دیتاشیت فرستنده مادون قرمز LTE-2871 - بسته‌بندی T-1 3/4 - ولتاژ مستقیم 1.6V - طول موج اوج 940nm - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

این سند مشخصات فنی کامل یک قطعه فرستنده مادون قرمز (IR) با عملکرد بالا را ارائه می‌دهد. این قطعه برای ارائه شدت تابشی بالا در یک زاویه دید باریک طراحی شده است که آن را برای کاربردهای نیازمند روشنایی مادون قرمز جهت‌دار مناسب می‌سازد. مزایای اصلی آن شامل طراحی مقرون‌به‌صرفه همراه با ویژگی‌های عملکردی تخصصی برای خروجی با شدت بالا است. بازارهای هدف اصلی شامل اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های سنجش، تشخیص مجاورت و پیوندهای ارتباط نوری است که در آن‌ها نور مادون قرمز متمرکز و قابل اعتماد ضروری می‌باشد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

تمامی مقادیر در دمای محیط (T_A) 25 درجه سلسیوس مشخص شده‌اند. تجاوز از این محدودیت‌ها ممکن است باعث آسیب دائمی به قطعه شود.

• اتلاف توان:90 میلی‌وات
• جریان مستقیم اوج:1 آمپر (در شرایط پالسی: 300 پالس بر ثانیه، عرض پالس 10 میکروثانیه)
• جریان مستقیم پیوسته (I_F):60 میلی‌آمپر
• ولتاژ معکوس (V_R):5 ولت
• محدوده دمای کاری:40- تا 85+ درجه سلسیوس
• محدوده دمای نگهداری:55- تا 100+ درجه سلسیوس
• دمای لحیم‌کاری پایه‌ها:260 درجه سلسیوس به مدت 5 ثانیه (اندازه‌گیری شده در فاصله 1.6 میلی‌متری از بدنه بسته‌بندی)

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

پارامترهای کلیدی عملکرد در T_A=25°C و با جریان آزمایش استاندارد I_F= 20 میلی‌آمپر اندازه‌گیری می‌شوند، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

• ولتاژ مستقیم (V_F):مقدار معمول 1.6 ولت، حداکثر 1.6 ولت در I_F=20mA. این پارامتر افت ولتاژ دو سر فرستنده در حین کار را تعریف می‌کند.
• جریان معکوس (I_R):حداکثر 100 میکروآمپر در V_R=5V. این نشان‌دهنده جریان نشتی هنگامی است که قطعه در بایاس معکوس قرار دارد.
• طول موج اوج تابش (λ_اوج):940 نانومتر. این طول‌موجی است که در آن فرستنده حداکثر توان نوری خود را تابش می‌کند و آن را در طیف مادون قرمز نزدیک قرار می‌دهد.
• نیم‌عرض خط طیفی (Δλ):50 نانومتر. این پهنای باند نور تابش‌شده را مشخص می‌کند که به عنوان عرض کامل در نصف بیشینه (FWHM) منحنی توزیع طیفی اندازه‌گیری می‌شود.
• زاویه دید (2θ_1/2):16 درجه. این زاویه پرتو باریک، خروجی متمرکز قطعه را تأیید می‌کند و به عنوان زاویه کامل‌ای تعریف می‌شود که در آن شدت تابشی به نصف مقدار اوج خود کاهش می‌یابد.

3. توضیح سیستم دسته‌بندی (بینینگ)

قطعه بر اساس خروجی تابشی آن در دسته‌های عملکردی دسته‌بندی می‌شود. این امکان انتخاب بر اساس سطوح شدت مورد نیاز را فراهم می‌کند. پارامترهای کلیدی دسته‌بندی‌شده شامل تابندگی روزنه‌ای (E_eبر حسب mW/cm²) و شدت تابشی (I_Eبر حسب mW/sr) هستند که هر دو در I_F=20mA اندازه‌گیری می‌شوند.

