دیتاشیت فرستنده و گیرنده مادون قرمز LTE-C216-P-W - بسته‌بندی 1206 (3.2x1.6x1.1mm) - طول موج اوج 850 نانومتر - ولتاژ پیش‌رو 1.4 ولت - اتلاف توان 100 میلی‌وات - سند فنی انگلیسی

1. مرور کلی محصول

این سند مشخصات یک قطعه گسسته فرستنده و گیرنده مادون قرمز (IR) را تشریح می‌کند. این دستگاه برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به انتقال و دریافت قابل اطمینان سیگنال مادون قرمز دارند. این قطعه یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IRED) و یک المان حسگر را در یک بسته‌بندی سطح‌نصب فشرده و واحد ترکیب می‌کند. فناوری هسته آن بر پایه مواد گالیم آرسناید (GaAs) و آلومینیوم گالیم آرسناید (AlGaAs) است که برای کار در طول موج اوج 850 نانومتر بهینه‌سازی شده‌اند. این طول موج به دلیل تعادل مناسب بین عملکرد و در دسترس بودن قطعات، معمولاً در الکترونیک مصرفی و انتقال داده استفاده می‌شود.

اهداف طراحی اولیه، ارائه راه‌حلی با شدت تابش بالا، ویژگی‌های سرعت خوب و زاویه دید گسترده برای تسهیل هم‌ترازی و ثبت سیگنال است. این قطعه در ابعاد استاندارد 1206 بسته‌بندی شده است که آن را با خطوط مونتاژ خودکار برداشت و قراردادن و فرآیندهای استاندارد لحیم‌کاری رفلوی مادون قرمز سازگار می‌کند. این محصول به عنوان یک محصول مطابق با RoHS و سبز طبقه‌بندی می‌شود.

1.1 ویژگی‌های کلیدی و کاربردها

این دستگاه دارای چندین ویژگی کلیدی است که آن را برای تولید الکترونیکی مدرن مناسب می‌سازد:

• مطابقت با استانداردهای RoHS و محصول سبز.
• بسته‌بندی شده در نوار حامل 8 میلی‌متری روی قرقره‌های با قطر 7 اینچ برای مونتاژ خودکار.
• سازگار با تجهیزات قرارگیری خودکار.
• طراحی شده برای مقاومت در برابر پروفیل‌های استاندارد لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز.
• مطابق با ابعاد بسته‌بندی استاندارد EIA.
• در طول موج اوج (λp) 850 نانومتر تابش می‌کند.
• از نوع بسته‌بندی متداول دستگاه نصب سطحی (SMD) 1206 استفاده می‌کند.

کاربردهای معمول این قطعه شامل موارد زیر است، اما محدود به آنها نمی‌شود:

• تابنده مادون قرمز برای واحدهای کنترل از راه دور (مانند تلویزیون، سیستم‌های صوتی).
• حسگر مادون قرمز نصب‌شده بر روی PCB برای تشخیص مجاورت، حس‌کردن اشیاء یا دریافت داده.
• پیوندهای انتقال داده بی‌سیم مادون قرمز برای ارتباطات کوتاه‌برد.
• سیستم‌های هشدار امنیتی با استفاده از پرتوهای مادون قرمز.

2. بررسی عمیق مشخصات فنی

این بخش یک تحلیل دقیق و عینی از ویژگی‌های الکتریکی، نوری و حرارتی دستگاه ارائه می‌دهد. تمام پارامترها در دمای محیط (TA) 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شود.

2.1 Absolute Maximum Ratings

این محدوده‌ها مرزی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد در این شرایط یا نزدیک به آن تضمین نشده و در طراحی‌های قابل اطمینان باید از آن اجتناب کرد.

• اتلاف توان (Pd): 100 میلی‌وات. این حداکثر توان کلی است که بسته می‌تواند به صورت گرما تلف کند.
• جریان مستقیم پیک (IFP): 800 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان پالسی مجاز است که تحت شرایط 300 پالس در ثانیه با عرض پالس 10 میکروثانیه مشخص شده است.
• جریان مستقیم DC (IF): 60 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان مستقیم پیوسته برای کار در حالت پایدار است.
• ولتاژ معکوس (VR): 5 ولت. حداکثر ولتاژی که می‌توان در جهت معکوس به دو سر IRED اعمال کرد.
• محدوده دمای کاری: ۴۰- درجه سانتی‌گراد تا ۸۵+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیطی که دستگاه برای عملکرد در آن طراحی شده است.
• محدوده دمای نگهداری: ۵۵- درجه سانتی‌گراد تا ۱۰۰+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای مجاز برای نگهداری در حالت غیرعملیاتی.
• شرایط لحیم‌کاری مادون قرمز: حداکثر ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۰ ثانیه. این مورد حداکثر دمای مجاز پیک در فرآیندهای لحیم‌کاری بدون سرب را تعریف می‌کند.

