Инфракрасный светодиодный излучатель LTE-3271T-A - Техническая спецификация - 940 нм - Высокий ток и низкое прямое напряжение - Прозрачный корпус

1. Обзор продукта

LTE-3271T-A — это высокопроизводительный инфракрасный (ИК) светоизлучающий диод (СИД), предназначенный для применений, требующих высокой оптической мощности и надежной работы в сложных электрических условиях. Его основная концепция заключается в обеспечении высокой излучаемой мощности при сохранении относительно низкого прямого напряжения, что делает его эффективным для систем, где важны энергозатраты. Прибор заключен в прозрачную эпоксидную смолу, которая минимизирует поглощение излучаемого инфракрасного света, тем самым максимизируя внешнюю квантовую эффективность. Он разработан для поддержки как непрерывного, так и импульсного режимов работы, обеспечивая гибкость для различных применений в ближнем инфракрасном диапазоне, таких как датчики, связь и освещение.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению прибора. Работа на этих пределах или за их пределами не гарантируется.

• Рассеиваемая мощность (P_D):150 мВт. Это максимально допустимая мощность, рассеиваемая внутри прибора, в основном в виде тепла, рассчитываемая как произведение прямого тока и прямого напряжения.
• Пиковый прямой ток (I_FP):2 А. Этот исключительно высокий ток допустим только в специфических импульсных условиях: длительность импульса 10 микросекунд и частота повторения импульсов не более 300 импульсов в секунду (имп/с). Это позволяет достичь очень высокой мгновенной оптической мощности для измерения расстояния на коротких дистанциях или высокоскоростной передачи данных.
• Непрерывный прямой ток (I_F):100 мА. Максимальный постоянный ток, который можно прикладывать непрерывно, не превышая пределы по рассеиваемой мощности или температуре.
• Обратное напряжение (V_R):5 В. Превышение этого напряжения в обратном направлении смещения может вызвать пробой p-n перехода.
• Рабочая и температура хранения:Прибор рассчитан на диапазон рабочей температуры окружающей среды (T_A) от -40°C до +85°C и может храниться в среде от -55°C до +100°C.
• Температура пайки выводов:320°C в течение 3 секунд, измеренная на расстоянии 4,0 мм от корпуса. Это требование критически важно для предотвращения термического повреждения во время сборки печатной платы.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры указаны при температуре окружающей среды (T_A) 25°C и определяют типичные характеристики прибора.

• Сила излучения (I_E):Ключевой параметр оптической мощности. При прямом токе (I_F) 100 мА типичная сила излучения составляет 30 мВт/ср. При меньшем испытательном токе 20 мА она варьируется от 6 мВт/ср (мин.) до 10,5 мВт/ср (тип.). Сила излучения описывает оптическую мощность, излучаемую в единицу телесного угла.
• Облученность в апертуре (E_e):0,80 до 1,4 мВт/см² при I_F=20 мА. Этот параметр, иногда называемый облученностью, полезен для расчета плотности оптической мощности, падающей на поверхность на определенном расстоянии от излучателя.
• Пиковая длина волны излучения (λ_P):940 нм. Это номинальная длина волны, на которой оптическая выходная мощность максимальна. Она находится в ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне, невидимом для человеческого глаза, но обнаруживаемом кремниевыми фотодиодами и многими КМОП/ПЗС-сенсорами.
• Полуширина спектральной линии (Δλ):50 нм (тип.). Это указывает на спектральную полосу пропускания, где сила излучения составляет не менее половины от пикового значения. Значение 50 нм характерно для стандартного материала ИК-светодиода на основе GaAlAs.
• Прямое напряжение (V_F):Это критически важный электрический параметр, который изменяется в зависимости от тока.
  • При I_F= 50 мА: V_F(тип.) = 1,25 В, (макс.) = 1,6 В.
  • При I_F= 250 мА: V_F(тип.) = 1,65 В, (макс.) = 2,1 В.
  • При I_F= 450 мА: V_F(тип.) = 2,0 В, (макс.) = 2,4 В.
  • При I_F= 1 А: V_F(тип.) = 2,4 В, (макс.) = 3,0 В. В спецификации подчеркивается "низкое прямое напряжение" как особенность, что очевидно из этих значений, особенно при средних токах, что способствует более высокой электрической эффективности.
• Обратный ток (I_R):100 мкА (макс.) при обратном напряжении (V_R) 5 В. Это ток утечки, когда прибор находится под обратным смещением.
• Угол обзора (2θ_1/2):50° (тип.). Это полный угол, при котором сила излучения падает до половины своего значения при 0° (на оси). Угол 50° обеспечивает широкую диаграмму направленности, что полезно для освещения площади или датчиков, где точное выравнивание менее критично.

