دیتاشیت فنی LTE-3273DL - فرستنده و گیرنده مادون قرمز 940 نانومتر - بسته‌بندی 5 میلی‌متری - ولتاژ پیشرو 1.6 ولت - اتلاف توان 150 میلی‌وات

1. مروری بر محصول

LTE-3273DL یک قطعه گسسته مادون قرمز است که یک فرستنده و یک گیرنده را در خود ادغام کرده است. این قطعه برای کاربردهایی طراحی شده که نیاز به ارسال و دریافت قابل اعتماد سیگنال مادون قرمز دارند. هسته دستگاه بر پایه فناوری گالیوم آرسناید (GaAs) است که استاندارد تولید نور مادون قرمز کارآمد در طول موج 940 نانومتر می‌باشد. این طول موج برای لوازم الکترونیکی مصرفی ایده‌آل است زیرا برای چشم انسان نامرئی است اما به راحتی توسط آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون قابل تشخیص است و تداخل نور محیط را به حداقل می‌رساند.

عملکرد اصلی این قطعه، نقش‌آفرینی به عنوان یک فرستنده-گیرنده در پیوندهای داده IR ساده است. طراحی آن بر تعادل بین عملکرد و مقرون‌به‌صرفه بودن تأکید دارد و آن را برای کاربردهای پرتیراژ و حساس به هزینه مناسب می‌سازد. بسته‌بندی شفاف آبی به شناسایی نوع قطعه کمک می‌کند و اجازه می‌دهد نور IR با طول موج 940 نانومتر با حداقل تضعیف از آن عبور کند.

1.1 ویژگی‌ها

• بهینه‌شده برای جریان بالا، ولتاژ پیشرو پایین:طراحی شده تا در جریان‌های راه‌اندازی بالاتر به‌طور کارآمد عمل کند و در عین حال افت ولتاژ نسبتاً کمی را حفظ نماید. این امر به کاهش مصرف انرژی در دستگاه‌های باتری‌خور کمک می‌کند.
• قابلیت کار در حالت پالسی:می‌تواند جریان پیشرو پیک بالا (تا 2 آمپر) را در حالت پالسی تحمل کند. این امکان ایجاد پالس‌های IR قوی و کوتاه‌مدت را فراهم می‌سازد که برای دستورات کنترل از راه دور یا انتقال داده ایده‌آل هستند.
• زاویه دید گسترده (نیم‌زاویه 45 درجه):الگوی انتشار و تشخیص وسیعی را فراهم می‌کند که باعث می‌شود هم‌ترازی بین فرستنده و گیرنده چندان بحرانی نباشد و استحکام سیستم افزایش یابد.
• بسته‌بندی شفاف آبی:محفظه قطعه به رنگ آبی است که به عنوان یک فیلتر نور مرئی عمل می‌کند. این ویژگی حساسیت به نور مرئی محیط را کاهش داده و نسبت سیگنال به نویز را برای آشکارساز IR بهبود می‌بخشد.

1.2 کاربردها

• سنسورهای مادون قرمز:استفاده در سنسورهای مجاورتی، تشخیص شیء و ربات‌های دنبال‌کننده خط.
• کنترل‌های از راه دور:قطعه استاندارد در کنترل از راه دور تلویزیون، سیستم صوتی و گیرنده دیجیتال برای ارسال دستور.
• پیوندهای داده IR ساده:برای ارتباط بی‌سیم کوتاه‌برد و کم‌سرعت بین دستگاه‌ها.
• سیستم‌های امنیتی:می‌تواند در آشکارسازهای نفوذ از نوع قطع پرتو استفاده شود.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی و عمیق

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. کارکرد در این محدوده‌ها یا نزدیک به آن‌ها برای مدت طولانی توصیه نمی‌شود.

