دیتاشیت فرستنده و گیرنده مادون قرمز - پکیج شفاف - ولتاژ پیشرو 1.6 ولت - شدت تابشی تا 7.669 میلی‌وات بر استرادیان - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

این سند مشخصات یک قطعه فرستنده و گیرنده مادون قرمز (IR) مینیاتوری و کم‌هزینه را که در یک پکیج پلاستیکی شفاف و شفاف قرار گرفته است، به تفصیل شرح می‌دهد. این دستگاه برای کاربردهای انتهایی طراحی شده است، به این معنی که ناحیه حسگر/فرستنده فعال در انتهای پکیج قرار دارد. این قطعه بر اساس محدوده‌های خاص شدت تابشی و تابش دریچه‌ای انتخاب و دسته‌بندی می‌شود تا عملکرد یکنواختی برای کاربردهایی که نیاز به خروجی نوری یا حساسیت دقیق دارند، تضمین شود. پکیج شفاف امکان انتقال کارآمد نور مادون قرمز را فراهم می‌کند و در عین حال از تراشه نیمه‌هادی محافظت فیزیکی می‌کند.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این دستگاه برای عملکرد مطمئن در محدوده‌های حداکثر مطلق زیر درجه‌بندی شده است و فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. اتلاف توان در 90 میلی‌وات مشخص شده است. برای عملکرد پالسی، می‌تواند جریان پیشروی پیک 1 آمپر را تحت شرایط 300 پالس در ثانیه با عرض پالس 10 میکروثانیه تحمل کند. حداکثر جریان پیشروی پیوسته 60 میلی‌آمپر است. این قطعه می‌تواند ولتاژ معکوس تا 5 ولت را تحمل کند. محدوده دمای عملیاتی از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد است، در حالی که محدوده دمای ذخیره‌سازی از 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد گسترش می‌یابد. برای مونتاژ، پایه‌ها می‌توانند در دمای 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 ثانیه لحیم شوند که این اندازه‌گیری در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه پکیج انجام می‌شود.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

همه پارامترهای الکتریکی و نوری در دمای محیط (T_A) 25 درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند. پارامترهای کلیدی عملکرد دستگاه را تحت شرایط آزمایش استاندارد تعریف می‌کنند.

• تابش دریچه‌ای (E_e):این پارامتر که بر حسب mW/cm² اندازه‌گیری می‌شود، نشان‌دهنده چگالی توان نوری تابیده شده بر ناحیه فعال گیرنده است. این تست با جریان پیشرو (I_F) 20mA انجام می‌شود. مقادیر دسته‌بندی شده‌اند، از حداقل 0.096 mW/cm² (دسته A1) تا حداکثر معمول 1.020 mW/cm² (دسته C).
• شدت تابشی (I_E):این پارامتر که بر حسب mW/sr (میلی‌وات بر استرادیان) اندازه‌گیری می‌شود، توان نوری ساطع شده در واحد زاویه فضایی برای فرستنده IR را تعریف می‌کند. همچنین در I_F=20mA آزمایش می‌شود و از 0.722 mW/sr (دسته A1) تا 7.669 mW/sr (دسته C) متغیر است.
• طول موج تابش پیک (λ_Peak):خروجی فرستنده مادون قرمز بر روی طول موج اسمی 940 نانومتر متمرکز شده است.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):پهنای باند طیفی، جایی که شدت حداقل نصف مقدار پیک است، معمولاً 50 نانومتر است که نشان‌دهنده یک منبع IR نسبتاً باریک‌باند است.
• ولتاژ پیشرو (V_F):افت ولتاژ در سراسر دستگاه هنگام عبور جریان 20mA معمولاً 1.6 ولت است، با حداکثر 1.6V.
• جریان معکوس (I_R):هنگامی که بایاس معکوس 5V اعمال می‌شود، جریان نشتی حداکثر 100 µA است.
• زاویه دید (2θ_1/2):گستره زاویه‌ای که در آن شدت تابشی به نصف مقدار خود در 0 درجه (روی محور) می‌رسد، 60 درجه است. این پارامتر الگوی پرتو یا میدان دید را تعریف می‌کند.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی

این قطعه از یک سیستم دسته‌بندی استفاده می‌کند که عمدتاً بر اساس ویژگی‌های خروجی نوری آن است. این امر تضمین می‌کند که دستگاه‌های داخل یک دسته خاص عملکرد بسیار مشابهی دارند، که برای کاربردهایی که نیاز به یکنواختی دارند، مانند آرایه‌ها یا سیستم‌های جفت شده فرستنده-گیرنده، حیاتی است.

