Hoja de Datos del LED Infrarrojo de 5mm HIR333/H0 - Diámetro 5mm - Voltaje Directo 1.45V - Longitud de Onda 850nm - Disipación de Potencia 150mW - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El HIR333/H0 es un diodo emisor de infrarrojos de alta intensidad, alojado en un encapsulado estándar de orificio pasante T-1 3/4 (5mm) con lente de plástico amarillo. El dispositivo está diseñado para ofrecer un rendimiento fiable en sistemas de detección y comunicación por infrarrojos. Su función principal es emitir luz infrarroja con una longitud de onda pico de 850nm, optimizada espectralmente para ser compatible con fotodetectores de silicio comunes como fototransistores, fotodiodos y módulos receptores de infrarrojos integrados. El producto se ha diseñado con un enfoque en la alta fiabilidad y una salida consistente.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Las ventajas clave de este componente incluyen su alta intensidad radiante, que permite una transmisión de señal potente, y su bajo voltaje directo, que contribuye a un funcionamiento energéticamente eficiente. Está construido con materiales libres de plomo y cumple con las principales directivas medioambientales y de seguridad, incluyendo RoHS, REACH de la UE y estándares libres de halógenos (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). Estas características lo hacen adecuado para una amplia gama de aplicaciones comerciales e industriales de infrarrojos donde el cumplimiento normativo y la fiabilidad a largo plazo son críticos. El mercado objetivo incluye fabricantes de sistemas de seguridad, mandos a distancia, interruptores ópticos, sensores de detección de objetos y diversos dispositivos electrónicos de consumo que requieren fuentes de luz no visible.

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

Esta sección proporciona un desglose detallado de las especificaciones eléctricas, ópticas y térmicas que definen los límites operativos y el rendimiento del LED.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Los Límites Absolutos Máximos definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. Estos límites nunca deben excederse, ni siquiera momentáneamente. La operación debe mantenerse dentro de las condiciones operativas recomendadas para un rendimiento fiable.

• Corriente Directa Continua (I_F): 100 mA. Esta es la corriente continua máxima que se puede aplicar continuamente al LED.
• Corriente Directa de Pico (I_FP): 1.0 A. Esta corriente alta solo es permisible en condiciones de pulsos con un ancho de pulso ≤ 100μs y un ciclo de trabajo ≤ 1% para evitar el sobrecalentamiento.
• Voltaje Inverso (V_R): 5 V. Exceder este voltaje de polarización inversa puede causar la ruptura de la unión.
• Disipación de Potencia (P_d): 150 mW a una temperatura ambiente libre de 25°C o inferior. Esta especificación disminuye al aumentar la temperatura ambiente.
• Rangos de Temperatura: Operación: -40°C a +85°C; Almacenamiento: -40°C a +100°C.
• Temperatura de Soldadura (T_sol): 260°C durante un máximo de 5 segundos, definiendo los límites para procesos de soldadura por ola o reflujo.

2.2 Características Electro-Ópticas

Las Características Electro-Ópticas se especifican en una condición de prueba estándar de temperatura ambiente (T_a) de 25°C. Estos parámetros definen el rendimiento típico del dispositivo.

• Intensidad Radiante (I_e): Esta es la potencia óptica emitida por unidad de ángulo sólido, medida en milivatios por estereorradián (mW/sr). El valor típico es 15 mW/sr a una corriente directa (I_F) de 20mA. Bajo una corriente pulsada de 100mA, la intensidad radiante puede alcanzar 80 mW/sr.
• Longitud de Onda Pico (λ_p): 850 nm (típico). Esta es la longitud de onda a la cual la potencia de salida óptica es máxima. Esta longitud de onda es invisible para el ojo humano pero es detectada eficientemente por sensores de silicio.
• Ancho de Banda Espectral (Δλ): 45 nm (típico). Esto indica el rango de longitudes de onda que emite el LED, medido a la mitad de la intensidad máxima (Ancho Total a Mitad del Máximo - FWHM).
• Voltaje Directo (V_F): 1.45V (típico) a I_F=20mA, con un máximo de 1.65V. A I_F=100mA (pulsada), el V_Ftípico sube a 1.80V con un máximo de 2.40V.
• Corriente Inversa (I_R): Máximo 10 μA a V_R=5V, indicando una fuga muy baja en estado de apagado.
• Ángulo de Visión (2θ_1/2): 30 grados (típico). Este es el ángulo total en el cual la intensidad radiante cae a la mitad de su valor en el centro (0°). Un ángulo de 30° proporciona un haz moderadamente enfocado.