• اتلاف توان (Pd): 150 میلی‌وات:حداکثر توان کل (از هر دو مدار فرستنده و گیرنده) که می‌تواند به صورت گرما توسط بسته‌بندی در دمای محیط (TA) 25 درجه سانتی‌گراد به طور ایمن تلف شود. تجاوز از این مقدار می‌تواند منجر به گرمای بیش از حد و خرابی شود.
• جریان پیشرو پیک (I_FP): 2 آمپر:حداکثر جریان مجاز از دیود فرستنده IR تحت شرایط پالسی (300 پالس در ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه). این امکان ایجاد فلش‌های IR با شدت بالا را فراهم می‌کند.
• جریان پیشرو پیوسته (I_F): 100 میلی‌آمپر:حداکثر جریان DC که می‌تواند به طور پیوسته از فرستنده عبور کند. برای کارکرد معمول، راه‌اندازی در 20 تا 50 میلی‌آمپر رایج است.
• ولتاژ معکوس (V_R): 5 ولت:حداکثر ولتاژ بایاس معکوسی که می‌توان قبل از وقوع شکست در دو سر دیود فرستنده اعمال کرد. این مقدار نسبتاً پایین است، بنابراین باید مراقب بود تا از اتصال با قطبیت معکوس اجتناب شود.
• دمای کارکرد و ذخیره‌سازی:به ترتیب از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد و 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده است که نشان‌دهنده مناسب بودن برای محیط‌های صنعتی و مصرفی است.
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها: 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه:محدوده تحمل پروفیل لحیم‌کاری بازجوشی را مشخص می‌کند که برای مونتاژ PCB بدون آسیب زدن به قطعه حیاتی است.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

اینها پارامترهای عملکرد تضمین‌شده تحت شرایط آزمایش مشخص شده در دمای 25 درجه سانتی‌گراد هستند.

• شدت تابشی (I_E):توان خروجی نوری در هر زاویه فضایی (mW/sr) را اندازه‌گیری می‌کند. در I_F=20mA، معمولاً 8.0 mW/sr (حداقل 5.6) است. در I_F=100mA، به 40.0 mW/sr (حداقل 28.0) می‌رسد. این افزایش غیرخطی، بازدهی بالاتر در جریان‌های بیشتر (در محدوده مجاز) را نشان می‌دهد.
• طول موج تابش پیک (λ_P): 940 نانومتر:طول موجی که در آن فرستنده بیشترین توان نوری را خروجی می‌دهد. این طول موج با حساسیت پیک دیودهای نوری سیلیکونی مطابقت دارد و خارج از طیف مرئی است.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ): 50 نانومتر:پهنای باند نور ساطع شده. مقدار 50 نانومتر نشان می‌دهد که نور تک‌رنگ نیست، بلکه تقریباً از 915 نانومتر تا 965 نانومتر در نصف شدت پیک گسترده شده است.
• ولتاژ پیشرو (V_F):افت ولتاژ در دو سر دیود فرستنده هنگام هدایت. این مقدار معمولاً در 50mA برابر 1.6V و در 500mA برابر 2.3V است. این پارامتر برای طراحی مدار راه‌انداز محدودکننده جریان حیاتی است.
• جریان معکوس (I_R): حداکثر 100 میکروآمپر:جریان نشتی کوچکی که وقتی دیود در بایاس معکوس 5 ولت قرار دارد، جاری می‌شود. مقدار پایین آن مطلوب است.
• زاویه دید (2θ_1/2): 45 درجه:زاویه کامل‌ای که در آن شدت تابشی به نصف مقدار پیک خود کاهش می‌یابد. این پارامتر مخروط انتشار/تشخیص را تعریف می‌کند.

3. تحلیل منحنی عملکرد

دیتاشیت چندین نمودار ارائه می‌دهد که روابط کلیدی را نشان می‌دهند. این نمودارها برای درک رفتار تحت شرایط غیراستاندارد ضروری هستند.

3.1 توزیع طیفی (شکل 1)

این منحنی شدت تابشی نسبی را در برابر طول موج ترسیم می‌کند. پیک در 940 نانومتر و نیم‌عرض طیفی تقریبی 50 نانومتر را تأیید می‌کند. شکل منحنی مشخصه یک IRED مبتنی بر GaAs است.

3.2 جریان پیشرو در مقابل دمای محیط (شکل 2)

این نمودار کاهش (درجه‌بندی) حداکثر جریان پیشرو پیوسته مجاز را با افزایش دمای محیط نشان می‌دهد. بالاتر از 25 درجه سانتی‌گراد، حداکثر جریان باید کاهش یابد تا از تجاوز از حد اتلاف توان 150 میلی‌واتی جلوگیری شود، زیرا توانایی قطعه برای دفع گرما کاهش می‌یابد.