• دسته‌بندی شدت تابشی / تابش دریچه‌ای:دستگاه در دسته‌های برچسب‌خورده A1، A، B، C و D دسته‌بندی می‌شود. هر دسته مربوط به یک محدوده خاص از مقادیر حداقل و معمولی/حداکثر برای هر دو پارامتر شدت تابشی (I_E) و تابش دریچه‌ای (E_e) است. به عنوان مثال، یک دستگاه در دسته C دارای I_Eبین 3.910 تا 7.669 mW/sr و E_eبین 0.520 تا 1.020 mW/cm² خواهد بود هنگامی که با 20mA راه‌اندازی می‌شود. این به طراحان اجازه می‌دهد تا قطعاتی با سطح دقیق توان نوری مورد نیاز برای کاربرد خود انتخاب کنند و قدرت سیگنال و عملکرد سیستم را بهینه کنند.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین نمودار است که رفتار دستگاه را تحت شرایط مختلف نشان می‌دهد.

• شکل 1 - توزیع طیفی:این منحنی شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. تابش پیک در 940nm و نیم‌عرض تقریبی 50nm را تأیید می‌کند و بینشی در مورد خلوص طیفی خروجی IR ارائه می‌دهد.
• شکل 2 - جریان پیشرو در مقابل دمای محیط:این نمودار کاهش حداکثر جریان پیشروی پیوسته مجاز را با افزایش دمای محیط به تصویر می‌کشد. این برای مدیریت حرارتی و اطمینان از عملکرد دستگاه در محدوده عملیاتی ایمن (SOA) آن ضروری است.
• شکل 3 - جریان پیشرو در مقابل ولتاژ پیشرو:این منحنی مشخصه جریان-ولتاژ (I-V) است. رابطه بین ولتاژ پیشروی اعمال شده و جریان حاصل را نشان می‌دهد و ولتاژ روشن شدن معمولی و مقاومت دینامیکی دستگاه را برجسته می‌کند.
• شکل 4 - شدت تابشی نسبی در مقابل دمای محیط:این منحنی نشان می‌دهد که چگونه توان خروجی نوری (نسبت به مقدار آن در 20mA و 25°C) با دما تغییر می‌کند. معمولاً خروجی LED با افزایش دما کاهش می‌یابد و این نمودار آن رابطه را کمّی می‌کند.
• شکل 5 - شدت تابشی نسبی در مقابل جریان پیشرو:این نمودار توان خروجی نوری را به عنوان تابعی از جریان راه‌اندازی نشان می‌دهد. این رابطه عموماً فوق خطی است، اما منحنی به طراحان کمک می‌کند تا نقاط کارایی و اشباع را در سطوح جریان مختلف درک کنند.
• شکل 6 - نمودار تابش:این نمودار قطبی، زاویه دید یا الگوی تابش را به صورت بصری نشان می‌دهد. دایره‌های هم‌مرکز نشان‌دهنده شدت نسبی هستند (از 0 در مرکز تا 1.0 در لبه بیرونی) و خطوط زاویه‌ای توزیع را نشان می‌دهند. مشخصه 2θ_1/2= 60° توسط نقاطی که منحنی دایره شدت نسبی 0.5 را قطع می‌کند، تأیید می‌شود.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد پکیج

دستگاه از یک پکیج پلاستیکی مینیاتوری انتهایی استفاده می‌کند. نکات کلیدی ابعادی شامل موارد زیر است: همه ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند (با اینچ در پرانتز)؛ تلرانس استاندارد ±0.25mm است مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد؛ حداکثر بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج 1.5mm است؛ و فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای که پایه‌ها از بدنه پکیج خارج می‌شوند اندازه‌گیری می‌شود. نقشه ابعادی دقیق در دیتاشیت ارجاع داده شده است که طول کلی، قطر بدنه، قطر پایه و فاصله بحرانی برای طراحی جایگاه PCB را تعریف می‌کند.

