Opto Diode高速脉冲红外激光二极管

Opto Diode，高速脉冲型红外发射二极管

美国Opto Diode公司生产的五个系列的红外发射器，也叫红外发射二极管，红外发射光源。用于各种医疗和工业领域，包括气体分析、环境监测、光谱学和过程控制。从稳态（直流电）发射器（SA系列）到大功率稳态发射器（SHA系列），再到黑体辐射脉冲光源（SVF系列）和黑体辐射高速脉冲红外光源（SPF系列），到带有集成驱动电子元件的高速红外发射器（PIRE^PLUS）。PIRE^PLUS高速红外发射器被设计用于作为黑体辐射的高速脉冲源。PIRE^PLUS评估板的软件和硬件操作模式使评估和优化高速脉冲SPF220-5M2发射器变得容易。PIRE^PLUS评估板包括驱动器PCB组件、高速脉冲发射器和散热器。关于评估板会在另一篇文档中作介绍。

PIRE^PLUS高速脉冲红外发射器-SPF220-5M2

PIRE^PLUS高速脉冲红外发射器特点

-黑体辐射源的高速脉冲发射源

-在光谱分布范围内近似一个准黑体

-超薄金属箔有源元件

-用于准直和均匀性的抛物面反射器

-快速脉冲速率，高达200 Hz，调制深度为50%

-高输出发射器，0.04 W/cm2

-宽带输出，辐射率典型值0.88

-密封蓝宝石窗口，允许高达6 um的出射光

PIRE^PLUS高速脉冲红外发射器主要应用

-气体分析，药业，工业

-环境监测

-光谱学

-过程控制系统

Optodiode SPF系列的红外发射器被设计用来作为高速脉冲黑体辐射源，为了得到更好的输出光和高的调制深度，也进行了优化设计。脉冲发射器中的辐射元件是一种超薄的光电二极管专用梳状金属箔，目的是来自加热箔两侧的辐射沿着光轴能有效地从封装窗口射出。这个超薄金属箔材料具有0.88的典型发射率，并且在光谱分布上与黑体源非常相似。这个发射器设计在1000 K的额定箔温度下工作。发射器用密封TO-5封装，标准抛物面反射器，以提供近准直和均匀的辐射输出。

高速脉冲红外发射的黑体辐射率曲线

SPF系列发射器在特定的工作温度时近似一个黑体辐射源，如下图所示，为理想黑体不同工作温度时功率密度与波长的的曲线关系，

高速脉冲红外发射的灯丝温度与输入功率

SPF脉冲发射器设计为在大约1000 K的元件温度下工作（727°C）在额定输入功率下。由于辐射能量与值的四次方成正比温度（T4）输入功率的精确控制和封装的适当散热对于保持一致的输出。散热器必须将封装温度限制在100°C以下。这个峰值波长（λ_pk，微米）与温度的关系黑体光谱的（T，开尔文）由维恩定律表示：

λ_pk (microns) x T (K)= 2898

因此，激发波长与温度成反比。对于1000 K，值为2.9微米。输入脉冲应具有足够的能量以产生灯丝温度为1000 K。

高速脉冲红外发射驱动电路

开关元件，例如单N通道场效应管，其通路时的极低阻抗特点很有用，如图所示为示意图。

高速脉冲红外发射输出优化

可以通过调整功率强度、脉冲宽度和频率以优化发射器的输出光。当前驱动电源的平均电流不应超过1 A，否则灯丝寿命将会减少。下面是两种不同脉冲宽度的示波器结果。驱动器的频率和脉冲幅度保持恒定，并且仅调整脉冲宽度。通道1是被测发射器的输出带有PbSe探测器，通道2是从Pire^Plus评估板的发射极驱动器出射脉冲，可用于评估此高速SPF SPF220-5M2发射器的测试板和套件。请注意窄脉冲范围和宽脉冲范围之间的输出幅度。较窄的驱动器脉冲用较少的时间为元件加热，但相对有更多的时间冷却。脉宽较宽的驱动器脉冲为元件提供更多的加热时间，脉冲宽度越宽，调制深度的百分比越低但输出强度要高得多。这是因为更宽的脉冲使灯丝更热，增加了其输出。此外，更热的灯丝冷却得更快，这保持了良好的调制深度，从而产生更高的输出摆幅。