3.3 جریان پیشرو در مقابل ولتاژ پیشرو (شکل 3)

منحنی مشخصه جریان-ولتاژ (IV) دیود فرستنده. این منحنی ماهیتی نمایی دارد، مشابه یک دیود استاندارد. این منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا ولتاژ راه‌انداز مورد نیاز برای یک جریان کارکرد مطلوب را تعیین کنند، امری که به ویژه برای سیستم‌های باتری با ولتاژ پایین مهم است.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل دمای محیط (شکل 4) و در مقابل جریان پیشرو (شکل 5)

شکل 4 نشان می‌دهد که توان خروجی نوری با افزایش دما کاهش می‌یابد (ضریب دمایی منفی)، که در طراحی‌هایی که نیاز به عملکرد پایدار در محدوده دمایی وسیع دارند باید جبران شود. شکل 5 رابطه غیرخطی بین جریان راه‌انداز و خروجی نور را نشان می‌دهد که نشان‌دهنده افزایش بازدهی تا نقطه‌ای قبل از اثرات احتمالی اشباع یا حرارتی است.

3.5 نمودار تابش (شکل 6)

یک نمودار قطبی که توزیع فضایی نور IR ساطع شده را نشان می‌دهد. این نمودار به صورت بصری نیم‌زاویه وسیع 45 درجه را تأیید می‌کند و شدت نرمال‌شده نسبت به پیک در زاویه 0 درجه را نمایش می‌دهد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی

این قطعه دارای یک بسته‌بندی رادیال استاندارد 5 میلی‌متری با پایه است. ابعاد کلیدی شامل قطر بدنه تقریباً 5 میلی‌متر، فاصله معمول پایه‌ها 2.54 میلی‌متر (0.1 اینچ) در محل خروج از بدنه و ارتفاع کلی می‌شود. فلنج در پایه به قرارگیری صحیح در حین مونتاژ PCB کمک می‌کند. حداکثر مقدار رزین بیرون‌زده از زیر فلنج 0.5 میلی‌متر مشخص شده است. نقطه صاف روی لبه لنز معمولاً نشان‌دهنده پایه کاتد (منفی) بخش فرستنده است.

4.2 شناسایی قطبیت

برای بخش فرستنده، پایه بلندتر معمولاً آند (مثبت) است. بخش گیرنده (دیود نوری) درون همان بسته‌بندی، آند و کاتد مخصوص به خود را خواهد داشت. نمودار پایه‌ها در دیتاشیت برای اتصال صحیح حیاتی است. قطبیت نادرست در صورت تجاوز ولتاژ معکوس از 5 ولت می‌تواند به دیود فرستنده آسیب برساند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

• لحیم‌کاری بازجوشی:حداکثر مطلق دمای لحیم‌کاری پایه‌ها 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه است که در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه بسته اندازه‌گیری می‌شود. این مقدار با پروفیل‌های معمول لحیم‌کاری بدون سرب (دمای پیک ~250 درجه سانتی‌گراد) هم‌خوانی دارد.
• لحیم‌کاری دستی:در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، از هویه کنترل دمایی استفاده کنید و زمان تماس را برای هر پایه به کمتر از 3 ثانیه محدود کنید تا از آسیب حرارتی به تراشه نیمه‌هادی داخلی و بسته پلاستیکی جلوگیری شود.
• تمیزکاری:از حلال‌های تمیزکننده مناسب که با رزین اپوکسی شفاف آبی بسته‌بندی سازگار هستند استفاده کنید.
• شرایط نگهداری:در یک محیط خشک و ضد الکتریسیته ساکن و در محدوده دمایی مشخص شده (55- تا 100+ درجه سانتی‌گراد) نگهداری کنید تا از جذب رطوبت (که می‌تواند باعث "پف کردن" در حین بازجوشی شود) و آسیب تخلیه الکترواستاتیک جلوگیری شود.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 پیکربندی مدار معمول

برای فرستنده: معمولاً از یک مقاومت سری ساده برای محدود کردن جریان پیشرو استفاده می‌شود. مقدار مقاومت به صورت R = (V_CC- V_F) / I_F محاسبه می‌شود. به عنوان مثال، با منبع تغذیه 5 ولت، V_F=1.6V و جریان مطلوب I_F=20mA، مقدار مقاومت R = (5 - 1.6) / 0.02 = 170Ω خواهد بود. اغلب یک ترانزیستور (NPN یا MOSFET کانال N) به صورت سری قرار می‌گیرد تا جریان را از طریق یک میکروکنترلر روشن/خاموش کند.

