Техническая документация LTE-3273DL: Инфракрасный излучатель и фотоприемник, длина волны 940 нм, корпус 5 мм, прямое напряжение 1.6 В, рассеиваемая мощность 150 мВт

1. Обзор продукта

LTE-3273DL — это дискретный инфракрасный компонент, объединяющий излучатель и фотоприемник. Он предназначен для применений, требующих надежной передачи и приема ИК-сигналов. Основу устройства составляет технология арсенида галлия (GaAs), стандартная для эффективного излучения инфракрасного света на длине волны 940 нм. Эта длина волны идеальна для бытовой электроники, так как невидима для человеческого глаза, но легко детектируется кремниевыми фотоприемниками, что минимизирует влияние фоновой засветки.

Основная функция компонента — работа в качестве приемопередатчика в простых ИК-каналах передачи данных. Конструкция делает акцент на баланс между производительностью и экономической эффективностью, что делает его подходящим для массовых, чувствительных к стоимости применений. Синий прозрачный корпус помогает идентифицировать тип компонента и позволяет ИК-излучению 940 нм проходить с минимальным ослаблением.

1.1 Особенности

• Оптимизирован для высокого тока и низкого прямого напряжения:Спроектирован для эффективной работы при повышенных токах накачки с сохранением относительно низкого падения напряжения, что способствует снижению энергопотребления в устройствах с батарейным питанием.
• Возможность импульсного режима работы:Способен выдерживать высокие пиковые прямые токи (до 2 А) в импульсном режиме, что позволяет создавать мощные короткие ИК-вспышки, идеальные для команд пульта ДУ или передачи данных.
• Широкий угол обзора (половинный угол 45°):Обеспечивает широкую диаграмму направленности излучения и приема, делая юстировку между передатчиком и приемником менее критичной и повышая надежность системы.
• Синий прозрачный корпус:Корпус имеет синий оттенок, который действует как фильтр видимого света, снижая чувствительность к фоновой засветке и улучшая соотношение сигнал/шум для ИК-приемника.

1.2 Области применения

• Инфракрасные датчики:Используются в датчиках приближения, детекторах объектов и роботах, следующих по линии.
• Пульты дистанционного управления:Стандартный компонент в пультах ДУ для телевизоров, аудиосистем и ТВ-приставок для передачи команд.
• Простые ИК-каналы передачи данных:Для беспроводной связи малой дальности и низкой скорости между устройствами.
• Системы безопасности:Может использоваться в датчиках нарушения луча для обнаружения вторжений.

2. Технические параметры: Подробное объективное описание

2.1 Предельно допустимые режимы эксплуатации

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

• Рассеиваемая мощность (Pd): 150 мВт:Максимальная общая мощность (от цепей как излучателя, так и приемника), которая может быть безопасно рассеяна корпусом в виде тепла при температуре окружающей среды (TA) 25°C. Превышение может привести к перегреву и отказу.
• Пиковый прямой ток (I_FP): 2 А:Максимально допустимый ток через ИК-излучающий диод в импульсном режиме (300 импульсов в секунду, длительность импульса 10 мкс). Это обеспечивает возможность создания высокоинтенсивных ИК-вспышек.
• Постоянный прямой ток (I_F): 100 мА:Максимальный постоянный ток, который может непрерывно протекать через излучатель. Для типичной работы обычно используется ток 20-50 мА.
• Обратное напряжение (V_R): 5 В:Максимальное обратное напряжение смещения, которое может быть приложено к излучающему диоду до наступления пробоя. Это значение относительно низкое, поэтому необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать обратной полярности подключения.
• Температура эксплуатации и хранения:Номинальные значения от -40°C до +85°C и от -55°C до +100°C соответственно, что указывает на пригодность для промышленных и бытовых условий.
• Температура пайки выводов: 260°C в течение 5 секунд:Определяет допустимый профиль пайки оплавлением, что критически важно для сборки печатных плат без повреждения компонента.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Это гарантированные параметры производительности при указанных условиях испытаний при 25°C.

• Сила излучения (I_E):Измеряет оптическую мощность на единицу телесного угла (мВт/ср). При I_F=20 мА типичное значение составляет 8.0 мВт/ср (мин. 5.6). При I_F=100 мА оно возрастает до 40.0 мВт/ср (мин. 28.0). Это нелинейное увеличение показывает более высокую эффективность при более высоких токах в пределах допустимого.
• Пиковая длина волны излучения (λ_P): 940 нм:Длина волны, на которой излучатель выдает максимальную оптическую мощность. Она соответствует пику чувствительности кремниевых фотодиодов и находится вне видимого спектра.
• Полуширина спектральной линии (Δλ): 50 нм:Ширина полосы излучаемого света. Значение 50 нм указывает на то, что свет не является монохроматическим, а простирается примерно от 915 нм до 965 нм на уровне половины пиковой интенсивности.
• Прямое напряжение (V_F):Падение напряжения на излучающем диоде при протекании тока. Обычно составляет 1.6 В при 50 мА и 2.3 В при 500 мА. Этот параметр жизненно важен для проектирования цепи ограничения тока.
• Обратный ток (I_R): макс. 100 мкА:Небольшой ток утечки, протекающий при обратном смещении диода напряжением 5 В. Желательно низкое значение.
• Угол обзора (2θ_1/2): 45°:Полный угол, при котором сила излучения падает до половины от пикового значения. Это определяет конус излучения/приема.

