دیتاشیت فنی LTE-C216R-14 - فرستنده و گیرنده مادون قرمز - بسته‌بندی 1206 - طول موج 850 نانومتر - جریان 60 میلی‌آمپر

1. مرور کلی محصول

LTE-C216R-14 یک قطعه فرستنده و گیرنده مادون قرمز نصب‌سطحی است که برای ادغام در مونتاژهای الکترونیکی مدرن طراحی شده است. عملکرد اصلی آن، انتشار و تشخیص نور مادون قرمز در طول موج پیک 850 نانومتر است که آن را برای کاربردهای مختلف حسگری، انتقال داده و تشخیص مجاورت مناسب می‌سازد. این قطعه در یک بسته‌بندی فشرده 1206 قرار دارد که یک فوت‌پرینت استاندارد EIA است و تضمین‌کننده سازگاری گسترده با فرآیندهای تولید خودکار و طرح‌های PCB موجود می‌باشد.

مزایای اصلی این قطعه شامل سازگاری آن با تجهیزات نصب خودکار با حجم بالا و استحکام آن در فرآیندهای استاندارد لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز است. این ویژگی‌ها آن را به انتخابی ایده‌آل برای تولید انبوه مقرون‌به‌صرفه تبدیل می‌کند. علاوه بر این، این قطعه مطابق با دستورالعمل‌های RoHS (محدودیت مواد خطرناک) است و به عنوان یک محصول سبز طبقه‌بندی می‌شود که برای دسترسی به بازار جهانی و انطباق زیست‌محیطی اهمیت فزاینده‌ای دارد.

بازار هدف این قطعه شامل الکترونیک مصرفی، اتوماسیون صنعتی، تجهیزات ارتباطی و ماشین‌آلات اداری می‌شود. قابلیت اطمینان و بسته‌بندی استاندارد آن، آن را به یک بلوک سازنده همه‌کاره برای طراحانی تبدیل می‌کند که به یک راه‌حل IR قابل اعتماد نیاز دارند.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

کارکرد هر قطعه الکترونیکی فراتر از محدوده‌های حداکثر مطلق آن می‌تواند باعث آسیب دائمی شود. برای LTE-C216R-14، این محدودیت‌ها در دمای محیط (T_A) برابر با 25 درجه سانتی‌گراد تعریف شده‌اند.

• اتلاف توان (P_D):100 میلی‌وات. این حداکثر مقدار توانی است که قطعه می‌تواند به صورت حرارت به طور ایمن دفع کند.
• جریان مستقیم پیک (I_FP):800 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان لحظه‌ای مجاز است که معمولاً تحت شرایط پالسی (300 پالس در ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه) مشخص می‌شود تا از تنش گرمایی بیش از حد در هنگام جهش‌های کوتاه جلوگیری شود.
• جریان مستقیم پیوسته (I_F):60 میلی‌آمپر. این حداکثر جریان DC است که می‌توان به طور مداوم اعمال کرد بدون آنکه عملکرد یا طول عمر کاهش یابد.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. اعمال ولتاژ بایاس معکوس بالاتر از این مقدار می‌تواند پیوند نیمه‌هادی را تخریب کند.
• محدوده دمای کاری:40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. عملکرد قطعه در این محدوده دمای محیطی تضمین شده است.
• محدوده دمای نگهداری:55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد. قطعه می‌تواند در این محدوده‌ها بدون تخریب نگهداری شود.
• شرایط لحیم‌کاری مادون قرمز:مقاوم در برابر 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه. این تحمل آن را برای پروفیل‌های لحیم‌کاری رفلو بدون سرب (Pb-free) تعریف می‌کند.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی و نوری

پارامترهای کلیدی عملکرد در T_A=25 درجه سانتی‌گراد تحت شرایط آزمایش مشخص شده اندازه‌گیری می‌شوند و معیاری برای محاسبات طراحی فراهم می‌کنند.

