Техническая документация на инфракрасный излучатель LTE-4208M - Длина волны 940 нм - Корпус T-1 3/4 (5 мм) - Прямое напряжение 1.6 В - Рассеиваемая мощность 100 мВт

1. Обзор продукта

LTE-4208M — это высокопроизводительный инфракрасный (ИК) излучающий диод, предназначенный для применений, требующих надежного и эффективного излучения невидимого света. Его основная функция — преобразование электрической энергии в инфракрасное излучение с пиковой длиной волны 940 нанометров (нм). Эта длина волны идеальна для применений, где необходимо минимизировать помехи от видимого света, так как она практически невидима для человеческого глаза, но хорошо детектируется кремниевыми фотоприемниками, такими как фототранзисторы и фотодиоды.

Прибор выполнен в стандартном корпусе T-1 3/4 (диаметром примерно 5 мм) с прозрачной линзой. Этот миниатюрный пластиковый корпус предлагает экономичное решение, обеспечивая при этом механическую прочность. Ключевой конструктивной особенностью является его спектральное и механическое соответствие соответствующим сериям фототранзисторов (например, LTR-3208), что упрощает проектирование оптической системы, обеспечивая оптимальное согласование и связь сигнала между парой излучатель-приемник.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Основные преимущества LTE-4208M включают высокую выходную силу излучения, стабильные характеристики благодаря строгому процессу сортировки, а также компактный и недорогой форм-фактор. Он предварительно отсортирован по определенным диапазонам силы излучения (бин), что позволяет разработчикам выбирать компонент, точно соответствующий требованиям чувствительности их системы, без необходимости внешней калибровки или подстроечных цепей. Эта предсказуемость повышает выход годных изделий и надежность системы.

Целевой рынок для этого компонента — в первую очередь промышленная и потребительская электроника, требующая датчиков приближения, обнаружения объектов или оптического кодирования. Его наиболее заметное применение — в датчиках дыма, где ИК-луч используется для обнаружения частиц дыма путем измерения рассеяния или ослабления света. Другие потенциальные применения включают бесконтактные выключатели, передачу данных на короткие расстояния (например, системы дистанционного управления), датчики промышленной автоматизации и счетчики объектов.

2. Подробный анализ технических параметров

Понимание электрических и оптических параметров имеет решающее значение для надежного проектирования схемы и обеспечения работы светодиода в пределах его безопасной рабочей области (SOA).

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению прибора. Не рекомендуется длительная работа на этих пределах или вблизи них.

• Рассеиваемая мощность (Pd):100 мВт. Это максимальное количество мощности, которое прибор может рассеять в виде тепла при температуре окружающей среды (TA) 25°C. Превышение этого предела грозит тепловым разгоном и отказом.
• Пиковый прямой ток (I_FP):3 А. Это максимально допустимый мгновенный ток в импульсном режиме (300 импульсов в секунду, длительность импульса 10 мкс). Он значительно выше номинального постоянного тока, что подчеркивает способность прибора к коротким импульсам высокой интенсивности.
• Постоянный прямой ток (I_F):50 мА. Это максимальный постоянный ток, который можно прикладывать непрерывно, не превышая номинальную рассеиваемую мощность, при условии типичного прямого напряжения.
• Обратное напряжение (V_R):5 В. Прибор имеет очень низкую устойчивость к обратному смещению. Приложение обратного напряжения более 5В может вызвать немедленный пробой. В спецификации явно указано, что прибор не предназначен для работы в обратном направлении.
• Рабочая и температура хранения:-40°C до +85°C и -55°C до +100°C соответственно. Эти диапазоны определяют условия окружающей среды для надежной работы и нерабочего хранения.
• Температура пайки выводов:260°C в течение 5 секунд на расстоянии 4,0 мм от корпуса. Это критически важно для процессов волновой или конвекционной пайки, чтобы предотвратить повреждение внутреннего кристалла полупроводника или пластикового корпуса.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры измерены в стандартных условиях испытаний (TA=25°C, I_F=20 мА, если не указано иное) и определяют типичные характеристики прибора.

