دیتاشیت فنی کامل برای فرستنده و گیرنده مادون قرمز LTE-S9711-J - بسته‌بندی نمای جانبی - طول موج اوج 940 نانومتر - ولتاژ مستقیم 1.2 ولت - شدت تابشی 3.0 میلی‌وات بر استرادیان - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

LTE-S9711-J یک قطعه گسسته مادون قرمز است که برای کاربردهای نیازمند به انتشار و آشکارسازی قابل اعتماد نور مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه متعلق به یک خط تولید گسترده از دستگاه‌های اپتوالکترونیک است. عملکرد اصلی این قطعه، انتشار یا آشکارسازی نور مادون قرمز در طول موج اوج 940 نانومتر می‌باشد. طراحی لنز نمای جانبی آن، زاویه دید وسیعی را فراهم می‌کند که آن را برای کاربردهایی که محور نوری موازی با سطح نصب است، مناسب می‌سازد. این دستگاه با پلاستیک شفاف آبی ساخته شده و برای سازگاری با فرآیندهای مونتاژ خودکار مدرن طراحی شده است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

LTE-S9711-J چندین مزیت کلیدی برای طراحان ارائه می‌دهد. این قطعه با استانداردهای RoHS و محصولات سبز مطابقت دارد که تضمین‌کننده رعایت مسائل زیست‌محیطی است. بسته‌بندی روی نوار 8 میلی‌متری و قرقره‌های با قطر 13 اینچ عرضه می‌شود که آن را کاملاً با تجهیزات قرارگیری خودکار پرسرعت سازگار می‌کند. این سازگاری به طور قابل توجهی فرآیند تولید برای حجم‌های بالا را ساده‌سازی می‌کند. علاوه بر این، این دستگاه برای فرآیندهای لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز درجه‌بندی شده است که با خطوط مونتاژ استاندارد فناوری نصب سطحی (SMT) همسو است. بازارهای هدف اصلی آن شامل الکترونیک مصرفی برای عملکردهای کنترل از راه دور، کاربردهای صنعتی برای انتقال داده بی‌سیم IR و سیستم‌های امنیتی برای عملکردهای هشدار و حسگری می‌شود. بسته‌بندی نمای جانبی به ویژه در طراحی‌های با محدودیت فضا که یک قطعه منتشرکننده از بالا جا نمی‌شود، مزیت دارد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی‌ای از ویژگی‌های الکتریکی، نوری و حرارتی LTE-S9711-J را همان‌طور که در جداول حداکثر مقادیر مجاز و ویژگی‌های الکتریکی/نوری تعریف شده است، ارائه می‌دهد.

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

حداکثر مقادیر مجاز مطلق، محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. اینها شرایط کاری نیستند. برای LTE-S9711-J، حداکثر اتلاف توان در دمای محیط (TA) 25 درجه سانتی‌گراد، 100 میلی‌وات است. این درجه‌بندی، طراحی حرارتی مدار کاربردی را دیکته می‌کند. دستگاه می‌تواند جریان مستقیم پیک بالایی معادل 1 آمپر را تحمل کند، اما تنها تحت شرایط پالسی خاص: عرض پالس 10 میکروثانیه و نرخ تکرار پالس 300 پالس در ثانیه. درجه‌بندی جریان مستقیم پیوسته DC محافظه‌کارانه‌تر و معادل 50 میلی‌آمپر است. درجه‌بندی ولتاژ معکوس 5 ولت است که نشان می‌دهد دستگاه تحمل بسیار کمی در برابر بایاس معکوس دارد و برای چنین عملیاتی طراحی نشده است. محدوده دمای کاری از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد و محدوده ذخیره‌سازی از 55- درجه سانتی‌گراد تا 100+ درجه سانتی‌گراد است که برای قطعات الکترونیکی درجه تجاری استاندارد است. دستگاه می‌تواند لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز با دمای پیک 260 درجه سانتی‌گراد را حداکثر به مدت 10 ثانیه تحمل کند.