窄脉冲宽度（通道1为发射器输出，通道2为评估板出射的驱动脉冲）。尽管强度较低，但是调制深度的百分比比较高。

较长的脉冲宽度（通道1为发射器输出，通道2为评估板出射的驱动脉冲）。强度虽然较高但是调制深度的百分比较低。

红外发射二极管伏安特性曲线

额定功率工作时的温度为1000K，超过这个值就会导致元件温度升高，降低光源寿命。元件的工作温度范围在-45℃到100℃之间。

红外发射二极管窗片的透过率光谱

红外发射二极管窗片采用蓝宝石材料，对波长300nm至4000nm波段的光透过率基本在80%~90%之间。

PIRE^PLUS带发射管，评估板套件

适用范围 

以下内容适用于40801评估板，用于高速脉冲发射器和驱动器，套件选用的Pire Plus。40801评估板和套件包轮：发射器驱动，高速发射管模组 SPF 220-5M2 高速红外发射器，TO-5散热。

名词释义

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接口连接的评估板软件控制模式

描述，特点以及工作模式

A. 概述

评估板和套件提供了方便的方式去操作和测试SPF220-5M2（P/N 40101）发射器的性能和14pin的DIP封装包驱动板，设计用来提供驱动脉冲，也包括一个散热器。用户需要把红外发射器焊接到评估板上的正负两个孔上，直接焊或者用导线连接焊。提供使用基于硬件的配置选择，或是软件的交互界面。硬件的交互允许通过外部电压或者板子的电位器控制驱动器的发射频率。评估板也会通过USB接口，配合简单的软件驱动程序和能够提供简单的用户交互界面一起使用。

B 特点总结

图1显示了评估板的简单框图。图2是评估板的实物图片。控制器提供用于控制到发射器的驱动电流和/或能量的标准化接口。驱动器是一个固定脉冲宽度的可变频率电路，其操作与驱动热设备兼容。只有在软件控制下才能改变脉冲宽度。该系统包含防止意外电源反转的保护。它还提供了板载调节器，以防止电源意外过电压

跳线提供以下选项/功能：

-跳线J3-提供为发射器供电的选项。

J3 on：板载电压调节器，其输出由R1电位计设置（1.2V至4.5V）。

J3 off：插孔“EMIT”用于从外部电源为发射器供电。¨

-跳线J9-提供在硬件模式下设置驱动频率的选项。

J9 on：插孔上的电压（“FREQ”）控制频率（0至2.4V对应1Hz至200Hz）。FREQ的模拟驱动器必须能够接收或输出至少3.3mA的电流。

J9 off：板载R4电位计控制频率。¨

-跳线J13-提供通过HW或USB接口控制驱动器的选项。

J13 on：硬件模式，频率由板载电位计或外部电压（“FREQ”插孔）控制，脉冲宽度固定在2300us。如果在软件模式下设置了脉冲宽度，则切换到HW模式将使脉冲宽度变回2300us。

J13 off ：软件模式，驱动器通过软件接口控制（频率和脉冲宽度可调整）。脉冲宽度可以在100us到3000us之间变化。如果驱动器在HW模式下启用，则卸下J13将禁用发射器驱动器。无论模式如何，USB端口都可以用于读取当前频率、脉冲宽度和平均电流。

C. 硬件模式（J13跳线输入）

提供给发射器的脉冲宽度在硬件模式下不可调，设置为2.3 ms。启用输入激活，当保持低电平或未连接到逻辑高电平时，将禁用发射器电源脉冲。跳线J9在带R4的板载频率控制和直流电压外部频率控制输入插孔之间进行选择。跳线J3在带R1的板载发射器电源控制和外部发射器电源输入插孔之间进行选择。当使用外部发射器电源选项时，发射器可能会被客户过度供电。客户必须将直流或平均电流保持在1A以下。

D. 软件模式（J13跳线输出）

有关驱动程序和软件安装，请参阅随评估套件提供的USB闪存驱动器上的自述文件，其中包含驱动程序和程序。正确的执行顺序是启动评估板，然后启动软件应用程序。无论跳线设置（J13）如何，都可以使用此应用程序。启动后，应用程序将尝试自动定位评估委员会。如果“USB状态”指示灯未变为绿色（这可能需要几秒钟），请尝试回收电源并重新启动应用程序

当J13跳线断开时，“发射器软件控制”下的按钮将启用，允许您打开/关闭发射器、设置频率和设置脉冲宽度。默认频率为180 Hz，默认脉冲宽度为2.3ms。滑块可以前后移动，以调整发射器电源的频率和脉冲宽度。要调整滑块，请单击鼠标按钮并保持移动到所需的位置，然后松开它。将更新频率或脉冲宽度。如果使用发射极电压调节器调节电位计R1，则可以对其进行调节以对提供给发射极的功率进行额外控制。使用外部驱动电源也可以做到这一点。平均电流显示在“频率”和“脉冲宽度”框下方的框中。该平均电流不得超过1000 mA。参见之前优化发射器的信号输出。