Технический паспорт ИК-излучателя и детектора - Прозрачный корпус - Прямое напряжение 1.6В - Сила излучения до 7.669 мВт/ср

1. Обзор продукта

В данном документе подробно описаны характеристики миниатюрного, недорогого инфракрасного (ИК) излучателя и детектора, размещённых в прозрачном пластиковом корпусе. Устройство предназначено для торцевого монтажа, что означает расположение активной зоны излучения/приёма на торце корпуса. Оно отбирается и сортируется по определённым диапазонам силы излучения и облучённости апертуры, обеспечивая стабильные характеристики для применений, требующих точного оптического выхода или чувствительности. Прозрачный корпус обеспечивает эффективную передачу инфракрасного света, одновременно защищая полупроводниковый кристалл.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Устройство рассчитано на надёжную работу в следующих абсолютных пределах, превышение которых может привести к необратимому повреждению. Рассеиваемая мощность составляет 90 мВт. В импульсном режиме оно может выдерживать пиковый прямой ток 1 Ампер при условиях: 300 импульсов в секунду с длительностью импульса 10 микросекунд. Максимальный постоянный прямой ток — 60 мА. Компонент выдерживает обратное напряжение до 5 Вольт. Диапазон рабочих температур от -40°C до +85°C, а диапазон температур хранения — от -55°C до +100°C. При монтаже выводы можно паять при температуре 260°C в течение 5 секунд, измеряемой на расстоянии 1.6 мм от корпуса.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Все электрические и оптические параметры указаны при температуре окружающей среды (T_A) 25°C. Ключевые параметры определяют производительность устройства в стандартных условиях испытаний.

• Облучённость апертуры (E_e):Этот параметр, измеряемый в мВт/см², представляет собой плотность оптической мощности, падающей на активную область детектора. Испытания проводятся при прямом токе (I_F) 20мА. Значения сортируются по группам (bin), от минимального 0.096 мВт/см² (Группа A1) до типичного максимального 1.020 мВт/см² (Группа C).
• Сила излучения (I_E):Измеряется в мВт/ср (милливатт на стерадиан), определяет излучаемую оптическую мощность на единицу телесного угла для ИК-излучателя. Также испытывается при I_F=20мА, диапазон от 0.722 мВт/ср (Группа A1) до 7.669 мВт/ср (Группа C).
• Пиковая длина волны излучения (λ_Пик):Излучение инфракрасного светодиода сосредоточено на номинальной длине волны 940 нанометров.
• Полуширина спектральной линии (Δλ):Спектральная ширина полосы, где интенсивность составляет не менее половины пикового значения, обычно равна 50 нм, что указывает на относительно узкополосный ИК-источник.
• Прямое напряжение (V_F):Падение напряжения на устройстве при токе 20мА составляет обычно 1.6 Вольт, максимум 1.6В.
• Обратный ток (I_R):При обратном смещении 5В ток утечки составляет максимум 100 мкА.
• Угол обзора (2θ_1/2):Угловой разброс, при котором сила излучения падает до половины значения на оси (0 градусов), составляет 60 градусов. Это определяет диаграмму направленности или поле зрения.

3. Объяснение системы сортировки

Компонент использует систему сортировки, в первую очередь основанную на его оптических выходных характеристиках. Это гарантирует, что устройства в определённой группе имеют близко совпадающие параметры, что критически важно для применений, требующих единообразия, например, в массивах или парных системах излучатель-детектор.

• Сортировка по силе излучения / облучённости апертуры:Устройство классифицируется по группам, обозначенным A1, A, B, C и D. Каждая группа соответствует определённому диапазону минимальных и типичных/максимальных значений как для силы излучения (I_E), так и для облучённости апертуры (E_e). Например, устройство группы C будет иметь I_Eв диапазоне от 3.910 до 7.669 мВт/ср и E_eв диапазоне от 0.520 до 1.020 мВт/см² при токе 20мА. Это позволяет разработчикам выбирать компоненты с точным уровнем оптической мощности, требуемым для их применения, оптимизируя силу сигнала и производительность системы.

4. Анализ кривых производительности

Технический паспорт включает несколько графиков, иллюстрирующих поведение устройства в различных условиях.

