دیتاشیت فوتودیود LTR-C155DD-G - طول موج پیک 940 نانومتر - ولتاژ معکوس 5 ولت - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

LTR-C155DD-G یک قطعه گسسته فوتودیود مادون قرمز است که برای کاربردهای حسگری در طیف نزدیک مادون قرمز طراحی شده است. این قطعه بخشی از خانواده گسترده دستگاه‌های اپتوالکترونیک است که برای استفاده در سیستم‌های نیازمند تشخیص قابل اعتماد سیگنال‌های مادون قرمز در نظر گرفته شده‌اند. عملکرد اصلی آن تبدیل نور مادون قرمز فرودی به جریان الکتریکی است که امکان استفاده از آن به عنوان المان گیرنده یا حسگر را فراهم می‌کند.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

این قطعه چندین مزیت کلیدی برای طراحان ارائه می‌دهد. دارای نسبت سیگنال به نویز بالا است که برای تشخیص دستورات معتبر مادون قرمز از نویز نور محیط در محیط‌هایی مانند اتاق نشیمن یا دفتر کار حیاتی است. دستگاه با تجهیزات نصب خودکار و فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز سازگار است که آن را برای خطوط تولید انبوه و خودکار مناسب می‌سازد. بازارهای هدف اصلی آن شامل الکترونیک مصرفی برای سیستم‌های کنترل از راه دور، سیستم‌های امنیتی و هشدار برای تشخیص حرکت یا پرتو، و کاربردهای مختلف شامل انتقال داده مادون قرمز برد کوتاه می‌شود.

1.2 ویژگی‌ها

• مطابق با دستورالعمل‌های RoHS و محصول سبز.
• دارای بسته‌بندی نمای بالا با لنز تخت شفاف برای پاسخ زاویه‌ای یکنواخت.
• عرضه شده روی نوار 8 میلی‌متری روی قرقره‌های 7 اینچی برای مونتاژ خودکار.
• سازگار با تجهیزات نصب خودکار (Pick-and-Place).
• مقاوم در برابر فرآیندهای استاندارد لحیم‌کاری ریفلو مادون قرمز.
• بسته‌بندی شده در قالب استاندارد EIA.

1.3 کاربردها

• ماژول‌های گیرنده مادون قرمز برای کنترل‌های از راه دور (تلویزیون، کولر، باکس‌های ست‌تاپ).
• سنسورهای مادون قرمز نصب شده روی PCB برای حسگری مجاورتی یا تشخیص شیء.
• سیستم‌های هشدار امنیتی با استفاده از پرتوهای مادون قرمز.
• پیوندهای ساده انتقال داده بی‌سیم مادون قرمز.

2. پارامترهای فنی: تفسیر عینی عمیق

مشخصات الکتریکی و نوری، مرزهای عملیاتی و عملکرد فوتودیود را تعریف می‌کنند. درک این پارامترها برای طراحی صحیح مدار و اطمینان از عملکرد قابل اعتماد در کاربرد مورد نظر ضروری است.

2.1 حداکثر مقادیر 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):حداکثر 150 میلی‌وات. این کل توانی است که دستگاه می‌تواند به صورت حرارت تلف کند، عمدتاً ناشی از جریان بایاس معکوس و هر فوتوجریان تحت روشنایی بالا.
• ولتاژ معکوس (VR):حداکثر 30 ولت. اعمال ولتاژی بالاتر از این در جهت معکوس ممکن است باعث شکست و آسیب به پیوند فوتودیود شود.
• محدوده دمای عملیاتی (TA):40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس. عملکرد دستگاه در این محدوده دمای محیط تضمین شده است.
• محدوده دمای ذخیره‌سازی (Tstg):55- درجه سلسیوس تا 100+ درجه سلسیوس. دستگاه می‌تواند بدون عملیات در این محدوده‌ها ذخیره شود.
• شرایط لحیم‌کاری مادون قرمز:مقاوم در برابر دمای پیک 260 درجه سلسیوس به مدت 10 ثانیه، که با پروفایل‌های معمول ریفلو بدون سرب (Pb-free) هم‌خوانی دارد.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری (TA=25°C)

اینها پارامترهای عملکردی معمول و تضمین شده تحت شرایط تست مشخص شده هستند.

