Техническая документация LTE-S9511T-E: Инфракрасный излучатель и детектор - Пиковая длина волны 940 нм - Угол обзора 25° - Рассеиваемая мощность 100 мВт

1. Обзор продукта

LTE-S9511T-E — это дискретный инфракрасный компонент, предназначенный для широкого спектра оптоэлектронных применений. Он относится к семейству устройств, разработанных для обеспечения решений, требующих высокой мощности, высокой скорости и специфических оптических характеристик. Компонент изготовлен по технологии GaAs, которая является стандартной для инфракрасных излучателей, для достижения целевых показателей производительности.

1.1 Ключевые особенности и преимущества

Устройство включает несколько ключевых особенностей, делающих его подходящим для современных стандартов электронного монтажа и экологических норм. Оно соответствует директиве RoHS, классифицируясь как "зеленый" продукт. Упаковка разработана для совместимости с крупносерийным производством, поставляется в 8-миллиметровой ленте на катушках диаметром 7 дюймов, что совместимо с автоматическим оборудованием для установки. Кроме того, компонент выдерживает процессы инфракрасной пайки оплавлением, что является критически важным требованием для линий сборки поверхностного монтажа (SMT). Сам корпус соответствует стандартам EIA, обеспечивая механическую совместимость.

1.2 Целевые применения и рынок

Основное применение данного компонента — в качестве инфракрасного излучателя. Его характеристики делают его хорошо подходящим для интеграции в такие системы, как пульты дистанционного управления для бытовой электроники, ИК-каналы беспроводной передачи данных, охранные сигнализации и другие сенсорные приложения. Он предназначен для установки на печатную плату, обеспечивая компактный и надежный источник инфракрасного света.

2. Технические характеристики и объективная интерпретация

В данном разделе представлен детальный объективный анализ электрических, оптических и тепловых параметров устройства, как они определены в спецификации.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для нормальной работы.

• Рассеиваемая мощность (Pd):100 мВт. Это максимальное количество мощности, которое устройство может рассеять в виде тепла, не превышая своих тепловых пределов.
• Пиковый прямой ток (I_FP):1 А. Это максимально допустимый ток в импульсном режиме (300 импульсов в секунду, длительность импульса 10 мкс). Он значительно выше постоянного тока, что подчеркивает способность устройства к импульсной работе, характерной для передачи данных и пультов ДУ.
• Постоянный прямой ток (I_F):50 мА. Максимальный непрерывный прямой ток, который может выдержать устройство.
• Обратное напряжение (V_R):5 В. Приложение обратного напряжения выше этого значения может привести к пробою полупроводникового перехода.
• Диапазон рабочих температур (T_op):от -40°C до +85°C. Диапазон температуры окружающей среды, в котором устройство гарантированно работает корректно.
• Диапазон температур хранения (T_stg):от -55°C до +100°C. Диапазон температур для хранения в нерабочем состоянии.
• Условия инфракрасной пайки:Выдерживает 260°C максимум в течение 10 секунд. Это определяет допустимый профиль пайки оплавлением.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Это типичные параметры производительности, измеренные при температуре окружающей среды (T_A) 25°C в указанных условиях испытаний.

• Сила излучения (I_E):6,0 мВт/ср (тип.) при I_F= 20мА. Измеряет оптическую мощность, излучаемую на единицу телесного угла (стерадиан). Это ключевой параметр для определения эффективной дальности и силы сигнала в приложении.
• Пиковая длина волны излучения (λ_p):940 нм (тип.). Длина волны, на которой излучаемая оптическая мощность максимальна. Она находится в ближнем инфракрасном спектре, невидимом для человеческого глаза, но обнаруживаемом кремниевыми фотодиодами и фототранзисторами.
• Полуширина спектральной линии (Δλ):50 нм (тип.). Указывает на спектральную ширину полосы или диапазон излучаемых длин волн. Значение 50 нм является обычным для стандартных GaAs ИК-светодиодов.
• Прямое напряжение (V_F):1,2 В (тип.), 1,5 В (макс.) при I_F= 20мА. Падение напряжения на устройстве при протекании тока. Это критически важно для проектирования схемы управления и расчета энергопотребления.
• Обратный ток (I_R):10 мкА (макс.) при V_R= 5В. Небольшой ток утечки, протекающий при обратном смещении устройства.
• Угол обзора (2θ_1/2):25 градусов (тип.). Определяется как полный угол, при котором сила излучения падает до половины своего значения на центральной оси. Угол 25 градусов указывает на относительно сфокусированный луч, что может быть полезно для направленной связи или сенсорики.