• دسته A: E_e: 0.44 - 0.96 mW/cm²; I_E: 3.31 - 7.22 mW/sr.
• دسته B: E_e: 0.64 - 1.20 mW/cm²; I_E: 4.81 - 9.02 mW/sr.
• دسته C: E_e: 0.80 - 1.68 mW/cm²; I_E: 6.02 - 12.63 mW/sr.
• دسته D: E_e: 1.12 mW/cm² (حداقل); I_E: 8.42 mW/sr (حداقل). این نشان‌دهنده دسته با بالاترین خروجی است.

طراحان باید کد دسته مورد نیاز را مشخص کنند تا اطمینان حاصل شود که توان نوری با الزامات حساسیت سیستم آشکارساز برای کاربرد مورد نظر مطابقت دارد.

4. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت شامل چندین نمایش گرافیکی از رفتار قطعه تحت شرایط مختلف است.

4.1 توزیع طیفی

منحنی خروجی طیفی (شکل 1) به طور مشخص حول طول موج اوج 940 نانومتر با نیم‌عرض تعریف‌شده 50 نانومتر متمرکز است. این ویژگی برای تطابق با آشکارسازهای نوری سیلیکونی که حساسیت اوج خود را در این ناحیه دارند، و برای اطمینان از سازگاری با فیلترهای نوری برای حذف نور محیطی، حیاتی است.

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

منحنی مشخصه I-V (شکل 3) رابطه نمایی معمول برای یک دیود نیمه‌هادی را نشان می‌دهد. ولتاژ مستقیم مشخص‌شده 1.6 ولت (حداکثر) در 20 میلی‌آمپر، داده‌های لازم برای طراحی مدار درایور محدودکننده جریان را فراهم می‌کند. این منحنی در محاسبه اتلاف توان (V_F* I_F) تحت جریان‌های کاری مختلف کمک می‌کند.

4.3 شدت تابشی نسبی در مقابل جریان مستقیم

این منحنی (شکل 5) نشان می‌دهد که چگونه توان خروجی نوری با جریان درایو مقیاس می‌یابد. این رابطه معمولاً در یک محدوده قابل توجه خطی است اما ممکن است در جریان‌های بسیار بالا اشباع یا کاهش بازده را نشان دهد. این داده برای تعیین نقطه کاری برای دستیابی به خروجی نوری مورد نظر بدون تجاوز از حداکثر مقادیر مجاز مطلق ضروری است.

4.4 وابستگی دمایی

دو منحنی عملکرد حرارتی را به تفصیل شرح می‌دهند. شکل 2 نشان می‌دهد که چگونه حداکثر جریان مستقیم مجاز با افزایش دمای محیط بالاتر از 25 درجه سلسیوس کاهش می‌یابد، که یک ملاحظه حیاتی برای قابلیت اطمینان است. شکل 4 شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از دمای محیط به تصویر می‌کشد و کاهش معمول در بازده خروجی با افزایش دما را نشان می‌دهد که در کاربردهای سنجش دقیق باید جبران شود.

4.5 الگوی تابش

نمودار قطبی تابش (شکل 6) به صورت بصری زاویه دید باریک 16 درجه‌ای را تأیید می‌کند. این الگو توزیع فضایی نور مادون قرمز تابش‌شده را نشان می‌دهد که برای طراحی هم‌راستایی نوری و اطمینان از اینکه اندازه نقطه روشن شده با نیازهای کاربرد مطابقت دارد، حیاتی است.

5. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

5.1 نوع و ابعاد بسته‌بندی

این قطعه از یک بسته‌بندی سوراخ‌دار (through-hole) اصلاح‌شده T-1 3/4 (5mm) استفاده می‌کند. نکات ابعادی کلیدی از نقشه شامل موارد زیر است:

• تمامی ابعاد بر حسب میلی‌متر هستند (ابعاد اینچی در پرانتز ارائه شده‌اند).
• تلرانس استاندارد ±0.25mm (±0.010") است مگر اینکه یک ویژگی خاص نیاز به تلرانس متفاوتی داشته باشد.
• حداکثر بیرون‌زدگی رزین زیر فلنج بسته‌بندی 1.0mm (0.039") است.
• فاصله پایه‌ها در نقطه‌ای اندازه‌گیری می‌شود که پایه‌ها از بدنه بسته‌بندی خارج می‌شوند، که برای طراحی ردپای PCB مهم است.