• Рисунок 1 - Спектральное распределение:Эта кривая показывает относительную силу излучения в зависимости от длины волны. Она подтверждает пик излучения на 940нм и приблизительную полуширину 50нм, давая представление о спектральной чистоте ИК-излучения.
• Рисунок 2 - Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды:Этот график изображает снижение максимально допустимого постоянного прямого тока с ростом температуры окружающей среды. Он необходим для теплового управления и обеспечения работы устройства в пределах безопасной рабочей области (SOA).
• Рисунок 3 - Прямой ток в зависимости от прямого напряжения:Это вольт-амперная (I-V) характеристика. Она показывает зависимость между приложенным прямым напряжением и результирующим током, выделяя типичное напряжение включения и динамическое сопротивление устройства.
• Рисунок 4 - Относительная сила излучения в зависимости от температуры окружающей среды:Эта кривая иллюстрирует, как выходная оптическая мощность (относительно её значения при 20мА и 25°C) изменяется с температурой. Обычно выходная мощность светодиода уменьшается с ростом температуры, и этот график количественно определяет эту зависимость.
• Рисунок 5 - Относительная сила излучения в зависимости от прямого тока:Это показывает выходную оптическую мощность как функцию тока накачки. Обычно это сверхлинейная зависимость, но кривая помогает разработчикам понять эффективность и точки насыщения при разных уровнях тока.
• Рисунок 6 - Диаграмма направленности:Эта полярная диаграмма визуально представляет угол обзора или диаграмму направленности. Концентрические круги указывают относительную интенсивность (от 0 в центре до 1.0 на внешнем крае), а угловые линии показывают распределение. Спецификация 2θ_1/2= 60° подтверждается точками, где кривая пересекает круг относительной интенсивности 0.5.

5. Механическая информация и информация о корпусе

5.1 Габариты корпуса

Устройство использует миниатюрный пластиковый корпус для торцевого монтажа. Ключевые размерные примечания включают: все размеры указаны в миллиметрах (дюймы в скобках); стандартный допуск ±0.25мм, если не указано иное; максимальный выступ смолы под фланцем — 1.5мм; расстояние между выводами измеряется в точке выхода выводов из корпуса. Точный размерный чертёж приведён в техническом паспорте, определяя общую длину, диаметр корпуса, диаметр выводов и расстояние, критически важные для проектирования посадочного места на печатной плате.

5.2 Идентификация полярности

Для ИК-излучателя/детектора в корпусе с радиальными выводами полярность обычно указывается физическими особенностями устройства, такими как плоская сторона на корпусе или один вывод короче другого. Конкретный метод идентификации следует сверять с подробным чертежом корпуса. Правильное подключение полярности необходимо для корректной работы.

6. Рекомендации по пайке и монтажу

Компонент подходит для стандартных процессов пайки. Указанный критический параметр — температура пайки выводов: 260°C не более 5 секунд, точка измерения определена как 1.6мм (0.063") от корпуса. Это руководство крайне важно для волновой или ручной пайки, чтобы предотвратить тепловое повреждение внутреннего полупроводникового кристалла или пластикового корпуса. Для пайки оплавлением следует использовать стандартный профиль для выводных компонентов с аналогичными тепловыми ограничениями. Компоненты должны храниться в указанном диапазоне температур от -55°C до +100°C в сухой среде для предотвращения поглощения влаги, которое может вызвать "вспучивание" (popcorning) во время оплавления.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типичные сценарии применения

Эта пара ИК-излучатель/детектор подходит для широкого спектра применений: датчики приближения, обнаружение объектов и передача данных. Распространённые варианты использования включают:

• Обнаружение объектов/приближения:В торговых автоматах, принтерах или промышленном оборудовании для обнаружения наличия или отсутствия объекта.
• Щелевые датчики:Для обнаружения бумаги в принтерах или билетов в валидаторах.
• Простые каналы передачи данных:Низкоскоростная, короткодистанционная инфракрасная передача данных для пультов дистанционного управления или изолированных каналов связи.
• Энкодеры:В роторных или линейных энкодерах для обратной связи по положению, где прерывающая лопасть проходит между излучателем и детектором.

7.2 Соображения при проектировании

При проектировании с использованием этого компонента необходимо учитывать несколько факторов:

• Ограничение тока:Для излучателя обязателен последовательный резистор для ограничения прямого тока до желаемого уровня (≤60мА постоянно, ≤1А импульсно). Значение рассчитывается с использованием напряжения питания (V_CC), желаемого I_F и типичного V_F(например, R = (V_CC- V_F) / I_F).
• Смещение и усиление детектора:Фотодетектор обычно требует обратного смещения (до 5В), и его выходной ток очень мал (связан с E_e). Часто требуется усилитель преобразования тока в напряжение (TIA) для преобразования этого малого фототока в полезный сигнал напряжения.
• Оптическое выравнивание:Для парных применений излучатель-детектор точное механическое выравнивание критически важно для максимизации силы сигнала. Угол обзора 60 градусов обеспечивает некоторый допуск.
• Подавление фоновой засветки:Поскольку устройство чувствительно к свету с длиной волны 940нм, на него могут влиять солнечный свет или другие ИК-источники. Использование модулированных ИК-сигналов и синхронного детектирования (например, несущая 38кГц, распространённая в пультах ДУ) может значительно улучшить помехоустойчивость.
• Тепловое управление:Для высокотемпературных сред необходимо обращаться к кривой снижения мощности (Рис. 2), чтобы избежать превышения максимальной рассеиваемой мощности.

