Техническая спецификация LTE-3273L: ИК-излучатель и детектор - 940 нм - Высокая мощность - Широкий угол обзора

1. Обзор продукта

LTE-3273L — это дискретный инфракрасный (ИК) компонент, предназначенный для применений, требующих надежного излучения и детектирования инфракрасного света. Он относится к семейству оптоэлектронных устройств, разработанных для работы в условиях, где инфракрасная сигнализация имеет критическое значение. Основная функция данного устройства — излучать инфракрасный свет на определенной длине волны при подаче электрического тока и/или детектировать падающее инфракрасное излучение, преобразуя его в электрический сигнал.

Продукт позиционируется как решение для систем, требующих баланса между высокой оптической мощностью, эффективными электрическими характеристиками и широкой диаграммой направленности излучения/детектирования. Его конструкция отвечает потребности в компонентах, способных эффективно работать в импульсном режиме, что характерно для цифровых протоколов связи для экономии энергии и повышения четкости сигнала.

Ключевые преимущества:LTE-3273L выделяется несколькими ключевыми особенностями. Он разработан для работы с высокими токами при сохранении относительно низкого прямого напряжения, что способствует повышению общей электрической эффективности и снижению тепловой нагрузки. Устройство обеспечивает высокую излучательную силу, что позволяет осуществлять мощную передачу сигнала на расстояние или через препятствия. Его широкий угол обзора гарантирует большую зону покрытия, делая юстировку между излучателем и детектором менее критичной при проектировании системы. Наконец, прозрачный корпус обеспечивает максимальную передачу света с минимальным внутренним поглощением или рассеянием.

Целевые рынки и применения:Этот компонент в первую очередь ориентирован на рынки бытовой электроники, промышленной автоматизации и безопасности. Его типичные применения включают, но не ограничиваются: инфракрасные пульты дистанционного управления для телевизоров и аудиоаппаратуры, каналы коротко-дальней беспроводной передачи данных, датчики приближения, счетчики объектов и системы охранной сигнализации, где детектируется прерывание луча. Высокоскоростные возможности также делают его пригодным для базовых протоколов ИК-передачи данных.

2. Подробный анализ технических параметров

В этом разделе представлена детальная, объективная интерпретация ключевых параметров, указанных в спецификации, с объяснением их значимости для проектирования и применения.

2.1 Абсолютные максимальные характеристики

Эти характеристики определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Для надежной долгосрочной работы не рекомендуется эксплуатация на этих пределах или вблизи них.

• Рассеиваемая мощность (Pd): 150 мВт- Это максимальное количество мощности, которое устройство может рассеять в виде тепла при температуре окружающей среды (TA) 25°C. Превышение этого предела грозит перегревом полупроводникового перехода, приводящим к ускоренной деградации или катастрофическому отказу. Конструкторы должны обеспечить, чтобы рабочие условия (прямой ток и напряжение) приводили к рассеиваемой мощности (IF * VF) ниже этого значения, с запасом по надежности.
• Пиковый прямой ток (I_FP): 2 А- Это максимально допустимый ток для импульсного режима работы, указанный для условий 300 импульсов в секунду (pps) с длительностью импульса 10 мкс. Это высокое значение позволяет устройству обеспечивать очень высокую мгновенную оптическую мощность в коротких импульсах, что идеально для пультов ДУ дальнего действия или мощных сигнальных импульсов в зашумленных средах.
• Постоянный прямой ток (I_F): 100 мА- Это максимальный постоянный ток, который можно прикладывать непрерывно. Для большинства приложений с постоянным включением рабочий ток должен поддерживаться на уровне или ниже этого значения. Типичный рабочий ток часто значительно ниже (например, 20-50 мА) для обеспечения долговечности и управления теплом.
• Обратное напряжение (V_R): 5 В- Максимальное напряжение, которое можно приложить в обратном направлении к светодиоду. Превышение этого значения может вызвать пробой и разрушить устройство. Для предотвращения всплесков обратного напряжения часто используется защита схемы, такая как последовательный резистор или параллельный защитный диод.
• Диапазоны рабочих температур и температур хранения:Устройство рассчитано на работу от -40°C до +85°C и хранение от -55°C до +100°C. Эти широкие диапазоны делают его подходящим для автомобильных, промышленных и уличных применений, где возможны экстремальные температуры.
• Температура пайки выводов: 260°C в течение 5 секунд- Это определяет допустимый профиль пайки оплавлением. Спецификация расстояния 1.6 мм от корпуса критически важна; нагрев ближе к пластиковому корпусу может вызвать деформацию или внутреннее повреждение.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Это типичные параметры производительности, измеренные при указанных условиях испытаний (TA=25°C). Они определяют, как устройство будет вести себя в схеме.