برای گیرنده (دیود نوری): معمولاً در حالت فتوولتائیک (بایاس صفر) یا فتوکانداکتیو (بایاس معکوس) کار می‌کند. برای تشخیص دیجیتال ساده، دیود نوری می‌تواند به صورت سری با یک مقاومت بار متصل شود. ولتاژ دو سر این مقاومت با نور IR فرودی تغییر می‌کند که می‌تواند به یک مقایسه‌گر یا تقویت‌کننده تغذیه شود.

6.2 ملاحظات طراحی

• مصونیت در برابر نویز:طول موج 940 نانومتر و فیلتر آبی کمک می‌کنند، اما نور محیط از خورشید یا لامپ‌های فلورسنت (که حاوی IR هستند) همچنان می‌تواند باعث تداخل شود. استفاده از سیگنال IR مدوله‌شده (مثلاً حامل 38 کیلوهرتز) و یک IC گیرنده دمودولاتور، روش استاندارد برای دستیابی به مصونیت بالا در برابر نویز است.
• راه‌اندازی جریان:برای کار پالسی نزدیک به پیک 2 آمپر، اطمینان حاصل کنید که ترانزیستور راه‌انداز می‌تواند جریان را تحمل کند و پهنای مسیرهای مسی PCB به اندازه کافی عریض است تا از افت ولتاژ بیش از حد جلوگیری شود.
• مسیر نوری:لنز را تمیز و عاری از موانع نگه دارید. زاویه دید گسترده، هم‌ترازی را آسان‌تر می‌کند اما در مقایسه با یک پرتو باریک‌تر، حداکثر برد را کاهش می‌دهد. برای برد بیشتر، افزودن یک لنز ساده موازی‌ساز را در نظر بگیرید.
• مدیریت حرارتی:هنگام کار در جریان‌های پیوسته بالا یا در دمای محیط بالا، اطمینان حاصل کنید که تهویه کافی در اطراف قطعه وجود دارد تا در محدوده اتلاف توان باقی بماند.

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای IR استاندارد 940 نانومتر، LTE-3273DL یک گیرنده را نیز ادغام کرده و در کاربردهای فرستنده-گیرنده فضای برد را ذخیره می‌کند. در مقایسه با فتوترانزیستورهای کندتر، دیود نوری مجتمع شده زمان پاسخ سریع‌تری ارائه می‌دهد که برای انتقال داده مدوله‌شده مناسب است. قابلیت جریان پالسی بالا (2 آمپر) آن یک مزیت کلیدی نسبت به بسیاری از LEDهای IR پایه است که امکان ایجاد سیگنال‌های قوی‌تر را فراهم می‌کند. ترکیب ویژگی‌ها (جریان بالا، زاویه دید وسیع، شامل گیرنده) در یک بسته‌بندی کم‌هزینه، موقعیت مناسبی را برای آن در بازار کنترل از راه دور و سنسورهای مصرفی ایجاد کرده است.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم این فرستنده IR را مستقیماً از پین GPIO یک میکروکنترلر راه‌اندازی کنم؟

پ: خیر. یک پین GPIO معمولی فقط می‌تواند 20 تا 50 میلی‌آمپر جریان تأمین یا دریافت کند که ممکن است در حد بالای ظرفیت باشد و نمی‌تواند نوسان ولتاژ مورد نیاز برای V_F حدود 1.6 ولت را فراهم کند. همیشه از یک ترانزیستور به عنوان سوئیچ استفاده کنید.

س: تفاوت بین شدت تابشی (mW/sr) و توان خروجی کل (mW) چیست؟

پ: شدت تابشی چگالی زاویه‌ای است. توان کل نیازمند انتگرال‌گیری شدت در کل کره انتشار است. برای یک فرستنده با زاویه دید وسیع مانند این، توان کل به طور قابل توجهی بیشتر از مقدار شدت است.

