Opto Diode，高速脈沖型紅外發(fā)射二極管

美國(guó)Opto Diode公司生產(chǎn)的五個(gè)系列的紅外發(fā)射器，也叫紅外發(fā)射二極管，紅外發(fā)射光源。用于各種醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域，包括氣體分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光譜學(xué)和過(guò)程控制。從穩(wěn)態(tài)（直流電）發(fā)射器（SA系列）到大功率穩(wěn)態(tài)發(fā)射器（SHA系列），再到黑體輻射脈沖光源（SVF系列）和黑體輻射高速脈沖紅外光源（SPF系列），到帶有集成驅(qū)動(dòng)電子元件的高速紅外發(fā)射器（PIRE^PLUS）。PIRE^PLUS高速紅外發(fā)射器被設(shè)計(jì)用于作為黑體輻射的高速脈沖源。PIRE^PLUS評(píng)估板的軟件和硬件操作模式使評(píng)估和優(yōu)化高速脈沖SPF220-5M2發(fā)射器變得容易。PIRE^PLUS評(píng)估板包括驅(qū)動(dòng)器PCB組件、高速脈沖發(fā)射器和散熱器。關(guān)于評(píng)估板會(huì)在另一篇文檔中作介紹。

PIRE^PLUS高速脈沖紅外發(fā)射器-SPF220-5M2

PIRE^PLUS高速脈沖紅外發(fā)射器特點(diǎn)

-黑體輻射源的高速脈沖發(fā)射源

-在光譜分布范圍內(nèi)近似一個(gè)準(zhǔn)黑體

-超薄金屬箔有源元件

-用于準(zhǔn)直和均勻性的拋物面反射器

-快速脈沖速率，高達(dá)200 Hz，調(diào)制深度為50%

-高輸出發(fā)射器，0.04 W/cm2

-寬帶輸出，輻射率典型值0.88

-密封藍(lán)寶石窗口，允許高達(dá)6 um的出射光

PIRE^PLUS高速脈沖紅外發(fā)射器主要應(yīng)用

-氣體分析，藥業(yè)，工業(yè)

-環(huán)境監(jiān)測(cè)

-光譜學(xué)

-過(guò)程控制系統(tǒng)

Optodiode SPF系列的紅外發(fā)射器被設(shè)計(jì)用來(lái)作為高速脈沖黑體輻射源，為了得到更好的輸出光和高的調(diào)制深度，也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。脈沖發(fā)射器中的輻射元件是一種超薄的光電二極管專(zhuān)用梳狀金屬箔，目的是來(lái)自加熱箔兩側(cè)的輻射沿著光軸能有效地從封裝窗口射出。這個(gè)超薄金屬箔材料具有0.88的典型發(fā)射率，并且在光譜分布上與黑體源非常相似。這個(gè)發(fā)射器設(shè)計(jì)在1000 K的額定箔溫度下工作。發(fā)射器用密封TO-5封裝，標(biāo)準(zhǔn)拋物面反射器，以提供近準(zhǔn)直和均勻的輻射輸出。

高速脈沖紅外發(fā)射的黑體輻射率曲線

SPF系列發(fā)射器在特定的工作溫度時(shí)近似一個(gè)黑體輻射源，如下圖所示，為理想黑體不同工作溫度時(shí)功率密度與波長(zhǎng)的的曲線關(guān)系，

高速脈沖紅外發(fā)射的燈絲溫度與輸入功率

SPF脈沖發(fā)射器設(shè)計(jì)為在大約1000 K的元件溫度下工作（727°C）在額定輸入功率下。由于輻射能量與值的四次方成正比溫度（T4）輸入功率的精確控制和封裝的適當(dāng)散熱對(duì)于保持一致的輸出。散熱器必須將封裝溫度限制在100°C以下。這個(gè)峰值波長(zhǎng)（λ_pk，微米）與溫度的關(guān)系黑體光譜的（T，開(kāi)爾文）由維恩定律表示：

λ_pk (microns) x T (K)= 2898

因此，激發(fā)波長(zhǎng)與溫度成反比。對(duì)于1000 K，值為2.9微米。輸入脈沖應(yīng)具有足夠的能量以產(chǎn)生燈絲溫度為1000 K。

