Техническая документация HSDL-4261 - ИК-излучатель 870 нм, прямое напряжение 1.4 В, рассеиваемая мощность 190 мВт

1. Обзор продукта

HSDL-4261 представляет собой дискретный инфракрасный излучатель, предназначенный для применений, требующих высокоскоростной оптической передачи данных. В нем используется технология светодиодов на основе AlGaAs (арсенида алюминия-галлия) для генерации инфракрасного излучения с пиковой длиной волны 870 нанометров. Устройство характеризуется высоким быстродействием, что делает его подходящим для цифровых интерфейсов связи.

1.1 Ключевые преимущества

• Высокоскоростная работа:Типичное время нарастания и спада оптического сигнала составляет 15 наносекунд, что обеспечивает передачу данных в приложениях с высокой пропускной способностью.
• Высокая оптическая мощность:Обеспечивает высокую силу излучения, создавая мощный сигнал для надежной инфракрасной связи.
• Соответствие RoHS:Изготовлен как бессвинцовый продукт, соответствующий экологическим нормам.
• Прозрачный корпус:Корпус прозрачного цвета, не фильтрующий испускаемое инфракрасное излучение.

1.2 Целевые области применения

• Промышленное инфракрасное оборудование
• Портативные инфракрасные приборы
• Потребительская электроника (например, оптические мыши)
• Высокоскоростная инфракрасная связь (например, ИК-локальные сети, модемы, адаптеры)

2. Подробный анализ технических параметров

Все характеристики определены при температуре окружающей среды (TA) 25°C, если не указано иное.

2.1 Предельно допустимые параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Постоянный прямой ток (IFDC):Максимум 100 мА.
• Пиковый прямой ток (IFPK):Максимум 500 мА в импульсном режиме (скважность=20%, длительность импульса=100 мкс).
• Рассеиваемая мощность (PDISS):Максимум 190 мВт. Должна быть снижена с ростом температуры окружающей среды, как показано на характеристических кривых.
• Обратное напряжение (VR):Максимум 5 В.
• Диапазон температур хранения (TS):от -40°C до +100°C.
• Диапазон рабочих температур (TO):от -40°C до +85°C.
• Температура перехода (TJ):Максимум 110°C.
• Температура пайки выводов:260°C не более 5 секунд, при этом жало паяльника должно находиться не ближе 1,6 мм от корпуса.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Типичные параметры производительности в указанных условиях испытаний.

• Излучаемая оптическая мощность (Po):Обычно 9 мВт при IF=20мА и 45 мВт при IF=100мА.
• Сила излучения на оси (IE):Обычно 36 мВт/ср при IF=20мА и 180 мВт/ср при IF=100мА.
• Пиковая длина волны излучения (λPeak):Обычно 870 нм (диапазон: от 850 нм до 890 нм) при IF=20мА.
• Полуширина спектральной линии (Δλ):Приблизительно 47 нм при IF=20мА.
• Прямое напряжение (Vf):Обычно 1,4 В при IF=20мА и 1,7 В при IF=100мА.
• Температурный коэффициент прямого напряжения (△V/△T):Приблизительно -1,5 мВ/°C при IF=20мА.
• Угол обзора (2θ1/2):Обычно 26 градусов, определяет угловое распределение излучения.
• Температурный коэффициент силы излучения (△IE/△T):Приблизительно -0,22 %/°C при IF=100мА, что указывает на снижение выходной мощности с ростом температуры.
• Температурный коэффициент длины волны (△λ/△T):Приблизительно +0,18 нм/°C при IF=20мА.
• Время нарастания/спада оптического сигнала (Tr/Tf):Обычно 15 нс, измеряется от 10% до 90% оптического выходного сигнала.
• Последовательное сопротивление (RS):Обычно 4,1 Ом при IF=100мА.
• Емкость диода (CO):Обычно 80 пФ при смещении 0 В и частоте 1 МГц.
• Термическое сопротивление (RθJA):Обычно 280 °C/Вт от перехода к окружающей среде через выводы.