• Сила излучения (I_E):Это ключевой параметр оптического выхода, измеряемый в милливаттах на стерадиан (мВт/ср). Он указывает оптическую мощность, излучаемую на единицу телесного угла. Прибор сортируется по бинам (от A до G) с минимальными и типичными значениями от 3,6/13,2 мВт/ср (Бин A) до 28,8 мВт/ср (Бин G). Эта сортировка позволяет осуществлять выбор на основе требуемой силы сигнала.
• Пиковая длина волны излучения (λ_Peak):940 нм. Это длина волны, на которой излучаемая оптическая мощность максимальна. Она находится в ближнем инфракрасном спектре.
• Полуширина спектральной линии (Δλ):50 нм. Этот параметр, также известный как ширина на полувысоте (FWHM), определяет спектральную полосу пропускания. Ширина 50 нм означает, что излучаемый свет охватывает длины волн примерно от 915 нм до 965 нм на половине пиковой интенсивности.
• Прямое напряжение (V_F):1,2 В (мин.), 1,6 В (тип.). Это падение напряжения на диоде при протекании тока 20 мА. Оно необходимо для расчета значения последовательного резистора в цепи управления: R = (V_{питания}- V_F) / I_F.
• Обратный ток (I_R):100 мкА (макс.) при V_R=5 В. Это небольшой ток утечки, который протекает, когда диод смещен в обратном направлении при максимальном номинальном напряжении.
• Угол обзора (2θ_1/2):20 градусов. Это полный угол, при котором сила излучения падает до половины своего максимального значения (на оси). Угол 20° указывает на относительно узкий, сфокусированный луч, что полезно для направленных сенсорных применений.

3. Объяснение системы сортировки

LTE-4208M использует один критически важный параметр сортировки: Силу излучения. Приборы тестируются и сортируются на группы (Бины от A до G) на основе измеренного выходного сигнала при стандартном испытательном токе 20 мА. Эта система предоставляет несколько преимуществ:

1. Согласованность проектирования:Инженеры могут выбрать конкретный бин, чтобы обеспечить согласованный уровень оптического сигнала во всех устройствах производственной партии, повышая однородность продукции.
2. Согласование характеристик:При использовании с согласованным фотоприемником выбор бинов излучателя позволяет более точно контролировать общую чувствительность и динамический диапазон оптической сенсорной системы.
3. Оптимизация стоимости:Применения с менее строгими требованиями к чувствительности потенциально могут использовать детали с более низким бином (например, Бин A, B), что может быть более экономически эффективным.

В спецификации для этой модели не указана сортировка по прямому напряжению или длине волны, что говорит о жестком технологическом контроле этих параметров или о том, что они не являются критически важными отличительными признаками для целевых применений.

4. Анализ характеристических кривых

Типичные характеристические кривые визуально показывают, как ведет себя прибор в различных условиях, что жизненно важно для надежного проектирования системы за пределами номинальной точки 25°C.

4.1 Спектральное распределение (Рис.1)

Кривая показывает распределение, близкое к гауссовскому, с центром на 940 нм и шириной на полувысоте примерно 50 нм. Это подтверждает монохроматическую природу излучения светодиода, что крайне важно для фильтрации помех от окружающего света в сенсорных применениях. Форма кривой типична для ИК-светодиода на основе AlGaAs.

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

Эта кривая снижения номинальных значений необходима для управления температурным режимом. Она показывает, что максимально допустимый постоянный прямой ток уменьшается с ростом температуры окружающей среды. При 85°C (максимальная рабочая температура) допустимый ток значительно меньше номинального значения 50 мА при 25°C. Разработчики должны использовать этот график, чтобы убедиться, что рабочий ток не превышает кривую при максимальной ожидаемой температуре окружающей среды в системе.

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

Это стандартная ВАХ для диода. Она показывает экспоненциальную зависимость между током и напряжением. Кривая позволяет разработчикам оценить V_Fпри токах, отличных от испытательного условия 20 мА, что важно для проектирования источника питания и расчетов эффективности.