高速脈沖紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路

開(kāi)關(guān)元件，例如單N通道場(chǎng)效應(yīng)管，其通路時(shí)的極低阻抗特點(diǎn)很有用，如圖所示為示意圖。

高速脈沖紅外發(fā)射輸出優(yōu)化

可以通過(guò)調(diào)整功率強(qiáng)度、脈沖寬度和頻率以?xún)?yōu)化發(fā)射器的輸出光。當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電源的平均電流不應(yīng)超過(guò)1 A，否則燈絲壽命將會(huì)減少。下面是兩種不同脈沖寬度的示波器結(jié)果。驅(qū)動(dòng)器的頻率和脈沖幅度保持恒定，并且僅調(diào)整脈沖寬度。通道1是被測(cè)發(fā)射器的輸出帶有PbSe探測(cè)器，通道2是從Pire^Plus評(píng)估板的發(fā)射極驅(qū)動(dòng)器出射脈沖，可用于評(píng)估此高速SPF SPF220-5M2發(fā)射器的測(cè)試板和套件。請(qǐng)注意窄脈沖范圍和寬脈沖范圍之間的輸出幅度。較窄的驅(qū)動(dòng)器脈沖用較少的時(shí)間為元件加熱，但相對(duì)有更多的時(shí)間冷卻。脈寬較寬的驅(qū)動(dòng)器脈沖為元件提供更多的加熱時(shí)間，脈沖寬度越寬，調(diào)制深度的百分比越低但輸出強(qiáng)度要高得多。這是因?yàn)楦鼘挼拿}沖使燈絲更熱，增加了其輸出。此外，更熱的燈絲冷卻得更快，這保持了良好的調(diào)制深度，從而產(chǎn)生更高的輸出擺幅。

窄脈沖寬度（通道1為發(fā)射器輸出，通道2為評(píng)估板出射的驅(qū)動(dòng)脈沖）。盡管強(qiáng)度較低，但是調(diào)制深度的百分比比較高。

較長(zhǎng)的脈沖寬度（通道1為發(fā)射器輸出，通道2為評(píng)估板出射的驅(qū)動(dòng)脈沖）。強(qiáng)度雖然較高但是調(diào)制深度的百分比較低。

紅外發(fā)射二極管伏安特性曲線

額定功率工作時(shí)的溫度為1000K，超過(guò)這個(gè)值就會(huì)導(dǎo)致元件溫度升高，降低光源壽命。元件的工作溫度范圍在-45℃到100℃之間。

紅外發(fā)射二極管窗片的透過(guò)率光譜

紅外發(fā)射二極管窗片采用藍(lán)寶石材料，對(duì)波長(zhǎng)300nm至4000nm波段的光透過(guò)率基本在80%~90%之間。

PIRE^PLUS帶發(fā)射管，評(píng)估板套件

適用范圍 

以下內(nèi)容適用于40801評(píng)估板，用于高速脈沖發(fā)射器和驅(qū)動(dòng)器，套件選用的Pire Plus。40801評(píng)估板和套件包輪：發(fā)射器驅(qū)動(dòng)，高速發(fā)射管模組 SPF 220-5M2 高速紅外發(fā)射器，TO-5散熱。

名詞釋義

HW=Hardware Mode controlled by hardware on board, 硬件模式

SW=Software controlled on a PC and connected to the Evaluation Board via USB cable，USB接口連接的評(píng)估板軟件控制模式

描述，特點(diǎn)以及工作模式

A. 概述

評(píng)估板和套件提供了方便的方式去操作和測(cè)試SPF220-5M2（P/N 40101）發(fā)射器的性能和14pin的DIP封裝包驅(qū)動(dòng)板，設(shè)計(jì)用來(lái)提供驅(qū)動(dòng)脈沖，也包括一個(gè)散熱器。用戶需要把紅外發(fā)射器焊接到評(píng)估板上的正負(fù)兩個(gè)孔上，直接焊或者用導(dǎo)線連接焊。提供使用基于硬件的配置選擇，或是軟件的交互界面。硬件的交互允許通過(guò)外部電壓或者板子的電位器控制驅(qū)動(dòng)器的發(fā)射頻率。評(píng)估板也會(huì)通過(guò)USB接口，配合簡(jiǎn)單的軟件驅(qū)動(dòng)程序和能夠提供簡(jiǎn)單的用戶交互界面一起使用。

B 特點(diǎn)總結(jié)

圖1顯示了評(píng)估板的簡(jiǎn)單框圖。圖2是評(píng)估板的實(shí)物圖片。控制器提供用于控制到發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)電流和/或能量的標(biāo)準(zhǔn)化接口。驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)固定脈沖寬度的可變頻率電路，其操作與驅(qū)動(dòng)熱設(shè)備兼容。只有在軟件控制下才能改變脈沖寬度。該系統(tǒng)包含防止意外電源反轉(zhuǎn)的保護(hù)。它還提供了板載調(diào)節(jié)器，以防止電源意外過(guò)電壓