5.2 شناسایی قطبیت

برای یک فرستنده/گیرنده IR در یک پکیج با پایه شعاعی، قطبیت معمولاً توسط ویژگی‌های فیزیکی دستگاه نشان داده می‌شود، مانند یک طرف صاف روی بدنه پکیج یا کوتاه‌تر بودن یک پایه نسبت به دیگری. روش شناسایی خاص باید با نقشه دقیق پکیج مقایسه شود. اتصال صحیح قطبیت برای عملکرد مناسب ضروری است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

این قطعه برای فرآیندهای لحیم‌کاری استاندارد مناسب است. پارامتر بحرانی مشخص شده دمای لحیم‌کاری پایه است: 260 درجه سانتی‌گراد برای حداکثر 5 ثانیه، که نقطه اندازه‌گیری در فاصله 1.6mm (0.063 اینچ) از بدنه پکیج تعریف شده است. این دستورالعمل برای لحیم‌کاری موجی یا دستی برای جلوگیری از آسیب حرارتی به تراشه نیمه‌هادی داخلی یا پکیج پلاستیکی بسیار مهم است. برای لحیم‌کاری ریفلو، باید از پروفایل استاندارد برای قطعات سوراخ‌دار با محدودیت‌های حرارتی مشابه استفاده شود. قطعات باید در محدوده دمای مشخص شده 55- تا 100+ درجه سانتی‌گراد در یک محیط خشک نگهداری شوند تا از جذب رطوبت جلوگیری شود که می‌تواند باعث "پاپ کورن شدن" در حین ریفلو شود.

7. توصیه‌های کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی معمول

این جفت فرستنده/گیرنده IR برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای حسگری مجاورتی، تشخیص اشیاء و انتقال داده مناسب است. کاربردهای رایج شامل موارد زیر است:

• تشخیص شیء/مجاورت:در دستگاه‌های فروش خودکار، پرینترها یا تجهیزات صنعتی برای تشخیص حضور یا عدم حضور یک شیء.
• سنسورهای شکاف:برای تشخیص کاغذ در پرینترها یا بلیط در دستگاه‌های اعتبارسنج.
• لینک‌های داده ساده:انتقال داده مادون قرمز کم‌سرعت و کوتاه‌برد برای کنترل‌های از راه دور یا کانال‌های ارتباطی ایزوله.
• انکودرها:در انکودرهای چرخشی یا خطی برای فیدبک موقعیت، جایی که یک تیغه اینتراپتر بین فرستنده و گیرنده عبور می‌کند.

7.2 ملاحظات طراحی

هنگام طراحی با این قطعه، چندین عامل باید در نظر گرفته شود:

