Opto Diode，高速脈沖型紅外發射二極管

美國Opto Diode公司生產的五個系列的紅外發射器，也叫紅外發射二極管，紅外發射光源。用于各種醫療和工業領域，包括氣體分析、環境監測、光譜學和過程控制。從穩態（直流電）發射器（SA系列）到大功率穩態發射器（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），到帶有集成驅動電子元件的高速紅外發射器（PIRE^PLUS）。PIRE^PLUS高速紅外發射器被設計用于作為黑體輻射的高速脈沖源。PIRE^PLUS評估板的軟件和硬件操作模式使評估和優化高速脈沖SPF220-5M2發射器變得容易。PIRE^PLUS評估板包括驅動器PCB組件、高速脈沖發射器和散熱器。關于評估板會在另一篇文檔中作介紹。

PIRE^PLUS高速脈沖紅外發射器-SPF220-5M2

PIRE^PLUS高速脈沖紅外發射器特點

-黑體輻射源的高速脈沖發射源

-在光譜分布范圍內近似一個準黑體

-超薄金屬箔有源元件

-用于準直和均勻性的拋物面反射器

-快速脈沖速率，高達200 Hz，調制深度為50%

-高輸出發射器，0.04 W/cm2

-寬帶輸出，輻射率典型值0.88

-密封藍寶石窗口，允許高達6 um的出射光

PIRE^PLUS高速脈沖紅外發射器主要應用

-氣體分析，藥業，工業

-環境監測

-光譜學

-過程控制系統

Optodiode SPF系列的紅外發射器被設計用來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制深度，也進行了優化設計。脈沖發射器中的輻射元件是一種超薄的光電二極管專用梳狀金屬箔，目的是來自加熱箔兩側的輻射沿著光軸能有效地從封裝窗口射出。這個超薄金屬箔材料具有0.88的典型發射率，并且在光譜分布上與黑體源非常相似。這個發射器設計在1000 K的額定箔溫度下工作。發射器用密封TO-5封裝，標準拋物面反射器，以提供近準直和均勻的輻射輸出。

高速脈沖紅外發射的黑體輻射率曲線

SPF系列發射器在特定的工作溫度時近似一個黑體輻射源，如下圖所示，為理想黑體不同工作溫度時功率密度與波長的的曲線關系，

高速脈沖紅外發射的燈絲溫度與輸入功率

SPF脈沖發射器設計為在大約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散熱對于保持一致的輸出。散熱器必須將封裝溫度限制在100°C以下。這個峰值波長（λ_pk，微米）與溫度的關系黑體光譜的（T，開爾文）由維恩定律表示：

λ_pk (microns) x T (K)= 2898

因此，激發波長與溫度成反比。對于1000 K，值為2.9微米。輸入脈沖應具有足夠的能量以產生燈絲溫度為1000 K。

高速脈沖紅外發射驅動電路

開關元件，例如單N通道場效應管，其通路時的極低阻抗特點很有用，如圖所示為示意圖。

高速脈沖紅外發射輸出優化

可以通過調整功率強度、脈沖寬度和頻率以優化發射器的輸出光。當前驅動電源的平均電流不應超過1 A，否則燈絲壽命將會減少。下面是兩種不同脈沖寬度的示波器結果。驅動器的頻率和脈沖幅度保持恒定，并且僅調整脈沖寬度。通道1是被測發射器的輸出帶有PbSe探測器，通道2是從Pire^Plus評估板的發射極驅動器出射脈沖，可用于評估此高速SPF SPF220-5M2發射器的測試板和套件。請注意窄脈沖范圍和寬脈沖范圍之間的輸出幅度。較窄的驅動器脈沖用較少的時間為元件加熱，但相對有更多的時間冷卻。脈寬較寬的驅動器脈沖為元件提供更多的加熱時間，脈沖寬度越寬，調制深度的百分比越低但輸出強度要高得多。這是因為更寬的脈沖使燈絲更熱，增加了其輸出。此外，更熱的燈絲冷卻得更快，這保持了良好的調制深度，從而產生更高的輸出擺幅。