2.2 ویژگی‌های الکتریکی و نوری

پارامترهای کاری معمول در TA=25°C مشخص شده‌اند. پارامتر نوری کلیدی، شدت تابشی (I_E) است که حداقل مقدار آن 3.0 میلی‌وات بر استرادیان است وقتی با جریان مستقیم (I_F) 20mA راه‌اندازی می‌شود. این پارامتر، به صورت بسته‌بندی‌شده (بین) است که بعداً به تفصیل شرح داده می‌شود. طول موج اوج انتشار (λ_اوج) به طور معمول 940nm است که در طیف مادون قرمز نزدیک قرار دارد و برای چشم انسان نامرئی است. پهنای باند طیفی (Δλ) یا نیم‌عرض، به طور معمول 50nm است که گستردگی طول‌موج‌های منتشرشده حول نقطه اوج را توصیف می‌کند. از نظر الکتریکی، ولتاژ مستقیم (V_F) به طور معمول 1.2V با حداکثر 1.5V در I_F=20mA است. جریان معکوس (I_R) بسیار کم است، با حداکثر 10 μA در ولتاژ معکوس (V_R) 5V. زاویه دید (2θ_1/2) به طور معمول 45 درجه است، جایی که θ_1/2زاویه‌ای است که در آن شدت تابشی به نصف مقدار روی محور خود کاهش می‌یابد.

3. توضیح سیستم بسته‌بندی (بینینگ)

LTE-S9711-J از یک سیستم بسته‌بندی (بینینگ) برای شدت تابشی خود استفاده می‌کند تا یکنواختی درون یک دسته تولیدی را تضمین کرده و گزینه‌هایی برای سطوح عملکرد مختلف فراهم کند. کد بین در شماره قطعه نشان داده می‌شود (مثلاً "J" در LTE-S9711-J). بین‌های موجود عبارتند از:

• بین J:شدت تابشی بین 3.0 mW/sr (حداقل) و 4.5 mW/sr (حداکثر) در I_F=20mA.
• بین K:شدت تابشی بین 4.0 mW/sr (حداقل) و 6.0 mW/sr (حداکثر) در I_F=20mA.
• بین L:شدت تابشی با حداقل 5.0 mW/sr در I_F=20mA (حداکثر بالا در داده‌های ارائه شده مشخص نشده است).

این سیستم به طراحان اجازه می‌دهد تا قطعه‌ای را انتخاب کنند که نیازهای خاص خروجی نوری آن‌ها را برآورده کند و بین عملکرد و هزینه تعادل برقرار نماید.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین منحنی مشخصه معمولی است که برای درک رفتار دستگاه تحت شرایط غیراستاندارد حیاتی هستند.

4.1 توزیع طیفی

منحنی توزیع طیفی (شکل 1) شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول موج نشان می‌دهد. این منحنی نقطه اوج در 940nm و نیم‌عرض طیفی تقریبی 50nm را تأیید می‌کند. این منحنی برای کاربردهای حساس به طول‌موج‌های خاص یا هنگام تطابق با پاسخ طیفی یک آشکارساز مهم است.

4.2 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم و دمای محیط

شکل 2 و شکل 3 رابطه بین جریان مستقیم (I_F) و ولتاژ مستقیم (V_F) را در دماهای محیطی مختلف نشان می‌دهند. این منحنی‌ها نشان می‌دهند که V_Fدارای ضریب دمایی منفی است؛ با افزایش دما برای یک جریان معین کاهش می‌یابد. این یک رفتار معمول برای دیودهای نیمه‌هادی است. درک این موضوع برای طراحی مدارهای درایو پایدار، به ویژه در محدوده دمایی وسیع، حیاتی است.

4.3 شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم و دما

شکل 4 و شکل 5 نشان می‌دهند که چگونه توان خروجی نوری (نسبت به مقدار آن در I_F=20mA) با جریان مستقیم و دمای محیط تغییر می‌کند. خروجی با جریان افزایش می‌یابد اما در جریان‌های بالاتر رابطه زیرخطی از خود نشان می‌دهد که احتمالاً به دلیل اثرات حرارتی است. شکل 4 به طور خاص نشان می‌دهد که توان خروجی با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد که یک عامل کاهش درجه‌بندی حیاتی برای کاربردهای دمای بالا است.

4.4 نمودار تابش

نمودار تابش (شکل 6) یک نمودار قطبی است که توزیع فضایی نور مادون قرمز منتشرشده را به تصویر می‌کشد. زاویه دید معمولی 45 درجه (2θ_1/2) به صورت بصری در اینجا تأیید می‌شود. این نمودار برای طراحی نوری ضروری است و به همترازی فرستنده با یک آشکارساز یا درک منطقه پوشش سیگنال IR کمک می‌کند.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 ابعاد کلی و قطبیت

قطعه دارای یک بسته‌بندی استاندارد نمای جانبی و نصب سطحی است. نقشه کلی تمام ابعاد حیاتی از جمله اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و موقعیت لنز را ارائه می‌دهد. کاتد معمولاً توسط یک نشانگر بصری مانند یک شکاف یا نقطه صاف روی بدنه بسته‌بندی شناسایی می‌شود، همان‌طور که در یادداشت‌های نقشه نشان داده شده است. ارتفاع، عرض و عمق بسته‌بندی مشخص شده‌اند تا فاصله مناسب در مونتاژ نهایی تضمین شود.