• محدود کردن جریان:برای فرستنده، یک مقاومت سری برای محدود کردن جریان پیشرو به سطح مورد نظر (≤60mA پیوسته، ≤1A پالسی) اجباری است. مقدار آن با استفاده از ولتاژ تغذیه (V_CC)، I_F مورد نظر و V_F معمولی محاسبه می‌شود (به عنوان مثال، R = (V_CC- V_F) / I_F).
• بایاس و تقویت گیرنده:فتودیود معمولاً نیاز به بایاس معکوس (تا 5V) دارد و جریان خروجی آن بسیار کم است (مرتبط با E_e). اغلب به یک تقویت‌کننده ترانسی‌امپدانس (TIA) نیاز است تا این جریان نوری کوچک را به یک سیگنال ولتاژ قابل استفاده تبدیل کند.
• هم‌ترازی نوری:برای کاربردهای جفت شده فرستنده-گیرنده، هم‌ترازی مکانیکی دقیق برای حداکثر کردن قدرت سیگنال بسیار مهم است. زاویه دید 60 درجه مقداری تلرانس فراهم می‌کند.
• رد نور محیط:از آنجایی که این دستگاه به نور 940nm حساس است، می‌تواند تحت تأثیر نور خورشید یا سایر منابع IR قرار گیرد. استفاده از سیگنال‌های IR مدوله شده و تشخیص همزمان (مانند حامل 38kHz رایج در کنترل‌های از راه دور) می‌تواند به طور قابل توجهی ایمنی در برابر نویز را بهبود بخشد.
• مدیریت حرارتی:برای محیط‌های با دمای بالا باید به منحنی کاهش رتبه (شکل 2) مراجعه کرد تا از تجاوز از حداکثر اتلاف توان جلوگیری شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با سایر قطعات IR، تمایزهای کلیدی این دستگاهپکیج پلاستیکی شفافودسته‌بندی نوری دقیقآن است. بسیاری از LEDهای IR و فوتودیودها از پکیج‌های رنگی (مانند آبی، سیاه) استفاده می‌کنند که نور مرئی را فیلتر می‌کنند اما ممکن است طول موج IR مورد نظر را نیز کمی تضعیف کنند. یک پکیج شفاف کارایی انتقال بالقوه بالاتری در 940nm ارائه می‌دهد. دسته‌بندی دقیق بر اساس شدت تابشی و تابش، امکان عملکرد قابل پیش‌بینی و یکنواخت سیستم را فراهم می‌کند که این یک مزیت نسبت به قطعات دسته‌بندی نشده یا با دسته‌بندی سست است که در آن عملکرد می‌تواند به طور قابل توجهی از واحدی به واحد دیگر متفاوت باشد. اندازه مینیاتوری و هزینه کم آن را برای کاربردهای مصرفی و تجاری با حجم بالا مناسب می‌سازد.

9. سوالات متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: تفاوت بین تابش دریچه‌ای (E_e) و شدت تابشی (I_E) چیست؟

ج: E_eاندازه‌گیری چگالی توان (mW/cm²) تابیده شده بر یک سطح (ناحیه فعال گیرنده) است. I_Eاندازه‌گیری توان خروجی فرستنده در هر زاویه فضایی (mW/sr) است. این دو مرتبط هستند اما به ترتیب عملکرد سمت گیرنده و فرستنده را توصیف می‌کنند.

س: آیا می‌توانم فرستنده را مستقیماً با منبع تغذیه 5V راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. با V_Fمعمولی 1.6V، اتصال مستقیم 5V باعث جریان بیش از حد می‌شود و احتمالاً LED را از بین می‌برد. شما باید از یک مقاومت محدودکننده جریان استفاده کنید.

س: چگونه دسته مناسب را برای کاربرد خود انتخاب کنم؟

ج: بر اساس قدرت سیگنال مورد نیاز انتخاب کنید. برای حسگری برد طولانی یا با بازتابندگی کم، یک دسته بالاتر (C، D) توان نوری بیشتری فراهم می‌کند. برای مدارهای گیرنده برد کوتاه یا با حساسیت بالا، یک دسته پایین‌تر ممکن است کافی و مقرون‌به‌صرفه‌تر باشد. یکنواختی در بین چندین واحد در یک سیستم نیز ممکن است انتخاب دسته را دیکته کند.

س: مشخصه زاویه دید برای گیرنده به چه معناست؟

ج: برای گیرنده، زاویه دید 60 درجه (2θ_1/2) میدان دید آن را تعریف می‌کند. نوری که در داخل این مخروط ±30 درجه از محور تابیده شود، با حساسیت معقولی تشخیص داده می‌شود. نور خارج از این زاویه تا حد زیادی نادیده گرفته می‌شود که می‌تواند به رد نور سرگردان از جهات ناخواسته کمک کند.

