دیتاشیت مادون‌قرمز SMD 930nm - بسته‌بندی 5.0x5.0x1.6mm - ولتاژ مستقیم 2.9V - شدت تابش 480mW/sr - سند فنی فارسی

1. مرور محصول

این سند مشخصات یک قطعه گسسته و پرقدرت فرستنده مادون‌قرمز را که برای مونتاژ با فناوری نصب‌سطحی (SMT) طراحی شده است، به تفصیل شرح می‌دهد. این دستگاه بخشی از طیف گسترده‌ای از قطعات مادون‌قرمز است که برای کاربردهای نیازمند منابع نوری مادون‌قرمز کارآمد و قابل اعتماد در نظر گرفته شده‌اند. عملکرد اصلی آن، تابش اشعه مادون‌قرمز در یک طول‌موج اوج مشخص هنگام تحریک الکتریکی است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزایای اصلی این فرستنده شامل خروجی تابشی بالا، مناسب بودن برای مونتاژ خودکار PCB به دلیل بسته‌بندی SMD و خروجی طیفی تعریف‌شده متمرکز در ناحیه نزدیک مادون‌قرمز است. این قطعه برای مطابقت با استانداردهای صنعتی پیرامون سازگاری محیطی طراحی شده است. کاربردهای هدف عمدتاً در الکترونیک مصرفی و حسگرهای صنعتی هستند که در آن‌ها از سیگنال‌های مادون‌قرمز برای ارتباط بی‌سیم، تشخیص مجاورت یا کدگذاری داده استفاده می‌شود.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

بخش‌های زیر تفسیر دقیق و عینی از پارامترهای کلیدی تعریف‌شده در دیتاشیت ارائه می‌دهند و اهمیت آن‌ها را برای مهندسان طراح توضیح می‌دهند.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. این مقادیر برای عملکرد عادی در نظر گرفته نشده‌اند.

• توان اتلافی (3.8W):حداکثر مقدار توانی که دستگاه می‌تواند در دمای محیط (Ta) 25 درجه سلسیوس به صورت گرما تلف کند. تجاوز از این حد خطر گرمای بیش از حد پیوند نیمه‌هادی را به همراه دارد.
• جریان مستقیم پیک (2A، 300 پالس بر ثانیه، پالس 10 میکروثانیه):حداکثر جریان مجاز در عملکرد پالسی. عرض پالس 10 میکروثانیه و 300 پالس بر ثانیه (pps) یک چرخه کاری خاص را تعریف می‌کنند. این مقدار معمولاً به دلیل کاهش تجمع حرارتی در پالس‌های کوتاه، از مقدار DC بالاتر است.
• جریان مستقیم DC (1A):حداکثر جریان پیوسته‌ای که می‌توان تحت شرایط DC از دستگاه عبور داد. عملکرد در این حد یا نزدیک به آن نیازمند مدیریت حرارتی دقیق است.
• ولتاژ معکوس (5V):حداکثر ولتاژی که می‌توان در جهت بایاس معکوس اعمال کرد. فرستنده‌های مادون‌قرمز برای عملکرد معکوس طراحی نشده‌اند؛ تجاوز از این ولتاژ می‌تواند باعث شکست شود.
• مقاومت حرارتی (9 K/W، از پیوند به پد لحیم‌کاری):یک پارامتر حیاتی برای طراحی حرارتی. این مقدار نشان می‌دهد دمای پیوند به ازای هر وات توان اتلافی چقدر افزایش می‌یابد. مقدار کمتر به معنای انتقال آسان‌تر گرما از تراشه نیمه‌هادی به PCB است.
• محدوده‌های دمای عملکرد و ذخیره‌سازی:به ترتیب محدودیت‌های محیطی برای عملکرد قابل اعتماد و ذخیره‌سازی غیرعملیاتی را تعریف می‌کنند.