3. Анализ характеристических кривых

В документации представлено несколько графиков, иллюстрирующих ключевые зависимости. Они необходимы для понимания поведения в нестандартных условиях.

3.1 Спектральное распределение (Рис.1)

Эта кривая отображает относительную силу излучения в зависимости от длины волны. Она подтверждает пик на 940 нм и приблизительную полуширину спектра 50 нм. Форма характерна для GaAs ИК-излучающего диода.

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

Этот график показывает снижение максимально допустимого постоянного прямого тока с ростом температуры окружающей среды. Выше 25°C максимальный ток должен быть уменьшен, чтобы не превысить предел рассеиваемой мощности 150 мВт, так как способность компонента рассеивать тепло снижается.

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

Вольт-амперная характеристика излучающего диода. Она имеет экспоненциальный характер, как у стандартного диода. Кривая позволяет разработчикам определить необходимое напряжение накачки для желаемого рабочего тока, что особенно важно для низковольтных аккумуляторных систем.

3.4 Относительная сила излучения в зависимости от температуры окружающей среды (Рис.4) и от прямого тока (Рис.5)

Рисунок 4 показывает, что выходная оптическая мощность уменьшается с ростом температуры (отрицательный температурный коэффициент), что необходимо компенсировать в конструкциях, требующих стабильной работы в широком температурном диапазоне. Рисунок 5 показывает нелинейную зависимость между током накачки и световым выходом, указывая на возрастающую эффективность до определенного момента перед возможным насыщением или тепловыми эффектами.

3.5 Диаграмма направленности излучения (Рис.6)

Полярная диаграмма, иллюстрирующая пространственное распределение излучаемого ИК-света. Диаграмма наглядно подтверждает широкий половинный угол 45°, показывая интенсивность, нормированную к пику при 0°.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры

Компонент выполнен в стандартном корпусе с радиальными выводами диаметром 5 мм. Ключевые размеры включают диаметр корпуса около 5 мм, типичное расстояние между выводами 2.54 мм (0.1") в месте выхода из корпуса и общую высоту. Фланец в основании помогает позиционированию при сборке печатной платы. Выступающая под фланцем смола не должна превышать 0.5 мм. Плоская грань на ободке линзы обычно указывает на катодный (отрицательный) вывод секции излучателя.

4.2 Определение полярности

Для секции излучателя более длинный вывод обычно является анодом (плюсом). Секция фотоприемника (фотодиода) в том же корпусе имеет свой собственный анод и катод. Схема расположения выводов в документации критически важна для правильного подключения. Неправильная полярность может повредить излучающий диод, если обратное напряжение превысит 5 В.

5. Рекомендации по пайке и сборке

• Пайка оплавлением:Предельно допустимая температура пайки выводов составляет 260°C в течение 5 секунд, измеренная на расстоянии 1.6 мм от корпуса. Это соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением (пиковая температура ~250°C).
• Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, используйте паяльник с контролем температуры и сведите время контакта к минимуму — менее 3 секунд на вывод, чтобы предотвратить тепловое повреждение внутреннего кристалла и пластикового корпуса.
• Очистка:Используйте подходящие чистящие растворители, совместимые с синей прозрачной эпоксидной смолой корпуса.
• Условия хранения:Храните в сухой антистатической среде в указанном температурном диапазоне (-55°C до +100°C), чтобы предотвратить поглощение влаги (что может вызвать \"вспучивание\" при пайке оплавлением) и повреждение от статического электричества.

6. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

6.1 Типовая схема включения

Для излучателя: Обычно используется простой последовательный резистор для ограничения прямого тока. Значение резистора рассчитывается как R = (V_CC- V_F) / I_F. Например, при питании 5 В, V_F=1.6 В и желаемом I_F=20 мА, R = (5 - 1.6) / 0.02 = 170 Ом. Транзистор (NPN или N-канальный MOSFET) часто включается последовательно для включения/выключения тока с помощью микроконтроллера.

Для фотоприемника (фотодиода): Обычно он работает в фотогальваническом (при нулевом смещении) или фотопроводящем (при обратном смещении) режиме. Для простого цифрового детектирования фотодиод можно включить последовательно с нагрузочным резистором. Напряжение на этом резисторе изменяется в зависимости от падающего ИК-света и может подаваться на компаратор или усилитель.

