دیتاشیت فرستنده و گیرنده مادون قرمز LTE-R38386AS-S - طول موج 850 نانومتر - توان 3.6 وات - ولتاژ پیشروی 3.1 ولت - مستندات فنی فارسی

1. مرور محصول

این سند جزئیات مشخصات یک قطعه گسسته مادون قرمز (IR) را شرح می‌دهد که برای کاربردهای نیازمند یک منبع نور قابل اعتماد و قابلیت سنجش طراحی شده است. این دستگاه یک فرستنده و گیرنده مادون قرمز را در خود ادغام کرده و در طول موج اوج 850 نانومتر عمل می‌کند. این قطعه برای کاربردهای با عملکرد بالا که خروجی قوی و عملکرد یکنواخت را طلب می‌کنند، مهندسی شده است.

مزیت اصلی این قطعه در ترکیب یک فرستنده مادون قرمز پرقدرت با یک گیرنده سازگار در یک پکیج واحد نهفته است. این ادغام، طراحی برای کاربردهای سنجش بازتابی یا مجاورتی را ساده می‌کند. فرستنده با شدت تابشی بالا و زاویه دید وسیع مشخص می‌شود، در حالی که گیرنده حساسیت لازم برای دریافت سیگنال را فراهم می‌کند. این محصول مطابق با مقررات زیست‌محیطی بوده و یک محصول RoHS و سبز است.

بازار هدف شامل کاربردها در سیستم‌های کنترل از راه دور، انتقال بی‌سیم داده برد کوتاه، سیستم‌های امنیتی و هشداردهی و انواع مختلف سنجش الکترونیکی صنعتی یا مصرفی می‌شود که در آن فناوری مادون قرمز ترجیح داده می‌شود.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد در یا زیر این محدودیت‌ها تضمین نشده و برای عملکرد قابل اعتماد بلندمدت باید از آن اجتناب کرد.

• اتلاف توان (Pd):3.6 وات. این حداکثر مقدار توانی است که دستگاه می‌تواند در دمای محیط (Ta) 25 درجه سانتی‌گراد به صورت گرما تلف کند. تجاوز از این مقدار باعث افزایش بیش از حد دمای اتصال می‌شود.
• جریان پیشروی پیک (I_FP):5 آمپر. این حداکثر جریان مجاز تحت شرایط پالسی (300 پالس در ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه) است. این مقدار به طور قابل توجهی بالاتر از رتبه DC است و از ظرفیت حرارتی گذرای دستگاه بهره می‌برد.
• جریان پیشروی DC (I_F):1 آمپر. حداکثر جریان پیشروی پیوسته‌ای که فرستنده می‌تواند تحمل کند.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. اعمال ولتاژ معکوس بالاتر از این می‌تواند اتصال نیمه‌هادی را شکست دهد.
• مقاومت حرارتی (R_θJ):9 کلوین بر وات. این پارامتر نشان می‌دهد که گرما چقدر مؤثر از اتصال نیمه‌هادی به محیط منتقل می‌شود. مقدار پایین‌تر نشان‌دهنده دفع حرارت بهتر است.
• محدوده دمای کاری:40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیطی که دستگاه برای عملکرد صحیح در آن مشخص شده است.
• محدوده دمای نگهداری:55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد.
• شرایط لحیم‌کاری مادون قرمز:پکیج می‌تواند دمای پیک ریفلو 260 درجه سانتی‌گراد را حداکثر به مدت 10 ثانیه تحمل کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این پارامترها تحت شرایط آزمایش استاندارد (Ta=25°C) اندازه‌گیری شده و نمایانگر عملکرد معمول دستگاه هستند.