• ولتاژ مستقیم (Vf):0.4 ولت تا 1.0 ولت در If=1mA. این پارامتر در صورتی که فوتودیود به اشتباه بایاس مستقیم شود مرتبط است؛ این حالت عملیاتی عادی آن نیست.
• ولتاژ شکست معکوس V(BR):حداقل 30 ولت در IR=100µA. این تأیید می‌کند که دستگاه می‌تواند به طور ایمن حداکثر ولتاژ معکوس نامی را تحمل کند.
• جریان تاریک معکوس (ID):حداکثر 100 نانوآمپر در VR=5V، Ee=0mW/cm². این جریان نشتی در هنگام عدم وجود نور است. جریان تاریک کمتر، حساسیت به سیگنال‌های ضعیف را بهبود می‌بخشد.
• ولتاژ مدار باز (VOC):حداکثر 0.4 ولت در λ=940nm، Ee=0.5mW/cm². این ولتاژ تولید شده توسط فوتودیود در حالت فوتوولتائیک (بدون بایاس خارجی) تحت تابش است.
• زمان صعود (Tr) و زمان افت (Tf):به ترتیب معمولاً 0.30µs و 0.28µs، در VR=10V، RL=1kΩ. این پارامترها سرعت سوئیچینگ را تعریف می‌کنند و دستگاه را برای رمزگشایی سیگنال‌های مدوله شده مادون قرمز (مثلاً از کنترل‌های از راه دور با فرکانس 38-40 کیلوهرتز) مناسب می‌سازند.
• جریان نور معکوس (Ip):معمولاً 16 µA (حداقل 10 µA) در VR=5V، λ=940nm، Ee=1mW/cm². این فوتوجریان تولید شده زمانی است که دیود بایاس معکوس دارد، که حالت عملیاتی استاندارد برای پاسخ خطی و سرعت است.
• جریان اتصال کوتاه (Is):معمولاً 16 µA تحت شرایط مشابه Ip. در حالت فوتوولتائیک، این حداکثر جریانی است که دستگاه می‌تواند تحویل دهد.
• ظرفیت کل (CT):معمولاً 14 pF در VR=3V، f=1MHz. این ظرفیت پیوند بر پاسخ فرکانس بالا تأثیر می‌گذارد؛ ظرفیت کمتر امکان پهنای باند بالاتر را فراهم می‌کند.
• طول موج پیک حسگری (λp):معمولاً 910 نانومتر. فوتودیود در این طول موج بیشترین حساسیت را به نور مادون قرمز دارد و آن را برای جفت شدن با دیودهای ساطع‌کننده مادون قرمز (IRED) 940 نانومتری ایده‌آل می‌سازد.

3. تحلیل منحنی عملکرد

نمودارهای ارائه شده، بینش بصری از رفتار دستگاه تحت شرایط مختلف ارائه می‌دهند.

3.1 فوتوجریان در مقابل تابندگی

منحنی رابطه بین توان نور فرودی (تابندگی Ee) و فوتوجریان تولید شده (Ip) را نشان می‌دهد. برای یک فوتودیود که در ناحیه خطی کار می‌کند (بایاس معکوس)، این رابطه معمولاً خطی است. نمودار تأیید می‌کند که در 1 mW/cm² نور 940 نانومتری، فوتوجریان تقریباً 16 µA است، همانطور که در جدول ذکر شده است. این خطی‌بودن برای کاربردهای حسگری آنالوگ حیاتی است.

3.2 حساسیت طیفی

این نمودار حساسیت تابشی نسبی را در برابر طول موج ترسیم می‌کند. یک پیک حدود 910 نانومتر و یک پاسخ قابل توجه در محدوده تقریباً 800 نانومتر تا 1050 نانومتر را نشان می‌دهد. حساسیت برای نور مرئی (زیر 700 نانومتر) به شدت کاهش می‌یابد که برای حذف نویز نور محیط از منابعی مانند لامپ‌های رشته‌ای یا نور خورشید مفید است. گنجاندن یک فیلتر، همانطور که در توضیحات ذکر شد، این قطع را بیشتر تشدید می‌کند.