س: چگونه خروجی دیود نوری را به یک ورودی دیجیتال متصل کنم؟

پ: خروجی جریان دیود نوری بسیار کوچک است. شما به یک تقویت‌کننده ترانسیمپدانس نیاز دارید تا آن را به ولتاژ تبدیل کند و سپس یک مقایسه‌گر برای ایجاد سیگنال دیجیتال. برای تشخیص ساده روشن/خاموش در حضور نور محیط، به جای استفاده از دیود نوری خام، اکیداً توصیه می‌شود از یک ماژول گیرنده IR اختصاصی (با تقویت‌کننده، فیلتر و دمودولاتور داخلی) استفاده کنید.

س: چرا درجه‌بندی ولتاژ معکوس فقط 5 ولت است؟

پ: این مقدار برای دیودهای فرستنده IR مبتنی بر GaAs معمول است. ماده و ساختار نیمه‌هادی دارای ولتاژ شکست نسبتاً پایینی هستند. طراحی دقیق مدار برای جلوگیری از بایاس معکوس تصادفی ضروری است.

9. مثال موردی عملی

سناریو: ساخت یک سنسور ساده تشخیص شیء/مجاورت IR.

LTE-3273DL می‌تواند در پیکربندی سنسور بازتابی استفاده شود. فرستنده در یک فرکانس خاص (مثلاً 1 کیلوهرتز) پالس می‌دهد. گیرنده که در کنار آن قرار دارد، به دنبال سیگنال بازتابیده از یک شیء در مقابل است. یک فیلتر میان‌گذر تنظیم‌شده روی 1 کیلوهرتز در زنجیره تقویت‌کننده گیرنده، نویز نور محیط را حذف می‌کند. هنگامی که یک شیء در محدوده قرار می‌گیرد، سیگنال بازتابیده افزایش می‌یابد و مدار را فعال می‌کند. این روش در دستگاه‌های خودکار توزیع دستمال، تشخیص کاغذ در پرینترها و تشخیص لبه در ربات‌ها رایج است.

10. اصل عملکرد

این دستگاه بر اساس اصول فیزیک نیمه‌هادی کاملاً شناخته‌شده عمل می‌کند.فرستندهیک دیود نورافشان (LED) گالیوم آرسناید (GaAs) است. هنگامی که در بایاس مستقیم قرار می‌گیرد، الکترون‌ها و حفره‌ها در پیوند PN بازترکیب شده و انرژی را به صورت فوتون آزاد می‌کنند. گاف انرژی GaAs انرژی فوتون را تعیین می‌کند که مربوط به طول موج مادون قرمز 940 نانومتر است.گیرندهیک دیود نوری PIN سیلیکونی است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف انرژی سیلیکون (شامل IR با طول موج 940 نانومتر) به ناحیه تخلیه برخورد می‌کنند، جفت‌های الکترون-حفره تولید می‌کنند. این حامل‌ها توسط میدان الکتریکی داخلی (از بایاس داخلی یا اعمالی) جارو شده و یک جریان نوری متناسب با شدت نور فرودی ایجاد می‌کنند.

11. روندها و تحولات صنعت

بازار قطعات گسسته IR همچنان در حال تحول است. روندها شامل موارد زیر است:

کوچک‌سازی:حرکت به سمت بسته‌بندی‌های نصب سطحی (SMD) مانند 0805 یا 0603 برای لوازم الکترونیکی مصرفی کوچک‌تر.

یکپارچه‌سازی بالاتر:ترکیب فرستنده، گیرنده، راه‌انداز و تقویت‌کننده در یک ماژول واحد با رابط‌های دیجیتال (مانند I2C، UART).

عملکرد بهبودیافته:توسعه فرستنده‌هایی با شدت تابشی بالاتر و زوایای پرتو باریک‌تر برای کاربردهای برد بلندتر و گیرنده‌هایی با جریان تاریک کمتر و سرعت بالاتر.

طول‌موج‌های جدید:اکتشاف طول‌موج‌های فراتر از 940 نانومتر برای کاربردهای سنسوری خاص مانند تشخیص گاز، اگرچه 940 نانومتر به دلیل هزینه و سازگاری، برای کنترل از راه دور و سنسورهای عمومی همچنان غالب است.