2.2 Electrical and Optical Characteristics

اینها پارامترهای عملکردی معمول تحت شرایط عملیاتی نرمال هستند. طراحان باید مقادیر معمول (Typ.) یا حداکثر (Max.) را بسته به محاسبات مدار خود به کار گیرند.

• شدت تابشی (IE): 3.0 mW/sr (مقدار معمول) در جریان مستقیم (IF) برابر با 20mA. این مقدار توان نوری منتشر شده در هر واحد زاویه فضایی در امتداد محور را اندازه‌گیری می‌کند.
• طول موج اوج تابش (λPeak): 850 nm (مقدار معمول). طول‌موجی که در آن توان خروجی نوری در حداکثر مقدار خود است.
• پهنای نیم‌خط طیفی (Δλ): 50 nm (مقدار معمول). محدوده طول‌موجی که در آن توان منتشر شده حداقل معادل نصف توان اوج است و بیانگر خلوص طیفی است.
• ولتاژ مستقیم (VF): 1.4 V (مقدار معمول)، 1.8 V (حداکثر) در IF=20mA. افت ولتاژ دو سر IRED هنگام هدایت جریان.
• جریان معکوس (IR): 10 میکروآمپر (حداکثر) در ولتاژ معکوس (VR) برابر با 5 ولت. جریان نشتی کوچک هنگامی که دستگاه در بایاس معکوس قرار دارد.
• زمان صعود/سقوط (Tr/Tf): 20 نانوثانیه (معمولی). زمان لازم برای صعود خروجی نوری از 10% به 90% (یا سقوط از 90% به 10%) مقدار نهایی خود، که نشان‌دهنده سرعت سوئیچینگ است.
• زاویه دید (2θ1/2): 100 درجه (معمولی). زاویه کامل‌ای که در آن شدت تابشی نصف شدت روی محور است. زاویه وسیع‌تر، هم‌ترازی بین فرستنده و گیرنده را کمتر بحرانی می‌کند.

3. تحلیل منحنی عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که برای درک رفتار دستگاه تحت شرایط متغیر ضروری هستند. این نمودارها به طراحان اجازه می‌دهند عملکرد را فراتر از مشخصات تک‌نقطه‌ای برون‌یابی کنند.

3.1 توزیع طیفی

منحنی توزیع طیفی، شدت تابش نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. برای این دستگاه، منحنی حول 850 نانومتر با پهنای نیم‌ارتفاع تعریف شده 50 نانومتر متمرکز است. این اطلاعات برای انتخاب فیلترهای نوری سازگار در سمت آشکارساز به منظور حذف نویز نور محیطی حیاتی است.

3.2 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (منحنی I-V)

این منحنی رابطه غیرخطی بین جریان عبوری از LED مادون قرمز و ولتاژ دو سر آن را نشان می‌دهد. ولتاژ آستانه روشنایی معمول و چگونگی افزایش VF با IF را نمایش می‌دهد. طراحان از این اطلاعات برای محاسبه مقدار مقاومت سری لازم برای محدود کردن جریان، هنگامی که از یک منبع ولتاژ تغذیه می‌شود، استفاده می‌کنند.

3.3 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط

این نمودار نشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان مستقیم مجازمستقیم با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. برای اطمینان از قابلیت اطمینان، جریان کاری باید در دماهای بالاتر کاهش یابد تا دمای اتصال و اتلاف توان در محدوده ایمن باقی بماند.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل دمای محیط

این منحنی وابستگی توان خروجی نوری به دما را نشان می‌دهد. معمولاً شدت تابشی با افزایش دمای پیوند کاهش می‌یابد. این ویژگی باید در کاربردهایی که نیاز به خروجی نوری پایدار در محدوده دمایی وسیع دارند، در نظر گرفته شود.