5.2 طرح پیشنهادی پد لحیم‌کاری

یک الگوی لند پیشنهادی (ابعاد پد لحیم‌کاری) ارائه شده است تا اتصال لحیم قابل اعتماد و همترازی مکانیکی مناسب در حین رفلو تضمین شود. رعایت این توصیه‌ها به جلوگیری از پدیده "سنگ قبر" (ایستادن قطعه به صورت عمودی) کمک کرده و اتصال حرارتی و الکتریکی خوبی به برد مدار چاپی (PCB) را تضمین می‌کند.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت صحیح برای قابلیت اطمینان دستگاه‌های نصب سطحی حیاتی است.

6.1 حساسیت به رطوبت و ذخیره‌سازی

LTE-S9711-J در سطح حساسیت رطوبتی 3 (MSL 3) درجه‌بندی شده است. این بدان معناست که قطعات بسته‌بندی شده می‌توانند تا 168 ساعت (یک هفته) قبل از لحیم‌کاری در شرایط محیط کارخانه (≤30°C/60% RH) قرار گیرند بدون اینکه خطر آسیب ناشی از رطوبت (ترکیدن) در حین رفلو وجود داشته باشد. اگر بسته ضد رطوبت اصلی باز شود، توصیه می‌شود فرآیند رفلو IR در طول این دوره یک هفته‌ای تکمیل شود. برای ذخیره‌سازی طولانی‌تر خارج از بسته‌بندی اصلی، قطعات باید در یک کابینت خشک یا ظرف دربسته با ماده خشک‌کن نگهداری شوند. اگر زمان قرارگیری در معرض هوا بیش از یک هفته باشد، قبل از مونتاژ نیاز به یک فرآیند پخت (تقریباً 60 درجه سانتی‌گراد برای حداقل 20 ساعت) برای حذف رطوبت جذب شده است.

6.2 پروفیل لحیم‌کاری رفلو

دستگاه با لحیم‌کاری رفلو مادون قرمز سازگار است. پروفیل توصیه شده از استانداردهای JEDEC پیروی می‌کند. پارامترهای کلیدی شامل: ناحیه پیش‌گرم از 150°C تا 200°C حداکثر به مدت 120 ثانیه، و حداکثر دمای بدنه نباید از 260°C برای حداکثر 10 ثانیه تجاوز کند. دستگاه می‌تواند حداکثر دو چرخه رفلو را تحت این شرایط تحمل کند. برای لحیم‌کاری دستی با هویه، دمای نوک نباید از 300°C تجاوز کند و زمان تماس باید به 3 ثانیه برای هر اتصال لحیم محدود شود. پیروی از مشخصات سازنده خمیر لحیم در کنار این دستورالعمل‌ها بسیار مهم است.

6.3 تمیزکاری

اگر تمیزکاری پس از لحیم‌کاری ضروری است، فقط باید از حلال‌های مبتنی بر الکل مانند ایزوپروپیل الکل استفاده شود. پاک‌کننده‌های شیمیایی خشن یا قوی ممکن است به بسته‌بندی پلاستیکی یا لنز آسیب برسانند.

7. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

بسته‌بندی استاندارد برای LTE-S9711-J روی نوار حامل برجسته‌شده به عرض 8mm است. نوار روی قرقره‌ای با قطر 13 اینچ (330mm) پیچیده شده است. هر قرقره تقریباً حاوی 9000 قطعه است. مشخصات بسته‌بندی با ANSI/EIA 481-1-A-1994 مطابقت دارد. نوار دارای درپوش مهر و موم برای محافظت از قطعات است و حداکثر دو قطعه مفقود متوالی (جیب‌های خالی) در هر قرقره مجاز است. شماره قطعه، شامل کد بین (مثلاً LTE-S9711-J، LTE-S9711-K)، باید در هنگام سفارش مشخص شود تا عملکرد شدت تابشی مورد نظر دریافت گردد.

8. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

8.1 مدارهای کاربردی معمول

به عنوان یک فرستنده مادون قرمز، LTE-S9711-J یک دستگاه جریان‌محور است. یک مقاومت سری محدودکننده جریان برای تنظیم جریان مستقیم مورد نظر (I_F) و محافظت از LED در برابر جریان بیش از حد، به ویژه هنگامی که از منبع ولتاژی مانند باتری یا رگولاتور تغذیه می‌شود، اجباری است. مقدار مقاومت با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود: R = (V_{منبع تغذیه}- V_F) / I_F. با استفاده از V_Fمعمول 1.2V در 20mA، یک منبع تغذیه 5V به مقاومتی تقریباً معادل (5V - 1.2V) / 0.02A = 190 اهم نیاز دارد. یک مقاومت استاندارد 200 اهم مناسب خواهد بود. برای کار پالسی (مثلاً کدهای کنترل از راه دور)، مدار درایو باید اطمینان حاصل کند که جریان پیک از درجه‌بندی 1A تجاوز نکرده و به محدودیت‌های عرض پالس 10μs و چرخه کاری 300pps پایبند است.

8.2 ملاحظات طراحی برای عملکرد قابل اعتماد

مدیریت حرارتی:اگرچه بسته‌بندی کوچک است، اما باید حد مجاز اتلاف توان 100mW رعایت شود. در حداکثر جریان DC برابر 50mA و V_Fمعمول 1.2V، اتلاف توان 60mW است که در محدوده مجاز قرار دارد. با این حال، در دمای محیط بالا یا فضاهای محصور، درجه‌بندی توان مؤثر کاهش می‌یابد. مساحت کافی مس روی PCB (پدهای تخلیه حرارتی) می‌تواند به دفع گرما کمک کند.
همترازی نوری:لنز نمای جانبی نیاز به چیدمان PCB دقیقی دارد تا اطمینان حاصل شود که پرتو IR به درستی به سمت گیرنده، بازتابنده یا منطقه هدف هدایت می‌شود. باید به نمودار تابش مراجعه شود.
نویز الکتریکی:در کاربردهای حسگری، سمت آشکارساز یک قطعه مشابه ممکن است در برابر نویز نور محیط آسیب‌پذیر باشد. استفاده از سیگنال‌های IR مدوله‌شده و مدارهای گیرنده دمدولاسیون متناظر، یک تکنیک رایج برای بهبود نسبت سیگنال به نویز و مصونیت در برابر تداخل نور محیط است.

9. مقایسه و تمایز فنی

LTE-S9711-J عمدتاً از طریق بسته‌بندی نمای جانبی خود متمایز می‌شود که نسبت به LEDهای IR نمای بالا کمتر رایج است. این ویژگی آن را به طور منحصر به فردی برای کاربردهایی که PCB به صورت عمودی نصب شده است یا مسیر IR موازی با سطح برد است، مناسب می‌سازد. طول موج 940nm آن استاندارد کنترل‌های از راه دور مصرفی است که تعادل خوبی بین حساسیت آشکارساز سیلیکونی و انتشار نور مرئی کم ارائه می‌دهد. در مقایسه با فرستنده‌های 850nm که گاهی در نظارت تصویری استفاده می‌شوند، 940nm کاملاً نامرئی است. در دسترس بودن بین‌های عملکرد (J, K, L) انعطاف‌پذیری در انتخاب توان نوری را فراهم می‌کند که می‌تواند نسبت به دستگاه‌های دارای یک مشخصه خروجی ثابت و واحد، یک مزیت باشد.

10. پرسش‌های متداول (FAQs)

س: تفاوت این دستگاه به عنوان فرستنده و آشکارساز چیست؟
ج: شماره قطعه LTE-S9711-J به قطعه‌ای اشاره دارد که می‌تواند یک فرستنده مادون قرمز (یک LED IR) باشد. یک فوتودیود یا فوتوترانزیستور برای آشکارسازی شماره قطعه متفاوتی خواهد داشت، اگرچه ممکن است بسته‌بندی مشابهی داشته باشند. دیتاشیت ارائه شده بر روی ویژگی‌های فرستنده متمرکز است.
س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پین یک میکروکنترلر راه‌اندازی کنم؟
ج: اکثر پین‌های GPIO میکروکنترلرها قابلیت تأمین/جذب جریان محدودی دارند (اغلب 20-40mA). اگرچه در 20mA ممکن است امکان‌پذیر باشد، اما به طور کلی ایمن‌تر و توصیه شده است که از یک ترانزیستور (مثلاً NPN یا MOSFET) به عنوان یک سوئیچ که توسط میکروکنترلر کنترل می‌شود برای کنترل جریان LED استفاده شود، به ویژه برای کار پالسی یا با جریان بالاتر.
س: چرا زاویه دید مهم است؟
ج: زاویه دید، پوشش فضایی پرتو IR را تعیین می‌کند. یک زاویه وسیع (مانند 45 درجه) برای کاربردهای نیازمند پوشش گسترده، مانند سنسورهای مجاورتی یا پیوندهای داده کوتاه‌برد که همترازی چندان حیاتی نیست، مناسب است. یک زاویه باریک‌تر، شدت متمرکزتری برای ارتباطات برد بلندتر یا جهت‌دار فراهم می‌کند.
س: چگونه کد بین صحیح را انتخاب کنم؟
ج: بین را بر اساس حداقل شدت تابشی مورد نیاز برای کاربرد خود انتخاب کنید. بین J (3.0-4.5 mW/sr) سطح پایه است. اگر طراحی شما برای برد بیشتر یا غلبه بر تلفات بالاتر به توان نوری بیشتری نیاز دارد، بین K یا بین L را انتخاب کنید. تعادل بین مصرف توان و هزینه احتمالی را در نظر بگیرید.

