تحت عملکرد پیوسته در دمای محیط 25 درجه سانتی‌گراد به صورت گرما تلف کند.
• جریان فوروارد پیوسته (IF):60 میلی‌آمپر. حداکثر جریان DC که می‌توان به طور نامحدود از LED عبور داد.
• جریان فوروارد پیک:1 آمپر. این جریان بالا تنها تحت شرایط پالسی (300 پالس در ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه) مجاز است و نباید از آن فراتر رفت.
• ولتاژ معکوس (VR):5 ولت. تجاوز از این ولتاژ در بایاس معکوس می‌تواند باعث شکست پیوند شود.
• محدوده دمای کاری:40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیط برای عملکرد مطمئن.
• محدوده دمای نگهداری:55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج. این مشخصه برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو حیاتی است.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها در دمای محیط (TA) برابر 25 درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شده و عملکرد معمول قطعه را تعریف می‌کنند.

• ولتاژ فوروارد (VF):معمولاً 1.6 ولت در جریان تست (IF) برابر 20 میلی‌آمپر، با حداکثر مقدار 1.2 ولت. این افت ولتاژ دو سر LED در حین کار است.
• جریان معکوس (IR):حداکثر 100 میکروآمپر در ولتاژ معکوس (VR) برابر 5 ولت. این نشان‌دهنده جریان نشتی هنگامی است که قطعه در بایاس معکوس قرار دارد.
• طول موج پیک تابش (λPeak):940 نانومتر. این طول موجی است که در آن فرستنده مادون قرمز حداکثر شدت تابش خود را خروجی می‌دهد.
• عرض نیم‌عرض طیفی (Δλ):50 نانومتر. این پارامتر پهنای باند نور تابش‌شده را توصیف می‌کند و نشان می‌دهد که طول‌موج‌ها در اطراف پیک به چه صورت (باریک یا پهن) توزیع شده‌اند.
• زاویه دید (2θ1/2):20 درجه. این زاویه گسترش تابش‌شده را تعریف می‌کند که در آن شدت برابر با نصف مقدار پیک است (عرض کامل در نصف بیشینه).

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

LTE-4206C بر اساس شدت تابش و تابش‌گیری روزنه‌ای به دسته‌های عملکردی مختلفی تقسیم‌بندی می‌شود. این امر به طراحان اجازه می‌دهد قطعاتی را انتخاب کنند که نیازمندی‌های حساسیت خاص کاربردشان را برآورده می‌سازند.

• دسته A:تابش‌گیری روزنه‌ای (Ee): 0.184 - 0.54 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع؛ شدت تابش (Ie): 1.383 - 4.06 میلی‌وات بر استرادیان.
• دسته B:تابش‌گیری روزنه‌ای (Ee): 0.36 - 0.78 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع؛ شدت تابش (Ie): 2.71 - 5.87 میلی‌وات بر استرادیان.
• دسته C:تابش‌گیری روزنه‌ای (Ee): 0.52 - 1.02 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع؛ شدت تابش (Ie): 3.91 - 7.67 میلی‌وات بر استرادیان.
• دسته D:تابش‌گیری روزنه‌ای (Ee): 0.68 میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع (حداقل)؛ شدت تابش (Ie): 5.11 میلی‌وات بر استرادیان (حداقل).

تمام اندازه‌گیری‌ها در جریان فوروارد (IF) برابر 20 میلی‌آمپر انجام شده است. دسته‌های با حروف بالاتر (C, D) عموماً نشان‌دهنده قطعات با توان خروجی بالاتر هستند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

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

4.1 توزیع طیفی (شکل 1)

این منحنی شدت تابش نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. تابش پیک در 940 نانومتر و عرض نیم‌عرض طیفی 50 نانومتر را تأیید می‌کند و باند نور مادون قرمز تابش‌شده را نشان می‌دهد.

4.2 جریان فوروارد در مقابل ولتاژ فوروارد (شکل 3)

این منحنی استاندارد IV (جریان-ولتاژ) برای یک دیود است. رابطه نمایی بین جریان و ولتاژ را نشان می‌دهد. ولتاژ فوروارد معمول 1.6 ولت در 20 میلی‌آمپر را می‌توان از این نمودار تأیید کرد. این منحنی برای طراحی مدار محدودکننده جریان LED ضروری است.