3. Анализ характеристических кривых

Спецификация включает несколько графиков, иллюстрирующих взаимосвязь ключевых параметров. Эти кривые необходимы для понимания поведения устройства в нестандартных условиях.

3.1 Спектральное распределение

Кривая спектрального распределения (Рис.1) показывает относительную силу излучения в зависимости от длины волны. Она подтверждает пик примерно на 940 нм и полуширину около 50 нм, предоставляя визуальное представление о спектральной чистоте излучаемого света.

3.2 Зависимость прямого тока от прямого напряжения (Вольт-амперная характеристика)

Эта кривая (Рис.3) является фундаментальной для любого полупроводникового устройства. Она показывает нелинейную зависимость между током через ИК-светодиод и напряжением на нем. Кривая смещается с температурой, что критически важно для теплового менеджмента в конструкции.

3.3 Температурная зависимость

Рисунки 2 и 4 изображают, как производительность устройства изменяется с температурой окружающей среды. Как правило, прямое напряжение диода имеет отрицательный температурный коэффициент (уменьшается с ростом температуры), в то время как оптическая выходная мощность также обычно снижается с повышением температуры. Эти графики позволяют разработчикам снижать номинальные параметры для высокотемпературных сред.

3.4 Относительная сила излучения в зависимости от прямого тока

Рисунок 5 показывает, как световой выход масштабируется с током управления. Обычно она сублинейна; удвоение тока не удваивает оптический выход. Эта зависимость важна для установки рабочей точки для эффективного достижения желаемой яркости или силы сигнала.

3.5 Диаграмма направленности

Полярная диаграмма (Рис.6) предоставляет детальную карту излучаемой интенсивности в зависимости от угла относительно центральной оси. Это устройство с углом обзора 25 градусов показывает диаграмму направленности, наиболее сильную в центре и спадающую к краям, что критически важно для проектирования оптических систем, например, для совмещения с полем зрения приемника.

4. Механическая информация и информация об упаковке

4.1 Габаритные размеры

Спецификация предоставляет детальные механические чертежи компонента. Ключевые размеры включают размер корпуса, расстояние между выводами и общую высоту. Компонент имеет прозрачный пластиковый корпус с боковой линзой, которая формирует диаграмму направленности излучаемого света. Все критические размеры приведены со стандартным допуском ±0,15 мм, если не указано иное.

4.2 Рекомендуемая контактная площадка для пайки

Включен рекомендуемый посадочный рисунок (footprint) для проектирования печатной платы. Соблюдение этих размеров жизненно важно для обеспечения правильного формирования паяного соединения во время оплавления, достижения хорошей механической прочности и облегчения отвода тепла от устройства.

4.3 Идентификация полярности

Применяются стандартные соглашения о полярности светодиодов. Катод обычно обозначается плоским краем на корпусе, выемкой или более коротким выводом. Правильную полярность необходимо соблюдать во время сборки, чтобы предотвратить повреждение.

5. Руководство по сборке, обращению и надежности

5.1 Руководство по пайке и сборке

Устройство рассчитано на инфракрасную пайку оплавлением. В спецификации указаны критические параметры профиля:

• Предварительный нагрев:150–200°C.
• Время предварительного нагрева:максимум 120 секунд.
• Пиковая температура:максимум 260°C.
• Время выше температуры ликвидуса:максимум 10 секунд (максимум для двух циклов оплавления).

