CC BY
163Компоненты и технологии, № 8'2004
Инфракрасные полупроводниковые приборы Stanley Electric
Японская фирма Stanley Electric — известный производитель электроники для промышленности. Подразделение Stanley Components выпускает широкий ассортимент компонентов — ЖКИ, лампы накаливания и лампы подсветки с холодным катодом, светодиоды видимого и инфракрасного диапазона. Предлагаем вниманию читателей обзор инфракрасных полупроводниковых приборов.
Андрей Винокуров
Дискретные полупроводниковые приборы
Особое место в линейке дискретных полупроводниковых приборов Stanley Electric занимают диоды для использования в атмосферных оптических линиях связи (АОЛС). К АОЛС в последнее время все больше обращаются разработчики и изготовители аппаратуры связи, так как у этого способа передачи информации есть ряд бесспорных преимуществ перед проводной и радиосвязью:
1. Практически неограниченные скоростные возможности.
2. Отсутствие необходимости согласования частотного диапазона.
3. Нечувствительность к помехам радиодиапазона.
4. Быстрота организации линии связи.
5. Защищенность канала связи от несанкционированного доступа.
Излучателем в канале передачи служат полупроводниковые лазеры и светодиоды. Использование инфракрасных диодов имеет некоторые преимущества — например, то, что работа светодиода в качестве излучателя не может нанести вреда зрению даже при длительном воздействии излучения на близком расстоянии. Другим преимуществом является вдвое большее время наработки на отказ по сравнению с лазерными диодами — более 70 тыс. часов. Правда, есть и минусы — максимальная дальность связи не превышает 500 м.
Таблица 1. Быстродействующие светодиоды
Рис. 1. Рабочая частота EN324U
Существует стандарт IEEE 1394 FireWire, регламентирующий высокоскоростную (до 400 Мбит/с) последовательную шину передачи данных. Этот стандарт изначально определял кабельное (на витых парах) соединение для создания недорогих сетей, объединяющих устройства разного типа без применения какого-либо дополнительного оборудования. Недавно были анонсированы технические решения, базирующиеся на данном стандарте и реализующие с помощью оптических технологий как кабельные (оптоволоконные), так и беспроводные соединения.
Японские компании планируют представить техническое решение на основе стандарта FireWire, способное на небольших расстояниях (до 10 м) передавать между узлами информацию в ИК-диапа-
Наимено- вание Тип корпуса Длина волны, Алик, нм (A*W нм) Оптическая мощность, МВт/ стерадиан Граничная частота, МГц 1пр/ 1пр имп/ мА Угол излучения 200,5, град. Время нарастания/ спада, нс Примерный аналог по типу корпуса и длине волны
DNK318U % \\ диаметр 5 мм 870 (45) 80 55 100/1000 20 7 АЛ120 АЛ135 АЛ139 АЛ145
DNK324U 30 35
DNF318U-4 850 (45) 60 30 20 10
DNF320-4 диаметр 10 мм 200 6
Компоненты и технологии, № 8'2004
Таблица 2. Светодиоды серии EN*
Наимено-
вание
EN318U
Тип
корпуса
Длина волны нм (АХп„к- нм!
EN324U
ь
диаметр 5 мм
Оптическая
мощность,
мВт/
стерадиан
84
870(45)
42
Граничная
частота,
МГц
70 (мин.)
