دیتاشیت فنی فرستنده و گیرنده مادون قرمز LTE-S9511-E - طول موج 940 نانومتر - جریان مستقیم 20 میلی‌آمپر - ولتاژ مستقیم 1.5 ولت - اتلاف توان 100 میلی‌وات - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTE-S9511-E یک قطعه گسسته مادون قرمز است که برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای نیازمند تابش و آشکارسازی قابل اعتماد مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه بخشی از یک خط تولید جامع است که نیازهای مربوط به توان بالا، سرعت بالا و زوایای دید گسترده در راه‌حل‌های مادون قرمز را پوشش می‌دهد.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

این قطعه برای برآورده کردن استانداردهای مدرن تولید و زیست‌محیطی طراحی شده است. این یک محصول سبز مطابق با RoHS است که بر روی ریل‌های 13 اینچی در نوار 8 میلی‌متری عرضه می‌شود تا با تجهیزات اتوماتیک نصب سریع سازگار باشد. طراحی آن از فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز پشتیبانی می‌کند و آن را برای مونتاژ انبوه PCB مناسب می‌سازد. کاربردهای اصلی هدف شامل سیستم‌های کنترل از راه دور، ماژول‌های انتقال داده بی‌سیم مادون قرمز، آلارم‌های امنیتی و سایر الکترونیک‌های مصرفی و صنعتی است که به حس‌گری یا سیگنالینگ مادون قرمز نیاز دارند.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی عمیق

پارامترهای زیر محدودیت‌های عملیاتی و ویژگی‌های عملکرد دستگاه را تحت شرایط استاندارد (TA=25°C) تعریف می‌کنند.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را مشخص می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این مقادیر برای کارکرد مداوم نیستند.

• اتلاف توان (Pd):100 میلی‌وات. این حداکثر مقدار توانی است که دستگاه می‌تواند به صورت گرما تلف کند.
• جریان مستقیم پیک (I_FP):1 آمپر. این حداکثر جریان پالسی مجاز تحت شرایط خاص (300 پالس بر ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه) است.
• جریان مستقیم DC (I_F):50 میلی‌آمپر. حداکثر جریان مستقیم پیوسته برای عملکرد قابل اعتماد.
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت. دستگاه برای کار با بایاس معکوس طراحی نشده است؛ تجاوز از این ولتاژ ممکن است باعث شکست شود.
• محدوده دمای کاری (T_opr):40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد. محدوده دمای محیطی برای عملکرد عادی دستگاه.
• محدوده دمای نگهداری (T_stg):55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد.
• شرایط لحیم‌کاری مادون قرمز:مقاومت در برابر 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 10 ثانیه، که تحمل پروفیل ریفلو را تعریف می‌کند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

اینها پارامترهای عملکردی معمول هستند که تحت شرایط آزمایش تعریف شده اندازه‌گیری می‌شوند.

• شدت تابشی (I_E):4.0 (حداقل)، 6.0 (معمول) میلی‌وات بر استرادیان. اندازه‌گیری شده در I_F= 20mA. این نشان‌دهنده توان خروجی نوری در هر زاویه فضایی است.
• طول موج تابش پیک (λ_Peak):940 نانومتر (معمول). طول موجی که در آن تابش مادون قرمز ساطع شده قوی‌ترین است.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):50 نانومتر (معمول). پهنای باند طیف ساطع شده در نصف شدت پیک.
• ولتاژ مستقیم (V_F):1.2 (معمول)، 1.5 (حداکثر) ولت. اندازه‌گیری شده در I_F= 20mA. افت ولتاژ در دو سر دستگاه هنگام هدایت جریان.
• جریان معکوس (I_R):10 میکروآمپر (حداکثر). اندازه‌گیری شده در V_R= 5V. یک جریان نشتی کوچک تحت بایاس معکوس.
• زاویه دید (2θ_1/2):20 (حداقل)، 25 (معمول) درجه. زاویه کامل جایی که شدت تابشی به نصف مقدار روی محور می‌رسد.