4.3 شدت تابش نسبی در مقابل جریان فوروارد (شکل 5)

این نمودار نشان می‌دهد که توان خروجی نوری (شدت تابش) در محدوده قابل توجهی تقریباً با جریان فوروارد رابطه خطی دارد. این به طراحان کمک می‌کند تا جریان راه‌اندازی مورد نیاز برای دستیابی به خروجی نوری مطلوب را تعیین کنند.

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

این منحنی برای درک اثرات حرارتی حیاتی است. نشان می‌دهد که شدت تابش با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. این کاهش رتبه (دری‌تینگ) باید در کاربردهایی که در دمای بالا عمل می‌کنند، به منظور اطمینان از قدرت سیگنال کافی در آشکارساز، در نظر گرفته شود.

4.5 نمودار تابش (شکل 6)

این نمودار قطبی، زاویه دید (2θ1/2 = 20 درجه) را به صورت بصری نمایش می‌دهد. توزیع فضایی نور مادون قرمز تابش‌شده را نشان می‌دهد که برای هم‌تراز کردن فرستنده با آشکارساز متناظر آن مهم است.

5. اطلاعات مکانیکی و پکیج

5.1 ابعاد پکیج

قطعه از یک پکیج پلاستیکی مینیاتوری از نوع "اند لوکینگ" استفاده می‌کند. نکات ابعادی کلیدی شامل موارد زیر است:

• تمامی ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند (مقادیر اینچ در پرانتز ارائه شده‌اند).
• تلرانس استاندارد ±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 به عنوان "رنگ شفاف دودی" توصیف شده است که معمولاً به معنای پلاستیک رنگی و نیمه‌شفافی است که اجازه عبور نور مادون قرمز را می‌دهد و در عین حال مقداری پخش نور و محافظت فیزیکی برای تراشه نیمه‌هادی فراهم می‌کند.

5.2 شناسایی قطبیت

اگرچه در متن ارائه شده به صراحت جزئیات داده نشده است، اما پکیج‌های استاندارد LED مادون قرمز مانند این، معمولاً یک طرف صاف یا یک پایه بلندتر برای نشان دادن کاتد دارند. نمودار دیتاشیت این علامت‌گذاری را نشان خواهد داد. قطبیت صحیح برای جلوگیری از آسیب بایاس معکوس ضروری است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مشخصه کلیدی برای مونتاژ، دمای لحیم‌کاری پایه‌ها است: 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه، اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) از بدنه پکیج. این رتبه برای جلوگیری از آسیب حرارتی در طی فرآیندهای لحیم‌کاری موجی یا ریفلو حیاتی است.

ملاحظات طراحی:

• گرم‌اخور (هیت سینک):اگرچه برای LEDهای کم‌توان معمولاً مورد نیاز نیست، اما اطمینان از اینکه چیدمان PCB گرمای بیش از حد را در اطراف قطعه به دام نمی‌اندازد، یک عمل خوب است، به ویژه اگر در نزدیکی مقادیر حداکثر مطلق کار کند.
• محافظت در برابر ESD:مانند تمامی دستگاه‌های نیمه‌هادی، فرستنده‌های مادون قرمز می‌توانند نسبت به تخلیه الکترواستاتیک حساس باشند. در حین مونتاژ باید احتیاط‌های استاندارد در زمینه دست‌زنی به ESD رعایت شود.

7. پیشنهادات کاربرد

7.1 سناریوهای کاربرد معمول

• تشخیص شیء و حسگری مجاورتی:در جفت با فتوترانزیستور LTR-4206، می‌تواند حضور یا عدم حضور یک شیء را با قطع پرتو مادون قرمز تشخیص دهد.
• سوئیچ‌ها و انکودرهای نوری:در انکودرهای چرخشی یا خطی برای حس کردن موقعیت یا حرکت از طریق یک دیسک یا نوار الگودار استفاده می‌شود.
• انتقال داده مادون قرمز:هنگام مدولاسیون، می‌تواند برای ارتباط بی‌سیم برد کوتاه و نرخ داده پایین (مانند سیگنال‌های کنترل از راه دور، تلهمتری حسگر) مورد استفاده قرار گیرد.
• تشخیص دود:در برخی طراحی‌های آشکارساز دود نوری، یک جفت LED مادون قرمز و آشکارساز می‌توانند نور پراکنده‌شده از ذرات دود را حس کنند.