Угол Время Примерный
излучения нарастания/ аналог потипу оа корпуса
20о 5, град спада, нс г '
0,5 г н/ и длине волны
80/500
22
45
АЛ137
АЛ138
АЛ154
Таблица 3. Фотодиоды серии PPF
Наимено- вание Тип корпуса Длина волны, нм Граничная частота, МГц Емкость, пФ Фототок, мкА Чувствительность, А/Вт
PPF508 и 850 130 19 50 0,58
PPF601 1*1 850 130 19 35 0,58
&
Сферы применения iRAVBIT
Домашние сети
Мобильные ( ІгРА-модули )
Эмиссионные
ДИОДЫ п
Про из во детве н н ое оборудование: датчики
передачи данных
устройства
Фотодиоды
Офисные сети
Беспроводная
передача данных
Ethernet
LAN
WAN
Рис. 4. Сферы применения iRAVBIT
Передана Внутри-
изображений д™°*ые
Школы,
больницы
Таблица 4. Светодиоды общего применения
Наимено- вание Тип корпуса Длина волны, нм Оптическая мощность, мВт/ стерадиан 1пр/ |пр имп/ мА Угол излучения 200,5, град. Время нарастания/ спада, нс Примерный аналог по типу корпуса и длине волны
KR311 660 1,7 70/300 114 50
DN311 /7 850 3,5 100/1000 110 10
DNP319 /У 880 40 100/1000 20 30 АЛ118 АЛ157
AN333 диаметр 3 мм 950 10 100/1000 20 700 АЛ107
DN504 % с боковой линзой 03,6 мм 850 8 100/1000 80 10 АЛ124 АЛ179
DN501 с боковой линзой 01,65 мм 850 10,4 50/500 40 10
8 ns
(125 Mbps) Рис. 2. Осциллограмма EN324U
2.5[ns/div.]
зоне со скоростью 125 Мбит/с. Планируется применение этой разработки на рынке недорогих систем для малого офиса и дома.
Для использования в подобном оборудовании компанией Stanley Electric разработаны диоды, имеющие прекрасные характеристики по быстродействию и времени нарастания/спада фронтов прямоугольного импульса. Для полупроводниковых приборов, используемых для передачи данных с высокой скоростью, эти параметры являются важнейшими.
Светодиоды серии EN*** имеют еще более высокую граничную частоту (см. рис. 1).
На рис. 2 показана осциллограмма, полученная при испытании светодиода EN324U.
Для работы в паре с высокоскоростными излучающими диодами разработаны р-Тп-фо-тодиоды с соответствующими параметрами (табл. 3).
На рис. 3 изображен график зависимости граничной частоты от обратного напряжения обычного фотодиода и фотодиода PPF601.
Таким образом, используя высокоскоростные диоды производства Stanley Electric, можно добиться скорости передачи данных 125 мбит/с и выше.
Сейчас вся линейка высокоскоростных диодов объединена под фирменным названием iRAVBIT. Особый упор в продвижении данной торговой марки делается на безопасность инфракрасной связи для здоровья человека. Перспективные области применения iRAVBIT можно видеть на рис. 4.
Для работы в устройствах, не требующих высоких скоростей передач данных, можно использовать диоды общего применения. С параметрами некоторых из них можно ознакомиться в таблицах 4 и 5.
Разобраться в особенностях маркировки серий светодиодов поможет график на рис. 5.
и
Компоненты и технологии, № 8'2004
DNF/DN DNK/EN DNP
1
0,5
600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1100
Длина волны, нм
Рис. 5. Обозначения серий диодов
Таблица 5. Фотодиоды общего применения
Наимено- вание Тип корпуса Фототок при Ее=0,5мВт/см2, мкА (при ио6р, В) Емкость, пФ I , нА ■темн/ пм (при ^ В) Наличие светофильтра Время отклика, нс
PP403 X диаметр 3 мм 1,5 (5) 7 10 (10) 20
PP508 Ф 7,5 (5) 11 20 (10) 50
PP508-1 5,0x4,1 5,5 (5) 11 20 (10) от 700 нм 50
PP601 6,0 (5) 13 30 (10) 100
PP601-1 п 4,8 (5) 13 30 (10) от 700 нм 100
PP601-2 1 6,1 х4,6 мм 3,0 (5) 13 30 (10) от 800 нм 100
PP602 440 (12) 60 100 (12) 200
PP701 О диаметр 14 мм 1100 (12) 60 20 (10) 200
PP703 О iff III диаметр 14 мм 1100 (12) 35 10 (12) 150
PP704 р диаметр 14 мм 700 35 10 (12) 150
PP801 диаметр 10,2 мм 190 (12) 35 20 (12) 150
PP1101W (для SMD-монтажа) 3,0x2,0 мм 4 3 10 (10) 50
Р р —■г>'яГ‘ \ \ " ‘ s ' N ' \ N
— ^ - - ^ —- / /
400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1100
Длина волны, нм
Рис. 6. Параметры чувствительности фотодиодов в зависимости отдлины волны
Фотодиоды
Главными характеристиками кремниевых p-i-n-фотодиодов являются токовая монохроматическая чувствительность и темновой ток. Обычно реальные удельные значения темнового тока на фотодиодах такого класса находятся в диапазоне от десятков до нескольких сотен нА при рабочем напряжении до 135 В, а максимальные значения чувствительности в импульсном режиме работы достигают 0,35-0,4 А/Вт. Ознакомиться с параметрами р-Ьп-фотодиодов Stanley Electric можно в таблице 5.