3.3 اتلاف توان کل در مقابل دمای محیط

این منحنی کاهش رتبه نشان می‌دهد که چگونه حداکثر اتلاف توان مجازی با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. در 25°C، کل 150 میلی‌وات مجاز است. با افزایش دما به سمت حد عملیاتی حداکثر 85°C، اتلاف توان مجازی به صورت خطی کاهش می‌یابد. این برای مدیریت حرارتی در طراحی کاربرد برای جلوگیری از گرمای بیش از حد حیاتی است.

3.4 نمودار حساسیت زاویه‌ای

نمودار قطبی حساسیت نسبی در زوایای مختلف نور فرودی را به تصویر می‌کشد. یک فوتودیود با لنز تخت، مانند این مورد، معمولاً زاویه دید نسبتاً گسترده‌ای دارد (اغلب حدود ±60 درجه که در آن حساسیت به 50% می‌رسد). این زاویه گسترده برای گیرنده‌هایی که نیاز به دریافت سیگنال از یک ناحیه وسیع بدون تراز دقیق دارند، مفید است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی

دستگاه مطابق با طرح کلی بسته‌بندی استاندارد صنعتی است. ابعاد کلیدی شامل اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و ارتفاع کلی می‌شود. بسته‌بندی برای فناوری نصب سطحی (SMT) طراحی شده است. تمام ابعاد بر حسب میلی‌متر با تلرانس استاندارد ±0.1mm است مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد.

4.2 شناسایی قطبیت و طراحی پد

کاتد معمولاً روی بسته‌بندی علامت‌گذاری شده است. دیتاشیت ابعاد پد لحیم‌کاری پیشنهادی برای چیدمان PCB را ارائه می‌دهد. یک طراحی پد توصیه شده، اتصال لحیم قابل اعتماد و پایداری مکانیکی مناسب در حین و پس از فرآیند ریفلو را تضمین می‌کند. توصیه می‌شود از استنسیل فلزی با ضخامت 0.1mm تا 0.12mm برای اعمال خمیر لحیم استفاده شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 پروفایل لحیم‌کاری ریفلو

قطعه برای فرآیندهای لحیم‌کاری ریفلو بدون سرب (Pb-free) واجد شرایط است. یک پروفایل دمای پیشنهادی ارائه شده است که از استانداردهای JEDEC پیروی می‌کند. پارامترهای کلیدی شامل ناحیه پیش‌گرم (150-200°C)، دمای پیک حداکثر 260°C، و زمان بالای مایع (TAL) است که تشکیل اتصال لحیم مناسب را بدون قرار دادن قطعه در معرض تنش حرارتی بیش از حد تضمین می‌کند. دستگاه می‌تواند این پروفایل را حداکثر به مدت 10 ثانیه در دمای پیک، تا دو بار تحمل کند.

5.2 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، باید با دمای نوک هویه حداکثر 300°C انجام شود و زمان تماس باید حداکثر 3 ثانیه برای هر اتصال محدود شود. این امر خطر آسیب حرارتی به تراشه نیمه‌هادی یا بسته‌بندی پلاستیکی را به حداقل می‌رساند.

5.3 شرایط نگهداری

برای جلوگیری از جذب رطوبت، که می‌تواند باعث "پاپ کورن شدن" در حین ریفلو شود، شرایط نگهداری خاصی الزامی است. در بسته رطوبت‌گیر اصلی مهر و موم شده با ماده خشک‌کن، دستگاه باید در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤90% ذخیره شود و ظرف یک سال استفاده شود. پس از باز کردن بسته، قطعات باید در دمای ≤30°C و رطوبت نسبی ≤60% ذخیره شوند و ترجیحاً ظرف یک هفته پردازش شوند. برای نگهداری طولانی‌تر خارج از بسته‌بندی اصلی، پخت در حدود 60°C به مدت حداقل 20 ساعت قبل از لحیم‌کاری الزامی است.