3. توضیح سیستم باینینگ

دستگاه در گریدهای عملکردی مختلف یا \"باین‌ها\" بر اساس شدت تابشی موجود است. این به طراحان اجازه می‌دهد قطعه‌ای را انتخاب کنند که دقیقاً با نیازهای حساسیت یا توان خروجی کاربردشان مطابقت دارد.

لیست کد باین حداقل و حداکثر شدت تابشی را برای هر گرید در جریان آزمایش 20mA مشخص می‌کند:

• باین K:4 تا 6 میلی‌وات بر استرادیان
• باین L:5 تا 7.5 میلی‌وات بر استرادیان
• باین M:6 تا 9 میلی‌وات بر استرادیان
• باین N:7 تا 10.5 میلی‌وات بر استرادیان

انتخاب یک کد باین بالاتر (مثلاً N به جای K) معمولاً حداقل خروجی نوری بالاتری را تضمین می‌کند، که می‌تواند برای دستیابی به برد بیشتر یا نسبت سیگنال به نویز بهتر در یک سیستم حیاتی باشد.

4. تحلیل منحنی عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه ارائه می‌دهد که رفتار دستگاه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهند. این منحنی‌ها برای طراحی دقیق مدار و درک مصالحه‌های عملکرد ضروری هستند.

4.1 توزیع طیفی

یک منحنی (شکل 1) شدت تابشی نسبی در مقابل طول موج را نشان می‌دهد. این منحنی تابش پیک در 940 نانومتر و نیم‌عرض طیفی تقریباً 50 نانومتر را تأیید می‌کند، که برای فرستنده‌های مادون قرمز مبتنی بر GaAs معمول است. این طیف گسترده برای استفاده با آشکارسازهای سیلیکونی مناسب است که در ناحیه مادون قرمز نزدیک حساسیت گسترده‌ای دارند.

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

این منحنی (شکل 3) رابطه غیرخطی بین جریان و ولتاژ را به تصویر می‌کشد. نشان می‌دهد که ولتاژ مستقیم با افزایش جریان، از حدود 1.0 ولت شروع شده و در 100 میلی‌آمپر به 1.5 ولت نزدیک می‌شود. این منحنی برای طراحی مدار محدودکننده جریان حیاتی است.

4.3 مشخصات دمایی

چندین منحنی وابستگی دستگاه به دمای محیط (T_a) را نشان می‌دهند.

- جریان مستقیم در مقابل دمای محیط (شکل 2):احتمالاً نشان می‌دهد که حداکثر جریان مستقیم مجاز چگونه با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد تا از تجاوز از حد اتلاف توان جلوگیری شود.

- شدت تابشی نسبی در مقابل دمای محیط (شکل 4):نشان می‌دهد که توان خروجی نوری با افزایش دما کاهش می‌یابد. این ضریب دمایی منفی یک ملاحظه کلیدی برای کاربردهایی است که در محیط‌های حرارتی متغیر عمل می‌کنند، زیرا ممکن است نیاز به جبران‌سازی دما در مدار درایور یا گیرنده برای حفظ عملکرد یکنواخت داشته باشد.

4.4 شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم

این منحنی (شکل 5) نشان می‌دهد که شدت تابشی عموماً با جریان مستقیم متناسب است، اما این رابطه در جریان‌های بسیار بالا ممکن است به دلیل گرمایش و افت بازده، زیرخطی شود. این منحنی به تعیین جریان کاری بهینه برای سطح خروجی مطلوب کمک می‌کند.

4.5 نمودار تابش

نمودار قطبی (شکل 6) به صورت بصری زاویه دید را نشان می‌دهد. شدت در 0 درجه (روی محور) بیشترین است و به صورت متقارن کاهش می‌یابد، و در حدود 12.5± درجه (برای زاویه دید 25 درجه) به نصف می‌رسد. این الگو برای هم‌تراز کردن فرستنده با گیرنده یا برای طراحی اپتیک به منظور شکل‌دهی به پرتو بسیار مهم است.