3. Анализ характеристических кривых

В спецификации представлено несколько характеристических графиков, необходимых для проектирования схем и понимания работы в нестандартных условиях.

3.1 Спектральное распределение (Рис. 1)

Кривая показывает зависимость относительной силы излучения от длины волны. Она подтверждает пиковую длину волны примерно 940 нм с широкой полушириной спектра. Форма типична для инфракрасного светодиода, с уменьшением выходной мощности по обе стороны от пика. Разработчики оптических систем должны учитывать этот спектр, чтобы обеспечить совместимость со спектральной чувствительностью предполагаемого детектора (например, фототранзистора или кремниевого фотодиода с фильтром).

3.2 Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды (Рис. 2)

Этот график иллюстрирует снижение максимально допустимого непрерывного прямого тока с увеличением температуры окружающей среды. При 25°C допустимы все 100 мА. При повышении температуры максимальный ток должен быть линейно уменьшен, чтобы не превысить предел рассеиваемой мощности 150 мВт и контролировать температуру перехода. Это критически важный график для обеспечения долгосрочной надежности в условиях высоких температур.

3.3 Прямой ток в зависимости от прямого напряжения (Рис. 3)

Это вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она показывает экспоненциальную зависимость, типичную для диода. Кривая необходима для проектирования схемы драйвера с ограничением тока. Наклон кривой в рабочей области помогает определить динамическое сопротивление светодиода. График наглядно подтверждает характеристику низкого V_Fв широком диапазоне токов.

3.4 Относительная сила излучения в зависимости от прямого тока (Рис. 4)

Этот график показывает, как оптическая мощность (нормированная к значению при 20 мА) увеличивается с ростом прямого тока. Зависимость в целом линейна при низких токах, но может проявлять признаки насыщения или снижения эффективности при очень высоких токах из-за усиления тепловых эффектов и падения внутренней квантовой эффективности. Эта кривая помогает разработчикам выбрать рабочую точку, которая балансирует выходную мощность, эффективность и нагрузку на прибор.

3.5 Относительная сила излучения в зависимости от температуры окружающей среды (Рис. 5)

Этот график изображает температурную зависимость оптической мощности. Как правило, сила излучения светодиода уменьшается с ростом температуры перехода. Эта кривая количественно определяет это падение, показывая нормированную выходную мощность относительно ее значения при 20 мА в диапазоне температур от -20°C до 80°C. Эта информация жизненно важна для применений, требующих стабильной оптической мощности при изменяющихся условиях окружающей среды.

3.6 Диаграмма направленности излучения (Рис. 6)

Эта полярная диаграмма обеспечивает детальную визуализацию пространственной картины излучения. Концентрические круги представляют уровни относительной силы излучения (например, 1,0, 0,9, 0,7). Диаграмма подтверждает широкий угол обзора, показывая, как интенсивность распределяется по разным углам от 0° до 90°. Эта диаграмма незаменима для оптического проектирования, позволяя инженерам моделировать профиль освещения на целевой поверхности.

4. Механическая информация и информация о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

Прибор использует стандартный корпус светодиода с фланцем для механической стабильности и теплоотвода. Ключевые размерные примечания из спецификации включают:

• Все размеры указаны в миллиметрах, с допусками, как правило, ±0,25 мм, если не указано иное.
• Допускается небольшой выступ смолы под фланцем максимальной высотой 1,5 мм.
• Расстояние между выводами измеряется в точке выхода выводов из корпуса, что критически важно для проектирования посадочного места на печатной плате.
• Выводы покрыты припоем для обеспечения хорошей паяемости.

Прозрачный материал корпуса специально выбран для инфракрасных излучателей, поскольку он имеет минимальное поглощение в области 940 нм, в отличие от окрашенных эпоксидных корпусов, используемых для видимых светодиодов, которые блокировали бы ИК-свет.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Для обеспечения целостности прибора во время сборки печатной платы необходимо соблюдать следующие рекомендации:

• Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, ее следует выполнять быстро, прикладывая тепло к выводу, а не к корпусу.
• Волновая пайка:Можно использовать стандартные профили волновой пайки, но общее время воздействия тепла припоя должно быть минимизировано.
• Пайка оплавлением:Прибор может выдерживать температуру вывода 320°C максимум в течение 3 секунд, как указано. Подходят стандартные профили инфракрасной или конвекционной пайки оплавлением с пиковой температурой ниже этого предела. Спецификация расстояния 4,0 мм гарантирует, что тепловая масса вывода защищает чувствительный полупроводниковый переход внутри корпуса.
• Очистка:После пайки можно использовать стандартные процессы очистки печатных плат, но следует проверить совместимость с прозрачной смолой.
• Хранение:Приборы должны храниться в оригинальных влагозащитных пакетах в среде в пределах указанного диапазона температур хранения (-55°C до +100°C) и при низкой влажности для предотвращения окисления выводов.