• شدت تابشی (I_E):630 میلی‌وات بر استرادیان (معمول) در I_F=1A. این مقدار توان نوری منتشر شده در هر واحد زاویه فضایی در امتداد محور مرکزی را اندازه می‌گیرد و نشان‌دهنده روشنایی منبع است.
• شار تابشی کل (Φ_e):1340 میلی‌وات (معمول) در I_F=1A. این کل توان نوری منتشر شده در تمام جهات است.
• طول موج تابش اوج (λ_P):850 نانومتر (معمول). طول موجی که در آن توان خروجی نوری حداکثر است.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):50 نانومتر (معمول). عرض طیف تابش در نصف حداکثر شدت، که نشان‌دهنده خلوص طیفی است.
• ولتاژ پیشروی (V_F):3.1 ولت (معمول)، با محدوده 2.5 ولت تا 3.6 ولت در I_F=1A. افت ولتاژ در دو سر دستگاه هنگام هدایت جریان مشخص شده.
• جریان معکوس (I_R):10 میکروآمپر (حداکثر) در V_R=5V. جریان نشتی کوچک هنگامی که دستگاه بایاس معکوس شده است.
• زمان صعود/سقوط (t_r/t_f):30 نانوثانیه (معمول). زمان لازم برای صعود خروجی نوری از 10% به 90% مقدار حداکثر خود (یا سقوط از 90% به 10%). این زمان حداکثر سرعت مدولاسیون را تعیین می‌کند.
• زاویه دید (2θ_1/2):90 درجه (معمول). زاویه کامل‌ای که در آن شدت تابشی نصف مقدار در مرکز (0 درجه) است. زاویه وسیع برای کاربردهای پوشش گسترده مفید است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که برای درک رفتار دستگاه تحت شرایط مختلف حیاتی هستند.

3.1 توزیع طیفی

منحنی توزیع طیفی، شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. برای این دستگاه، قله در 850 نانومتر متمرکز شده و نیم‌عرض معمول آن 50 نانومتر است. این مشخصه برای تطابق با حساسیت طیفی گیرنده جفت شده یا اطمینان از سازگاری با فیلترهای نوری در سیستم مهم است.

3.2 جریان پیشروی در مقابل دمای محیط

این منحنی کاهش رتبه نشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان پیشروی DC مجاز با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. برای جلوگیری از تجاوز از حداکثر دمای اتصال، جریان درایو هنگام کار در محیط‌های با دمای بالا باید کاهش یابد. منحنی معمولاً کاهش خطی از جریان نامی در 25 درجه سانتی‌گراد تا صفر در حداکثر دمای اتصال را نشان می‌دهد.

3.3 جریان پیشروی در مقابل ولتاژ پیشروی

منحنی I-V رابطه نمایی بین جریان پیشروی و ولتاژ پیشروی را نشان می‌دهد. مقدار معمول V_F برابر 3.1 ولت در 1 آمپر، یک پارامتر کلیدی برای طراحی مدار درایو و محاسبه اتلاف توان (P_d= V_F* I_F) است.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل جریان پیشروی و دما

این منحنی‌ها نشان می‌دهند که توان خروجی نوری چگونه با جریان درایو و دمای محیط تغییر می‌کند. خروجی معمولاً تا نقطه‌ای به صورت خطی با جریان افزایش می‌یابد، اما بازده در جریان‌های بسیار بالا ممکن است به دلیل گرمایش کاهش یابد. خروجی همچنین با افزایش دما به دلیل کاهش بازده کوانتومی داخلی کاهش می‌یابد.

3.5 نمودار تابش

الگوی تابش قطبی، زاویه دید را به صورت بصری نشان می‌دهد. نمودار زاویه نیمه 90 درجه‌ای را تأیید کرده و شدت نسبی در زوایای مختلف خارج از محور را نشان می‌دهد. این برای طراحی اپتیک و هم‌ترازی فرستنده و گیرنده در یک سیستم حیاتی است.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد کلی

دستگاه در یک پکیج نصب سطحی ارائه می‌شود. نقشه کلی تمام ابعاد فیزیکی حیاتی از جمله طول، عرض، ارتفاع، فاصله پایه‌ها و موقعیت پنجره نوری را مشخص می‌کند. تلرانس‌ها معمولاً ±0.1 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. مراجعه به این نقشه برای طراحی ردپای PCB ضروری است.

4.2 ابعاد پیشنهادی پد لحیم‌کاری

یک الگوی لند (ردپا) توصیه شده برای PCB ارائه شده است. این شامل اندازه، شکل و فاصله پد است تا تشکیل اتصال لحیم قابل اعتماد در طول ریفلو لحیم‌کاری و استحکام مکانیکی کافی را تضمین کند. پیروی از این توصیه‌ها به جلوگیری از پدیده "سنگ قبر" و اتصالات لحیم ضعیف کمک می‌کند.