11. مثال کاربردی عملی

سناریو: طراحی یک سنسور ساده تشخیص شیء.
یک طراحی رایج از یک فرستنده IR و یک آشکارساز فوتوترانزیستور جداگانه که در کنار هم قرار گرفته‌اند استفاده می‌کند. هنگامی که یک شیء نزدیک می‌شود، نور IR منتشرشده را به سمت آشکارساز بازتاب می‌دهد. برای این تنظیم با استفاده از LTE-S9711-J به عنوان فرستنده:
1. بسته‌بندی نمای جانبی اجازه می‌دهد تا هم فرستنده و هم آشکارساز به صورت تخت روی PCB نصب شده و هر دو در یک جهت موازی با برد قرار گیرند.
2. فرستنده با یک جریان پالسی (مثلاً پالس‌های 20mA در 1kHz) از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان راه‌اندازی می‌شود تا توان صرفه‌جویی شده و امکان آشکارسازی همزمان فراهم شود.
3. طول موج 940nm ایده‌آل است زیرا نامرئی است و اکثر فوتوترانزیستورها به آن حساس هستند.
4. زاویه دید معمولی 45 درجه فرستنده، یک میدان تشخیص معقول فراهم می‌کند. فاصله بین فرستنده و آشکارساز، همراه با احتمالات بافل، برای تنظیم محدوده تشخیص و اجتناب از کراس‌تاک مستقیم تنظیم می‌شود.
5. مدار گیرنده، سیگنال فوتوترانزیستور را تقویت و فیلتر می‌کند و به دنبال جزء مدوله‌شده 1kHz بازتاب‌شده توسط یک شیء می‌گردد. این مدولاسیون به رد نور محیط ثابت (مانند نور خورشید یا چراغ‌های اتاق) کمک می‌کند.

12. اصل عملکرد

LTE-S9711-J، هنگامی که به عنوان یک فرستنده مادون قرمز عمل می‌کند، یک دیود نورافشان (LED) است. هسته آن یک تراشه نیمه‌هادی ساخته شده از موادی مانند آرسنید گالیم (GaAs) است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه فعال نیمه‌هادی بازترکیب شده و انرژی را به شکل فوتون (ذرات نور) آزاد می‌کنند. ترکیب ماده خاص (مثلاً GaAs) انرژی گاف نواری را تعیین می‌کند که مستقیماً طول موج نور منتشرشده را تعریف می‌کند - در این مورد، حدود 940nm که در طیف مادون قرمز قرار دارد. لنز نمای جانبی از اپوکسی شفاف آبی ساخته شده است که برای این طول موج شفاف است و برای شکل‌دهی به الگوی تابش نور منتشرشده قالب‌گیری شده است.

13. روندهای فناوری

حوزه قطعات گسسته مادون قرمز همچنان در حال تکامل است. روندها شامل توسعه دستگاه‌هایی با شدت تابشی و بازدهی بالاتر از همان اندازه بسته‌بندی است که امکان برد بیشتر یا مصرف توان کمتر را فراهم می‌کند. همچنین تلاشی برای قابلیت‌های مدولاسیون با سرعت بالاتر برای انتقال داده سریع‌تر در کاربردهایی مانند IrDA یا حسگری نوری وجود دارد. یکپارچه‌سازی روند دیگری است، که در آن جفت‌های ترکیبی فرستنده-آشکارساز در یک بسته واحد برای طراحی سنسور ساده‌شده رایج‌تر می‌شوند. علاوه بر این، پیشرفت‌ها در مواد و فرآیندهای بسته‌بندی با هدف بهبود عملکرد حرارتی صورت می‌گیرد که امکان جریان‌های درایو بالاتر و قابلیت اطمینان بیشتر را فراهم می‌کند. تقاضا برای کوچک‌سازی همچنان ادامه دارد و توسعه ردپای بسته‌بندی حتی کوچک‌تر را در حالی که عملکرد نوری حفظ یا بهبود می‌یابد، پیش می‌برد.