7.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان:LED یک دستگاه جریان‌محور است. یک مقاومت سری یا درایور جریان ثابت برای تنظیم جریان کاری و جلوگیری از فرار حرارتی اجباری است. مقدار مقاومت را با استفاده از R = (ولتاژ تغذیه - VF) / IF محاسبه کنید.
• هم‌ترازی نوری:زاویه دید باریک 20 درجه، نیازمند هم‌ترازی مکانیکی دقیق بین فرستنده و آشکارساز برای دستیابی به بازده کوپلینگ بهینه است.
• مصونیت در برابر نور محیط:از آنجایی که در 940 نانومتر تابش می‌کند، کمتر در معرض تداخل از نور محیط مرئی قرار دارد. با این حال، نور خورشید و سایر منابع قوی مادون قرمز (مانند لامپ‌های رشته‌ای) می‌توانند حاوی انرژی قابل توجهی در 940 نانومتر باشند و ممکن است باعث تداخل شوند. فیلتر نوری روی آشکارساز یا مدولاسیون سیگنال فرستنده می‌تواند این موضوع را کاهش دهد.
• کاهش رتبه حرارتی (دری‌تینگ):با در نظر گرفتن کاهش توان خروجی با افزایش دما (همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است)، با ارائه حاشیه جریان راه‌اندازی کافی یا انتخاب قطعه با دسته بالاتر، این کاهش را جبران کنید.

8. مقایسه و تمایز فنی

ویژگی متمایزکننده اصلی LTE-4206C، تطابق صریح مکانیکی و طیفی آن با سری فتوترانزیستور LTR-4206 است. این امر نسبت به انتخاب جداگانه قطعات فرستنده و آشکارساز، چندین مزیت ارائه می‌دهد:

• عملکرد تضمین‌شده:این جفت به صورت مشترک مشخصه‌یابی شده‌اند و اطمینان حاصل می‌کنند که پاسخ طیفی آشکارساز به خوبی با طیف تابش LED برای حداکثر حساسیت هم‌تراز است.
• سازگاری مکانیکی:پکیج‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در پیکربندی‌های نصب استاندارد در کنار هم قرار گیرند و طراحی مکانیکی را ساده می‌سازند.
• راه‌حل مقرون‌به‌صرفه:به دلیل پکیج پلاستیکی مینیاتوری و تولید انبوه، یک بلوک ساختمانی اپتوکوپلر قابل اعتماد و از پیش تأیید‌شده را با هزینه کم ارائه می‌دهد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت بین شدت تابش (Ie) و تابش‌گیری روزنه‌ای (Ee) چیست؟

ج: شدت تابش (میلی‌وات بر استرادیان) توان نوری تابش‌شده در هر واحد زاویه فضایی (استرادیان) را اندازه‌گیری می‌کند و تمرکز جهتی نور را توصیف می‌نماید. تابش‌گیری روزنه‌ای (میلی‌وات بر سانتی‌متر مربع) چگالی توان تابیده بر روی یک سطح (مانند یک آشکارساز) در فاصله مشخصی است که به هر دو شدت و فاصله/هندسه بستگی دارد.

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

ج: خیر. شما باید از یک مقاومت محدودکننده جریان استفاده کنید. به عنوان مثال، با منبع تغذیه 5 ولت، VF برابر 1.6 ولت و IF مورد نظر 20 میلی‌آمپر: R = (5V - 1.6V) / 0.02A = 170 اهم. یک مقاومت استاندارد 180 اهم مناسب خواهد بود.

س: چرا زاویه دید فقط 20 درجه است؟

ج: یک زاویه دید باریک، نور تابش‌شده را در یک پرتو متمرکزتر متمرکز می‌کند. این امر شدت روی محور را افزایش می‌دهد، امکان فواصل حسگری طولانی‌تر یا جریان‌های راه‌اندازی پایین‌تر را فراهم می‌کند و با کاهش نور پراکنده، نسبت سیگنال به نویز را بهبود می‌بخشد. این برای جفت‌های فرستنده-آشکارساز هم‌تراز شده ایده‌آل است.

س: چگونه دسته مناسب (A, B, C, D) را انتخاب کنم؟

ج: انتخاب به نیازمندی‌های حساسیت سیستم و حاشیه‌های عملیاتی شما بستگی دارد. اگر آشکارساز شما به سیگنال قوی نیاز دارد یا اگر سیستم در محدوده دمایی وسیعی عمل می‌کند (جایی که خروجی کاهش می‌یابد)، یک دسته بالاتر (C یا D) را برای توان خروجی بیشتر انتخاب کنید. برای کاربردهای کم‌اهمیت‌تر یا برد کوتاه، یک دسته پایین‌تر ممکن است کافی و مقرون‌به‌صرفه باشد.