• Излучательная сила (I_E):
  • 5.6 - 8.0 мВт/ср @ I_F= 20мА- Это оптическая мощность, излучаемая на единицу телесного угла (стерадиан). Это прямая мера "яркости" ИК-источника спереди. Диапазон указывает на типичное разброс от образца к образцу.
  • 28.0 - 40.0 мВт/ср @ I_F= 100мА- Показывает нелинейную зависимость между током и выходной мощностью. Увеличение тока в 5 раз увеличивает излучательную силу примерно в 5 раз, что указывает на хорошую эффективность даже при более высоких токах.
• Пиковая длина волны излучения (λ_Пик): 940 нм- Длина волны, на которой устройство излучает наибольшую оптическую мощность. 940 нм находится в ближнем инфракрасном спектре, невидимом для человеческого глаза. Это распространенная длина волны для пультов дистанционного управления, так как она позволяет избежать видимого красного свечения и хорошо согласуется с чувствительностью кремниевых фотодетекторов.
• Полуширина спектральной линии (Δλ): 50 нм- Этот параметр, также называемый шириной на полувысоте (FWHM), указывает на спектральную чистоту излучаемого света. Значение 50 нм означает, что излучаемый свет охватывает полосу длин волн шириной примерно 50 нм с центром на пике 940 нм. Это типично для стандартных GaAs ИК-светодиодов.
• Прямое напряжение (V_F):
  • 1.25 - 1.6 В @ I_F= 50мА- Падение напряжения на устройстве при протекании тока 50мА. Это низкое V_Fявляется ключевой особенностью, снижающей потери мощности и тепловыделение.
  • 1.85 - 2.3 В @ I_F= 500мА- V_Fувеличивается с ростом тока из-за внутреннего сопротивления диода. Это значение имеет решающее значение для проектирования драйверов импульсного тока высокой мощности.
• Обратный ток (I_R): 100 мкА макс. @ V_R= 5В- Небольшой ток утечки, протекающий при приложении максимального обратного напряжения. Желательно низкое значение.
• Угол обзора (2θ_1/2): 40°- Это полный угол, при котором излучательная сила падает до половины своего максимального значения (на оси). Угол 40° обеспечивает довольно широкий луч, что полезно для применений, где точная юстировка затруднена.

2.3 Тепловые характеристики

Хотя они явно не перечислены в отдельной таблице, тепловое поведение выводится из нескольких параметров. Номинальная рассеиваемая мощность (150 мВт) по своей сути является тепловым пределом. Характеристические кривые (обсуждаемые далее) показывают, как выходная мощность и прямое напряжение изменяются с температурой окружающей среды. Эффективный тепловой менеджмент, обеспечиваемый площадью меди на печатной плате или радиатором, необходим для поддержания производительности и надежности, особенно при работе вблизи максимального постоянного тока.

3. Анализ характеристических кривых

Типичные кривые дают визуальное и количественное представление о поведении устройства в различных условиях, что жизненно важно для надежного проектирования схем.

3.1 Зависимость прямого тока от прямого напряжения (Рис. 3)

Эта ВАХ показывает экспоненциальную зависимость, типичную для диода. При низких токах напряжение низкое. С увеличением тока напряжение растет. Кривая позволяет конструкторам выбрать соответствующий токоограничивающий резистор для заданного напряжения питания. Например, для питания светодиода током 100 мА от источника 5 В, значение резистора R = (V_{питания}- V_F) / I_F. Используя типичное V_F~1.6 В при 100 мА (экстраполированное), R будет (5 - 1.6) / 0.1 = 34 Ом. Мощность на резисторе составит I²R = 0.34 Вт.

3.2 Зависимость относительной излучательной силы от прямого тока (Рис. 5)

Этот график демонстрирует зависимость оптической выходной мощности от тока накачки. Она, как правило, линейна при низких токах, но может показывать признаки насыщения или снижения эффективности при очень высоких токах из-за тепловых эффектов и внутренней квантовой эффективности. Кривая подтверждает, что импульсная работа при 2 А (из абсолютных максимальных характеристик) даст значительно более высокую мгновенную выходную мощность, чем непрерывная работа при 100 мА, что оправдывает ее использование для дальней сигнализации.