Хочется обратить внимание, что у всех фотодиодов Stanley Electric такой параметр, как время отклика, нормирован. Рабочее напряжение — около 30 В. Максимальная чувствительность всех фотодиодов на длине волны 950 нм достигает 0,64 А/Вт, но, как можно видеть на графике (рис. 6), фактически фотодиоды способны эффективно принимать излучение в широком диапазоне спектра.
В большом ассортименте выпускаются малогабаритные светодиоды и фотодиоды для поверхностного монтажа (рис. 7).
В заключение обзора дискретных приборов приведена таблица приблизительных аналогов диодов отечественного производства и Stanley Electric — по типу и размеру корпуса, длине волны, силе света и быстродействию.
Таблица 6. Таблица аналогов отечественных диодов
Светодиоды
АЛ115 DNP331, AN333
АЛ144 AN504
АЛ149 DNP318
АЛ153 AN504
АЛ156 DNP324
Фотодиоды
КДФ111 PP403, PP508
КДФ118Б PP801
IrDA-модули
В 1993 году была основана ассоциация IrDA (Infrared Data Association), целью которой является разработка стандартов на дешевое беспроводное инфракрасное соединение широкого класса аппаратуры — как для мобильных пользователей, так и для стационарных соединений. В настоящее время членами ассоциации IrDA являются многие известные производители аппаратуры связи, программного обеспечения, кабельные и телефонные компании.
Компоненты и технологии, № 8'2004
К характерным особенностям стандартов IrDA можно отнести:
1. Низкую стоимость соединения.
2. Невысокое энергопотребление.
3. Инфракрасные порты связываемых приборов должны быть ориентированы друг на друга, но с большим допуском.
4. Высокая помехозащищенность.
Стандарты IrDA разработаны для последовательной передачи данных на скоростях до 115,2 кбит/с. В 1995 году был разработан специальный стандарт, поддерживающий скорости 1,152 Мбит/с и 4 Мбит/с. Компания Stanley Electric предлагает два вида оптических модулей, совместимых со стандартом IrDA и предназначенных для беспроводной передачи данных. Эти модули содержат инфракрасный светодиод с драйвером, фильтр, отрезающий видимый спектр, и PIN-фотодиод с усилителем. Рабочая длина волны — 870 нм. Корпус — металлический. Потребляемый ток приемной части в режиме ожидания — 0,2 мкА, в режиме приема — 95 мкА. Габариты и параметры модуля HRM1800 сопоставимы с модулем типа HSDL-32** производства Agilent.
Таблица 7. Модули IrDA
Наимено- вание, размеры Внешний вид Скорость передачи данных, кбит/с Даль- ность связи, м Напря- жение питания, В
HRM1220 2,8x7,0x2,2 мм HRM1800 3,0x8,0x2,5 мм 2,4-115,2 0-0,30 2,7-3,6
Таблица 8. Оптические антенны
Передающая часть Приемная часть
Наиме- нование Внешний вид 1пр/ ■пр имп., мА Опти- ческая мощ- ность Длина волны Яр, нм Угол излучения 200,5, град Гранич- ная частота, мГц Время отклика, нс ■темн, нА (при и„бр, В) Фототок при и„бр 12 В и Ее= 5,0 мВт/см2, мкА Емкость фото- диода, пФ Размер площадки фотодиода, мм2
KUA0033A См. 1100 5,5 мВт/см2 870 40 55 4,5 0,5 (12) 170 11 6,7
KUA0052B рис. 8 1300 4,5 мВт/см2 870 40 55 4,4 0,5 (12) 170 11 6,7
KU167 2,0 мВт/стер, 880 140 12 30 10 (10) 4 70 0,3
Оптические антенны
Общей характерной особенностью локальных беспроводных сетей, работающих по принципу передачи данных по инфракрасному каналу, является необходимость нахождения всех узлов сети в одной комнате — по той простой причине, что ИК-излу-чение не может проникать через стены. В настоящее время существует несколько вариантов таких сетей:
1. Работающие в режиме прямой видимости между приемником и передатчиком.