跳線提供以下選項(xiàng)/功能：

-跳線J3-提供為發(fā)射器供電的選項(xiàng)。

J3 on：板載電壓調(diào)節(jié)器，其輸出由R1電位計(jì)設(shè)置（1.2V至4.5V）。

J3 off：插孔“EMIT”用于從外部電源為發(fā)射器供電。¨

-跳線J9-提供在硬件模式下設(shè)置驅(qū)動(dòng)頻率的選項(xiàng)。

J9 on：插孔上的電壓（“FREQ”）控制頻率（0至2.4V對(duì)應(yīng)1Hz至200Hz）。FREQ的模擬驅(qū)動(dòng)器必須能夠接收或輸出至少3.3mA的電流。

J9 off：板載R4電位計(jì)控制頻率。¨

-跳線J13-提供通過(guò)HW或USB接口控制驅(qū)動(dòng)器的選項(xiàng)。

J13 on：硬件模式，頻率由板載電位計(jì)或外部電壓（“FREQ”插孔）控制，脈沖寬度固定在2300us。如果在軟件模式下設(shè)置了脈沖寬度，則切換到HW模式將使脈沖寬度變回2300us。

J13 off ：軟件模式，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)軟件接口控制（頻率和脈沖寬度可調(diào)整）。脈沖寬度可以在100us到3000us之間變化。如果驅(qū)動(dòng)器在HW模式下啟用，則卸下J13將禁用發(fā)射器驅(qū)動(dòng)器。無(wú)論模式如何，USB端口都可以用于讀取當(dāng)前頻率、脈沖寬度和平均電流。

C. 硬件模式（J13跳線輸入）

提供給發(fā)射器的脈沖寬度在硬件模式下不可調(diào)，設(shè)置為2.3 ms。啟用輸入激活，當(dāng)保持低電平或未連接到邏輯高電平時(shí)，將禁用發(fā)射器電源脈沖。跳線J9在帶R4的板載頻率控制和直流電壓外部頻率控制輸入插孔之間進(jìn)行選擇。跳線J3在帶R1的板載發(fā)射器電源控制和外部發(fā)射器電源輸入插孔之間進(jìn)行選擇。當(dāng)使用外部發(fā)射器電源選項(xiàng)時(shí)，發(fā)射器可能會(huì)被客戶過(guò)度供電?？蛻舯仨殞⒅绷骰蚱骄娏鞅３衷?span>1A以下。

D. 軟件模式（J13跳線輸出）

有關(guān)驅(qū)動(dòng)程序和軟件安裝，請(qǐng)參閱隨評(píng)估套件提供的USB閃存驅(qū)動(dòng)器上的自述文件，其中包含驅(qū)動(dòng)程序和程序。正確的執(zhí)行順序是啟動(dòng)評(píng)估板，然后啟動(dòng)軟件應(yīng)用程序。無(wú)論跳線設(shè)置（J13）如何，都可以使用此應(yīng)用程序。啟動(dòng)后，應(yīng)用程序?qū)L試自動(dòng)定位評(píng)估委員會(huì)。如果“USB狀態(tài)”指示燈未變?yōu)榫G色（這可能需要幾秒鐘），請(qǐng)嘗試回收電源并重新啟動(dòng)應(yīng)用程序

當(dāng)J13跳線斷開(kāi)時(shí)，“發(fā)射器軟件控制”下的按鈕將啟用，允許您打開(kāi)/關(guān)閉發(fā)射器、設(shè)置頻率和設(shè)置脈沖寬度。默認(rèn)頻率為180 Hz，默認(rèn)脈沖寬度為2.3ms?；瑝K可以前后移動(dòng)，以調(diào)整發(fā)射器電源的頻率和脈沖寬度。要調(diào)整滑塊，請(qǐng)單擊鼠標(biāo)按鈕并保持移動(dòng)到所需的位置，然后松開(kāi)它。將更新頻率或脈沖寬度。如果使用發(fā)射極電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電位計(jì)R1，則可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)以對(duì)提供給發(fā)射極的功率進(jìn)行額外控制。使用外部驅(qū)動(dòng)電源也可以做到這一點(diǎn)。平均電流顯示在“頻率”和“脈沖寬度”框下方的框中。該平均電流不得超過(guò)1000 mA。參見(jiàn)之前優(yōu)化發(fā)射器的信號(hào)輸出。