5. اطلاعات مکانیکی و پکیج

5.1 ابعاد کلی

دستگاه مطابق با یک پکیج استاندارد EIA است. ابعاد کلیدی شامل اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و ارتفاع کلی می‌شود. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلرانس معمولی 0.1± میلی‌متر ارائه شده‌اند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد. پکیج دارای یک لنز پلاستیکی شفاف با پیکربندی نمای جانبی است که نور ساطع شده را عمود بر سطح PCB هدایت می‌کند.

5.2 ابعاد پیشنهادی پد لحیم‌کاری

یک نمودار ابعاد پیشنهادی الگوی لند PCB را ارائه می‌دهد تا اطمینان حاصل شود که اتصال لحیم به درستی تشکیل شده و پایداری مکانیکی در حین و پس از فرآیند ریفلو حفظ می‌شود. رعایت این دستورالعمل‌ها برای بازده تولید و قابلیت اطمینان بلندمدت حیاتی است.

5.3 شناسایی قطبیت

کاتد معمولاً توسط یک طرف صاف، یک شکاف یا یک پایه کوتاه‌تر روی پکیج نشان داده می‌شود. قطبیت صحیح باید در حین مونتاژ رعایت شود، زیرا اعمال ولتاژ معکوس فراتر از حداکثر مقدار مجاز می‌تواند فوراً به دستگاه آسیب برساند.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

6.1 پارامترهای لحیم‌کاری ریفلو

دستگاه با فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز سازگار است. شرایط توصیه شده شامل:

- پیش‌گرم:150 تا 200 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 120 ثانیه.

- دمای پیک:حداکثر 260 درجه سانتی‌گراد.

- زمان بالاتر از نقطه ذوب:حداکثر 10 ثانیه (برای حداکثر دو سیکل ریفلو).

این پارامترها با استانداردهای JEDEC و مشخصات رایج خمیر لحیم بدون سرب هم‌خوانی دارند. پروفیل باید برای طراحی PCB خاص، قطعات و فر مورد استفاده مشخص شود.

6.2 شرایط نگهداری

دستگاه دارای سطح حساسیت به رطوبت (MSL) برابر با 3 است.

- بسته‌بندی مهر و موم شده:در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤90% نگهداری شود. ظرف یک سال از تاریخ مهر و موم بسته استفاده شود.

- بسته‌بندی باز شده:برای قطعات خارج شده از بسته ضد رطوبت، محیط نگهداری نباید از 30°C/60% RH تجاوز کند. توصیه می‌شود ریفلو مادون قرمز ظرف یک هفته (168 ساعت) تکمیل شود. برای نگهداری طولانی‌تر خارج از بسته‌بندی اصلی، از یک ظرف درب‌دار با ماده خشک‌کن استفاده کنید. قطعاتی که بیش از یک هفته نگهداری شده‌اند باید قبل از لحیم‌کاری در دمای حدود 60 درجه سانتی‌گراد به مدت حداقل 20 ساعت پخته شوند تا رطوبت جذب شده حذف شده و از \"پاپ کورن شدن\" در حین ریفلو جلوگیری شود.

6.3 تمیزکاری

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

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

7.1 مشخصات نوار و ریل

دستگاه بر روی ریل‌های با قطر 13 اینچ (330 میلی‌متر) در نوار حامل 8 میلی‌متری عرضه می‌شود. هر ریل حاوی تقریباً 9000 قطعه است. بسته‌بندی مطابق با مشخصات ANSI/EIA 481-1-A-1994 است. نوار دارای درپوش مهر و موم شده است و حداکثر دو جیب خالی متوالی قطعه مجاز است.

8. پیشنهادات کاربردی

8.1 سناریوهای کاربردی معمول

• کنترل از راه دور:برای تلویزیون‌ها، سیستم‌های صوتی و سایر الکترونیک‌های مصرفی.
• انتقال داده مادون قرمز:ارتباط بی‌سیم ساده‌پرداز برد کوتاه برای سنسورها یا سیگنال‌های کنترل.
• سیستم‌های امنیتی:به عنوان بخشی از پرتوهای تشخیص نفوذ یا سنسورهای مجاورتی.
• تشخیص شیء:سنسورهای نصب شده روی PCB برای شمارش، حس‌گری موقعیت یا تشخیص لبه.