4.4 Относительная сила излучения в зависимости от температуры окружающей среды (Рис.4)

Этот график иллюстрирует температурную зависимость оптического выхода. Относительная сила излучения уменьшается с ростом температуры. Например, при 85°C выходная мощность может составлять всего около 60-70% от значения при 25°C. Этот отрицательный температурный коэффициент необходимо учитывать в системах, предназначенных для работы в широком диапазоне температур, чтобы избежать потери сигнала при высоких температурах.

4.5 Относительная сила излучения в зависимости от прямого тока (Рис.5)

Эта кривая показывает, что оптический выход примерно пропорционален прямому току в типичном рабочем диапазоне (например, до 50 мА). Однако зависимость не является идеально линейной, и эффективность (сила излучения на мА) может незначительно снижаться при очень высоких токах из-за усиления тепловых эффектов и других неидеальностей в полупроводнике.

4.6 Диаграмма направленности излучения (Рис.6)

Эта полярная диаграмма визуально определяет угол обзора. Нормированная интенсивность отложена в зависимости от угла от центральной оси (0°). Диаграмма подтверждает половинный угол 20°, показывая быстрое падение интенсивности за пределами примерно ±10° от центра. Такая картина характерна для светодиода с простой куполообразной линзой, обеспечивающей сфокусированный луч, подходящий для направленных применений.

5. Механическая информация и упаковка

5.1 Габаритные размеры

Прибор соответствует стандартным размерам корпуса T-1 3/4 для монтажа в отверстия. Ключевые размеры включают диаметр корпуса примерно 5 мм, типичное расстояние между выводами 2,54 мм (0,1 дюйма) в месте выхода из корпуса и общую длину. Отмечен максимальный выступ смолы под фланцем 1,0 мм. Выводы обычно изготавливаются из луженого медного сплава. Корпус имеет прозрачную бесцветную эпоксидную линзу.

5.2 Определение полярности

Для корпусов для монтажа в отверстия, таких как T-1 3/4, полярность обычно указывается длиной выводов (более длинный вывод обычно является анодом, или положительной стороной) и/или плоским срезом на пластиковом фланце рядом с катодным (отрицательным) выводом. Для определения конкретного маркера, используемого на этом компоненте, следует обратиться к чертежу в спецификации.

6. Рекомендации по пайке и монтажу

Соблюдение спецификаций пайки критически важно для предотвращения теплового удара и скрытых отказов.

• Ручная пайка:Используйте паяльник с регулировкой температуры. Ограничьте время пайки каждого вывода 3-5 секундами при температуре не выше 350°C. Нагревайте вывод, а не корпус.
• Волновая/конвекционная пайка:Указанное условие — 260°C в течение 5 секунд, измеренное на расстоянии 4,0 мм от корпуса. Это означает, что компонент может выдерживать типичные профили инфракрасной или конвекционной пайки, но необходимо учитывать тепловую массу выводов, чтобы сам корпус не перегревался.
• Очистка:Если требуется очистка после пайки, используйте растворители, совместимые с материалом эпоксидного корпуса. Избегайте ультразвуковой очистки, если не подтверждена ее безопасность для компонента.
• Хранение:Храните в сухой антистатической среде в пределах указанного температурного диапазона (-55°C до +100°C). Влагозащищенные устройства должны храниться в герметичных пакетах с осушителем, если они не были предварительно прогреты перед использованием.

7. Рекомендации по применению и соображения по проектированию

7.1 Типовое применение: Датчик дыма

В фотоэлектрическом датчике дыма LTE-4208M размещается в камере таким образом, что его луч не попадает непосредственно на парный фототранзистор в условиях чистого воздуха. Когда частицы дыма попадают в камеру, они рассеивают ИК-свет, вызывая его отклонение на фототранзистор. Возникающее увеличение тока детектора запускает сигнал тревоги. Для этого применения:

• Выберите бин силы излучения, который обеспечивает достаточный сигнал для надежного обнаружения дыма, одновременно минимизируя потребляемую мощность.
• Управляйте светодиодом импульсным током (например, короткий высокий импульс, такой как 100 мА в течение 10 мкс), а не постоянным током, чтобы увеличить пиковый сигнал для лучшего отношения сигнал/шум и снизить среднюю потребляемую мощность, продлевая срок службы батареи.
• Учитывайте снижение номинальных значений как силы излучения, так и максимального тока в зависимости от температуры, поскольку датчики могут быть установлены на чердаках или в других средах с большими перепадами температур.