10. مثال کاربردی عملی

مورد طراحی: سنسور اتمام کاغذ در یک پرینتر

در این کاربرد، فرستنده و گیرنده IR در دو طرف مسیر کاغذ نصب می‌شوند. هنگامی که کاغذ وجود دارد، پرتو IR از فرستنده را به گیرنده منعکس می‌کند. هنگامی که سینی کاغذ خالی است، پرتو بدون مانع حرکت می‌کند و به گیرنده منعکس نمی‌شود (یا به یک سطح بازتابنده متفاوت برخورد می‌کند). مدار گیرنده سطح سیگنال دریافتی را نظارت می‌کند. یک مرحله طراحی کلیدی انتخاب یک دسته مناسب (مانند دسته B) است تا اطمینان حاصل شود که سیگنال منعکس شده از کاغذ به اندازه کافی قوی است تا به طور قابل اطمینانی از حالت "بدون کاغذ" متمایز شود، حتی با تغییرات در بازتابندگی کاغذ. جریان راه‌اندازی برای فرستنده از طریق یک مقاومت روی 20mA تنظیم می‌شود که خروجی نوری مرجع را فراهم می‌کند. خروجی گیرنده به یک مقایسه‌گر تغذیه می‌شود که آستانه آن بین سطوح ولتاژ "کاغذ موجود" و "کاغذ موجود نیست" تنظیم شده است. زاویه دید 60 درجه کمک می‌کند تا اطمینان حاصل شود که سنسور حتی با کمی عدم هم‌ترازی در حین مونتاژ پرینتر کار می‌کند.

11. معرفی اصل عملکرد

این دستگاه از دو جزء نیمه‌هادی اولیه تشکیل شده است: یک دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (IR LED) و یک فوتودیود.IR LEDبر اساس اصل الکترولومینسانس کار می‌کند. هنگامی که بایاس پیشرو اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه فعال نیمه‌هادی بازترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل فوتون آزاد می‌کنند. ترکیب مواد (معمولاً بر پایه آرسنید گالیم، GaAs) به گونه‌ای طراحی شده است که این انرژی فوتون مربوط به طول موجی در طیف مادون قرمز، به طور خاص حدود 940nm باشد.فوتودیودبه صورت معکوس عمل می‌کند. فوتون‌های فرودی با انرژی بیشتر از گپ باند نیمه‌هادی جذب می‌شوند و جفت‌های الکترون-حفره ایجاد می‌کنند. این حامل‌های بار توسط میدان الکتریکی داخلی پیوند بایاس معکوس از هم جدا می‌شوند و یک جریان نوری تولید می‌کنند که متناسب با شدت نور فرودی است. پکیج پلاستیکی شفاف به عنوان یک لنز و پنجره عمل می‌کند و از تراشه‌های نیمه‌هادی ظریف محافظت می‌کند در حالی که امکان عبور کارآمد تابش مادون قرمز 940nm را فراهم می‌کند.

12. روندها و تحولات فناوری

در زمینه اپتوالکترونیک برای حسگری، چندین روند مرتبط با قطعاتی مانند این وجود دارد. یک حرکت مستمر به سمتمینیاتوری‌سازیوجود دارد، که در آن پکیج‌های دستگاه نصب سطحی (SMD) نسبت به انواع سوراخ‌دار برای مونتاژ خودکار رایج‌تر می‌شوند.یکپارچه‌سازی بالاترروند دیگری است، جایی که فرستنده، گیرنده و مدارهای تنظیم سیگنال (تقویت‌کننده، مقایسه‌گر) در یک ماژول واحد ترکیب می‌شوند و طراحی را برای کاربران نهایی ساده می‌کنند. تقاضا براینسبت سیگنال به نویز بهبودیافتهو رد نور محیط، استفاده از باندهای طول موج خاص و فیلترهای نوری پیشرفته یکپارچه در پکیج را پیش می‌برد. علاوه بر این، کاربردها در اینترنت اشیاء (IoT) و دستگاه‌های پوشیدنی نیاز به قطعاتی بامصرف توان پایین‌تردر حالی که حفظ محدوده حسگری و قابلیت اطمینان کافی را هدایت می‌کنند. در حالی که این قطعه خاص یک راه‌حل بالغ و مقرون‌به‌صرفه را نشان می‌دهد، طراحی‌های جدیدتر اغلب این الزامات در حال تکامل را در بر می‌گیرند.