3.3 Зависимость относительной излучательной силы от температуры окружающей среды (Рис. 4)

Это критически важная кривая для понимания влияния окружающей среды. Она показывает, что с ростом температуры окружающей среды излучательная сила уменьшается. Это характерно для светодиодов; более высокая температура перехода снижает внутреннюю квантовую эффективность. Например, выходная мощность при +85°C может составлять лишь 60-70% от мощности при +25°C. Конструкторы должны учитывать это снижение в системах, которые должны надежно работать во всем температурном диапазоне. Это может потребовать питания светодиода несколько более высоким током при высоких температурах для компенсации потери выходной мощности, при условии, что пределы рассеиваемой мощности не превышены.

3.4 Спектральное распределение (Рис. 1)

Этот график визуализирует спектр излучения с центром на 940 нм и шириной на полувысоте 50 нм. Он подтверждает, что устройство излучает в ближнем ИК-диапазоне, и помогает в выборе совместимых оптических фильтров или оценке потенциальных помех от источников окружающего света (таких как солнечный свет или лампы накаливания, имеющие широкий спектр).

3.5 Диаграмма направленности излучения (Рис. 6)

Эта полярная диаграмма дает детальное представление об угловом распределении излучаемого света. Она графически представляет угол обзора 40° (2θ_1/2). Форма кривой важна для проектирования линз или отражателей для коллимации или дальнейшего расширения луча для конкретных применений.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры и допуски

Устройство имеет стандартный корпус для монтажа в отверстия с фланцем для механической стабильности и возможного теплоотвода. Ключевые размеры включают диаметр корпуса, расстояние между выводами и общую длину. Все размеры указаны в миллиметрах. Стандартный допуск составляет ±0.25 мм, если для конкретного элемента не указано иное. Расстояние между выводами измеряется в точке выхода выводов из корпуса, что является стандартным ориентиром для размещения отверстий на печатной плате. Отмечено максимальное выступание смолы под фланцем 1.5 мм, что важно для зазора на плате и очистки.

4.2 Определение полярности

Для ИК-излучателя (светодиода) более длинный вывод, как правило, является анодом (плюсом), а более короткий — катодом (минусом). Чертеж в спецификации должен четко указывать это, часто с помощью плоской стороны на корпусе или выемки возле катодного вывода. Правильная полярность необходима; обратное смещение свыше 5 В может повредить устройство.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

Пайка оплавлением:Указанный параметр — 260°C не более 5 секунд, измеренный в точке на расстоянии 1.6 мм от корпуса. Это соответствует распространенным профилям бессвинцовой пайки оплавлением (пиковая температура 240-260°C). Расстояние 1.6 мм критически важно для предотвращения превышения пластиковым корпусом температуры стеклования и деформации.

Ручная пайка:Если необходима ручная пайка, следует использовать паяльник с регулировкой температуры. Время контакта на каждый вывод должно быть минимизировано, в идеале менее 3 секунд, с использованием теплоотводящей зажимной клипсы на выводе между паяльником и корпусом.

Очистка:После пайки можно использовать стандартные процессы очистки печатных плат, но совместимость с прозрачным смоляным корпусом следует проверять у производителя чистящего средства.

Условия хранения:Для предотвращения поглощения влаги (что может вызвать "вспучивание" при пайке оплавлением) устройства должны храниться в сухой среде, обычно при относительной влажности ниже 40% при комнатной температуре, или в герметичных влагозащитных пакетах с осушителем, если срок хранения продлен.

6. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

6.1 Типовые схемы включения

Схема управления излучателем:Простейшая схема — последовательный токоограничивающий резистор. Для импульсного режима используется транзистор (БЮТ или МОП-транзистор) для включения и выключения высокого тока. Драйвер должен быть способен обеспечивать пиковый ток (до 2 А) с низким напряжением насыщения, чтобы максимизировать напряжение на светодиоде. Для передачи данных желательно короткое время нарастания/спада.

Схема детектора:При использовании в качестве фотодиода (если применимо для данной версии) он обычно работает в режиме обратного смещения или фотогальваническом режиме (нулевое смещение), подключенный к трансимпедансному усилителю для преобразования малого фототока в полезное напряжение.