3.5 شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم

این یک منحنی کلیدی است که توان خروجی نوری را به عنوان تابعی از جریان راه‌اندازی نشان می‌دهد. این رابطه معمولاً در محدوده قابل توجهی خطی است اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا به اشباع برسد. طراحان از این منحنی برای تعیین جریان راه‌اندازی مورد نیاز جهت دستیابی به قدرت سیگنال خاص استفاده می‌کنند.

3.6 نمودار الگوی تابش

یک نمودار قطبی که توزیع فضایی نور منتشر شده را به تصویر می‌کشد. این نمودار زاویه دید گسترده ۱۰۰ درجه را تأیید می‌کند و نشان می‌دهد که شدت نور در زوایای دور از محور مرکزی چگونه کاهش می‌یابد. این الگو برای طراحی مسیر نوری و هم‌ترازی در یک سیستم بسیار مهم است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی و ابعاد بسته

این قطعه از بسته‌بندی استاندارد SMD 1206 استفاده می‌کند. ابعاد کلیدی شامل طول تقریبی ۳.۲ میلی‌متر، عرض ۱.۶ میلی‌متر و ارتفاع ۱.۱ میلی‌متر است. دیتاشیت یک نقشه ابعادی دقیق با تلرانس معمولاً ±۰.۱ میلی‌متر ارائه می‌دهد. کاتد معمولاً با یک علامت یا هندسه خاص پد مشخص می‌شود.

4.2 طرح پیشنهادی پد لحیم‌کاری

یک الگوی زمین (فوترینت) توصیه شده برای طراحی PCB ارائه شده است. این شامل ابعاد پد، فاصله و شکل آن است تا اتصال لحیم قابل اطمینانی در حین ریفلو ایجاد شود و در عین حال خطر بروز پدیده "تومب‌استونینگ" یا پل‌شدن لحیم به حداقل برسد. رعایت این توصیه‌ها برای بازدهی تولید مهم است.

4.3 مشخصات بسته‌بندی نوار و قرقره

قطعات در نوار حامل برجسته‌دار عرضه می‌شوند که بر روی قرقره‌هایی به قطر 7 اینچ (178 میلی‌متر) پیچیده شده‌اند. ابعاد کلیدی نوار شامل گام حفره، اندازه حفره و عرض نوار است. هر قرقره حاوی 3000 قطعه می‌باشد. بسته‌بندی مطابق با استانداردهای ANSI/EIA 481-1-A-1994 است که سازگاری با فیدرهای اتوماتیک استاندارد را تضمین می‌کند.

5. دستورالعمل‌های مونتاژ، جابجایی و کاربرد

5.1 فرآیند لحیم‌کاری و ری‌فلو

این دستگاه با فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز سازگار است. یک پروفیل دمای ریفلو دقیق پیشنهاد می‌شود که مطابق با استانداردهای JEDEC برای مونتاژ بدون سرب است. پارامترهای کلیدی شامل:

• پیش‌گرم: 150-200 درجه سانتی‌گراد حداکثر تا 120 ثانیه.
• دمای اوج: حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد.
• زمان بالاتر از نقطه مایع: قطعه نباید بیش از 10 ثانیه در معرض دمای بالاتر از 260 درجه سانتی‌گراد قرار گیرد و عملیات ریفلو نباید بیش از دو بار انجام شود.

برای لحیم‌کاری دستی با هویه، توصیه می‌شود دمای نوک هویه حداکثر 300 درجه سانتی‌گراد و برای هر اتصال بیش از 3 ثانیه نباشد. تأکید می‌شود که پروفایل بهینه به طراحی خاص PCB، خمیر لحیم و کوره بستگی دارد، بنابراین مشخصه‌یابی فرآیند ضروری است.

5.2 انبارش و حساسیت به رطوبت

قطعات به رطوبت حساس هستند. در بسته‌بندی ضد رطوبت اصلی مهر و موم شده همراه با جاذب رطوبت، باید در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی (RH) ≤90% نگهداری شده و ظرف یک سال استفاده شوند. پس از باز شدن بسته، محیط نگهداری نباید از 30°C / 60% RH تجاوز کند. قطعات خارج شده از بسته‌بندی اصلی باید ظرف یک هفته ریفلو شوند. برای نگهداری طولانی‌تر خارج از بسته اصلی، باید در یک ظرف دربسته همراه با جاذب رطوبت یا در یک دسیکاتور نیتروژن نگهداری شوند. قطعاتی که بیش از یک هفته بدون بسته‌بندی نگهداری شده‌اند، قبل از لحیم‌کاری نیاز به پخت (مثلاً در 60°C به مدت 20 ساعت) دارند تا رطوبت جذب شده از بین رفته و از "پاپ کورن شدن" در حین ریفلو جلوگیری شود.