2.2 مشخصات الکتریکی و نوری

این‌ها پارامترهای عملکردی معمول هستند که تحت شرایط آزمایش مشخص (Ta=25°C، IF=500mA مگر خلاف آن ذکر شده) اندازه‌گیری شده‌اند.

• شدت تابش (I_E):480 mW/sr (معمولی). این مقدار توان نوری تابیده شده در هر واحد زاویه فضایی (استرادیان) در امتداد محور مرکزی دستگاه را اندازه‌گیری می‌کند. این یک متریک کلیدی برای "روشنایی" منبع IR در یک پرتو جهت‌دار است.
• شار تابشی کل (Φ_e):700 mW (معمولی). این کل توان نوری تابیده شده در تمام جهات است. نسبت بین شار و شدت تحت تأثیر زاویه دید قرار دارد.
• طول‌موج اوج تابش (λ_اوج):930 نانومتر (معمولی). طول‌موجی که در آن توان نوری تابیده شده حداکثر است. این باید با حساسیت طیفی سنسور گیرنده (مثلاً یک فوتودیود سیلیکونی که حساسیت آن در حدود 900-1000 نانومتر بیشتر است) مطابقت داشته باشد.
• عرض نیم‌خط طیفی (Δλ):35 نانومتر (معمولی). پهنای باند طیف تابیده شده که در نصف شدت اوج اندازه‌گیری می‌شود. عرض باریک‌تر نشان‌دهنده منبع تک‌رنگ‌تر است.
• ولتاژ مستقیم (V_F):2.9 ولت (معمولی) در 500mA. افت ولتاژ در دو سر دستگاه هنگام عملکرد. این برای طراحی مدار درایو و محاسبه مصرف توان (توان = V_F* I_F) حیاتی است.
• جریان معکوس (I_R):< 10 μA در V_R=5V. یک جریان نشتی کوچک هنگامی که دستگاه در بایاس معکوس قرار دارد.
• زمان صعود/سقوط (T_r/T_f):30 نانوثانیه (معمولی). زمان لازم برای تغییر خروجی نوری از 10% به 90% مقدار نهایی آن (صعود) یا از 90% به 10% (سقوط). این حداکثر سرعت مدولاسیون برای انتقال داده را تعیین می‌کند.
• زاویه دید (2θ_1/2):70 درجه (معمولی). زاویه کامل‌ای که در آن شدت تابش به نصف مقدار روی محور می‌رسد. زاویه وسیع‌تر پوشش گسترده‌تری فراهم می‌کند اما شدت را در هر جهت واحد کاهش می‌دهد.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

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

3.1 توزیع طیفی (شکل 1)

منحنی شدت تابشی نسبی را به عنوان تابعی از طول‌موج نشان می‌دهد. اوج در حدود 930nm و عرض نیم‌خط تقریباً 35nm را تأیید می‌کند. این شکل مشخصه ماده نیمه‌هادی (احتمالاً GaAs یا AlGaAs) است.

3.2 جریان مستقیم در مقابل دمای محیط (شکل 2)

این منحنی کاهش رتبه برای مدیریت حرارتی ضروری است. نشان می‌دهد که حداکثر جریان مستقیم مجاز با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. در دمای 85 درجه سلسیوس، حداکثر جریان به طور قابل توجهی کمتر از دمای 25 درجه سلسیوس است. طراحان باید از این نمودار استفاده کنند تا اطمینان حاصل کنند ترکیب جریان-دمای عملکرد در ناحیه ایمن قرار دارد.

3.3 جریان مستقیم در مقابل ولتاژ مستقیم (شکل 3)

این منحنی مشخصه جریان-ولتاژ (I-V) است. غیرخطی و مشخصه یک دیود است. این منحنی به طراحان اجازه می‌دهد تا V_F مورد انتظار را برای یک جریان عملیاتی انتخاب‌شده تعیین کنند، که برای انتخاب یک مقاومت سری محدودکننده جریان ضروری است.