5.4 تمیزکاری

در صورت نیاز به تمیزکاری پس از لحیم، فقط باید از حلال‌های مبتنی بر الکل مانند ایزوپروپیل الکل استفاده شود. باید از تمیزکننده‌های شیمیایی خشن یا قوی اجتناب کرد زیرا ممکن است به مواد بسته‌بندی یا لنز آسیب برسانند.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 مشخصات نوار و قرقره

قطعه روی نوار حامل برجسته با نوار پوشش محافظ عرضه می‌شود. عرض نوار 8mm است که روی قرقره استاندارد با قطر 7 اینچ (178mm) پیچیده شده است. هر قرقره حاوی 3000 قطعه است. بسته‌بندی مطابق با مشخصات ANSI/EIA 481-1-A-1994 است که سازگاری با فیدرهای خودکار را تضمین می‌کند.

7. پیشنهادات کاربرد و ملاحظات طراحی

7.1 پیکربندی مدار معمول

رایج‌ترین حالت عملیاتی برای یک فوتودیود مانند LTR-C155DD-G، حالت فوتوهادی است. در اینجا، دیود با یک ولتاژ (مثلاً 5V، همانطور که در شرایط تست است) بایاس معکوس می‌شود. فوتوجریان تولید شده متناسب با شدت نور است. این جریان می‌تواند با استفاده از یک مقاومت بار (RL) به ولتاژ تبدیل شود. مقدار RL هم نوسان ولتاژ خروجی و هم پهنای باند (سرعت) مدار را به دلیل ثابت زمانی RC تشکیل شده با ظرفیت پیوند فوتودیود (CT) تحت تأثیر قرار می‌دهد. برای کاربردهای پرسرعت مانند رمزگشایی کنترل از راه دور IR 38 کیلوهرتز، از RL کوچکتر (مثلاً 1kΩ تا 10kΩ) استفاده می‌شود. برای حساسیت بالاتر در شرایط نور کم، RL بزرگتر یا یک مدار تقویت‌کننده ترانس‌امپدانس (TIA) توصیه می‌شود.

7.2 ملاحظات طراحی نوری

برای بهینه‌سازی عملکرد، منبع مادون قرمز (IRED) باید دارای طول موج تابشی منطبق بر حساسیت پیک فوتودیود (حدود 940 نانومتر) باشد. یک فیلتر نوری می‌تواند در جلوی فوتودیود قرار گیرد تا نور مرئی را مسدود کند و نسبت سیگنال به نویز را در محیط‌های با نور محیط قوی به طور قابل توجهی بهبود بخشد. زاویه دید گسترده فوتودیود تراز نوری را ساده می‌کند اما ممکن است آن را در برابر نور پراکنده نیز آسیب‌پذیرتر کند؛ پوشش مکانیکی می‌تواند به تعریف میدان دید کمک کند.

7.3 ملاحظات چیدمان

طرح پد لحیم توصیه شده را دنبال کنید تا قابلیت لحیم‌کاری و استحکام مکانیکی خوبی تضمین شود. در مدارهای آنالوگ حساس، مسیرهای آند و کاتد فوتودیود را تا حد امکان کوتاه نگه دارید تا دریافت نویز و ظرفیت پارازیتی به حداقل برسد. در محیط‌های پرنویز الکتریکی، زمین‌سازی و محافظت مناسب ممکن است ضروری باشد.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتوترانزیستور، یک فوتودیود مانند LTR-C155DD-G زمان پاسخ سریع‌تری (زیر میکروثانیه در مقابل میکروثانیه) ارائه می‌دهد که آن را برای انتقال داده پرسرعت یا دریافت سیگنال مدوله شده برتر می‌سازد. همچنین خروجی خطی‌تری نسبت به شدت نور ارائه می‌دهد. در مقایسه با سایر فوتودیودها، ویژگی‌های کلیدی آن شامل بسته‌بندی استاندارد برای مونتاژ خودکار، سازگاری با ریفلو بدون سرب و عملکرد پرسرعت مشخص شده مناسب برای پروتکل‌های IR مصرفی است.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