5.3 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری پس از لحیم‌کاری، تنها باید از حلال‌های الکلی مانند ایزوپروپیل الکل (IPA) استفاده شود. باید از تمیزکننده‌های شیمیایی خشن یا قوی اجتناب کرد زیرا ممکن است به لنز اپوکسی پکیج آسیب برسانند.

5.4 روش درایو و طراحی مدار

یک نکته طراحی حیاتی این است که LED یک وسیله‌ی جریان‌محور است. هنگام درایو کردن ساطع‌کننده مادون قرمز، هنگام استفاده از منبع ولتاژ، یک مقاومت سری محدودکننده جریان اجباری است. این مقاومت جریان کاری (IF) را به مقدار مطلوب تنظیم می‌کند که با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود: R = (Vcc - VF) / IF. علاوه بر این، هنگامی که چندین ساطع‌کننده به صورت موازی متصل می‌شوند، برای هر دستگاه باید یک مقاومت محدودکننده جریان جداگانه استفاده شود تا یکنواختی شدت تضمین شود، زیرا ولتاژ مستقیم (VF) می‌تواند به میزان جزئی از قطعه‌ای به قطعه دیگر متفاوت باشد.

5.5 ملاحظات کاربردی و کاربرد مورد نظر

این قطعه برای تجهیزات الکترونیکی عمومی در نظر گرفته شده است. برای کاربردهایی که نیاز به قابلیت اطمینان استثنایی دارند که در آن خرابی می‌تواند زندگی یا سلامتی را به خطر بیندازد (مانند سیستم‌های ایمنی هوانوردی، پزشکی، حمل و نقل)، مشاوره و صلاحیت‌یابی خاصی مورد نیاز است، زیرا این موارد خارج از محدوده مشخصات درجه تجاری استاندارد ارائه شده در این دیتاشیت است.

6. مقایسه فنی و ملاحظات طراحی

در مقایسه با LEDهای مادون قرمز یا آشکارسازهای نوری مجزای ساده، این جفت ساطع‌کننده-آشکارساز مجتمع در یک پکیج واحد، با تضمین تطابق مشخصات نوری و مجاورت فیزیکی نزدیک، ساده‌سازی طراحی را ارائه می‌دهد که می‌تواند برای حسگری بازتابی مفید باشد. طول موج 850 نانومتر در مقایسه با 940 نانومتر برای چشم انسان کمتر قابل مشاهده است و آن را برای کاربردهایی مناسب می‌سازد که درخشش قرمز کم‌رنگ قابل قبول است یا حتی به عنوان نشانگر وضعیت استفاده می‌شود. زاویه دید 100 درجه به‌طور قابل توجهی وسیع است و نیاز به دقت هم‌ترازی را در مقایسه با دستگاه‌های دارای پرتو باریک‌تر کاهش می‌دهد.

طراحان باید به دقت مصالحه بین جریان راه‌اندازی، شدت تابشی و طول عمر دستگاه/تولید گرما را در نظر بگیرند. کارکرد در حداکثر مقادیر مطلق مجاز جریان یا دما یا نزدیک به آن، فرسودگی را تسریع و قابلیت اطمینان بلندمدت را کاهش می‌دهد. چیدمان PCB مناسب برای اتلاف حرارت، به ویژه در صورت کارکرد با چرخه‌کاری بالا یا دمای محیط بالا، توصیه می‌شود.

7. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم این LED مادون قرمز را مستقیماً از پین GPIO یک میکروکنترلر راه‌اندازی کنم؟
ج: خیر. یک پین میکروکنترلر معمولاً نمی‌تواند با اطمینان 20 تا 60 میلی‌آمپر جریان تأمین کند. شما باید از GPIO برای کنترل یک ترانزیستور (مانند MOSFET یا BJT) استفاده کنید که جریان بالاتر را از منبع تغذیه کلید می‌زند و از یک مقاومت سری برای تنظیم جریان دقیق استفاده کنید.