2. Использующие рассеянное ИК-излучение. В этом случае сигнал, отражаясь от стен и потолков, охватывает площадь с характерными расстояниями до 30 м. Этот метод удобен тем, что приемники и передатчики могут находиться вне зоны прямой видимости. При этом, однако, скорость передачи сигнала невелика.
3. Сети, работающие через центральный отражатель. В подобных системах оптические приемопередатчики, установленные рядом с компьютерами, направлены в одну общую точку — отражатель, укрепленный на потолке. Такие сети хорошо работают в помещениях с высокими потолками.
Для устройств, работающих в подобных сетях, Stanley Electric предлагает использовать оптические антенны. Это готовые приемо-пе-редающие модули, имеющие от одного до четырех мощных быстродействующих светодиодов и один высокоскоростной фотодиод, ра---------------------www.finestreet.ru -
ботающий на прием. Еще одна область применения оптических антенн — работа в системах транспортной информации и связи (Vehicle Information and Communication System — VICS). VICS обеспечивает водителя информацией о положении на дорогах и позволяет решить несколько задач: оптимизация маршрутов движения транспорта, экономия топлива, улучшение экологической ситуации и уменьшение аварий (оптимизация маршрута способствует снижению усталости водителя). В Японии информация для VICS передается и по атмосферным линиям, и по радиоканалам. На автомобилях установлены оптические антенны типа KUA0033A и KUA0052B, с помощью которых происходит передача и прием информации.
Приемопередающий модуль KU167 можно использовать для работы в миниатюрных устройствах. Он представляет собой пару светодиод-фотодиод, смонтированную в корпусе для поверхностного монтажа размером 2,5х3,0 мм.
Оптические датчики
Инфракрасные датчики, изготавливаемые Stanley Electric, могут применяться во многих областях промышленности, устройствах контроля поверхностей, охраны, в медицинской технике, в бытовой электронике.
Датчики обнаружения объекта KU381-**
Датчики выпускаются в корпусе размером 45х11 мм (рис. 9) и имеют дистанцию детектирования 40, 60 и 80 см. Они могут определять наличие объекта размером более 30х30 см в контролируемой зоне при посторонней засветке до 3000 люкс. Назначение этих датчиков — работа в системах безопасности, в промышленном оборудовании. Рабочий диапазон температур — от 0 до +60°С.
Датчик отражения Ки163А
Назначение данного датчика — обнаружение отражающей поверхности и определение ее свойств. В корпусе для поверхностного монтажа размером 3x2 мм установлена пара фотодиод-фототранзистор, работающая на длине волны 880 нм. Величина выходного тока встроенного фототранзистора меняется от изменения фактуры контролируемой поверхности, например, при отражении от полированного алюминия или от бумаги. Рекомендуемая дистанция до объекта детектирования — несколько миллиметров. Рабочий диапазон температур — от -30 до +85 °С.
Датчик угла наклона Ки168
В корпусе размером 5x3 мм смонтированы один излучающий светодиод и пара приемных фотодиодов. При изменении угла наклона отражающей поверхности по отношению к датчику на его выходе возникает фототок, величина которого меняется в зависимости от положения контролируемой плоскости. Рекомендуемая дистанция до объекта детектирования — от 2 до 7 мм.
1,4
1,2
1,0
-е- 0,f
1°. 1 о.
03
со о
/\ !
]\ > !
Ї ! \ I ' I .і-Асл-
/Г\ !\ / /1 1\Ч1 \
Г/: і х, Чіт.7-1 — Т-" ] "i-—J к к >*
її— И--
0 1 2 3 4 5 6
Дистанция, мм
Зазеркальный алюминий Бумага страж. 25%
_. _ Бумага отраж. 90% ....Бумага отраж. 18%
_ _. Бумага отраж. 60%
Рис. 11. Характеристики датчика КУ163Д
