Hoja Técnica del LED Infrarrojo de Alta Potencia HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR - Paquete SMD - 850nm - 3.5V - 3W - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR es un diodo emisor de infrarrojos de alta potencia diseñado para aplicaciones exigentes que requieren una iluminación infrarroja robusta y eficiente. Está encapsulado en un paquete compacto de montaje superficial (SMD), lo que lo hace adecuado para procesos de montaje automatizado. El dispositivo está moldeado con un material de silicona transparente al agua que presenta una lente superior esférica, lo que ayuda a lograr su ángulo de visión especificado y su perfil de intensidad radiante.

La ventaja principal de este LED radica en su combinación de factor de forma reducido y alta eficiencia de salida óptica. Está construido utilizando un material de chip de GaAlAs (Arseniuro de Galio y Aluminio), optimizado para la emisión en el espectro del infrarrojo cercano. Una característica clave es su coincidencia espectral con fotodiodos y fototransistores de silicio, lo que lo convierte en una fuente de luz ideal para sistemas de detección e imagen que utilizan estos detectores comunes basados en silicio. Esto garantiza la máxima responsividad y relación señal-ruido en la aplicación objetivo.

Los mercados y aplicaciones principales incluyen sistemas de vigilancia y seguridad, particularmente cámaras basadas en CCD para visión nocturna, y diversos sistemas aplicados en infrarrojos como sensores de proximidad, automatización industrial y visión artificial. Su cumplimiento de estándares ambientales como RoHS, REACH y requisitos libres de halógenos lo hace adecuado para su uso en productos con demandas regulatorias estrictas.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está clasificado para una corriente directa continua (I_F) de 1500 mA. Para operación pulsada, puede manejar una corriente directa pico (I_FP) de 5000 mA bajo condiciones específicas (ancho de pulso ≤100μs, ciclo de trabajo ≤1%). La tensión inversa máxima (V_R) es de 5V, un valor típico para LEDs que indica que el dispositivo no debe someterse a una polarización inversa significativa. El rango de temperatura de operación y almacenamiento se especifica de -40°C a +100°C, con una temperatura máxima de unión (T_j) de 125°C. Exceder estos límites puede causar daños permanentes.

La resistencia térmica desde la unión hasta el marco de conexión (R_th(j-L)) es de 18 K/W. Este parámetro es crítico para la gestión térmica. Define cuánto aumenta la temperatura de la unión por cada vatio de potencia disipada. Con una disipación de potencia especificada (P_d) de 3W a I_F=700mA, un disipador de calor efectivo es esencial para mantener la temperatura de la unión dentro de límites seguros, especialmente a corrientes de conducción más altas.

2.2 Características Electro-Ópticas

Los parámetros ópticos principales se miden a una temperatura ambiente estándar de 25°C. La longitud de onda pico (λ_p) es de 850 nm, que se encuentra en la región del infrarrojo cercano, invisible para el ojo humano pero altamente detectable por sensores de silicio. El ancho de banda espectral (Δλ) es típicamente de 25 nm, lo que indica la pureza espectral de la luz emitida.

El rendimiento radiante escala con la corriente de conducción:

• A I_F=350 mA: La Potencia Radiada Total (P_o) es de 500 mW (típ.), la Intensidad Radiante (I_E) es de 200 mW/sr (típ.).
• A I_F=700 mA: P_oes de 900 mW (típ.), I_Ees de 400 mW/sr (típ.).
• A I_F=1 A: P_oes de 1300 mW (típ.), I_Ees de 560 mW/sr (típ.).

La tensión directa (V_F) aumenta con la corriente debido a la resistencia inherente del diodo:

• 3.0V (típ.) a 350 mA.
• 3.3V (típ.) a 700 mA.
• 3.5V (típ.) a 1 A.
• 3.8V (típ.) a 5 A (pulsada).

La corriente inversa (I_R) es un máximo de 10 μA a V_R=5V. El ángulo de visión (2θ_1/2), definido como el ángulo total a media intensidad, es de 90 grados, proporcionando un patrón de haz relativamente amplio adecuado para iluminación de área.