3. Explicación del Sistema de Clasificación (Binning)

La intensidad radiante de los LED se clasifica en diferentes niveles o 'bins' para garantizar consistencia al usuario final. La clasificación se realiza bajo una condición de prueba estándar de I_F= 20mA. Los niveles disponibles se definen mediante un código de letra (M, N, P, Q, R) con valores mínimos y máximos de intensidad radiante correspondientes. Esto permite a los diseñadores seleccionar un componente que cumpla con sus requisitos específicos de sensibilidad o alcance. Por ejemplo, seleccionar un nivel 'P' garantiza una intensidad radiante mínima de 15.0 mW/sr y una máxima de 24.0 mW/sr. La hoja de datos no indica una clasificación separada para longitud de onda (Tono) o voltaje directo (REF) para este número de parte específico, pero la especificación de la etiqueta sugiere que estos parámetros se rastrean durante la fabricación.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

Las curvas de rendimiento típico proporcionan información visual sobre el comportamiento del dispositivo en condiciones variables, lo cual es crucial para el diseño del circuito y la gestión térmica.

4.1 Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente

Esta curva de reducción de potencia muestra cómo la corriente directa continua máxima permitida disminuye a medida que la temperatura ambiente aumenta por encima de los 25°C. Para garantizar que la temperatura de la unión permanezca dentro de límites seguros y mantener la fiabilidad a largo plazo, la corriente de operación debe reducirse en entornos de alta temperatura. Los diseñadores deben consultar esta curva cuando operen el LED en gabinetes cerrados o a temperaturas ambiente elevadas.

4.2 Distribución Espectral

El gráfico de distribución espectral traza la intensidad radiante relativa frente a la longitud de onda. Confirma visualmente la longitud de onda pico en 850nm y el ancho de banda espectral de aproximadamente 45nm. La curva es característica del material semiconductor GaAlAs (Arseniuro de Galio y Aluminio). El pico estrecho y bien definido garantiza una superposición mínima con la luz visible y un acoplamiento óptimo con detectores de silicio, que tienen una sensibilidad máxima alrededor de 800-900nm.

4.3 Intensidad Radiante vs. Corriente Directa

Esta curva ilustra la relación entre la corriente de accionamiento y la salida óptica. La intensidad radiante aumenta de forma superlineal con la corriente a niveles bajos y tiende a volverse más lineal a corrientes más altas, saturándose eventualmente a medida que la eficiencia interna disminuye debido a efectos de calentamiento. La curva para la condición pulsada (100mA) muestra una salida significativamente mayor que la condición de corriente continua, destacando el beneficio de la operación pulsada para lograr una alta intensidad de pico sin daño térmico.

4.4 Intensidad Radiante Relativa vs. Desplazamiento Angular

Este gráfico polar representa el patrón de emisión espacial del LED. Muestra cómo la intensidad de la luz disminuye a medida que el ángulo de visión se aleja del eje central (0°). El patrón es aproximadamente Lambertiano para este tipo de encapsulado, siendo la intensidad en los puntos de medio ángulo (aproximadamente ±15°) el 50% de la intensidad en el eje, definiendo así el ángulo de visión de 30°.

5. Información Mecánica y del Encapsulado

El dispositivo utiliza un encapsulado radial con terminales estándar de 5mm (T-1 3/4). Los terminales tienen una separación estándar de 2.54mm (0.1 pulgada), compatible con placas de prototipos perforadas comunes y diseños de PCB. El dibujo de dimensiones del encapsulado proporciona medidas críticas, incluido el diámetro total, la altura de la lente, la longitud y el diámetro de los terminales. El cuerpo está moldeado en plástico amarillo, que es transparente a la luz infrarroja de 850nm pero aparece coloreado para ayudar en la identificación visual y diferenciarlo de los LED de luz visible. El cátodo se identifica típicamente por un punto plano en el borde de la lente y/o un terminal más corto. Todas las dimensiones tienen una tolerancia estándar de ±0.25mm a menos que se especifique lo contrario.

6. Directrices de Soldadura y Montaje

Un manejo adecuado durante el montaje es esencial para prevenir daños mecánicos o térmicos en el LED.

6.1 Formado de Terminales

Si es necesario doblar los terminales, debe hacerse en un punto al menos a 3mm de la base de la bombilla de epoxi. El formado siempre debe realizarse antes de soldar, a temperatura ambiente, y con cuidado para evitar aplicar tensión directamente al cuerpo de epoxi, lo que podría agrietar el encapsulado o dañar las conexiones internas de alambre. Los orificios de la PCB deben alinearse con precisión con los terminales del LED para evitar tensiones de montaje.

6.2 Almacenamiento

Los LED deben almacenarse en un entorno fresco y seco (≤30°C, ≤70% de Humedad Relativa). La vida útil de almacenamiento recomendada después del envío es de 3 meses. Para un almacenamiento más prolongado (hasta un año), los componentes deben guardarse en una bolsa sellada con barrera de humedad y desecante, preferiblemente en una atmósfera de nitrógeno, para prevenir la absorción de humedad y el potencial \"efecto palomita\" durante la soldadura.