3. Анализ характеристических кривых

В документации представлены графики, иллюстрирующие ключевые зависимости.

3.1 Зависимость прямого тока от относительной силы излучения

Эта кривая показывает, что интенсивность оптического выходного сигнала увеличивается сверхлинейно с ростом прямого тока, особенно при высоких токах. Она подчеркивает важность управления током для достижения желаемой яркости.

3.2 Зависимость прямого напряжения от прямого тока

Вольт-амперная характеристика демонстрирует типичную экспоненциальную зависимость для диода. Прямое напряжение увеличивается с током и также зависит от температуры.

3.3 Зависимость прямого напряжения от температуры окружающей среды

Этот график показывает отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения. При постоянном токе Vf уменьшается с ростом температуры, что является критически важным фактором для схем с постоянным напряжением питания.

3.4 Снижение постоянного прямого тока в зависимости от температуры окружающей среды

Это важнейший график для обеспечения надежности. Он определяет максимально допустимый постоянный прямой ток как функцию температуры окружающей среды. С ростом температуры максимально допустимый ток должен быть уменьшен, чтобы предотвратить превышение температуры перехода предела в 110°C. Например, при 85°C максимальный постоянный ток значительно ниже, чем при 25°C.

3.5 Диаграмма направленности

Полярная диаграмма иллюстрирует пространственное распределение испускаемого инфракрасного излучения. HSDL-4261 имеет типичный угол обзора 26 градусов (полная ширина на половине максимума), что обеспечивает умеренно сфокусированный луч, подходящий для направленных каналов связи.

4. Механическая информация и информация об упаковке

4.1 Габаритные размеры

Устройство представляет собой стандартный выводной корпус для светодиода. Ключевые размеры включают расстояние между выводами, диаметр корпуса и общую высоту. Выводы предназначены для изгиба в точке не менее чем в 3 мм от основания линзы. Указан минимальный выступ смолы под фланцем. Все допуски на размеры обычно составляют ±0,25 мм, если не указано иное.

4.2 Определение полярности

Компонент использует стандартную маркировку полярности светодиода. Более длинный вывод обычно обозначает анод (положительное соединение), а более короткий — катод (отрицательное соединение). Это необходимо проверять во время сборки для обеспечения правильной работы.

5. Рекомендации по пайке и сборке

5.1 Условия хранения

Для длительного хранения температура окружающей среды не должна превышать 30°C, а относительная влажность — 70%. Если компоненты извлечены из оригинального влагозащитного пакета, их следует использовать в течение трех месяцев. Для длительного хранения вне оригинальной упаковки используйте герметичный контейнер с осушителем или эксикатор, заполненный азотом.

5.2 Очистка

Если очистка необходима, используйте только спиртовые растворители, такие как изопропиловый спирт. Следует избегать агрессивных химикатов.

5.3 Формовка выводов

Изгиб должен выполняться при комнатной температуре и до пайки. Изгиб должен быть выполнен на расстоянии не менее 3 мм от основания линзы светодиода. Корпус не должен использоваться в качестве точки опоры при изгибе во избежание повреждения внутреннего кристалла или проводных соединений.

5.4 Параметры пайки

Ручная пайка (паяльником):Максимальная температура 260°C не более 5 секунд на вывод. Жало паяльника должно находиться не ближе 1,6 мм от основания эпоксидной линзы.

Волновая пайка:Предварительный нагрев до максимум 100°C в течение до 60 секунд. Температура волны припоя должна быть максимум 260°C с временем контакта 5 секунд. Устройство должно быть погружено не ниже чем на 2 мм от основания эпоксидной колбы.

Важно:Необходимо избегать погружения линзы в припой. Инфракрасная пайка оплавлением не подходит для этого типа выводного корпуса. Чрезмерная температура или время могут вызвать деформацию линзы или катастрофический отказ.