10. مورد عملی طراحی

سناریو: طراحی یک حسگر حضور کاغذ در پرینتر.

یک استفاده رایج، تشخیص زمانی است که کاغذ در سینی وجود دارد. یک فرستنده مادون قرمز LTE-4206C و فتوترانزیستور جفت‌شده LTR-4206 آن در دو طرف مسیر کاغذ قرار می‌گیرند. وقتی کاغذی وجود ندارد، نور مادون قرمز به آشکارساز می‌رسد و باعث هدایت آن می‌شود. وقتی یک ورق کاغذ بین آن‌ها عبور می‌کند، پرتو مادون قرمز را مسدود می‌کند، آشکارساز هدایت را متوقف می‌کند و میکروکنترلر این تغییر را حس کرده و حضور کاغذ را ثبت می‌نماید.

مراحل طراحی:

1. طراحی مدار:LED را با جریان 20 میلی‌آمپر با استفاده از یک سوئیچ ترانزیستوری کنترل‌شده توسط MCU راه‌اندازی کنید، با یک مقاومت سری برای محدود کردن جریان. فتوترانزیستور را در پیکربندی امیتر مشترک با یک مقاومت بالا‌کشنده متصل کنید تا یک سیگنال خروجی دیجیتال ایجاد شود که بر اساس نور دریافتی تغییر وضعیت دهد.
2. طراحی مکانیکی:فرستنده و آشکارساز را با استفاده از ابعاد پکیج به دقت هم‌تراز کنید، اطمینان حاصل کنید که پرتو 20 درجه‌ای به سمت ناحیه فعال آشکارساز هدایت می‌شود. یک مسیر نوری تمیز فراهم کنید.
3. انتخاب قطعه:یک فرستنده از دسته C یا D انتخاب کنید تا اطمینان حاصل شود که حتی اگر با گذشت زمان گرد و غبار روی لنزها جمع شود، سیگنال قوی به آشکارساز می‌رسد.
4. نرم‌افزار:منطق دی‌بانسینگ را پیاده‌سازی کنید تا لبه واقعی کاغذ را از لرزش یا گرد و غبار متمایز کند.

11. اصل عملکرد

یک دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) بر اساس اصل الکترولومینسانس در یک پیوند p-n نیمه‌هادی عمل می‌کند. هنگامی که یک ولتاژ فوروارد اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه نوع n و حفره‌ها از ناحیه نوع p به داخل پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی آزاد می‌کنند. در یک LED مادون قرمز، ماده نیمه‌هادی (معمولاً بر پایه آرسنید گالیم - GaAs) به گونه‌ای انتخاب شده است که این انرژی آزادشده معادل یک فوتون در طیف مادون قرمز (حدود 940 نانومتر) باشد. شدت نور تابش‌شده مستقیماً با نرخ بازترکیب حامل‌ها متناسب است که توسط جریان فوروارد (IF) کنترل می‌شود. پکیج شفاف، تراشه نیمه‌هادی را محصور و محافظت می‌کند در حالی که اجازه فرار فوتون‌های مادون قرمز را می‌دهد.

12. روندهای فناوری

فناوری فرستنده مادون قرمز به موازات روندهای گسترده‌تر اپتوالکترونیک به تکامل خود ادامه می‌دهد. همواره تلاش مداومی برای دستیابی به بازدهی بالاتر وجود دارد که امکان توان خروجی نوری بیشتر در جریان‌های راه‌اندازی پایین‌تر را فراهم می‌کند و این امر مصرف برق سیستم و تولید گرما را کاهش می‌دهد. مینیاتوری‌سازی پکیج روند کلیدی دیگری است که امکان ادغام در دستگاه‌های الکترونیک مصرفی و اینترنت اشیاء هرچه کوچک‌تر را فراهم می‌کند. علاوه بر این، توسعه به سمت کنترل طول موج دقیق‌تر و پهنای باند طیفی باریک‌تر برای کاربردهایی که نیاز به فیلترگذاری طیفی خاص دارند، مانند حسگری گاز یا محیط‌های با نویز نور محیطی بالا، در جریان است. ادغام فرستنده‌ها و آشکارسازها در ماژول‌های حسگر هوشمند تک‌قطعه با پردازش سیگنال داخلی نیز یک حوزه رو به رشد است که طراحی سیستم را برای کاربران نهایی ساده می‌سازد.