Для ручной пайки паяльником рекомендуется максимальная температура 300°C не более 3 секунд на соединение. В спецификации подчеркивается, что оптимальный профиль зависит от конкретной конструкции печатной платы, припоя и печи, и рекомендуется использовать профили по стандарту JEDEC в качестве отправной точки.

5.2 Условия хранения

Компонент имеет уровень чувствительности к влажности (MSL) 3. Это означает:

• Запечатанный пакет:Может храниться до одного года при ≤30°C и ≤90% относительной влажности.
• После вскрытия пакета:Должны храниться при ≤30°C и ≤60% относительной влажности. Компоненты должны быть подвергнуты оплавлению в течение одной недели (168 часов). Если они хранятся дольше вне оригинального пакета, их необходимо хранить в сушильном шкафу или герметичном контейнере с осушителем. Если воздействие превышает одну неделю, перед пайкой требуется прогрев при 60°C в течение не менее 20 часов, чтобы предотвратить растрескивание "попкорном" во время оплавления.

5.3 Очистка

Если очистка необходима после пайки, следует использовать только спиртовые растворители, такие как изопропиловый спирт (IPA). Агрессивные химикаты могут повредить пластиковый корпус или линзу.

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Спецификации ленты и катушки

Компонент поставляется в тисненой несущей ленте с покровной лентой, намотанной на катушки диаметром 7 дюймов (178 мм). Каждая катушка содержит 3000 штук. Упаковка соответствует стандартам ANSI/EIA-481-1-A-1994. Спецификации включают размеры ячеек, ширину ленты и размер ступицы катушки для обеспечения совместимости с автоматическими установочными машинами.

7. Соображения по проектированию приложений

7.1 Проектирование схемы управления

Важное замечание по проектированию: светодиод — это устройство, управляемое током. В спецификации настоятельно не рекомендуется подключать несколько светодиодов непосредственно параллельно от одного источника напряжения с одним токоограничивающим резистором (Схема B). Из-за естественных вариаций прямого напряжения (V_F) отдельных устройств ток не будет распределяться равномерно, что приведет к значительным различиям в яркости и потенциальной перегрузке одного устройства. Рекомендуемый метод (Схема A) — использовать отдельный токоограничивающий резистор последовательно с каждым светодиодом. Это обеспечивает равномерный ток и, следовательно, равномерную силу излучения для всех устройств в массиве.

7.2 Тепловой менеджмент

Хотя абсолютная максимальная рассеиваемая мощность составляет 100 мВт, практическая работа должна оставаться значительно ниже этого предела, особенно при более высоких температурах окружающей среды. Необходимо обращаться к кривым снижения номинальных параметров (Рис. 2, Рис. 4). Адекватная площадь медного покрытия на печатной плате (использование рекомендуемого посадочного рисунка помогает) необходима для отвода тепла от перехода устройства для поддержания производительности и долговечности.

7.3 Оптическое проектирование

Угол обзора 25 градусов и корпус с боковой линзой влияют на то, как направляется ИК-энергия. Для оптимальной производительности в сенсорной или коммуникационной линии диаграмма направленности излучателя должна быть согласована с угловой чувствительностью приемника. Диаграмма направленности (Рис.6) необходима для этого согласования. Для приложений, требующих иной диаграммы направленности, могут потребоваться внешние линзы или отражатели.

8. Техническое сравнение и дифференциация

LTE-S9511T-E с пиковой длиной волны 940 нм позиционируется для универсальных инфракрасных применений. Ключевыми отличительными особенностями являются его боковой корпус, полезный для боковой подсветки или специфических требований к оптическому пути, а также совместимость с процессами автоматической сборки. По сравнению с устройствами с более широкими углами обзора (например, 60-120 градусов), этот компонент предлагает более высокую осевую интенсивность при заданном токе управления, что может означать большую дальность или меньшее энергопотребление для направленных линий связи. Его длина волны 940 нм является общепринятым стандартом, обеспечивая широкую совместимость с кремниевыми инфракрасными приемниками и фильтрами, разработанными для этого спектра.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В1: Могу ли я управлять этим ИК-светодиодом напрямую с вывода GPIO микроконтроллера?