• شدت تابشی (I_E):4 (حداقل) تا 13 (حداکثر) میلی‌وات بر استرادیان، با یک مقدار معمولی ارائه شده. اندازه‌گیری شده در جریان مستقیم (I_F) برابر با 20 میلی‌آمپر. این پارامتر توان نوری منتشر شده در هر واحد زاویه فضایی (استرادیان) را کمّی می‌کند.
• طول موج پیک تابش (λ_Peak):850 نانومتر (معمولی). این طول موجی است که در آن فرستنده حداکثر توان نوری خود را خروجی می‌دهد. این یک پارامتر حیاتی برای تطابق با حساسیت طیفی فوتودتکتورها است.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):50 نانومتر (معمولی). این نشان‌دهنده پهنای باند نور منتشر شده است و نشان می‌دهد که طول موج چقدر حول پیک گسترش می‌یابد.
• ولتاژ مستقیم (V_F):1.6 ولت (معمولی)، 2.0 ولت (حداکثر) در I_F= 50 میلی‌آمپر. این افت ولتاژ در دو سر قطعه هنگام هدایت است. برای طراحی مدار محدودکننده جریان ضروری است.
• جریان معکوس (I_R):10 میکروآمپر (حداکثر) در V_R= 5 ولت. این جریان نشتی کوچکی است که هنگام بایاس معکوس قطعه جریان می‌یابد.
• زمان صعود/سقوط (T_r/T_f):30 نانوثانیه (معمولی). این مشخص می‌کند که خروجی نوری چقدر سریع می‌تواند روشن و خاموش شود (اندازه‌گیری شده از 10% تا 90% خروجی)، که حداکثر سرعت مدولاسیون ممکن برای انتقال داده را تعیین می‌کند.
• زاویه دید (2θ_1/2):75 درجه (معمولی). این زاویه کامل‌ای است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار حداکثر خود (روی محور) کاهش می‌یابد. یک زاویه گسترده‌تر پوشش فضایی وسیع‌تری فراهم می‌کند اما شدت در هر نقطه خاص کمتری دارد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکتریکی و نوری معمولی ارجاع می‌دهد. در حالی که نمودارهای خاص در متن بازتولید نشده‌اند، هدف آنها ارائه بینش بصری از رفتار قطعه تحت شرایط مختلف است.

این منحنی‌ها معمولاً شامل موارد زیر هستند:

• منحنی I-V (جریان-ولتاژ):رابطه بین جریان مستقیم و ولتاژ مستقیم را نشان می‌دهد که برای LEDها غیرخطی است. این به تعیین مقاومت دینامیکی و ولتاژ درایو لازم برای یک جریان هدف کمک می‌کند.
• شدت تابشی در مقابل جریان مستقیم:نشان می‌دهد که توان خروجی نوری چگونه با جریان درایو افزایش می‌یابد. این رابطه به طور کلی در محدوده کاری خطی است اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا به اشباع برسد.
• طول موج پیک در مقابل دما:نشان می‌دهد که طول موج منتشر شده چگونه با تغییرات دمای پیوند تغییر می‌کند، که برای کاربردهای حساس به دما حیاتی است.
• الگوی زاویه دید:یک نمودار قطبی که توزیع فضایی شدت نور منتشر شده را نشان می‌دهد.

مهندسان از این منحنی‌ها برای بهینه‌سازی طراحی خود استفاده می‌کنند، اطمینان حاصل می‌کنند که قطعه در کارآمدترین و قابل اعتمادترین ناحیه خود عمل می‌کند و عملکرد را تحت شرایط غیراستاندارد پیش‌بینی می‌کنند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی

قطعه از یک فوت‌پرینت بسته‌بندی استاندارد 1206 استفاده می‌کند. دیتاشیت نقشه‌های مکانیکی دقیقی با تمام ابعاد حیاتی بر حسب میلی‌متر ارائه می‌دهد. ابعاد کلیدی شامل طول، عرض و ارتفاع کلی بدنه قطعه و همچنین محل قرارگیری و اندازه پدهای لحیم روی خود قطعه است. تلرانس این ابعاد معمولاً ±0.10 میلی‌متر است مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد. رعایت این ابعاد برای طراحی موفق الگوی لند PCB و مونتاژ خودکار حیاتی است.