6.3 Proceso de Soldadura

Debe mantenerse una distancia mínima de 3mm entre la unión de soldadura y la bombilla de epoxi. Los parámetros de soldadura recomendados son:
Soldadura Manual: Temperatura de la punta del soldador ≤300°C (para un soldador de 30W máximo), tiempo de soldadura ≤3 segundos por terminal.
Soldadura por Ola/Inmersión: Temperatura de precalentamiento ≤100°C durante ≤60 segundos; temperatura del baño de soldadura ≤260°C durante ≤5 segundos.
El perfil de soldadura proporcionado recomienda un aumento rápido de temperatura, una zona de meseta (remojo), un breve pico a 260°C y un enfriamiento controlado. Debe evitarse el enfriamiento rápido o el choque térmico. No se recomienda volver a soldar (más de un ciclo de inmersión o soldadura manual).

6.4 Limpieza

Si es necesaria la limpieza después de soldar, usar alcohol isopropílico a temperatura ambiente durante no más de un minuto. No usar limpieza ultrasónica a menos que sus efectos (potencia, frecuencia, duración) hayan sido precalificados exhaustivamente en ensamblajes de muestra, ya que la energía ultrasónica puede fracturar la delicada estructura interna del semiconductor.

5.5 Gestión Térmica

Una gestión térmica efectiva es una consideración de diseño crítica. La especificación de disipación de potencia de 150mW se define a 25°C. En aplicaciones reales, la potencia real disipada (V_F* I_F) debe reducirse a medida que aumenta la temperatura ambiente, como se muestra en la curva de reducción de potencia. Para operación continua a corrientes altas o en temperaturas ambiente elevadas, considere usar un disipador de calor, aumentar el flujo de aire o implementar un accionamiento pulsado para reducir la temperatura promedio de la unión y garantizar la fiabilidad a largo plazo.

7. Información de Embalaje y Pedido

Los LED se empaquetan en bolsas antiestáticas para protegerlos de descargas electrostáticas (ESD). Estas bolsas se colocan dentro de cajas internas, que luego se empaquetan en cajas externas más grandes para su envío. Una cantidad de embalaje típica es de 200-500 piezas por bolsa, con 5 bolsas por caja interna y 10 cajas internas por caja externa maestra. La etiqueta en la bolsa contiene información clave para la trazabilidad e identificación, incluido el Número de Producto del Cliente (CPN), el Número de Producto del fabricante (P/N), la Cantidad de Embalaje (QTY) y el Rango de Intensidad Luminosa (CAT). Otros códigos pueden indicar el Rango de Longitud de Onda Dominante (HUE), el Rango de Voltaje Directo (REF), el Número de Lote y el Código de Fecha.

8. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

8.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Mandos a Distancia por Infrarrojos: Se utiliza como transmisor en mandos a distancia de TV, audio y decodificadores.
• Detección de Proximidad y Objetos: Emparejado con un fototransistor para detectar la presencia, ausencia o posición de un objeto.
• Interruptores Ópticos: Utilizado en sensores de ranura (por ejemplo, detección de papel en impresoras) o sensores reflectivos.
• Sistemas de Seguridad: Para iluminación de visión nocturna en cámaras de CCTV o como parte de haces de detección de intrusos por infrarrojos.
• Automatización Industrial: Para detección sin contacto en aplicaciones de conteo, alineación y detección de nivel.

8.2 Consideraciones de Diseño

• Limitación de Corriente: Utilice siempre una resistencia en serie o un controlador de corriente constante para limitar la corriente directa al valor deseado, calculado en función del voltaje de alimentación y el voltaje directo del LED.
• Operación Pulsada: Para aplicaciones que requieren alta intensidad de pico (como detección de largo alcance), utilice un accionamiento pulsado con un ciclo de trabajo apropiado para mantenerse dentro de los límites de corriente de pico y potencia promedio.
• Diseño Óptico: Considere el ángulo de visión de 30° al diseñar lentes, aperturas o trayectorias ópticas. Para mayor alcance, se pueden usar lentes externas para colimar el haz.
• Compatibilidad del Detector: Asegúrese de que el fotodetector seleccionado (fototransistor, fotodiodo o CI receptor) tenga alta sensibilidad en la región de 850nm.
• Inmunidad a la Luz Ambiente: En entornos con luz ambiente fuerte (especialmente luz solar que contiene IR), utilice señales IR moduladas (pulsadas) y detección síncrona en el receptor para distinguir la señal del ruido de fondo.

9. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los LED estándar de luz visible, este LED IR está optimizado para la salida en el espectro infrarrojo con un material (GaAlAs) que proporciona alta eficiencia a 850nm. Sus diferenciadores clave dentro de la categoría de LED IR son su combinación de intensidad radiante relativamente alta (15 mW/sr típico) y bajo voltaje directo (1.45V típico), lo que puede conducir a un menor consumo de energía en dispositivos alimentados por batería. El ángulo de visión de 30° ofrece un buen equilibrio entre concentración del haz y área de cobertura. El cumplimiento de los estándares medioambientales modernos (RoHS, REACH, Libre de Halógenos) es una ventaja significativa para productos destinados a mercados globales, eliminando preocupaciones sobre el cumplimiento de materiales.

10. Preguntas Frecuentes Basadas en Parámetros Técnicos

P: ¿Puedo alimentar este LED directamente desde una fuente de 5V?
R: No. Debe usar una resistencia limitadora de corriente. Por ejemplo, con una fuente de 5V y una corriente objetivo de 20mA, y asumiendo un V_Ftípico de 1.45V, el valor de la resistencia sería R = (5V - 1.45V) / 0.02A = 177.5Ω. Una resistencia estándar de 180Ω sería adecuada.

P: ¿Cuál es la diferencia entre las especificaciones de intensidad radiante en DC y pulsada?
R: La especificación en DC (15 mW/sr a 20mA) es para operación continua donde los efectos térmicos limitan la salida. La especificación pulsada (80 mW/sr a 100mA) es alcanzable porque el pulso breve no permite que la unión se caliente significativamente, permitiendo una corriente instantánea mucho mayor y, por lo tanto, una mayor salida de luz.

P: ¿Cómo identifico el cátodo?
R: En un encapsulado estándar de 5mm, el cátodo se indica típicamente por dos características: 1) Un borde plano en el borde redondo de la lente de plástico. 2) El terminal del cátodo suele ser más corto que el terminal del ánodo. Verifique siempre la polaridad antes de soldar.

P: ¿Es este LED sensible a la ESD?
R: Como todos los dispositivos semiconductores, puede dañarse por descarga electrostática. Se suministra en embalaje antiestático y debe manipularse con las precauciones ESD apropiadas durante el montaje.

11. Caso Práctico de Diseño y Uso

Caso: Diseño de un Sensor Simple de Detección de Objetos
Una aplicación común es un sensor de barrera. El LED IR HIR333/H0 se coloca en un lado de un camino, y un fototransistor se coloca directamente enfrente. Cuando un objeto pasa entre ellos, interrumpe el haz infrarrojo, causando un cambio en la salida del fototransistor. Para este diseño:
1. Accione el LED con una corriente constante de 20mA usando un simple interruptor de transistor o un pin GPIO de un microcontrolador (con resistencia en serie).
2. Para mejorar la inmunidad al ruido y el alcance, pulse el LED a una frecuencia (por ejemplo, 38kHz) y use un módulo de fototransistor con un filtro de 38kHz incorporado.
3. Alinee cuidadosamente el LED y el detector, considerando el cono de emisión de 30°. Para espacios más largos, considere agregar un tubo o una lente colimadora frente al LED para estrechar el haz.
4. Coloque el sensor lejos de la luz solar directa u otras fuentes fuertes de luz infrarroja para evitar falsos disparos.

12. Introducción al Principio de Funcionamiento

Un Diodo Emisor de Luz Infrarroja (LED IR) es un diodo semiconductor de unión p-n. Cuando se aplica un voltaje directo, los electrones de la región n y los huecos de la región p se inyectan a través de la unión. Cuando estos portadores de carga se recombinan en la región activa, se libera energía en forma de fotones (luz). La longitud de onda (color) de la luz emitida está determinada por la energía de la banda prohibida del material semiconductor. El HIR333/H0 utiliza Arseniuro de Galio y Aluminio (GaAlAs), que tiene una banda prohibida correspondiente a fotones en el espectro del infrarrojo cercano, específicamente alrededor de 850 nanómetros. El encapsulado de plástico amarillo está dopado para ser transparente a esta longitud de onda mientras bloquea la luz visible, y también actúa como una lente primaria para dar forma al haz de salida.

13. Tendencias y Avances Tecnológicos

La tendencia en la tecnología de LED infrarrojos continúa hacia una mayor eficiencia (más salida de luz por vatio eléctrico de entrada) y mayores densidades de potencia. Esto permite fuentes más brillantes o diseños más eficientes energéticamente. También hay desarrollo en la variación de longitudes de onda pico; mientras que 850nm y 940nm son comunes, otras longitudes de onda se están optimizando para aplicaciones específicas como detección de gases o diagnósticos médicos. El encapsulado está evolucionando para soportar tecnología de montaje superficial (SMD) para el montaje automatizado, aunque los encapsulados de orificio pasante como el de 5mm siguen siendo populares para prototipos, reparaciones y ciertas aplicaciones de alta fiabilidad. La integración es otra tendencia, con LED IR combinados con controladores, moduladores e incluso detectores en módulos únicos para simplificar el diseño del sistema para el usuario final.