3.4 شدت تابشی نسبی در مقابل دما و جریان (شکل 4 و 5)

شکل 4 نشان می‌دهد که چگونه توان خروجی نوری با افزایش دمای پیوند (در یک جریان ثابت) کاهش می‌یابد. شکل 5 نشان می‌دهد که چگونه توان خروجی با جریان (در یک دمای ثابت) افزایش می‌یابد. هر دو بازده وابسته به دمای دستگاه را نشان می‌دهند. خروجی با دمای بالاتر کاهش می‌یابد، پدیده‌ای رایج در LEDها.

3.5 نمودار تابش (شکل 6)

این نمودار قطبی توزیع فضایی نور تابیده شده را به صورت بصری نشان می‌دهد. دایره‌های هم‌مرکز نشان‌دهنده شدت نسبی هستند. نمودار زاویه دید 70 درجه (2θ_1/2) را تأیید می‌کند، جایی که شدت نسبت به مرکز (1.0) به 0.5 می‌رسد. الگو تقریباً لامبرتی (توزیع کسینوسی) به نظر می‌رسد که برای LEDهای دارای لنز گنبدی ساده رایج است.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد کلی

دستگاه در یک بسته‌بندی نصب‌سطحی با ابعاد تقریبی 5.0 میلی‌متر طول و عرض و 1.6 میلی‌متر ارتفاع قرار دارد. نقشه محل لنز نوری و پدهای لحیم‌کاری را مشخص می‌کند. تلرانس‌ها معمولاً ±0.1 میلی‌متر هستند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

4.2 شناسایی قطبیت

کاتد (ترمینال منفی) به وضوح در نقشه بسته‌بندی مشخص شده است. قطبیت صحیح باید در هنگام چیدمان و مونتاژ PCB رعایت شود تا از آسیب جلوگیری شود.

4.3 ابعاد پیشنهادی پد لحیم‌کاری

یک الگوی لند پیشنهادی ارائه شده است تا اتصالات لحیم قابل اعتماد و تراز مکانیکی مناسب در هنگام لحیم‌کاری ریفلو تضمین شود. رعایت این ابعاد به جلوگیری از پدیده "سنگ قبر" و اطمینان از اتصال حرارتی خوب به PCB برای اتلاف گرما کمک می‌کند.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

5.1 شرایط نگهداری

دستگاه به رطوبت حساس است. بسته‌های بازنشده باید در دمای زیر 30 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی زیر 90% نگهداری شوند. پس از باز کردن کیسه ضد رطوبت، قطعات باید در عرض یک هفته استفاده شوند یا در یک محیط خشک (<30°C، <60% RH) نگهداری شوند. قطعاتی که بیش از یک هفته در معرض رطوبت محیط قرار گرفته‌اند، قبل از ریفلو نیاز به فرآیند پخت (تقریباً 60 درجه سلسیوس به مدت 20 ساعت) دارند تا از آسیب "پاپ کورن" در هنگام لحیم‌کاری جلوگیری شود.

5.2 پروفیل لحیم‌کاری ریفلو

یک پروفیل ریفلو مطابق با استاندارد JEDEC توصیه می‌شود. پارامترهای کلیدی شامل: مرحله پیش‌گرم (150-200°C، حداکثر 120 ثانیه)، حداکثر دمای پیک که از 260°C تجاوز نکند و زمان بالای مایع (TAL) که حداکثر دمای پیک برای حداکثر 10 ثانیه حفظ می‌شود. این پروفیل بر کنترل حداکثر دما و زمانی که قطعه در معرض حرارت بالا قرار می‌گیرد تأکید دارد تا از آسیب به بسته‌بندی پلاستیکی و تراشه نیمه‌هادی جلوگیری شود.

5.3 لحیم‌کاری دستی

در صورت نیاز به لحیم‌کاری دستی، دمای هویه نباید از 300 درجه سلسیوس تجاوز کند و زمان تماس باید به 3 ثانیه در هر پد محدود شود. این کار تنش حرارتی را به حداقل می‌رساند.