9.1 تفاوت بین جریان نور معکوس (Ip) و جریان اتصال کوتاه (Is) چیست؟

جریان نور معکوس (Ip) با فوتودیود تحت یک ولتاژ بایاس معکوس (مثلاً 5V) اندازه‌گیری می‌شود. این شرایط عملیاتی استاندارد برای پاسخ خطی و سرعت است. جریان اتصال کوتاه (Is) با صفر ولت در دو سر دیود (حالت فوتوولتائیک) اندازه‌گیری می‌شود. مقدار معمول مشابه است، اما حالت فوتوولتائیک پاسخ کندتر و خروجی جریان وابسته به ولتاژ دارد.

9.2 چگونه مقدار مقاومت بار (RL) را انتخاب کنم؟

انتخاب شامل مصالحه بین پهنای باند و دامنه سیگنال است. برای یک سیگنال IR 38 کیلوهرتزی، دوره حدود 26µs است. زمان صعود/افت فوتودیود (0.3µs) بسیار سریع‌تر از این است، بنابراین عامل محدودکننده نیست. ثابت زمانی RC (RL * CT) باید به طور قابل توجهی کوچکتر از عرض پالسی باشد که نیاز به تشخیص آن دارید. برای یک مقاومت 1kΩ و ظرفیت 14pF، ثابت زمانی 14ns است که برای سرعت بالا عالی است. RL بزرگتر برای همان سطح نور، ولتاژ خروجی بزرگتری می‌دهد اما پهنای باند را کاهش می‌دهد و ممکن است نویز را افزایش دهد.

9.3 چرا در صورت نگهداری قطعات خارج از بسته، پخت لازم است؟

بسته‌بندی‌های SMT 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 فشار داخلی ایجاد کند که می‌تواند باعث لایه‌لایه شدن بسته‌بندی یا ترک خوردن تراشه شود - پدیده‌ای که به عنوان "پاپ کورن شدن" شناخته می‌شود. پخت این رطوبت جذب شده را خارج می‌کند و از این حالت خرابی جلوگیری می‌کند.

10. معرفی اصل عملکرد

فوتودیود یک پیوند PN نیمه‌هادی است. هنگامی که فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از گاف نواری نیمه‌هادی به ناحیه تخلیه پیوند برخورد می‌کنند، می‌توانند الکترون‌ها را از نوار ظرفیت به نوار هدایت برانگیخته کنند و جفت‌های الکترون-حفره ایجاد کنند. تحت تأثیر میدان الکتریکی داخلی (ذاتی در پیوند یا تقویت شده توسط یک ولتاژ بایاس معکوس خارجی)، این حامل‌های بار از هم جدا می‌شوند و یک جریان قابل اندازه‌گیری در یک مدار خارجی ایجاد می‌کنند. این فوتوجریان مستقیماً با شدت نور فرودی متناسب است، مشروط بر اینکه دستگاه در ناحیه خطی خود کار کند. طول موج پیک حساسیت توسط انرژی گاف نواری ماده نیمه‌هادی مورد استفاده تعیین می‌شود.

11. روندهای توسعه

روند در سنسورهای مادون قرمز گسسته مانند فوتودیودها به سمت کوچک‌سازی بیشتر بسته‌بندی‌ها در حالی که حفظ یا بهبود پارامترهای عملکردی مانند جریان تاریک کمتر، سرعت بالاتر و مقاومت بهبود یافته در برابر تداخل نور محیط است. یکپارچه‌سازی روند کلیدی دیگری است، با دستگاه‌هایی که فوتودیود را با یک تقویت‌کننده اختصاصی، فیلتر و منطق دیجیتال در یک بسته واحد ترکیب می‌کنند تا ماژول‌های کامل "گیرنده IR" ایجاد کنند که طراحی محصول نهایی را ساده می‌کنند. همچنین تلاش مداومی برای قابلیت اطمینان بالاتر و سازگاری با استانداردهای محیطی و تولیدی به طور فزاینده سخت‌گیرانه، مانند استانداردهای کاربردهای خودرویی یا صنعتی وجود دارد.