8.2 ملاحظات طراحی و روش درایو

یک LED یک دستگاه جریان‌محور است. برای اطمینان از شدت یکنواخت و طول عمر، باید با یک منبع جریان یا یک منبع ولتاژ با یک مقاومت سری محدودکننده جریان راه‌اندازی شود. مقدار مقاومت (R_s) را می‌توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. که در آن V_Fولتاژ مستقیم از دیتاشیت در جریان کاری مطلوب I_Fاست. هنگام راه‌اندازی چندین LED به صورت موازی، اکیداً توصیه می‌شود برای هر LED از یک مقاومت محدودکننده جریان جداگانه استفاده کنید تا از هجوم جریان به دلیل تغییرات جزئی در V_F characteristics.

9. مقایسه و تمایز فنی

LTE-S9511-E با طول موج 940 نانومتر، یک مزیت کلیدی نسبت به LEDهای نور مرئی یا سایر طول‌موج‌های مادون قرمز ارائه می‌دهد: این قطعه عملاً برای چشم انسان نامرئی است و آن را برای عملکرد محتاطانه ایده‌آل می‌سازد. در مقایسه با فرستنده‌های 850 نانومتر، 940 نانومتر معمولاً نویز زمینه تابش خورشیدی کمتری دارد که می‌تواند نسبت سیگنال به نویز را در شرایط نور محیطی بهبود بخشد. پکیج لنز نمای جانبی به طور خاص برای کاربردهایی طراحی شده است که پرتو مادون قرمز نیاز به حرکت موازی با سطح PCB دارد، که یک نیاز رایج در سنسورهای نوع شکافی یا پنل‌های نور لبه‌ای است.

10. سوالات متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

سوال: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پایه میکروکنترلر 3.3V یا 5V راه‌اندازی کنم؟

پاسخ: خیر. شما باید از یک مقاومت سری برای محدود کردن جریان استفاده کنید. به عنوان مثال، با منبع تغذیه 5V و هدف I_Fبرابر 20mA (V_F~1.2V)، R_s= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω. یک مقاومت 200Ω یک مقدار استاندارد مناسب خواهد بود.

سوال: تفاوت بین \"شدت تابشی\" و \"زاویه دید\" چیست؟

پاسخ: شدت تابشی (میلی‌وات بر استرادیان) اندازه‌گیری می‌کند که چه مقدار توان نوری در یک جهت معین (در هر استرادیان) متمرکز شده است. زاویه دید تعریف می‌کند که این پرتو چقدر پهن است. دستگاهی با شدت تابشی بالا اما زاویه دید بسیار باریک، یک پرتو قدرتمند اما تنگ می‌تاباند. این دستگاه دارای زاویه دید متوسط 25 درجه است که تعادل خوبی بین تمرکز پرتو و پوشش ارائه می‌دهد.

سوال: چرا سطح حساسیت به رطوبت (MSL 3) مهم است؟

پاسخ: پکیج‌های پلاستیکی می‌توانند رطوبت را از هوا جذب کنند. در طی فرآیند لحیم‌کاری ریفلو با دمای بالا، این رطوبت به دام افتاده می‌تواند به سرعت تبخیر شود و باعث لایه‌لایه شدن داخلی، ترک‌خوردگی یا \"پاپ کورن شدن\" شود که دستگاه را از بین می‌برد. رعایت روش‌های تجویز شده نگهداری، جابجایی و پخت برای جلوگیری از این حالت خرابی ضروری است.

11. مورد عملی طراحی و استفاده

مورد: طراحی یک سنسور ساده تشخیص شیء مادون قرمز.