5.4 تمیزکاری

الکل ایزوپروپیل یا حلال‌های الکلی مشابه برای تمیزکاری پس از لحیم‌کاری توصیه می‌شود. باید از مواد شیمیایی خشن یا ناشناخته اجتناب کرد زیرا ممکن است به بسته‌بندی یا لنز آسیب برسانند.

6. بسته‌بندی و جابجایی

6.1 مشخصات نوار و قرقره

قطعات بر روی قرقره‌های استاندارد 13 اینچی عرضه می‌شوند که هر قرقره حاوی 2400 قطعه است. ابعاد نوار و قرقره مطابق با مشخصات ANSI/EIA-481-1-A-1994 است که تضمین‌کننده سازگاری با ماشین‌های برداشت و قراردادن خودکار است. جهت کاتد درون جیب‌های نوار استاندارد شده است.

7. نکات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 طراحی مدار درایو

دستگاه یک قطعه جریان‌محور است. برای عملکرد یکنواخت و طول عمر، باید توسط یک منبع جریان یا از طریق یک منبع ولتاژ با یک مقاومت سری محدودکننده جریان راه‌اندازی شود. دیتاشیت به شدت توصیه می‌کند که هنگام اتصال چند واحد به صورت موازی (مدل مدار A) از یک مقاومت سری جداگانه برای هر LED استفاده شود. استفاده از یک مقاومت واحد برای یک آرایه موازی (مدل مدار B) به دلیل تغییرات در ولتاژ مستقیم (V_F) بین LEDهای منفرد، که می‌تواند منجر به عدم تعادل جریان قابل توجه و روشنایی ناهموار یا خرابی زودرس دستگاهی با کمترین V_F.

7.2 مدیریت حرارتی

با توجه به اتلاف توان (تا حداکثر 3.8W) و مقاومت حرارتی (9 K/W)، هیت‌سینک مؤثر برای عملکرد در جریان‌های بالا یا دمای محیط بالا حیاتی است. مسیر اصلی گرما از طریق پدهای لحیم‌کاری به PCB است. استفاده از طرح پد پیشنهادی با مساحت مسی کافی (پدهای تخلیه حرارتی) روی PCB ضروری است. برای کاربردهای پرقدرت، ممکن است استفاده از وایاهای حرارتی اضافی متصل به لایه‌های زمین داخلی یا هیت‌سینک‌های اختصاصی برای نگه داشتن دمای پیوند در محدوده ایمن، همانطور که توسط منحنی کاهش رتبه تعریف شده است، ضروری باشد.

7.3 ملاحظات طراحی نوری

زاویه دید 70 درجه گسترش پرتو را تعریف می‌کند. برای کاربردهای نیازمند پرتو باریک‌تر، ممکن است اپتیک ثانویه (لنزها) اضافه شود. طول‌موج اوج 930 نانومتر باید با یک گیرنده (فوتودیود، فوتوترانزیستور) که حساسیت بالایی در آن ناحیه طیفی دارد، جفت شود. بسیاری از سنسورهای مبتنی بر سیلیکون حساسیت اوجی در حدود 850-950 نانومتر دارند که آن‌ها را به یک جفت مناسب تبدیل می‌کند. برای کاربردهای کنترل از راه دور، این طول‌موج معمولاً استفاده می‌شود زیرا نسبت به 850 نانومتر برای چشم انسان کمتر قابل مشاهده است اما همچنان به طور مؤثر توسط سیلیکون تشخیص داده می‌شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با LEDهای مادون‌قرمز کم‌توان استاندارد، این دستگاه شدت تابشی به مراتب بالاتری (معمولاً 480 mW/sr) ارائه می‌دهد که امکان برد بیشتر یا عملکرد در محیط‌های نوری پرنویزتر را فراهم می‌کند. بسته‌بندی نصب‌سطحی آن را از انواع ترو-هول متمایز می‌کند و امکان مونتاژ PCB کوچک‌تر و خودکارتر را فراهم می‌آورد. زمان سریع صعود/سقوط (30ns) آن را برای انتقال داده با سرعت متوسط مناسب می‌سازد، نه فقط سیگنال‌دهی ساده روشن/خاموش. مشخصات طیفی و زاویه دید تعریف‌شده عملکردی یکنواخت و قابل پیش‌بینی برای طراحی سیستم نوری ارائه می‌دهند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم این LED را مستقیماً از پین میکروکنترلر 5 ولت راه‌اندازی کنم؟