4.2 طرح پیشنهادی پد لحیم

یک فوت‌پرینت پد لحیم پیشنهادی برای PCB ارائه شده است. این طرح به گونه‌ای مهندسی شده است که تشکیل اتصال لحیم قابل اعتمادی را در طول رفلو تضمین کند و مشکلاتی مانند "تومبستونینگ" (ایستادن قطعه روی لبه) یا لحیم ناکافی را به حداقل برساند. پیروی از این ابعاد پد پیشنهادی، که معمولاً کمی بزرگ‌تر از ترمینال‌های قطعه است تا امکان تشکیل فیله لحیم مناسب فراهم شود، یک روش بهترین برای قابلیت ساخت و قابلیت اطمینان بلندمدت است.

4.3 بسته‌بندی نوار و قرقره

برای مونتاژ خودکار، قطعات در نوار 8 میلی‌متری روی قرقره‌های با قطر 7 اینچ عرضه می‌شوند. هر قرقره حاوی 3000 قطعه است. مشخصات نوار و قرقره مطابق با استانداردهای ANSI/EIA 481-1-A-1994 است که تضمین‌کننده سازگاری با ماشین‌های استاندارد Pick-and-Place می‌باشد. توضیحات مشخص می‌کنند که جیب‌های خالی قطعات با نوار پوششی مهر و موم شده‌اند و حداکثر دو قطعه مفقوده متوالی ("لامپ") در هر قرقره مجاز است، که تضمین‌های کیفیت استاندارد برای بسته‌بندی نوار و قرقره هستند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 پروفیل لحیم‌کاری رفلو

این قطعه برای فرآیندهای لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز، به ویژه آنهایی که از لحیم بدون سرب (Pb-free) استفاده می‌کنند، واجد شرایط است. یک پروفیل رفلو پیشنهادی ارائه شده است که پارامترهای کلیدی آن شامل مرحله پیش‌گرم (150-200 درجه سانتی‌گراد)، حداکثر دمای پیک 260 درجه سانتی‌گراد و زمان بالای مایع (معمولاً حدود 217 درجه سانتی‌گراد برای لحیم بدون سرب) حداکثر 10 ثانیه است. دیتاشیت تأکید می‌کند که پروفیل بهینه به طراحی خاص PCB، قطعات، خمیر لحیم و فر بستگی دارد و استفاده از پروفیل‌های استاندارد JEDEC را به عنوان پایه توصیه می‌کند در حالی که از مشخصات سازنده خمیر لحیم پیروی می‌کند.

5.2 لحیم‌کاری دستی

در صورت لزوم لحیم‌کاری دستی، باید با دمای نوک هویه حداکثر 300 درجه سانتی‌گراد انجام شود و زمان تماس باید حداکثر به 3 ثانیه محدود شود. این کار باید فقط یک بار انجام شود تا از آسیب حرارتی به بسته‌بندی پلاستیکی و دی نیمه‌هادی داخلی جلوگیری شود.

5.3 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری پس از لحیم‌کاری، فقط باید از مواد شوینده مشخص شده استفاده شود. دیتاشیت صراحتاً هشدار می‌دهد که از مایعات شیمیایی نامشخص استفاده نکنید، زیرا ممکن است به مواد بسته‌بندی آسیب برساند. روش‌های تمیزکاری توصیه شده شامل غوطه‌ور کردن LED در الکل اتیلیک یا ایزوپروپیل الکل در دمای معمولی به مدت کمتر از یک دقیقه است.