یک طراحی رایج از LTE-S9511-E هم به عنوان فرستنده و هم گیرنده (در حالت حس‌گری بازتابی) استفاده می‌کند یا از یک فوتوترانزیستور جداگانه استفاده می‌کند. فرستنده در یک فرکانس خاص (مثلاً 38 کیلوهرتز) پالس می‌شود. مدار گیرنده شامل یک فیلتر تنظیم شده بر روی این فرکانس است. هنگامی که یک شیء پرتو مادون قرمز را به سمت گیرنده بازمی‌تاباند، مدار یک سیگنال ثبت می‌کند. مراحل کلیدی طراحی:

1. مدار درایو:از یک ترانزیستور (مثلاً NPN یا MOSFET کانال N) که توسط یک میکروکنترلر سوئیچ می‌شود، برای پالس دادن به LED در جریان مطلوب (مثلاً پالس‌های 50mA) و فرکانس استفاده کنید. مقاومت سری محاسبه شده را لحاظ کنید.

2. مدار گیرنده:خروجی یک فوتوترانزیستور به یک تقویت کننده و یک فیلتر میان‌گذر متمرکز بر فرکانس مدولاسیون (38 کیلوهرتز) تغذیه می‌شود. این کار نور محیط (DC و فرکانس پایین) و سایر نویزهای مادون قرمز را حذف می‌کند.

3. هم‌ترازی:از نمودار تابش برای هم‌تراز کردن فرستنده و گیرنده استفاده کنید. برای حس‌گری بازتابی، آن‌ها اغلب در کنار هم و با یک زاویه قرار می‌گیرند، به طوری که میدان دید آن‌ها در فاصله حس‌گری مطلوب تلاقی کند.

4. چیدمان PCB:قطعات را مطابق با چیدمان پد پیشنهادی قرار دهید. اطمینان حاصل کنید که لنز پلاستیکی شفاف توسط ماسک لحیم یا سایر قطعات مسدود نشده است.

12. معرفی اصل عملکرد

LTE-S9511-E به عنوان یک فرستنده مادون قرمز، یک دیود نیمه‌هادی است. هنگامی که بایاس مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه فعال (ساخته شده از موادی مانند GaAs یا AlGaAs) بازترکیب می‌شوند و انرژی را به صورت فوتون آزاد می‌کنند. ترکیب مواد خاص، طول موج این فوتون‌ها را تعیین می‌کند؛ در این مورد، حول 940 نانومتر متمرکز است که در طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد. لنز نمای جانبی از اپوکسی شفاف قالب‌گیری شده است که نور را به طور کارآمد از تراشه نیمه‌هادی استخراج کرده و آن را به صورت جانبی هدایت می‌کند. این دستگاه همچنین می‌تواند به عنوان یک آشکارساز عمل کند زیرا پیوند PN نیمه‌هادی می‌تواند هنگامی که در معرض نور با انرژی کافی (فوتون‌هایی با طول موج کوتاه‌تر از طول موج قطع ماده) قرار می‌گیرد، یک جریان نوری کوچک تولید کند. با این حال، عملکرد اصلی بهینه‌سازی شده آن تابش است.

13. روندهای توسعه

حوزه قطعات گسسته مادون قرمز همچنان در حال تکامل است. روندها شامل:

- بازده بالاتر:توسعه مواد و ساختارهای نیمه‌هادی جدید (مانند چاه‌های کوانتومی چندگانه) برای استخراج توان نوری بیشتر به ازای هر واحد ورودی الکتریکی، کاهش تولید گرما و مصرف توان.

- سرعت افزایش یافته:برای کاربردهای انتقال داده، قطعات با زمان‌های صعود/سقوط سریع‌تر، نرخ داده بالاتر را ممکن می‌سازند.

- یکپارچه‌سازی:ترکیب فرستنده، گیرنده و منطق کنترل (مانند مدولاسیون/دمدولاسیون) در یک پکیج یا ماژول واحد، طراحی را ساده کرده و عملکرد را بهبود می‌بخشد.

- کوچک‌سازی:کاهش مداوم اندازه پکیج برای پاسخگویی به نیازهای الکترونیک مصرفی روزافزون کوچک‌تر، در حالی که مشخصات عملکرد حفظ یا بهبود می‌یابد.

- قابلیت اطمینان افزایش یافته:مواد و فرآیندهای بسته‌بندی بهبود یافته برای مقاومت در برابر شرایط محیطی سخت‌تر و طول عمر عملیاتی طولانی‌تر.