بسته‌بندی برای فرآیندهای لحیم‌کاری موجی استاندارد یا لحیم‌کاری دستی طراحی شده است.

5.2 شناسایی قطبیت

برای بسته‌بندی‌های سوراخ‌دار، قطبیت معمولاً توسط یک نقطه صاف روی لبه بسته‌بندی یا توسط پایه‌هایی با طول‌های متفاوت (پایه بلندتر معمولاً آند است) نشان داده می‌شود. برای طرح نشانه‌گذاری دقیق باید به نقشه ابعادی دیتاشیت مراجعه کرد. قطبیت صحیح برای جلوگیری از اعمال بایاس معکوس بیش از حد مجاز 5 ولت ضروری است.

6. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

رعایت دقیق پروفایل‌های لحیم‌کاری برای جلوگیری از آسیب حرارتی به تراشه نیمه‌هادی و لنز اپوکسی ضروری است.

• دمای لحیم‌کاری:پایه‌ها می‌توانند دمای 260 درجه سلسیوس را حداکثر به مدت 5 ثانیه تحمل کنند. این اندازه‌گیری در فاصله 1.6 میلی‌متری (0.063 اینچ) از بدنه بسته‌بندی انجام می‌شود.
• توصیه فرآیند:برای لحیم‌کاری موجی، یک پروفایل استاندارد با مراحل پیش‌گرم، توقف و خنک‌سازی قابل اعمال است. محدودیت 260°C/5s در محل اتصال پایه به بدنه نباید تجاوز شود.
• تمیزکاری:در صورت نیاز به تمیزکاری، از حلال‌های سازگار با ماده اپوکسی بسته‌بندی استفاده کنید تا از کدر شدن یا ترک خوردن لنز جلوگیری شود.
• شرایط نگهداری:قطعات باید در کیسه اصلی ضد رطوبت در دمایی در محدوده نگهداری مشخص‌شده (55- تا 100+ درجه سلسیوس) و در محیطی با رطوبت کم نگهداری شوند تا از اکسیداسیون پایه‌ها جلوگیری شود.

7. توصیه‌های کاربردی

7.1 سناریوهای کاربردی متداول

ترکیب شدت بالا و پرتو باریک، این فرستنده را برای موارد زیر ایده‌آل می‌سازد:

• سنجش مجاورت و حضور:استفاده در شیرآلات خودکار، دیسپنسرهای صابون، خشک‌کن‌های دست و تشخیص اشغال‌شدگی.
• سنسورهای نوری صنعتی:شمارش اشیاء، تشخیص لبه و سنجش موقعیت در خطوط تولید.
• موانع و قطع‌کننده‌های نوری:ایجاد یک پرتو متمرکز برای تشخیص شیء در سیستم‌های امنیتی یا پرده‌های ایمنی ماشین‌آلات.
• پیوندهای داده کوتاه‌برد:انتقال داده مادون قرمز (IrDA) که در آن نور جهت‌دار باعث کاهش تداخل و مصرف توان می‌شود.
• روشنایی دید در شب:به عنوان یک منبع نور نامرئی برای دوربین‌های مداربسته با سنسورهای حساس به مادون قرمز.