ج: خیر. شما باید از یک مقاومت سری محدودکننده جریان استفاده کنید. مقدار مقاومت به صورت R = (V_منبع- V_F) / I_F محاسبه می‌شود. به عنوان مثال، با منبع تغذیه 5 ولت، V_F=2.9V و جریان مطلوب I_F برابر 100mA، R = (5 - 2.9) / 0.1 = 21 اهم. رتبه توان مقاومت نیز باید در نظر گرفته شود (P = I²R).

س: تفاوت بین شدت تابش و شار تابشی کل چیست؟

ج: شدت تابش (mW/sr) توان را در یک جهت خاص اندازه‌گیری می‌کند (مانند روشنایی پرتو چراغ قوه). شار تابشی کل (mW) مجموع توان تابیده شده در تمام جهات را اندازه‌گیری می‌کند (مانند کل نور خروجی یک لامپ). برای یک منبع جهت‌دار، شدت اغلب متریک مرتبط‌تری است.

س: چگونه حداکثر جریان عملیاتی ایمن برای کاربرد خود را تعیین کنم؟

ج: شما باید هم جریان DC حداکثر مطلق (1A) و هم کاهش رتبه حرارتی را در نظر بگیرید. از شکل 2 استفاده کنید. حداکثر دمای محیط مورد انتظار خود را روی محور x پیدا کنید. یک خط تا منحنی رسم کنید، سپس به سمت چپ به محور y بروید تا حداکثر جریان مجاز را بیابید. جریان عملیاتی انتخاب شده شما باید کمتر از این مقدار و حداکثر مطلق 1A باشد.

س: چرا طول‌موج اوج 930 نانومتر مشخص شده است، اما توضیحات قطعه به 940 نانومتر اشاره می‌کند؟

ج: توضیحات قطعه به خط تولید کلی که شامل دستگاه‌های 940 نانومتری می‌شود، اشاره دارد. این شماره قطعه خاص (LTE-R38385S-OE8) طبق مشخصات دقیق آن، طول‌موج اوج معمولی 930 نانومتر را دارد. همیشه برای پارامترهای دقیق قطعه سفارش داده شده به دیتاشیت خاص آن مراجعه کنید.

10. مثال‌های عملی طراحی و استفاده

10.1 مثال 1: فرستنده مادون‌قرمز برد بلند

سناریو:طراحی یک فرستنده IR فضای باز ضدآب برای ارتباط داده در فاصله بیش از 15 متر در شرایط نور روز.

رویکرد طراحی:از شدت تابشی بالا (480mW/sr) برای غلبه بر نویز نور محیط استفاده کنید. LED را در حداکثر جریان DC خود (1A) یا نزدیک به آن برای حداکثر خروجی راه‌اندازی کنید، اما یک استراتژی مدیریت حرارتی قوی پیاده‌سازی کنید. از یک پور مس بزرگ روی PCB متصل به پدهای حرارتی LED، با چندین وایای حرارتی به لایه‌های داخلی استفاده کنید. افزودن یک لنز ساده کالیماتور پلاستیکی برای باریک کردن پرتو از 70 درجه به حدود 15 درجه را در نظر بگیرید تا شدت روی محور برای برد مورد نیاز بیشتر افزایش یابد. مدار درایو از یک ترانزیستور (مانند MOSFET) که توسط میکروکنترلر سویچ می‌شود، همراه با مقاومت سری محاسبه‌شده برای تنظیم جریان 1A استفاده می‌کند.