6.2 Ключевые соображения при проектировании

• Ограничение тока:Всегда используйте последовательный резистор или активный драйвер постоянного тока. Никогда не подключайте напрямую к источнику напряжения.
• Импульсный режим работы:Для импульсного управления убедитесь, что длительность импульса и скважность поддерживают среднюю рассеиваемую мощность в пределах нормы. Средний ток = Пиковый ток * Скважность. Для импульсов 2 А при 300 импульсах в секунду и длительности 10 мкс, скважность = (10e-6 * 300) = 0.003 (0.3%). Средний ток = 2 А * 0.003 = 6 мА, что хорошо в пределах постоянного номинала.
• Оптический путь:Учитывайте угол обзора 40°. Для сфокусированного луча может потребоваться линза. Для детектирования на большой площади угол может быть достаточным. Держите оптический путь свободным от препятствий и чистым.
• Защита от засветки:В приложениях с детектором окружающий ИК-свет (от солнца, ламп) является основным источником шума. Использование модулированного ИК-сигнала (например, 38 кГц) и соответствующей настроенной приемной схемы является стандартным методом для подавления этого постоянного и низкочастотного шума.
• Разводка печатной платы:Для излучателя обеспечьте достаточную ширину дорожки для обработки пиковых импульсных токов без чрезмерного падения напряжения. Для теплового менеджмента подключите фланец (если он электрически изолирован или подключен к выводу) к медной площадке на печатной плате, чтобы она служила радиатором.

7. Техническое сравнение и отличия

Хотя конкретные конкурирующие изделия не названы, комбинация параметров LTE-3273L определяет его нишу:

• По сравнению со стандартными ИК-светодиодами 940 нм:Его высокий номинальный пиковый ток (2 А) и высокая излучательная сила при 100 мА отличают его от маломощных вариантов, используемых в простых пультах ДУ. Это делает его подходящим для применений с большей дальностью или требующих высокой помехозащищенности.
• По сравнению с высокоскоростными ИК-светодиодами 850 нм:LTE-3273L использует GaAs на 940 нм, тогда как высокоскоростные варианты часто используют AlGaAs на 850 нм. Устройства на 850 нм обычно имеют более короткое время нарастания/спада для высокоскоростной передачи данных, но могут иметь слабое красное свечение. Устройство на 940 нм полностью невидимо, что предпочтительно для незаметных применений, и его ширина на полувысоте 50 нм является стандартной.
• По сравнению с фототранзисторами/фотодиодами в том же корпусе:Название спецификации предполагает семейство, охватывающее как излучатели, так и детекторы. Специальная версия фотодетектора имела бы другие характеристики (чувствительность, темновой ток, скорость). Ключевым преимуществом согласованной пары из одного семейства может быть оптимизированное спектральное соответствие.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В1: Могу ли я питать этот светодиод непрерывно током 500 мА?

О: Нет. Абсолютная максимальная характеристика для постоянного прямого тока составляет 100 мА. Условие 500 мА, указанное в таблице электрических характеристик, является условием испытания для измерения V_Fпри высоком токе, вероятно, относящимся к его импульсному номиналу. Непрерывная работа не должна превышать 100 мА.

В2: Почему дальность действия моего ИК-пульта меньше в горячей машине?

О: См. Рис. 4 (Зависимость относительной излучательной силы от температуры окружающей среды). Выходная мощность светодиода уменьшается с ростом температуры. При +85°C выходная мощность может быть на 30-40% ниже, чем при комнатной температуре, что напрямую снижает эффективную дальность.

В3: Какой резистор использовать с источником питания 3.3 В для получения типичной выходной мощности?

О: Для целевого I_F20 мА (дающего 5.6-8.0 мВт/ср) и типичного V_F1.6 В при 50 мА (используйте ~1.5 В как оценку для 20 мА), R = (3.3 В - 1.5 В) / 0.02 А = 90 Ом. Ближайшее стандартное значение — 91 Ом. Мощность на резисторе: (0.02^2)*91 = 0.0364 Вт, поэтому резистор на 1/8 Вт или 1/10 Вт достаточен.

В4: Угол обзора одинаков для излучения и детектирования?

О: Для ИК-излучателя (светодиода) угол 40° определяет диаграмму направленности излучения. Для фотодиода или фототранзисторного детектора аналогичный, но отдельный параметр, называемый "углом обзора" или "углом чувствительности", определял бы его угловую приемную способность. Они часто схожи, но не обязательно идентичны. Проверьте спецификацию конкретного детектора.

9. Практический пример проектирования и использования

Пример: Проектирование передатчика для пульта дистанционного открывания гаражных ворот большой дальности.

Цель проектирования — достижение надежной дальности 50 метров в дневных условиях. LTE-3273L выбран за его высокие возможности импульсной выходной мощности.