8. Техническое сравнение и отличия

По сравнению с другими ИК-компонентами, ключевыми отличительными особенностями данного устройства являются егопрозрачный пластиковый корпуситочная оптическая сортировка. Многие ИК-светодиоды и фотодиоды используют тонированные (например, синие, чёрные) корпуса, которые фильтруют видимый свет, но также могут слегка ослаблять желаемую ИК-длину волны. Прозрачный корпус обеспечивает потенциально более высокую эффективность передачи на 940нм. Строгая сортировка по силе излучения и облучённости позволяет прогнозировать и обеспечивать стабильную производительность системы, что является преимуществом по сравнению с несортированными или слабо сортированными компонентами, где производительность может значительно варьироваться от образца к образцу. Миниатюрный размер и низкая стоимость делают его подходящим для массовых потребительских и коммерческих применений.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: В чём разница между облучённостью апертуры (E_e) и силой излучения (I_E)?

О: E_e— это мера плотности мощности (мВт/см²), падающей на поверхность (активную область детектора). I_E— это мера выходной мощности излучателя на единицу телесного угла (мВт/ср). Они связаны, но описывают производительность стороны детектора и стороны излучателя соответственно.

В: Могу ли я питать излучатель напрямую от источника 5В?

О: Нет. При типичном V_F1.6В прямое подключение 5В вызовет чрезмерный ток, что, вероятно, разрушит светодиод. Необходимо использовать токоограничивающий резистор.

В: Как выбрать правильную группу для моего применения?

О: Выбирайте на основе требуемой силы сигнала. Для датчиков большой дальности или с низкой отражательной способностью более высокая группа (C, D) обеспечивает большую оптическую мощность. Для короткодистанционных применений или схем детекторов с высокой чувствительностью может быть достаточной и более экономически эффективной более низкая группа. Единообразие между несколькими устройствами в системе также может диктовать выбор группы.

В: Что означает спецификация угла обзора для детектора?

О: Для детектора угол обзора 60 градусов (2θ_1/2) определяет его поле зрения. Свет, падающий в пределах этого конуса ±30 градусов от оси, будет обнаруживаться с разумной чувствительностью. Свет вне этого угла будет в значительной степени игнорироваться, что может помочь отсеять паразитный свет с нежелательных направлений.

10. Практический пример применения

Пример проектирования: Датчик отсутствия бумаги в принтере

В этом применении ИК-излучатель и детектор устанавливаются по разные стороны пути движения бумаги. При наличии бумаги она отражает ИК-луч от излучателя к детектору. Когда лоток для бумаги пуст, луч проходит беспрепятственно и не отражается обратно на детектор (или попадает на другую отражающую поверхность). Схема детектора контролирует уровень принимаемого сигнала. Ключевым шагом проектирования является выбор подходящей группы (например, Группа B), чтобы гарантировать, что отражённый сигнал от бумаги достаточно силён, чтобы его можно было надёжно отличить от состояния "нет бумаги", даже с учётом вариаций отражательной способности бумаги. Ток накачки излучателя устанавливается на 20мА с помощью резистора, обеспечивая эталонный оптический выход. Выход детектора подаётся на компаратор с порогом, установленным между уровнями напряжения "бумага есть" и "бумаги нет". Угол обзора 60 градусов помогает обеспечить работу датчика даже при небольшом смещении во время сборки принтера.

11. Введение в принцип работы

Устройство состоит из двух основных полупроводниковых компонентов: инфракрасного светоизлучающего диода (ИК-светодиода) и фотодиода.ИК-светодиодработает по принципу электролюминесценции. При прямом смещении электроны и дырки рекомбинируют в активной области полупроводника, высвобождая энергию в виде фотонов. Состав материала (обычно на основе арсенида галлия, GaAs) разработан так, что эта энергия фотонов соответствует длине волны в инфракрасном спектре, в частности около 940нм.Фотодиодработает в обратном режиме. Падающие фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны полупроводника, поглощаются, создавая электрон-дырочные пары. Эти носители заряда разделяются внутренним электрическим полем обратносмещённого перехода, генерируя фототок, пропорциональный интенсивности падающего света. Прозрачный пластиковый корпус действует как линза и окно, защищая хрупкие полупроводниковые кристаллы и обеспечивая эффективное прохождение инфракрасного излучения 940нм.

12. Технологические тренды и разработки

В области оптоэлектроники для сенсоров несколько трендов актуальны для таких компонентов. Наблюдается постоянное стремление кминиатюризации, причём корпуса для поверхностного монтажа (SMD) становятся более распространёнными, чем выводные, для автоматизированной сборки.Более высокая интеграция— это ещё один тренд, когда излучатель, детектор и схемы обработки сигнала (усилитель, компаратор) объединяются в один модуль, упрощая проектирование для конечных пользователей. Спрос наулучшенное отношение сигнал/шуми подавление фоновой засветки стимулирует использование определённых диапазонов длин волн и продвинутых оптических фильтров, интегрированных в корпус. Кроме того, применения в Интернете вещей (IoT) и носимых устройствах стимулируют потребность в компонентах сболее низким энергопотреблениемпри сохранении адекватного диапазона обнаружения и надёжности. Хотя данный конкретный компонент представляет собой зрелое и экономически эффективное решение, новые конструкции часто учитывают эти развивающиеся требования.