窄脈沖寬度（通道1為發射器輸出，通道2為評估板出射的驅動脈沖）。盡管強度較低，但是調制深度的百分比比較高。

較長的脈沖寬度（通道1為發射器輸出，通道2為評估板出射的驅動脈沖）。強度雖然較高但是調制深度的百分比較低。

紅外發射二極管伏安特性曲線

額定功率工作時的溫度為1000K，超過這個值就會導致元件溫度升高，降低光源壽命。元件的工作溫度范圍在-45℃到100℃之間。

紅外發射二極管窗片的透過率光譜

紅外發射二極管窗片采用藍寶石材料，對波長300nm至4000nm波段的光透過率基本在80%~90%之間。

PIRE^PLUS帶發射管，評估板套件

適用范圍 

以下內容適用于40801評估板，用于高速脈沖發射器和驅動器，套件選用的Pire Plus。40801評估板和套件包輪：發射器驅動，高速發射管模組 SPF 220-5M2 高速紅外發射器，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接口連接的評估板軟件控制模式

描述，特點以及工作模式

A. 概述

評估板和套件提供了方便的方式去操作和測試SPF220-5M2（P/N 40101）發射器的性能和14pin的DIP封裝包驅動板，設計用來提供驅動脈沖，也包括一個散熱器。用戶需要把紅外發射器焊接到評估板上的正負兩個孔上，直接焊或者用導線連接焊。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外部電壓或者板子的電位器控制驅動器的發射頻率。評估板也會通過USB接口，配合簡單的軟件驅動程序和能夠提供簡單的用戶交互界面一起使用。

B 特點總結

圖1顯示了評估板的簡單框圖。圖2是評估板的實物圖片。控制器提供用于控制到發射器的驅動電流和/或能量的標準化接口。驅動器是一個固定脈沖寬度的可變頻率電路，其操作與驅動熱設備兼容。只有在軟件控制下才能改變脈沖寬度。該系統包含防止意外電源反轉的保護。它還提供了板載調節器，以防止電源意外過電壓

跳線提供以下選項/功能：

-跳線J3-提供為發射器供電的選項。

J3 on：板載電壓調節器，其輸出由R1電位計設置（1.2V至4.5V）。

J3 off：插孔“EMIT”用于從外部電源為發射器供電。¨

-跳線J9-提供在硬件模式下設置驅動頻率的選項。

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

J9 off：板載R4電位計控制頻率。¨

-跳線J13-提供通過HW或USB接口控制驅動器的選項。

J13 on：硬件模式，頻率由板載電位計或外部電壓（“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，驅動器通過軟件接口控制（頻率和脈沖寬度可調整）。脈沖寬度可以在100us到3000us之間變化。如果驅動器在HW模式下啟用，則卸下J13將禁用發射器驅動器。無論模式如何，USB端口都可以用于讀取當前頻率、脈沖寬度和平均電流。

C. 硬件模式（J13跳線輸入）

提供給發射器的脈沖寬度在硬件模式下不可調，設置為2.3 ms。啟用輸入激活，當保持低電平或未連接到邏輯高電平時，將禁用發射器電源脈沖。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行選擇。跳線J3在帶R1的板載發射器電源控制和外部發射器電源輸入插孔之間進行選擇。當使用外部發射器電源選項時，發射器可能會被客戶過度供電。客戶必須將直流或平均電流保持在1A以下。

D. 軟件模式（J13跳線輸出）

有關驅動程序和軟件安裝，請參閱隨評估套件提供的USB閃存驅動器上的自述文件，其中包含驅動程序和程序。正確的執行順序是啟動評估板，然后啟動軟件應用程序。無論跳線設置（J13）如何，都可以使用此應用程序。啟動后，應用程序將嘗試自動定位評估委員會。如果“USB狀態”指示燈未變為綠色（這可能需要幾秒鐘），請嘗試回收電源并重新啟動應用程序

當J13跳線斷開時，“發射器軟件控制”下的按鈕將啟用，允許您打開/關閉發射器、設置頻率和設置脈沖寬度。默認頻率為180 Hz，默認脈沖寬度為2.3ms。滑塊可以前后移動，以調整發射器電源的頻率和脈沖寬度。要調整滑塊，請單擊鼠標按鈕并保持移動到所需的位置，然后松開它。將更新頻率或脈沖寬度。如果使用發射極電壓調節器調節電位計R1，則可以對其進行調節以對提供給發射極的功率進行額外控制。使用外部驅動電源也可以做到這一點。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1000 mA。參見之前優化發射器的信號輸出。