О: Это зависит от способности вывода GPIO выдавать ток. При типичном токе управления 20 мА вывод GPIO должен быть способен выдавать как минимум столько. Последовательный резистор всегда требуется для ограничения тока, рассчитываемый как R = (V_{питания}- V_F) / I_F. Для питания 3,3 В и V_F= 1,2 В при 20 мА, R = (3,3 - 1,2) / 0,02 = 105 Ом. Резистор 100 Ом будет стандартным выбором.

В2: В чем разница между пиковой длиной волны (λ_p) и доминирующей длиной волны (λ_d)?

О: Пиковая длина волны — это длина волны в точке максимума кривой спектрального распределения мощности. Доминирующая длина волны выводится из колориметрии и представляет воспринимаемый цвет. Для монохроматических ИК-излучателей они обычно очень близки, но λ_pявляется стандартной технической спецификацией для оптоэлектронной производительности.

В3: Почему импульсный ток (1 А) так сильно превышает постоянный ток (50 мА)?

О: Это связано с тепловыми ограничениями. Во время очень короткого импульса (10 мкс) полупроводниковый переход не успевает значительно нагреться, что позволяет использовать гораздо более высокий мгновенный ток без превышения максимальной температуры перехода. При постоянном токе тепло накапливается непрерывно, поэтому ток должен быть ограничен для поддержания температуры в безопасных пределах.

10. Практические примеры применения

Пример 1: Простой передатчик для ИК-пульта ДУ.LTE-S9511T-E может использоваться в качестве излучателя в базовом пульте. Микроконтроллер генерирует модулированный цифровой сигнал (например, несущая 38 кГц), соответствующий протоколу команд (например, NEC, RC5). Этот сигнал переключает транзистор, который управляет ИК-светодиодом импульсным током до пикового значения 1 А, создавая вспышки инфракрасного света. Сфокусированный луч 25 градусов помогает обеспечить направленность сигнала на приемник.

Пример 2: Датчик приближения или обнаружения объектов.В паре с отдельным фототранзистором или фотодиодом в качестве приемника излучатель может использоваться для обнаружения наличия или отсутствия объекта. Излучатель направляет ИК-свет через зазор. Когда объект прерывает луч, сигнал приемника падает, запуская событие обнаружения. Боковой корпус может быть преимуществом при проектировании компактных сенсорных узлов, где оптический путь параллелен печатной плате.

11. Принцип работы

LTE-S9511T-E — это светоизлучающий диод (LED) на основе полупроводникового материала арсенида галлия (GaAs). Когда прямое напряжение прикладывается к P-N переходу, электроны и дырки инжектируются в активную область, где они рекомбинируют. В прямозонном полупроводнике, таком как GaAs, эта рекомбинация высвобождает энергию в виде фотонов (света). Удельная ширина запрещенной зоны материала определяет длину волны излучаемого света; для GaAs это приводит к инфракрасному излучению около 940 нм. Боковая линза изготовлена из прозрачной эпоксидной смолы, которая инкапсулирует полупроводниковый кристалл и формирует излучаемый свет в заданную диаграмму направленности.

12. Контекст отрасли и тенденции

Дискретные инфракрасные компоненты, такие как LTE-S9511T-E, остаются фундаментальными строительными блоками в электронике. Хотя интегрированные сенсорные модули (объединяющие излучатель, детектор и логику в одном корпусе) набирают популярность для специфических применений, таких как распознавание жестов, дискретные компоненты предлагают гибкость проектирования, экономическую эффективность для крупносерийных применений и возможность независимой оптимизации оптического пути. Тенденции в отрасли включают постоянный спрос на миниатюризацию, более высокую эффективность (больше оптического выхода на электрический вход) и повышенную совместимость с бессвинцовыми высокотемпературными процессами пайки. Соответствие этого устройства директиве RoHS и статус "зеленого" продукта соответствуют глобальным экологическим нормам, определяющим развитие электронной промышленности.