6. Рекомендации по применению

6.1 Типовые сценарии применения

• Инфракрасное освещение:Для камер видеонаблюдения, систем ночного видения и освещения машинного зрения, где требуется невидимая подсветка.
• Датчики приближения и присутствия:В автоматических кранах, дозаторах мыла, сушилках для рук и бесконтактных выключателях. Широкий угол обзора здесь полезен.
• Оптические переключатели и энкодеры:Для обнаружения положения, вращения или движения путем прерывания или отражения ИК-луча.
• Короткодистанционная передача данных:В устройствах, совместимых с IrDA, или простых последовательных каналах связи (например, пульты дистанционного управления, межприборная связь). Высокая импульсная токовая способность поддерживает модулированную передачу данных.
• Промышленные датчики:Счетчики объектов, датчики уровня и барьерные датчики.

6.2 Вопросы проектирования

• Управление током:Светодиод — это прибор с токовым управлением. Всегда используйте последовательный токоограничивающий резистор или схему драйвера постоянного тока. Значение резистора рассчитывается по формуле R = (V_{питания}- V_F) / I_F, используя максимальное значение V_Fиз спецификации, чтобы гарантировать, что ток не превысит желаемое значение.
• Тепловой менеджмент:Для непрерывной работы при высоких токах (например, около 100 мА) учитывайте рассеиваемую мощность (P_D= V_F* I_F). Обеспечьте достаточную площадь медной поверхности на печатной плате или теплоотвод, чтобы поддерживать температуру перехода в безопасных пределах, особенно при высоких температурах окружающей среды.
• Импульсный режим работы:Для достижения очень высокой пиковой оптической мощности используйте спецификацию импульсного режима (2 А, 10 мкс, 300 имп/с). Это требует схемы драйвера, способной выдавать импульсы высокого тока, например, МОП-транзистора, управляемого генератором импульсов.
• Оптическое проектирование:Учитывайте диаграмму направленности (Рис. 6) при проектировании линз, отражателей или апертур для формирования луча под конкретное применение. Прозрачная линза имеет полусферическую форму, что влияет на начальную расходимость.
• Согласование с детектором:Сопрягайте излучатель с фотодетектором (фотодиодом, фототранзистором), который имеет пиковую чувствительность около 940 нм. Использование ИК-фильтра на детекторе может помочь отсеять окружающий видимый свет.

7. Техническое сравнение и отличительные особенности

Хотя спецификация не сравнивает конкретные конкурирующие изделия, ключевые отличительные особенности LTE-3271T-A можно выделить:

• Высокая токовая способность:Сочетание импульсного тока 2 А и непрерывного тока 100 мА примечательно для стандартного корпуса светодиода, предлагая высокую гибкость по выходной мощности.
• Низкое прямое напряжение:V_Fоколо 1,25 В при 50 мА относительно низко для мощного ИК-излучателя, что приводит к лучшей энергоэффективности и снижению тепловыделения по сравнению с приборами с более высоким V_F.
• Прозрачный корпус:В отличие от тонированных корпусов, которые ослабляют выходную мощность, это максимизирует внешнюю квантовую эффективность для ИК-света.
• Широкий угол обзора:Половина угла 50° обеспечивает широкое покрытие, что является преимуществом для освещения площади по сравнению с альтернативами с более узким лучом.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В1: Могу ли я управлять этим светодиодом напрямую с вывода микроконтроллера на 5 В?

О: Нет. Вывод GPIO микроконтроллера обычно не может выдавать более 20-50 мА и имеет фиксированное напряжение около 5 В или 3,3 В. Вы должны использовать токоограничивающий резистор и, вероятно, транзистор (БТ или МОП) в качестве ключа для управления светодиодом, особенно при токах выше 20 мА.

В2: В чем разница между Силой излучения (мВт/ср) и Облученностью в апертуре (мВт/см²)?

О: Сила излучения — это мера того, сколько мощности излучает источникв единицу телесного угла(стерадиан). Она описывает направленность источника. Облученность в апертуре (или просто облученность) — это мощностьна единицу площади, падающая на поверхность на определенном расстоянии. Они связаны через закон обратных квадратов (для точечного источника) и угол обзора.