4.3 شناسایی قطبیت

کاتد به وضوح در نقشه پکیج مشخص شده است. قطبیت صحیح باید در طول مونتاژ رعایت شود تا از آسیب دستگاه جلوگیری شود. بسته‌بندی نوار و قرقره ارائه شده نیز جهت‌گیری یکنواختی برای جایگذاری خودکار حفظ می‌کند.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 شرایط نگهداری

دستگاه به رطوبت حساس است. بسته‌های بازنشده باید در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤90% نگهداری شوند، با دوره توصیه شده استفاده ظرف یک سال. پس از باز کردن کیسه ضد رطوبت، قطعات باید در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤60% نگهداری شوند. اگر قطعات بیش از یک هفته در معرض هوای محیط قرار گیرند، قبل از لحیم‌کاری نیاز به پخت در دمای تقریبی 60 درجه سانتی‌گراد به مدت حداقل 20 ساعت برای حذف رطوبت جذب شده و جلوگیری از "ترکیدن" در طول ریفلو است.

5.2 پروفیل ریفلو لحیم‌کاری

یک پروفیل ریفلو مطابق با استاندارد JEDEC توصیه می‌شود. پارامترهای کلیدی شامل موارد زیر است:

• پیش‌گرم:150–200 درجه سانتی‌گراد حداکثر تا 120 ثانیه برای گرم کردن تدریجی برد و فعال‌سازی فلاکس.
• دمای پیک:حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد. زمان بالای 260 درجه سانتی‌گراد باید به حداقل برسد.
• زمان در پیک:حداکثر 10 ثانیه. دستگاه می‌تواند حداکثر دو بار این پروفیل را تحمل کند.

پروفیل خاص باید برای طراحی PCB واقعی، خمیر لحیم و فر مورد استفاده مشخص شود.

5.3 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، دمای نوک هویه نباید از 300 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند و زمان تماس باید به 3 ثانیه برای هر اتصال محدود شود. این کار باید فقط یک بار انجام شود.

5.4 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری پس از لحیم‌کاری، فقط باید از حلال‌های مبتنی بر الکل مانند ایزوپروپیل الکل استفاده شود. باید از پاک‌کننده‌های شیمیایی خشن یا مهاجم اجتناب کرد.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات نوار و قرقره

قطعات بر روی نوار حامل برجسته‌دار که روی قرقره‌های 7 اینچی پیچیده شده‌اند، عرضه می‌شوند. هر قرقره حاوی 600 قطعه است. بسته‌بندی مطابق با استانداردهای ANSI/EIA 481-1-A-1994 است. نوار دارای درزپوش است تا از قطعات محافظت کند و مشخصات اجازه حداکثر دو قطعه مفقوده متوالی در یک قرقره را می‌دهد.

6.2 شماره قطعه

شماره قطعه پایه LTE-R38386AS-S است. این شماره باید برای سفارش و شناسایی استفاده شود.

7. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 مدارهای کاربردی متداول

این دستگاه برای تجهیزات الکترونیکی معمولی در نظر گرفته شده است. برای راه‌اندازی فرستنده، این یک دستگاه جریان‌محور است.مدل مدار (الف)به شدت توصیه می‌شود: یک مقاومت محدودکننده جریان باید به صورت سری با هر LED هنگامی که چندین دستگاه به صورت موازی متصل می‌شوند، قرار گیرد. این امر یکنواختی شدت را با جبران تغییرات طبیعی در ولتاژ پیشروی (V_F) بین LEDهای منفرد تضمین می‌کند.مدل مدار (ب)، که در آن LEDها مستقیماً و بدون مقاومت‌های جداگانه موازی شده‌اند، توصیه نمی‌شود زیرا می‌تواند منجر به عدم تطابق قابل توجه روشنایی و احتمال جریان‌کشی توسط LED با کمترین V_F.

7.2 ملاحظات طراحی

• مدیریت حرارت:با اتلاف توان تا 3.6 وات، طراحی حرارتی مناسب روی PCB حیاتی است. از مساحت کافی مس (پدهای حرارتی) متصل به پایه‌های دستگاه برای هدایت گرما از اتصال دور استفاده کنید.
• انتخاب جریان درایو:جریان کاری را بر اساس شدت تابشی مورد نیاز و کاهش رتبه حرارتی برای حداکثر دمای محیط کاربرد انتخاب کنید. از حداکثر جریان DC مطلق 1 آمپر تجاوز نکنید.
• هم‌ترازی نوری:برای کاربردهای سنجش بازتابی که از هر دو فرستنده و گیرنده استفاده می‌کنند، طراحی مکانیکی دقیقی برای هم‌ترازی میدان دید گیرنده با ناحیه روشن شده توسط فرستنده مورد نیاز است.
• نویز الکتریکی:برای سمت گیرنده، پتانسیل نویز نور محیط را در نظر بگیرید. دیتاشیت ذکر می‌کند که فوتودیودها/ترانزیستورها می‌توانند با فیلتر برای این منظور ارائه شوند، اگرچه مشخص نیست که آیا این گیرنده خاص شامل یکی است یا خیر.