6.2 Соображения при проектировании

• Помехоустойчивость:Длина волны 940 нм и синий фильтр помогают, но фоновый свет от солнца или люминесцентных ламп (которые содержат ИК-излучение) все еще может вызывать помехи. Использование модулированного ИК-сигнала (например, несущая 38 кГц) и приемника с демодуляцией — стандартный метод достижения высокой помехоустойчивости.
• Управление током:Для импульсной работы вблизи пика 2 А убедитесь, что управляющий транзистор может выдержать такой ток, а дорожки на печатной плате достаточно широки, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения.
• Оптический тракт:Содержите линзу чистой и свободной от препятствий. Широкий угол обзора облегчает юстировку, но уменьшает максимальную дальность по сравнению с узким лучом. Для увеличения дальности рассмотрите возможность добавления простой коллимирующей линзы.
• Тепловой режим:При работе на высоких постоянных токах или при высоких температурах окружающей среды обеспечьте адекватную вентиляцию вокруг компонента, чтобы оставаться в пределах допустимой рассеиваемой мощности.

7. Техническое сравнение и отличия

По сравнению со стандартными ИК-светодиодами на 940 нм, LTE-3273DL интегрирует фотоприемник, экономя место на плате в приемопередающих приложениях. По сравнению с более медленными фототранзисторами, встроенный фотодиод обеспечивает более быстрое время отклика, подходящее для модулированной передачи данных. Его способность работать с высоким импульсным током (2 А) — ключевое преимущество перед многими базовыми ИК-светодиодами, позволяющее создавать более мощные сигналы. Сочетание особенностей (высокий ток, широкий угол, встроенный приемник) в недорогом корпусе хорошо позиционирует его для рынка бытовых пультов ДУ и датчиков.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Могу ли я управлять этим ИК-излучателем напрямую с вывода GPIO микроконтроллера?

А: Нет. Типичный вывод GPIO может выдавать/принимать только 20-50 мА, что может быть на пределе, и он не может обеспечить необходимое напряжение около 1.6 В для V_F. Всегда используйте транзистор в качестве ключа.

В: В чем разница между силой излучения (мВт/ср) и общей выходной мощностью (мВт)?

О: Сила излучения — это угловая плотность. Общая мощность потребовала бы интегрирования интенсивности по всей сфере излучения. Для такого широкоугольного излучателя общая мощность значительно выше значения силы излучения.

В: Как подключить выход фотодиода к цифровому входу?

О: Выходной ток фотодиода очень мал. Вам нужен преобразователь ток-напряжение (трансимпедансный усилитель), чтобы преобразовать его в напряжение, а затем компаратор для создания цифрового сигнала. Для простого детектирования включения/выключения при наличии фонового света настоятельно рекомендуется использовать специальный ИК-приемный модуль (со встроенным усилителем, фильтром и демодулятором) вместо использования сырого фотодиода.

В: Почему номинальное обратное напряжение всего 5 В?

О: Это типично для ИК-излучающих диодов на основе GaAs. Полупроводниковый материал и структура имеют относительно низкое напряжение пробоя. Необходимо тщательное проектирование схемы, чтобы избежать случайного обратного смещения.

9. Пример практического применения

Сценарий: Создание простого ИК-датчика объекта/приближения.

LTE-3273DL может использоваться в конфигурации отражательного датчика. Излучатель работает в импульсном режиме на определенной частоте (например, 1 кГц). Фотоприемник, расположенный рядом, ищет отраженный сигнал от объекта спереди. Полосовой фильтр, настроенный на 1 кГц в цепи усилителя приемника, подавляет шум фоновой засветки. Когда объект попадает в зону действия, отраженный сигнал увеличивается, запуская схему. Это распространено в автоматических дозаторах полотенец, датчиках наличия бумаги в принтерах и датчиках края у роботов.

10. Принцип работы

Устройство работает на основе хорошо известных принципов физики полупроводников.Излучательпредставляет собой светоизлучающий диод (LED) на арсениде галлия (GaAs). При прямом смещении электроны и дырки рекомбинируют в PN-переходе, высвобождая энергию в виде фотонов. Ширина запрещенной зоны GaAs определяет энергию фотона, соответствующую инфракрасной длине волны 940 нм.Детекторпредставляет собой кремниевый PIN-фотодиод. Когда фотоны с энергией больше ширины запрещенной зоны кремния (включая ИК-излучение 940 нм) попадают в область обеднения, они генерируют электрон-дырочные пары. Эти носители увлекаются внутренним электрическим полем (от встроенного или приложенного смещения), создавая фототок, пропорциональный интенсивности падающего света.

11. Отраслевые тенденции и разработки

Рынок дискретных ИК-компонентов продолжает развиваться. Тенденции включают:

Миниатюризация:Переход к корпусам для поверхностного монтажа (SMD), таким как 0805 или 0603, для более компактной бытовой электроники.

Более высокая интеграция:Объединение излучателя, приемника, драйвера и усилителя в единый модуль с цифровыми интерфейсами (I2C, UART).

Улучшение характеристик:Разработка излучателей с более высокой силой излучения и более узкой диаграммой направленности для применений с большей дальностью, а также приемников с более низким темновым током и более высокой скоростью.

Новые длины волн:Исследование длин волн за пределами 940 нм для специальных применений, таких как детектирование газов, хотя 940 нм остается доминирующей для универсальных пультов ДУ и датчиков из-за стоимости и совместимости.