س: تفاوت بین طول موج اوج (λp) و طول موج غالب (λd) چیست؟
A> Peak wavelength is the point of maximum spectral power. Dominant wavelength is derived from color perception on a chromaticity diagram and represents a single wavelength that matches the perceived color. For monochromatic IR devices, they are often very close.

س: چگونه با سمت آشکارساز این قطعه ارتباط برقرار کنم؟
A> The datasheet primarily details the فرستنده characteristics. The آشکارساز (photodiode or phototransistor) will have its own set of parameters (dark current, responsivity, etc.) not fully listed here. Typically, the آشکارساز output is a small current proportional to received IR light, which is usually converted to a voltage using a transimpedance amplifier or a simple load resistor for digital threshold detection.

س: چرا شرایط رطوبت انبارداری اینقدر مهم است؟
A> SMD packages can absorb moisture through the plastic molding compound. During the high heat of reflow soldering, this trapped moisture can vaporize rapidly, creating internal pressure that can crack the package or delaminate internal bonds—a failure known as "popcorning." The storage and baking guidelines prevent this.

8. مثال کاربردی عملی

مورد طراحی: سنسور ساده مجاورت/مانع
یک کاربرد رایج، حسگر شکست پرتو است. فرستنده با جریان پالسی (مثلاً پالس‌های 20mA در 38kHz) راه‌اندازی می‌شود تا سیگنال آن از IR محیطی متمایز شود. آشکارساز که در فاصله‌ای کوتاه قرار دارد، این سیگنال را دریافت می‌کند. هنگامی که یک جسم پرتو را قطع می‌کند، سیگنال دریافتی کاهش می‌یابد. خروجی آشکارساز به یک IC گیرنده دمدولاتور یا یک میکروکنترلر با منطق فیلترینگ تغذیه می‌شود تا عدم وجود فرکانس حامل را تشخیص دهد و یک خروجی را فعال کند. زاویه دید گسترده، هم‌ترازی فرستنده و آشکارساز در دو طرف مسیر تحت نظارت را ساده می‌کند.

9. اصل عملکرد

دستگاه بر اساس اصول اساسی اپتوالکترونیک عمل می‌کند. فرستنده یک دیود ساطع‌کننده مادون قرمز (IRED) است. هنگامی که در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد، الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه فعال نیمه‌هادی (GaAs/AlGaAs) بازترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. شکاف باند ماده، انرژی فوتون و در نتیجه طول موج را تعیین می‌کند که در این مورد 850 نانومتر است. آشکارساز معمولاً یک فوتودیود یا فوتوترانزیستور ساخته شده از سیلیکون است. هنگامی که فوتون‌های دارای انرژی کافی (طول‌موج‌هایی معمولاً تا حدود 1100 نانومتر برای سیلیکون) به ناحیه تخلیه آشکارساز برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. در یک فوتودیود، این امر در هنگام بایاس معکوس، یک جریان نوری ایجاد می‌کند. در یک فوتوترانزیستور، جریان نوری به عنوان جریان بیس عمل می‌کند و باعث جریان یافتن جریان کلکتور بزرگتر می‌شود که بهره داخلی فراهم می‌کند.

10. روندهای فناوری

در زمینه قطعات گسسته مادون قرمز، روندها شامل توسعه دستگاه‌هایی با توان خروجی بالاتر برای برد بیشتر، بهبود سرعت برای انتقال داده سریع‌تر، و فیلتراسیون طیفی پیشرفته‌تر یکپارچه در بسته‌ی آشکارساز برای دستیابی به نسبت سیگنال به نویز بالاتر در محیط‌های با نور محیطی قوی می‌شود. همچنین حرکتی به سوی کوچک‌سازی فراتر از بسته‌بندی 1206 (مانند 0805، 0603) برای صرفه‌جویی در فضای برد وجود دارد، اگرچه اغلب به بهای کاهش توان نوری یا زاویه دید تمام می‌شود. تلاش برای قابلیت اطمینان و عملکرد بالاتر در کاربردهای خودرویی و صنعتی، توسعه قطعات با محدوده دمایی عملیاتی گسترده‌تر و بسته‌بندی مستحکم‌تر را ادامه می‌دهد.