6. Рекомендации по проектированию приложений

6.1 Проектирование схемы управления

Светодиоды — это устройства, управляемые током. Для обеспечения равномерной яркости при параллельном включении нескольких светодиодов настоятельно рекомендуется использовать индивидуальный токоограничивающий резистор, включенный последовательно с каждым светодиодом. Прямое параллельное соединение светодиодов без индивидуальных резисторов не рекомендуется из-за различий в характеристиках их прямого напряжения (Vf), что может привести к значительному дисбалансу тока и неравномерной яркости.

6.2 Тепловой менеджмент

Учитывая термическое сопротивление (RθJA) 280°C/Вт, рассеиваемая мощность должна тщательно контролироваться. Работа при максимальном постоянном токе (100 мА) с типичным Vf 1,7 В приводит к рассеиванию мощности 170 мВт. Это вызовет повышение температуры перехода примерно на 47,6°C выше окружающей среды (170 мВт * 280°C/Вт). При температуре окружающей среды 85°C переход достигнет 132,6°C, что превышает максимально допустимое значение 110°C. Поэтому необходимо строго следовать кривой снижения мощности на Рисунке 6.

6.3 Защита от электростатического разряда (ЭСР)

Этот компонент чувствителен к повреждениям от электростатического разряда. Рекомендуемые меры предосторожности при обращении включают:

- Использование заземленного браслета или антистатических перчаток.

- Обеспечение правильного заземления всего оборудования, рабочих мест и стеллажей для хранения.

- Использование ионизатора для нейтрализации статического заряда, который может накапливаться на пластиковой линзе во время обработки.

6.4 Оптическое проектирование

Угол обзора 26 градусов и длина волны 870 нм должны соответствовать подходящему фотодетектору (например, PIN-фотодиоду с соответствующей спектральной чувствительностью). Для оптимальной дальности и целостности сигнала рассмотрите возможность использования линз или апертур для коллимации или фокусировки луча, особенно в направленных каналах связи. Прозрачный корпус позволяет использовать внешние оптические элементы без внутренней фильтрации.

7. Техническое сравнение и дифференциация

HSDL-4261 позиционируется на рынке инфракрасных излучателей благодаря определенной комбинации параметров:

Скорость vs. Мощность:Он предлагает баланс между высокоскоростным переключением (15 нс) и относительно высокой выходной оптической мощностью (45 мВт тип. при 100 мА). Некоторые излучатели могут быть быстрее, но с меньшей мощностью, или мощнее, но с более медленным откликом.

Длина волны:Пиковая длина волны 870 нм является распространенным стандартом для многих инфракрасных каналов передачи данных и систем дистанционного управления, обеспечивая хороший баланс между чувствительностью кремниевых фотодетекторов и более низким уровнем шума от окружающего света по сравнению с видимыми или близкими к видимым длинами волн.

Корпус:Стандартный выводной корпус делает его подходящим как для прототипирования, так и для применений, где используется волновая пайка, что отличает его от альтернатив для поверхностного монтажа, требующих процессов оплавления.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

8.1 Можно ли питать этот светодиод от источника постоянного напряжения?

Это не рекомендуется. Экспоненциальная ВАХ светодиода означает, что небольшое изменение напряжения вызывает большое изменение тока, что может легко превысить максимальный предел при питании непосредственно от источника напряжения. Всегда используйте последовательный резистор или драйвер постоянного тока для установки рабочей точки.

8.2 Почему выходная интенсивность уменьшается с температурой?

Отрицательный температурный коэффициент силы излучения (-0,22%/°C) является фундаментальным свойством полупроводникового материала. С ростом температуры безызлучательные процессы рекомбинации в полупроводнике становятся более доминирующими, снижая эффективность генерации света.

8.3 Для чего нужна кривая снижения мощности?