7.3 محدودیت‌های کاربردی

این دستگاه برای کاربردهایی طراحی نشده است که خرابی می‌تواند زندگی یا سلامتی را به خطر بیندازد، مانند هوانوردی، کنترل حمل و نقل، پزشکی یا سیستم‌های ایمنی حیاتی. برای چنین کاربردهایی، مشورت با سازنده قبل از طراحی الزامی است.

8. مقایسه و تمایز فنی

در حالی که مقایسه مستقیم با سایر شماره‌های قطعه در این دیتاشیت ارائه نشده است، ویژگی‌های کلیدی متمایزکننده این قطعه را می‌توان استنباط کرد:

• راه‌حل یکپارچه:فرستنده و گیرنده را ترکیب می‌کند، تعداد قطعات را کاهش داده و هم‌ترازی نوری را در مقایسه با تهیه قطعات جداگانه ساده می‌کند.
• توان بالا:شدت تابشی 630 میلی‌وات بر استرادیان و رتبه اتلاف توان 3.6 وات نشان‌دهنده یک دستگاه با خروجی بالا مناسب برای کاربردهای نیازمند برد بیشتر یا سیگنال قوی‌تر است.
• سرعت بالا:زمان صعود/سقوط 30 نانوثانیه، مدولاسیون فرکانس بالا را برای انتقال داده سریع یا کار پالسی امکان‌پذیر می‌کند.
• زاویه دید وسیع:زاویه نیمه 90 درجه‌ای پوشش گسترده‌ای فراهم می‌کند که در سنجش مجاورتی یا کاربردهایی که هم‌ترازی اهمیت کمتری دارد مفید است.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم این LED را به طور پیوسته با جریان 1 آمپر راه‌اندازی کنم؟

ج: بله، اما تنها در صورتی که دمای محیط 25 درجه سانتی‌گراد یا کمتر باشد و شما هیت‌سینک کافی برای نگه داشتن دمای اتصال در محدوده مجاز پیاده‌سازی کرده باشید. در دمای محیط بالاتر، جریان باید بر اساس منحنی ارائه شده کاهش رتبه داده شود.

س: تفاوت بین شدت تابشی و شار تابشی کل چیست؟

ج: شدت تابشی (میلی‌وات بر استرادیان) توان در هر زاویه فضایی در یک جهت خاص (معمولاً روی محور) را اندازه می‌گیرد. شار تابشی کل (میلی‌وات) مجموع توان نوری منتشر شده در تمام جهات را اندازه می‌گیرد. مورد اول برای کاربردهای متمرکز مرتبط است، مورد دوم برای کل خروجی نور.

س: چرا یک مقاومت سری برای هر LED در حالت موازی ضروری است؟

ج: LEDها دارای ضریب دمایی منفی برای V_F و تغییرات ساخت هستند. بدون مقاومت‌های جداگانه، LED با V_F کمی پایین‌تر، جریان نامتناسبی بیشتری می‌کشد که منجر به روشنایی ناهموار و احتمال فرار حرارتی در آن دستگاه می‌شود.

س: چگونه شرط لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه را تفسیر کنم؟

ج: این به معنای آن است که پکیج دستگاه می‌تواند دمای بالای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب را تحمل کند. پروفیل فر شما باید طوری طراحی شود که دمای بدنه قطعه از 260 درجه سانتی‌گراد تجاوز نکند و زمان سپری شده در محدوده چند درجه آن پیک کمتر از 10 ثانیه باشد.

10. مثال کاربردی عملی

مورد طراحی: سنسور مجاورتی برای یک شیر آب اتوماتیک

در این کاربرد، فرستنده و گیرنده در کنار هم پشت یک پنجره ضد آب نصب می‌شوند. فرستنده به طور مداوم یک پرتو مادون قرمز 850 نانومتری ارسال می‌کند. هنگامی که یک دست زیر شیر آب قرار می‌گیرد، نور مادون قرمز از دست بازتاب شده و به گیرنده برمی‌گردد. میکروکنترلری که خروجی گیرنده را نظارت می‌کند، افزایش قابل توجهی در سیگنال مشاهده کرده و باعث باز شدن شیر آب می‌شود.