7.2 ملاحظات طراحی

• مدار درایور:یک منبع جریان ثابت یا یک مقاومت محدودکننده جریان به صورت سری با LED برای تنظیم I_Fاجباری است. مقدار مقاومت را با استفاده از R = (V_منبع- V_F) / I_Fمحاسبه کنید، با استفاده از حداکثر V_Fبرای یک طراحی ایمن.
• مدیریت حرارت:اگرچه اتلاف توان پایین است، اما کار در دمای محیطی بالا یا نزدیک به جریان پیوسته حداکثر نیاز به توجه به منحنی‌های کاهش رتبه (دریتینگ) دارد. اطمینان از تهویه مناسب روی PCB.
• هم‌راستایی نوری:پرتو باریک نیازمند هم‌راستایی مکانیکی دقیق با آشکارساز نوری جفت‌شده یا ناحیه هدف است. از نمودار الگوی تابش برای طراحی نوری استفاده کنید.
• محافظت الکتریکی:محافظت در برابر اتصال معکوس ولتاژ و نوسانات ولتاژ روی خط تغذیه را لحاظ کنید، زیرا حداکثر ولتاژ معکوس تنها 5 ولت است.
• انتخاب دسته (بین):دسته خروجی مناسب (A تا D) را بر اساس حساسیت گیرنده و نسبت سیگنال به نویز مورد نیاز برای کاربرد انتخاب کنید. دسته‌های بالاتر توان نوری بیشتری ارائه می‌دهند اما ممکن است پیامدهای هزینه‌ای داشته باشند.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فرستنده‌های مادون قرمز استاندارد غیرمتمرکز، این قطعه مزایای متمایزی ارائه می‌دهد:

• شدت تابشی بالاتر در یک پرتو باریک:فرستنده‌های استاندارد اغلب زوایای دید 30 درجه یا بیشتر دارند که نور را در ناحیه وسیع‌تری پخش می‌کنند. این قطعه خروجی خود را در یک پرتو 16 درجه‌ای متمرکز می‌کند و شدت بالاتری روی محور ارائه می‌دهد که به معنای فاصله سنجش احتمالی طولانی‌تر یا جریان درایو مورد نیاز کمتر برای همان سیگنال دریافتی است.
• بهینه‌شده برای سنجش:پرتو باریک احتمال تداخل نوری (کراس‌تاک) در آرایه‌های چندسنسوری را کاهش می‌دهد و بازتاب‌ها از سطوح ناخواسته را به حداقل می‌رساند و دقت و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود می‌بخشد.
• عملکرد مقرون‌به‌صرفه:این قطعه ویژگی پرتو متمرکزی را ارائه می‌دهد که اغلب با بسته‌بندی‌های لنزدار گران‌تر مرتبط است، اما در یک قالب استاندارد و کم‌هزینه T-1 3/4.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س1: تفاوت بین تابندگی روزنه‌ای (E_e) و شدت تابشی (I_E) چیست؟

ج1: شدت تابشی (I_E, mW/sr) معیاری از توان نوری تابش‌شده در هر واحد زاویه فضایی است که "تمرکز" پرتو را توصیف می‌کند. تابندگی روزنه‌ای (E_e, mW/cm²) چگالی توان تابیده بر یک سطح (مانند یک آشکارساز) در یک فاصله خاص است که به هر دو شدت و فاصله بستگی دارد. I_Eیک ویژگی ذاتی فرستنده است؛ E_eبه هندسه سیستم وابسته است.

س2: آیا می‌توانم این فرستنده را با منبع تغذیه 3.3 ولت راه‌اندازی کنم؟

ج2: بله، معمولاً. با V_Fمعمول 1.6 ولت در 20 میلی‌آمپر، می‌توان از یک مقاومت سری برای افت ولتاژ باقی‌مانده (3.3V - 1.6V = 1.7V) استفاده کرد. مقدار مقاومت R = 1.7V / 0.02A = 85 اهم خواهد بود. یک مقاومت استاندارد 82 یا 100 اهم مناسب خواهد بود، با محاسبه مجدد جریان واقعی.

س3: چرا طول موج اوج 940 نانومتر است و نه 850 نانومتر؟

ج3: 940 نانومتر در مقایسه با 850 نانومتر برای چشم انسان کمتر قابل مشاهده است (قرمز کم‌نورتر یا نامرئی به نظر می‌رسد)، که آن را برای روشنایی محتاطانه بهتر می‌سازد. هر دو طول موج به طور کارآمد توسط فوتودیودهای سیلیکونی آشکار می‌شوند، اگرچه حساسیت در 850 نانومتر کمی بالاتر است. انتخاب بستگی به نیاز به قابلیت مشاهده در مقابل حداکثر پاسخ آشکارساز دارد.