Кривая снижения мощности (Рис. 6) необходима для обеспечения долгосрочной надежности. Она предотвращает превышение температуры перехода светодиода максимального номинального значения (110°C) путем ограничения рассеиваемой мощности (и, следовательно, прямого тока) с ростом температуры окружающей среды. Игнорирование этой кривой может привести к быстрой деградации и отказу.

8.4 Подходит ли этот светодиод для непрерывной работы?

Да, но в пределах, определенных Предельно допустимыми параметрами и кривой снижения мощности. Для непрерывной работы на постоянном токе прямой ток не должен превышать 100 мА при температуре окружающей среды 25°C и должен быть снижен при более высоких температурах в соответствии с Рис. 6. Для импульсной работы с высокими пиковыми токами необходимо соблюдать спецификации скважности и длительности импульса.

9. Практический пример применения

Сценарий: Проектирование простого ИК-передатчика данных для связи на короткие расстояния.

1. Проектирование схемы:Используйте вывод GPIO микроконтроллера для управления светодиодом. Установите токоограничивающий резистор последовательно с анодом светодиода. Рассчитайте номинал резистора по формуле R = (Vcc - Vf_светодиода) / I_желаемый. Для питания 3,3 В, желаемого тока 50 мА и типичного Vf 1,5 В: R = (3,3 В - 1,5 В) / 0,05 А = 36 Ом. Используйте ближайшее стандартное значение (например, 39 Ом).

2. Тепловая проверка:Рассеиваемая мощность в светодиоде: P = Vf * I = 1,5 В * 0,05 А = 75 мВт. Повышение температуры перехода: ΔTj = P * RθJA = 0,075 Вт * 280°C/Вт = 21°C. При максимальной температуре окружающей среды 85°C, Tj = 106°C, что ниже предела 110°C.

3. Программное обеспечение:Настройте микроконтроллер на генерацию желаемой цифровой модуляции (например, амплитудной манипуляции) на выводе GPIO. Время нарастания/спада светодиода 15 нс позволяет достигать высоких скоростей передачи данных.

4. Размещение компонентов:Располагайте светодиод и его последовательный резистор как можно ближе к управляющему выводу, чтобы минимизировать паразитную индуктивность. Убедитесь, что приемник (фотодиод) находится в пределах угла обзора 26 градусов излучателя.

10. Принцип работы

HSDL-4261 представляет собой полупроводниковый p-n переходный диод на основе материалов AlGaAs. При приложении прямого смещающего напряжения электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются через переход в противоположные области. Эти инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями. В прямозонном полупроводнике, таком как AlGaAs, значительная часть этих рекомбинаций является излучательной, то есть они высвобождают энергию в виде фотонов. Удельная ширина запрещенной зоны используемого сплава AlGaAs определяет длину волны испускаемых фотонов, которая в данном случае сосредоточена около 870 нм в инфракрасном спектре. Прозрачный эпоксидный корпус инкапсулирует полупроводниковый кристалл, обеспечивает механическую защиту и действует как линза для формирования выходного луча.

11. Отраслевые тенденции

Инфракрасные излучатели продолжают развиваться в нескольких ключевых областях, относящихся к таким компонентам, как HSDL-4261:

Повышение скорости:Спрос на более высокие скорости передачи данных в оптической беспроводной связи (Li-Fi, высокоскоростной IrDA) стимулирует разработку излучателей с еще более быстрым временем нарастания/спада.

Повышение эффективности:Улучшения в эпитаксиальном росте и конструкции кристалла направлены на получение большей оптической мощности (люменов или излучаемого потока) на единицу входной электрической мощности (ватт), что снижает тепловыделение и повышает эффективность системы.

Интеграция:Наблюдается тенденция к интеграции излучателя со схемой драйвера или даже с фотодетектором в одном корпусе для создания полных оптических трансиверных модулей, упрощающих проектирование конечным пользователем.

Новые длины волн:Хотя 870-940 нм остаются стандартом для кремниевых приемников, ведутся исследования других длин волн для конкретных применений, таких как газовый анализ или безопасные для глаз лидары.