10.2 مثال 2: آرایه حسگر مجاورتی چند عنصری

سناریو:ایجاد یک حلقه حسگر مجاورتی با 8 فرستنده IR که در اطراف یک گیرنده مرکزی قرار گرفته‌اند.

رویکرد طراحی:نورپردازی یکنواخت کلیدی است. از مدل مدار توصیه‌شده A استفاده کنید: هر یک از 8 LED مقاومت محدودکننده جریان یکسان خود را که به یک ریل ولتاژ مشترک متصل است، دریافت می‌کند. این کار تغییرات کوچک V_F بین LEDها را جبران می‌کند. LEDها را در یک جریان متوسط (مثلاً 200mA) راه‌اندازی کنید تا تعادل بین خروجی و بار حرارتی برقرار شود. آرایه را به طور همزمان با نمونه‌برداری گیرنده پالس دهید تا نسبت سیگنال به نویز بهبود یابد و از زمان سریع 30ns صعود/سقوط برای پالس‌های تمیز بهره ببرید. زاویه دید 70 درجه هر LED یک میدان تشخیص وسیع و همپوشان ایجاد خواهد کرد.

11. معرفی اصل عملکرد

این فرستنده مادون‌قرمز یک دیود نیمه‌هادی است. هسته آن یک تراشه ساخته شده از موادی مانند گالیم آرسناید (GaAs) یا آلومینیوم گالیم آرسناید (AlGaAs) است. هنگامی که یک ولتاژ مستقیم اعمال می‌شود، الکترون‌ها از پیوند p-n تزریق می‌شوند. هنگامی که این الکترون‌ها با حفره‌ها در ناحیه فعال بازترکیب می‌شوند، انرژی به صورت فوتون (ذرات نور) آزاد می‌شود. انرژی گاف نواری خاص ماده نیمه‌هادی طول‌موج (رنگ) نور تابیده شده را تعیین می‌کند. برای GaAs/AlGaAs، این گاف نواری مربوط به فوتون‌ها در طیف مادون‌قرمز (معمولاً 850-940 نانومتر) است. بسته‌بندی پلاستیکی تراشه را محصور می‌کند، یک ساختار مکانیکی فراهم می‌آورد و شامل یک لنز قالب‌گیری‌شده است که الگوی تابش نور تابیده شده را شکل می‌دهد.

12. روندها و زمینه فناوری

فرستنده‌های مادون‌قرمز از این نوع، قطعات بالغ و بسیار قابل اعتمادی هستند. روندهای فعلی در این زمینه بر افزایش چگالی توان و بازده (خروجی نور بیشتر به ازای هر وات الکتریکی) متمرکز است که امکان بسته‌بندی‌های کوچک‌تر یا عمر باتری بیشتر در دستگاه‌های قابل حمل را فراهم می‌کند. یکپارچه‌سازی روند دیگری است، که در آن جفت‌ها یا آرایه‌های ترکیبی فرستنده-سنسور برای تشخیص حرکات و حس‌گری سه‌بعدی رایج شده‌اند. همچنین توسعه مستمری در گسترش محدوده طول‌موج برای کاربردهای تخصصی مانند حس‌گری گاز یا ارتباطات نوری در جریان است. حرکت به سمت بسته‌بندی‌های نصب‌سطحی، همانطور که در این قطعه مشاهده می‌شود، همچنان برای تولید خودکار و انبوه غالب است و جایگزین طراحی‌های قدیمی ترو-هول می‌شود. تأکید بر مشخصات حرارتی دقیق و پروفیل‌های لحیم‌کاری، نشان‌دهنده تمرکز صنعت بر قابلیت اطمینان و کنترل فرآیند در مونتاژ الکترونیک مدرن است.