7.2 Общие соображения по проектированию

• Ограничение тока:Всегда используйте последовательный резистор или источник постоянного тока для ограничения прямого тока. Никогда не подключайте светодиод напрямую к источнику напряжения.
• Защита от обратного напряжения:В цепях, где возможны переходные процессы обратного напряжения (например, индуктивные нагрузки, горячее подключение), рассмотрите возможность добавления защитного диода параллельно светодиоду (катод к аноду), чтобы ограничить любое обратное напряжение ниже 0,7 В.
• Теплоотвод:Для непрерывной работы вблизи максимального номинального тока продумайте разводку печатной платы. Обеспечение достаточной площади меди вокруг выводов помогает рассеивать тепло.
• Оптическое проектирование:Узкий угол обзора 20° упрощает оптическое проектирование для коллимации, но требует тщательного механического выравнивания с приемником. Для более широкого покрытия могут потребоваться рассеиватели или линзы.

8. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению с обычными, несортированными ИК-светодиодами, ключевым отличием LTE-4208M являются гарантированные бины силы излучения, обеспечивающие предсказуемые характеристики. По сравнению с ИК-светодиодами для поверхностного монтажа (SMD), корпус T-1 3/4 для монтажа в отверстия обеспечивает более высокую возможную рассеиваемую мощность благодаря большей тепловой массе и более длинным выводам, что потенциально позволяет использовать более высокие постоянные или импульсные токи управления. Его прозрачный корпус имеет преимущество перед тонированными или матовыми корпусами, когда требуется максимальная прямая светоотдача и четкость луча, хотя он не обеспечивает внутренней защиты от видимого света.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Могу ли я питать этот светодиод током 3 А непрерывно, поскольку пиковый номинал составляет 3 А?

О: Нет. Номинал 3 А предназначен для очень коротких импульсов (10 мкс) при определенной скважности. Максимальный постоянный ток составляет 50 мА. Превышение этого значения быстро разрушит прибор из-за перегрева.

В: Почему номинальное обратное напряжение составляет всего 5 В?

О: Инфракрасные светодиоды оптимизированы для прямого пропускания тока. Полупроводниковая структура не предназначена для выдерживания высокого обратного смещения. Всегда обеспечивайте, чтобы схема предотвращала приложение обратного напряжения.

В: Как выбрать правильный бин (от A до G)?

О: Выбирайте на основе требуемой силы сигнала в вашей системе на стороне приемника. Если ваша схема детектора имеет высокий коэффициент усиления и вам нужно минимизировать мощность, может хватить более низкого бина (A, B). Для больших расстояний, менее чувствительных детекторов или систем, требующих высокого отношения сигнал/шум, выбирайте более высокий бин (E, F, G). Рекомендуется тестирование с вашим конкретным оптическим трактом.

В: Прямое напряжение типично 1,6 В. Какой резистор мне использовать с источником питания 5 В для тока 20 мА?

О: R = (V_{питания}- V_F) / I_F= (5В - 1,6В) / 0,020А = 170 Ом. Используйте ближайшее стандартное значение (например, 180 Ом) и проверьте фактический ток: I_F= (5В - 1,6В) / 180 = ~18,9 мА, что допустимо.

10. Практический пример проектирования

Сценарий:Проектирование низкопотребляющего счетчика объектов с батарейным питанием для промышленного конвейера. Система использует барьерный датчик, где LTE-4208M направлен на фототранзистор LTR-3208 через ленту.