В3: Почему пиковая длина волны 940 нм значима?

О: 940 нм — очень распространенная длина волны для ИК-систем, потому что она находится за пределами видимого спектра (невидима), а кремниевые детекторы (фотодиоды, сенсоры камер) все еще имеют достаточно хорошую чувствительность на этой длине волны. Она также позволяет избежать длины волны 850 нм, которая имеет слабое красное свечение, видимое в темноте.

В4: Как интерпретировать графики "Относительной силы излучения"?

О: Эти графики показывают, как световой выходизменяетсяотносительно опорного условия (обычно при I_F=20 мА и T_A=25°C). Они не дают абсолютных значений выходной мощности. Чтобы найти абсолютную выходную мощность при другом токе, нужно умножить относительный коэффициент с Рис. 4 на абсолютное значение силы излучения, указанное в таблице для 20 мА.

9. Практический пример проектирования

Сценарий: Проектирование датчика приближения для бесконтактного выключателя.

1. Цель:Обнаружить руку на расстоянии до 10 см от датчика.
2. Выборы проектирования:
   • Работать с LTE-3271T-A в непрерывном режиме при I_F= 50 мА для постоянного освещения. Из спецификации, V_F≈ 1,4 В (тип.).
   • Источник питания 5 В. Последовательный резистор R = (5 В - 1,4 В) / 0,05 А = 72 Ом. Использовать стандартный резистор 75 Ом.
   • Разместить согласованный кремниевый фототранзистор напротив излучателя с небольшим зазором между ними (конфигурация "барьерного датчика"). Когда рука прерывает луч, сигнал детектора падает.
   • Альтернативно, использовать отражательную конфигурацию, где и излучатель, и детектор направлены в одну сторону. Широкий угол обзора 50° LTE-3271T-A помогает охватить большую зону обнаружения. Сигнал на детекторе будет увеличиваться, когда рука отражает свет обратно.
   • Использовать схему на операционном усилителе для усиления слабого фототока с детектора и сравнить его с порогом, установленным потенциометром, чтобы учесть изменения окружающего освещения.
   • Тепловые соображения: Рассеиваемая мощность P_D= 1,4 В * 0,05 А = 70 мВт, что значительно ниже максимума в 150 мВт. Специальный теплоотвод не требуется.

10. Введение в технические принципы

Инфракрасные светодиоды, такие как LTE-3271T-A, являются полупроводниковыми приборами на основе материалов, таких как арсенид галлия-алюминия (GaAlAs). При приложении прямого напряжения электроны и дырки рекомбинируют в активной области p-n перехода. Энергия, выделяемая при этой рекомбинации, излучается в виде фотонов (света). Конкретная длина волны 940 нм определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала, которая задается в процессе выращивания кристалла. Прозрачная эпоксидная оболочка действует как линза, формируя диаграмму направленности излучаемого света и обеспечивая защиту от окружающей среды. Особенность "низкого прямого напряжения" достигается за счет оптимизированных профилей легирования и качества материала, снижая падение напряжения на переходе при заданном токе, что напрямую повышает эффективность преобразования электрической энергии в оптическую.

11. Тенденции и развитие отрасли

Область инфракрасной оптоэлектроники продолжает развиваться. Тенденции, актуальные для приборов, подобных LTE-3271T-A, включают:

• Увеличение плотности мощности:Постоянные исследования направлены на увеличение оптической мощности в тех же или меньших размерах корпусов при управлении тепловыделением, что обусловлено спросом на датчики и освещение с большей дальностью.
• Улучшение эффективности:Разработка новых полупроводниковых материалов и структур (например, многоквантовых ям) направлена на увеличение эффективности преобразования электроэнергии в свет (Wall-Plug Efficiency, WPE), то есть отношения выходной оптической мощности к входной электрической мощности.
• Интеграция:Наблюдается тенденция к интеграции ИК-излучателя с драйверной ИС или даже с фотодетектором в единый модуль, упрощая системное проектирование для конечных пользователей.
• Специфичность длины волны:Хотя 940 нм остается доминирующей, растет использование других ИК-длин волн (например, 850 нм, 1050 нм) для конкретных применений, таких как безопасный для глаз LiDAR или совместимость с различными типами сенсоров.
• Инновации в корпусах:Достижения в материалах корпусов и дизайне линз направлены на обеспечение более точных и настраиваемых диаграмм направленности (например, "крыло летучей мыши", боковое излучение) для специализированных применений.