5.4 نگهداری و جابجایی

حساسیت به رطوبت یک عامل حیاتی برای قطعات نصب‌سطحی است. LEDها در یک کیسه مانع رطوبت با ماده خشک‌کن ارسال می‌شوند. در حالی که مهر و موم شده‌اند، باید در دمای ≤30 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی (RH) ≤90% نگهداری و ظرف یک سال استفاده شوند. پس از باز شدن کیسه اصلی، محیط نگهداری نباید از 30 درجه سانتی‌گراد و 60% RH تجاوز کند. قطعات خارج شده از کیسه مهر و موم شده ایده‌آل است که ظرف یک هفته لحیم‌کاری رفلو شوند. برای نگهداری طولانی‌تر خارج از بسته‌بندی اصلی، باید در یک ظرف مهر و موم شده با ماده خشک‌کن یا در محیط نیتروژن نگهداری شوند. قطعاتی که بیش از یک هفته خارج از کیسه خشک نگهداری شده‌اند، قبل از لحیم‌کاری نیاز به یک فرآیند پخت (حدود 60 درجه سانتی‌گراد به مدت حداقل 20 ساعت) برای حذف رطوبت جذب شده دارند تا از آسیب "پاپ کورن" در طول رفلو جلوگیری شود.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 سناریوهای کاربردی متداول

LTE-C216R-14 برای تجهیزات الکترونیکی معمولی در نظر گرفته شده است. کاربردهای متداول شامل موارد زیر است:

• سنسورهای مجاورتی:تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء با انعکاس نور IR آن.
• سوئیچ‌های نوری:قطع یک پرتو IR برای تشخیص حرکت یا موقعیت.
• انتقال داده:پیوندهای داده مادون قرمز ساده (مانند کنترل‌های از راه دور، ارتباط سریال برد کوتاه) با مدولاسیون جریان درایو.
• شمارش اشیاء:در خطوط اتوماسیون که اشیاء یک پرتو را قطع می‌کنند.
• ادغام در تجهیزات اداری، دستگاه‌های ارتباطی و لوازم خانگی.

دیتاشیت شامل یک هشدار حیاتی است: برای کاربردهایی که خرابی می‌تواند جان یا سلامتی را به خطر بیندازد (هوانوردی، دستگاه‌های پزشکی، سیستم‌های ایمنی)، قبل از طراحی، مشورت با سازنده الزامی است.

6.2 طراحی مدار درایو

یک اصل اساسی برای استفاده از LEDها برجسته شده است: آنها قطعاتی هستند که با جریان کار می‌کنند. برای اطمینان از روشنایی یکنواخت هنگام درایو چندین LED به صورت موازی، دیتاشیت به شدت توصیه می‌کند که از یک مقاومت محدودکننده جریان جداگانه به صورت سری با هر LED استفاده شود (مدل مدار A). این امر تغییرات جزئی در مشخصه ولتاژ مستقیم (V_F) از قطعه‌ای به قطعه دیگر را جبران می‌کند. اتصال مستقیم LEDها به صورت موازی بدون مقاومت‌های جداگانه (مدل مدار B) توصیه نمی‌شود، زیرا LED با V_Fکمی پایین‌تر، جریان نامتناسبی بیشتری می‌کشد که منجر به روشنایی ناهموار و تنش بالقوه بیش از حد آن قطعه می‌شود.

7. مقایسه و تمایز فنی

در حالی که یک مقایسه مستقیم رو در رو با سایر شماره قطعات در این دیتاشیت مستقل ارائه نشده است، ویژگی‌های کلیدی متمایزکننده LTE-C216R-14 را می‌توان استنباط کرد:

• فوت‌پرینت استاندارد (1206/EIA):در مقایسه با بسته‌بندی‌های اختصاصی، جایگزینی آسان Drop-in و آشنایی طراحی را ارائه می‌دهد.
• بدون سرب و مطابق با RoHS:با مقررات زیست‌محیطی مدرن مطابقت دارد، که ممکن است برای قطعات قدیمی یا خاص صادق نباشد.
• دوستدار اتوماسیون:بسته‌بندی نوار و قرقره و سازگاری آن با فرآیندهای Pick-and-Place و رفلو، آن را برای تولید با حجم بالا و مقرون‌به‌صرفه بسیار مناسب می‌سازد.
• عملکرد متعادل:با زاویه دید 75 درجه، طول موج 850 نانومتر و سرعت 30 نانوثانیه، مجموعه‌ای همه‌جانبه از ویژگی‌ها را برای کاربردهای IR عمومی فراهم می‌کند.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

سوال 1: آیا می‌توانم این LED مادون قرمز را مستقیماً از پین میکروکنترلر 5 ولت درایو کنم؟
پاسخ: خیر. ولتاژ مستقیم معمولی در 50 میلی‌آمپر 1.6 ولت است. اتصال مستقیم آن به یک پین 5 ولت سعی می‌کند جریان بسیار بالا و مخربی را از آن عبور دهد. شما باید از یک مقاومت سری محدودکننده جریان استفاده کنید. به عنوان مثال، برای دستیابی به 20 میلی‌آمپر از منبع 5 ولت: R = (5V - 1.6V) / 0.02A = 170Ω (از مقاومت استاندارد 180Ω یا 150Ω استفاده کنید).

سوال 2: حداکثر نرخ داده ممکن با این فرستنده چقدر است؟
پاسخ: زمان صعود/سقوط 30 نانوثانیه نشان‌دهنده حداکثر پهنای باند مدولاسیون نظری در محدوده ده‌ها مگاهرتز است. با این حال، نرخ‌های داده عملی برای ارتباط قابل اعتماد پایین‌تر هستند، اغلب در محدوده صدها کیلوبیت بر ثانیه تا چند مگابیت بر ثانیه، بسته به مدار درایو، دتکتور و نویز محیطی.

سوال 3: چرا شرایط نگهداری پس از باز کردن کیسه اینقدر سختگیرانه است (≤60% RH)؟
پاسخ: بسته‌بندی‌های پلاستیکی نصب‌سطحی می‌توانند رطوبت را از هوا جذب کنند. در طول فرآیند لحیم‌کاری رفلو با دمای بالا، این رطوبت به دام افتاده می‌تواند به سرعت تبخیر شود و فشار داخلی ایجاد کند که می‌تواند بسته‌بندی را ترک دهد یا اتصالات داخلی را جدا کند - خرابی معروف به "پاپ کورن". شرایط نگهداری سختگیرانه و الزامات پخت، اقدامات پیشگیرانه در برابر این پدیده هستند.

سوال 4: چگونه مقدار شدت تابشی (mW/sr) را تفسیر کنم؟
پاسخ: این مقدار چگالی توان نوری را اندازه‌گیری می‌کند. مقدار 10 mW/sr به این معنی است که قطعه 10 میلی‌وات توان نوری را در یک مخروط فضایی یک استرادیانی در جهتی که نشانه رفته است منتشر می‌کند. برای یافتن توان کل، باید این شدت را در کل زاویه دید (75 درجه، یا ~1.84 sr) انتگرال بگیرید.

9. مطالعه موردی طراحی

سناریو: طراحی یک سنسور وجود کاغذ برای پرینتر.
هدف:تشخیص زمانی که کاغذ در سینی تغذیه وجود دارد.
پیاده‌سازی:فرستنده LTE-C216R-14 را در یک طرف مسیر کاغذ و یک فوتودتکتور مطابق (یا از قسمت دتکتور یک قطعه مشابه استفاده کنید) دقیقاً در مقابل آن قرار دهید. وقتی کاغذ وجود ندارد، پرتو IR به دتکتور می‌رسد و یک سیگنال تولید می‌کند (مثلاً منطق HIGH). وقتی کاغذ وجود دارد، پرتو را مسدود می‌کند و باعث افت سیگنال دتکتور می‌شود (منطق LOW).
ملاحظات طراحی:

• تنظیم جریان:فرستنده را با 20 میلی‌آمپر با استفاده از یک مقاومت سری برای خروجی یکنواخت و با طول عمر بالا درایو کنید.
• تراز:زاویه دید 75 درجه مقداری تلرانس برای ناهمترازی مکانیکی فراهم می‌کند.
• مصونیت در برابر نور محیط:از آنجایی که از نور مدوله شده 850 نانومتر استفاده می‌کند، سیستم را می‌توان با افزودن یک مدار ساده مدولاسیون/دمدولاسیون یا استفاده از یک دتکتور با فیلتر نور روز در برابر تداخل نور محیط مقاوم ساخت.
• لحیم‌کاری:از پروفیل رفلو توصیه شده پیروی کنید تا اتصالات قابل اعتمادی روی PCB بدون آسیب به قطعه ایجاد شود.

10. اصل عملکرد

یک دیود نورافشان مادون قرمز (IR LED) بر اساس اصل الکترولومینسانس در یک ماده نیمه‌هادی عمل می‌کند. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم در سراسر پیوند p-n اعمال می‌شود، الکترون‌ها از ناحیه نوع n و حفره‌ها از ناحیه نوع p به ناحیه پیوند تزریق می‌شوند. هنگامی که این حامل‌های بار بازترکیب می‌شوند، انرژی آزاد می‌کنند. در یک IR LED، گاف انرژی نیمه‌هادی به گونه‌ای مهندسی شده است که این انرژی آزاد شده مربوط به یک فوتون در طیف مادون قرمز (حدود 850 نانومتر برای این قطعه) باشد. فوتون‌های تولید شده به صورت نور منتشر می‌شوند. عملکرد دتکتور، در صورت وجود در یک قطعه جفت شده، به صورت معکوس عمل می‌کند: فوتون‌های مادون قرمز فرودی با انرژی کافی در نیمه‌هادی یک فوتودیود جفت الکترون-حفره ایجاد می‌کنند و هنگامی که بایاس معکوس می‌شود، یک فوتوکرنت قابل اندازه‌گیری تولید می‌کنند.

11. روندهای فناوری

حوزه اپتوالکترونیک همچنان در حال تکامل است. روندهای مرتبط با قطعاتی مانند LTE-C216R-14 شامل موارد زیر است:

• افزایش یکپارچگی:حرکت به سمت ترکیب فرستنده، دتکتور و منطق کنترل (مانند یک درایو مدوله شده و تنظیم‌کننده سیگنال) در یک بسته واحد برای طراحی سیستم ساده‌تر.
• بازدهی بالاتر:توسعه مواد و ساختارهای نیمه‌هادی که ورودی الکتریکی بیشتری را به خروجی نوری تبدیل می‌کنند، مصرف برق و تولید گرما را کاهش می‌دهند.
• کوچک‌سازی:در حالی که بسته‌بندی 1206 استاندارد است، فشار برای فوت‌پرینت‌های حتی کوچک‌تر (مانند 0805، 0603) برای صرفه‌جویی در فضای PCB در دستگاه‌های فشرده‌تر وجود دارد.
• قابلیت اطمینان بهبود یافته:بهبود در مواد و فرآیندهای بسته‌بندی برای مقاومت در برابر دمای رفلو بالاتر و شرایط محیطی سخت‌تر، افزایش طول عمر محصول.
• حسگری هوشمند:ادغام هوش اولیه در سطح قطعه، مانند حذف نور محیط یا خروجی دیجیتال، برای ساده‌سازی ارتباط با میکروکنترلرها.

این روندها هدفشان ارائه بلوک‌های سازنده توانمندتر، قابل اعتمادتر و آسان‌تر برای استفاده به طراحان برای نسل بعدی محصولات الکترونیکی است.