Этапы проектирования:

1. Цель:Максимизировать срок службы батареи, обеспечивая надежное обнаружение всех объектов.
2. Способ управления:Использовать импульсный режим работы. Микроконтроллер генерирует импульс с частотой 100 Гц и скважностью 10% (1 мс ВКЛ, 9 мс ВЫКЛ).
3. Расчет тока:Чтобы оставаться в пределах средних мощностных ограничений, выберите импульсный ток. При Pd=100 мВт и V_F~1,6 В, средний I_Fможет быть ~62,5 мА. При скважности 10% импульсный I_Fможет достигать 625 мА. Для сильного сигнала выбран консервативный импульсный ток 100 мА.
4. Выбор компонентов:Выберите LTE-4208M из бина D или E для хорошей силы сигнала. Выберите согласованный фототранзистор LTR-3208.
5. Схема:Используйте вывод GPIO микроконтроллера для управления транзистором (например, NPN BJT или N-канальным MOSFET), который коммутирует импульс 100 мА через светодиод. Последовательный резистор задает ток: R = (3,3В_GPIO- V_CE(sat)- V_F) / I_F. Выход фототранзистора подключается к компаратору или АЦП микроконтроллера.
6. Соображения:Учитывайте окружающий свет, синхронизируя обнаружение с импульсом светодиода (синхронное детектирование). Учитывайте влияние температуры на выходную интенсивность.

Такой подход снижает среднее потребление тока примерно до 10 мА (100 мА * 10%) вместо постоянных 20-50 мА, значительно продлевая срок службы батареи при сохранении сильного, обнаруживаемого светового импульса.

11. Принцип работы

LTE-4208M представляет собой полупроводниковый p-n переходный диод, изготовленный из таких материалов, как арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Когда прикладывается прямое напряжение, превышающее энергию запрещенной зоны материала, электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются в область перехода. При рекомбинации этих носителей заряда высвобождается энергия. В светоизлучающем диоде (LED) эта энергия высвобождается в основном в виде фотонов (света). Длина волны (цвет) излучаемого света определяется энергией запрещенной зоны полупроводникового материала. Для AlGaAs, настроенного на 940 нм, энергия запрещенной зоны составляет примерно 1,32 электрон-вольта (эВ). Прозрачный эпоксидный корпус действует как линза, формируя диаграмму направленности и обеспечивая защиту от окружающей среды.

12. Технологические тренды

Технология инфракрасных излучателей продолжает развиваться. Тренды, актуальные для устройств типа LTE-4208M, включают:

• Повышение эффективности:Постоянные исследования в области материаловедения направлены на повышение эффективности преобразования электрической энергии в оптическую (выходная оптическая мощность / входная электрическая мощность) ИК-светодиодов, снижая тепловыделение и потребляемую мощность при той же оптической мощности.
• Более высокая скорость модуляции:Разработка светодиодов, способных к более быстрому переключению для применений в оптической передаче данных (например, IrDA, Li-Fi) и высокоскоростном сенсоринге.
• Интеграция:Движение в сторону интегрированных оптоэлектронных сборок, объединяющих излучатель, детектор, а иногда и управляющую схему в одном модуле, упрощая проектирование и повышая согласование и стабильность характеристик.
• Альтернативные длины волн:Расширение на другие длины волн ближнего ИК-диапазона (например, 850 нм, 880 нм) для специфических применений, таких как отслеживание взгляда (где предпочтительна 940 нм, так как она менее заметна), или для совместимости с различными чувствительностями кремниевых детекторов.
• Миниатюризация корпусов:Хотя корпуса для монтажа в отверстия остаются популярными для применений с высокой мощностью или высокой надежностью, наблюдается сильная тенденция к переходу на технологию поверхностного монтажа (SMD) для автоматизированной сборки и проектов с ограниченным пространством.

LTE-4208M с его проверенным корпусом T-1 3/4, высокой силой излучения и строгой сортировкой представляет собой зрелое и надежное решение, хорошо подходящее для своих основных применений, особенно там, где предпочтителен или необходим монтаж в отверстия.