Этапы проектирования:

1. Схема драйвера:Используйте МОП-транзистор, управляемый микроконтроллером, для импульсного питания светодиода. Последовательный резистор рассчитывается на основе напряжения батареи (например, 12 В) и желаемого пикового тока. Для максимизации дальности питайте близко к пиковому номиналу: выберите I_FP= 1.5 А (в пределах максимума 2 А). V_Fпри 1.5 А (по экстраполяции кривой) ~2.5 В. Резистор R = (12 В - 2.5 В) / 1.5 А = 6.33 Ом. Используйте резистор 6.2 Ом, 5 Вт, чтобы выдерживать импульсную мощность (P = I²R = 1.5^2 * 6.2 ≈ 14 Вт пиковая, но средняя мощность мала).

2. Импульсный режим:Закодируйте команду с использованием несущей 38 кГц, модулированной битами данных. Длительность импульса для каждой посылки 38 кГц поддерживается на уровне 10 мкс или менее, чтобы оставаться в пределах номинала. Скважность очень низкая.

3. Оптика:Добавьте простую пластиковую линзу перед светодиодом, чтобы коллимировать естественный луч 40° в более узкий, сфокусированный луч для большей дальности.

4. Тепловой режим:Из-за низкой скважности средняя мощность и нагрев минимальны. Специальный радиатор, помимо медной площадки на плате, подключенной к фланцу, не требуется.

Этот проект использует ключевые особенности LTE-3273L: высокий пиковый ток, высокая излучательная сила и пригодность для импульсной работы.

10. Введение в принцип работы

Инфракрасный излучатель (ИК-светодиод):LTE-3273L, функционируя как излучатель, представляет собой светоизлучающий диод (LED) на основе полупроводникового материала арсенида галлия (GaAs). При приложении прямого напряжения электроны и дырки инжектируются в активную область полупроводникового перехода. При рекомбинации этих носителей заряда они высвобождают энергию в виде фотонов (света). Удельная ширина запрещенной зоны материала GaAs определяет длину волны этих фотонов, которая находится в инфракрасной области на 940 нанометров. Прозрачный корпус позволяет этому свету выходить с минимальными потерями.

Инфракрасный детектор (Фотодиод):Если устройство сконфигурировано как детектор, оно содержит PIN-переход. Когда фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника (т.е. инфракрасный свет), попадают в область обеднения, они создают электрон-дырочные пары. Эти носители заряда затем разделяются встроенным электрическим полем (или приложенным обратным смещением), генерируя фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Этот малый ток может быть усилен и обработан внешней схемой.

11. Тенденции и контекст технологии

Дискретные инфракрасные компоненты, такие как LTE-3273L, представляют собой зрелую и стабильную технологию. Основные материалы (GaAs, AlGaAs) и типы корпусов были оптимизированы на протяжении десятилетий для надежности и экономической эффективности. Текущие тенденции в этой области связаны не с революционными изменениями в самих дискретных устройствах, а с их интеграцией и контекстом применения:

• Интеграция:Наблюдается переход к интегрированным модулям, которые объединяют излучатель, детектор, драйвер, усилитель и цифровую логику (например, декодер для конкретного протокола) в один корпус для поверхностного монтажа. Они упрощают проектирование, но могут не обеспечивать тот же уровень кастомизации или оптимизации производительности, что и дискретные компоненты для специализированных применений.
• Миниатюризация:Хотя корпуса для монтажа в отверстия остаются популярными из-за надежности, растет спрос на более компактные версии для поверхностного монтажа (SMD) для экономии места на современных печатных платах.
• Повышение производительности:Для новых применений, таких как LiDAR в потребительской электронике или расширенное распознавание жестов, ведутся исследования более быстрых и эффективных ИК-излучателей (например, с использованием технологии VCSEL) и детекторов с более высокой чувствительностью и меньшим шумом. Однако для классических применений, таких как пульты ДУ, датчики приближения и базовые каналы передачи данных, традиционные компоненты, подобные LTE-3273L, предлагают оптимальный баланс производительности, надежности и стоимости.
• Расширение областей применения:Основные принципы остаются актуальными для новых устройств Интернета вещей (IoT), где требуется простая, малопотребляющая беспроводная связь или сенсорика без сложности радиочастотных (RF) систем.

В заключение, LTE-3273L — это хорошо специфицированный, надежный компонент, основанный на проверенной технологии. Его ценность заключается в четкой, детальной спецификации, которая позволяет инженерам точно прогнозировать его поведение и эффективно проектировать его в системы, требующие надежной инфракрасной функциональности для управления, сенсорики или базовой связи.