س4: چگونه کدهای دسته‌بندی (A, B, C, D) را تفسیر کنم؟

ج4: دسته‌ها نشان‌دهنده گروه‌های مرتب‌شده بر اساس خروجی نوری اندازه‌گیری‌شده در کارخانه هستند. دسته D بالاترین حداقل خروجی تضمین‌شده را دارد، در حالی که دسته A کمترین را دارد. یک دسته را بر اساس حداقل توان نوری مورد نیاز برای عملکرد قابل اطمینان مدار گیرنده شما تحت تمام شرایط (شامل اثرات دما و پیری) انتخاب کنید.

10. مطالعه موردی طراحی و کاربرد

سناریو: طراحی یک شمارنده ورق کاغذ برای پرینتر.

فرستنده و یک فوتوترانزیستور در دو طرف مسیر کاغذ قرار می‌گیرند. پرتو باریک 16 درجه‌ای LTE-2871 حیاتی است. این اطمینان می‌دهد که نور مستقیماً در سراسر شکاف به سمت آشکارساز متمرکز شده است، پراکندگی و بازتاب‌ها از مکانیک داخلی پرینتر را که می‌تواند باعث شمارش نادرست شود، به حداقل می‌رساند. یک فرستنده از دسته C یا D انتخاب می‌شود تا حتی اگر کمی گرد و غبار کاغذ روی لنز جمع شود، سیگنال قوی‌ای ارائه دهد. مدار درایور از یک جریان ثابت 20-40 میلی‌آمپر استفاده می‌کند و مدار گیرنده برای تشخیص افت مشخص سیگنال هنگامی که یک ورق کاغذ پرتو متمرکز را قطع می‌کند، طراحی می‌شود. برای اطمینان از عملکرد قابل اطمینان در داخل پرینتر، جایی که دمای محیط ممکن است به 50-60 درجه سلسیوس برسد، به منحنی‌های کاهش رتبه دمایی مراجعه می‌شود.

11. معرفی اصل عملکرد

یک فرستنده مادون قرمز یک دیود پیوند p-n نیمه‌هادی است. هنگامی که در بایاس مستقیم قرار دارد (ولتاژ مثبت به آند نسبت به کاتد اعمال می‌شود)، الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه فعال ماده نیمه‌هادی (معمولاً بر پایه آرسنید گالیم آلومینیوم - AlGaAs) بازترکیب می‌شوند. این فرآیند بازترکیب، انرژی را به شکل فوتون (ذرات نور) آزاد می‌کند. ترکیب خاص لایه‌های نیمه‌هادی طول موج فوتون‌های تابش‌شده را تعیین می‌کند؛ برای این قطعه، به گونه‌ای طراحی شده است که 940 نانومتر باشد که در محدوده مادون قرمز نزدیک است. بسته‌بندی اصلاح‌شده شامل یک لنز اپوکسی است که نور تابش‌شده را به الگوی پرتو باریک مشخص‌شده شکل می‌دهد و خروجی را برای کاربردهای جهت‌دار موازی می‌سازد.

12. روندهای فناوری

در زمینه فرستنده‌های مادون قرمز، روندهای کلی بر افزایش بازده (توان خروجی نوری بیشتر به ازای هر وات ورودی الکتریکی)، امکان‌پذیری سرعت‌های کاری بالاتر برای ارتباط داده‌ای و توسعه بسته‌بندی‌های قطعات نصب سطحی (SMD) برای مونتاژ خودکار متمرکز است. همچنین کار مداومی برای گسترش گزینه‌های طول موج برای کاربردهای سنجش خاص (مانند سنجش گاز) و ادغام فرستنده‌ها با درایورها و منطق کنترل در ماژول‌های هوشمند در جریان است. اصل پایه‌ای الکترولومینسانس در مواد نیمه‌هادی اساس این فناوری باقی می‌ماند.