مراحل طراحی:

1. مدار درایو:از مدل مدار (الف) استفاده کنید. یک منبع جریان ثابت یا یک منبع ولتاژ با یک مقاومت سری، جریان فرستنده را مثلاً روی 500 میلی‌آمپر تنظیم می‌کند تا سیگنال قوی ارائه دهد در حالی که به خوبی در محدوده مجاز باقی بماند.

2. رابط گیرنده:گیرنده نوری (احتمالاً یک فوتوترانزیستور در این پکیج) در پیکربندی امیتر مشترک با یک مقاومت pull-up متصل خواهد شد. ولتاژ کلکتور هنگامی که نور IR تشخیص داده می‌شود افت خواهد کرد.

3. چیدمان PCB:از چیدمان پد پیشنهادی پیروی کنید. یک ناحیه مس گسترده متصل به پایه‌های زمین دستگاه برای دفع حرارت در نظر بگیرید. ردهای سنجش آنالوگ را از خطوط دیجیتال پرنویز دور نگه دارید.

4. اپتیک/مکانیک:محفظه را طوری طراحی کنید که مخروط 90 درجه‌ای فرستنده و میدان دید گیرنده در ناحیه سنجش مورد نظر (مثلاً 5-15 سانتی‌متر از سر شیر) همپوشانی داشته باشند.

5. نرم‌افزار:فیلتر کردن را در میکروکنترلر پیاده‌سازی کنید تا سیگنال بازتابی را از نویز IR محیطی (مثلاً از نور خورشید یا بخاری‌ها) متمایز کند.

11. اصل عملکرد

این دستگاه شامل دو عنصر اصلی است:

فرستنده مادون قرمز (IRED):این معمولاً یک دیود نیمه‌هادی از جنس گالیم آرسناید (GaAs) یا آلومینیوم گالیم آرسناید (AlGaAs) است. هنگامی که بایاس مستقیم می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه فعال بازترکیب شده و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. ترکیب مواد (AlGaAs) طوری مهندسی شده است که فوتون‌هایی با طول موج حدود 850 نانومتر تولید کند که در طیف نزدیک مادون قرمز بوده و برای چشم انسان نامرئی است.

گیرنده مادون قرمز:این یک فوتودیود یا فوتوترانزیستور ساخته شده از سیلیکون یا سایر مواد نیمه‌هادی حساس به نور مادون قرمز است. هنگامی که فوتون‌های با انرژی کافی به ناحیه فعال گیرنده برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. در یک فوتودیود، این امر یک جریان نوری متناسب با شدت نور هنگام بایاس معکوس ایجاد می‌کند. در یک فوتوترانزیستور، جریان نوری به عنوان جریان بیس عمل کرده و باعث جریان یافتن جریان کلکتور بسیار بزرگتری می‌شود که بهره داخلی فراهم می‌کند.

12. روندهای فناوری

قطعات مادون قرمز همچنان در چندین جهت مرتبط با این دسته محصول در حال تکامل هستند:

افزایش بازده:تحقیقات مداوم علوم مواد با هدف بهبود بازده دیوار-پریز (توان نوری خروجی / توان الکتریکی ورودی) IREDها است تا تولید گرما و مصرف توان برای همان خروجی نوری کاهش یابد.

سرعت بالاتر:تقاضا برای انتقال داده سریع‌تر در الکترونیک مصرفی (مانند پروتکل‌های انجمن داده IR) توسعه دستگاه‌هایی با زمان‌های صعود/سقوط حتی کوتاه‌تر را هدایت می‌کند که ارتباطات با پهنای باند بالاتر را امکان‌پذیر می‌سازد.

کوچک‌سازی:روند به سمت دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر، قطعاتی با ردپای پکیج هرچه کوچک‌تر را در حالی که عملکرد حفظ یا بهبود می‌یابد، پیش می‌برد.

یکپارچه‌سازی:فراتر از ترکیب فرستنده و گیرنده، روندهای آینده ممکن است شامل یکپارچه‌سازی مدار درایو یا تقویت کننده‌های شکل‌دهی سیگنال در همان پکیج باشد تا ماژول‌های سنسور هوشمندتر و کامل‌تری ایجاد شود.