3. Explicación del Sistema de Clasificación (Binning)

El producto utiliza un sistema de clasificación (binning) para la Potencia Radiada Total medida a una corriente de conducción de 1000 mA (1A). Este sistema categoriza los LEDs según su salida óptica para garantizar consistencia en el rendimiento de la aplicación. Los códigos de clasificación y sus rangos de potencia correspondientes (incluyendo una tolerancia de prueba de ±10%) son:

• Clasificación G:Mínimo 800 mW, Máximo 1260 mW.
• Clasificación H:Mínimo 1000 mW, Máximo 1600 mW.
• Clasificación I:Mínimo 1260 mW, Máximo 2000 mW.

Esto permite a los diseñadores seleccionar componentes que cumplan con requisitos específicos de brillo mínimo para su sistema. La hoja de datos no indica clasificaciones separadas para longitud de onda o tensión directa para este número de parte específico, lo que sugiere un control estricto sobre estos parámetros en la fabricación.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a varias curvas características típicas que son cruciales para comprender el comportamiento del dispositivo bajo diferentes condiciones de operación.

Corriente Directa vs. Tensión Directa (Fig.1):Esta curva IV muestra la relación exponencial típica de un diodo. Es esencial para diseñar el circuito de conducción de corriente y calcular el consumo de energía (V_F* I_F). La curva se desplazará con la temperatura.

Corriente Directa vs. Intensidad Radiante / Potencia Total (Fig.2 & Fig.3):Estos gráficos ilustran la salida de luz en función de la corriente de conducción. La relación es generalmente lineal a corrientes bajas, pero puede mostrar signos de caída de eficiencia (aumento sub-lineal) a corrientes muy altas debido a efectos térmicos y eléctricos. Esto ayuda a seleccionar el punto de operación óptimo para equilibrar la salida y la eficiencia/calor.

Intensidad Radiante Relativa vs. Desplazamiento Angular (Fig.4):Este gráfico polar define el patrón de radiación espacial. Aquí se confirma el ángulo de visión de 90 grados. La forma de la curva (por ejemplo, Lambertiana, de ala de murciélago) impacta en cómo se distribuye la luz sobre el área objetivo.

Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente (Fig.5):Esta curva de reducción de potencia (derating) es una de las más críticas para la fiabilidad. Muestra la corriente directa máxima permitida para mantener la temperatura de la unión por debajo de 125°C a medida que aumenta la temperatura ambiente. A 100°C ambiente, la corriente continua permitida se reduce significativamente. Este gráfico debe usarse para cualquier diseño que opere en un entorno distinto a 25°C.

5. Información Mecánica y del Paquete

5.1 Dimensiones del Paquete

El LED está encapsulado en un paquete de montaje superficial. Las dimensiones clave del dibujo incluyen el tamaño del cuerpo, la altura de la lente y el espaciado de las patillas. Las tolerancias son típicamente de ±0.1 mm a menos que se indique lo contrario. Una nota crítica de manejo advierte contra la aplicación de fuerza sobre la lente, ya que esto puede dañar la estructura interna y provocar fallos en el dispositivo. El dispositivo debe manipularse por su cuerpo o patillas durante el montaje.

5.2 Configuración de Pads y Polaridad

El dispositivo tiene tres pads eléctricos: el Pad 1 es el Ánodo (+), el Pad 2 es el Cátodo (-), y el Pad P es un Pad Térmico dedicado. El pad térmico es crucial para transferir calor desde la unión del LED a la placa de circuito impreso (PCB). Para un rendimiento térmico y eléctrico óptimo, el diseño del PCB debe incluir una zona de cobre de tamaño adecuado conectada a este pad, con vías térmicas a capas internas o inferiores si es necesario. La conexión de polaridad correcta (Ánodo al suministro positivo) es obligatoria para su funcionamiento.

6. Guías de Soldadura y Montaje

6.1 Perfil de Soldadura por Reflujo

El dispositivo es adecuado para procesos estándar de reflujo SMT. Se proporciona un perfil de reflujo sin plomo:

• Tasa de Calentamiento:2~3 °C/seg.
• Precalentamiento:150~200°C durante 60~120 segundos.
• Temperatura Líquida (T_L):217°C.
• Tiempo por Encima de T_L:60~90 segundos.
• Temperatura Pico (T_P):240 ±5°C.
• Tiempo en el Pico (t_P):Máximo 20 segundos.
• Tasa de Enfriamiento:3~5 °C/seg.

Se recomienda que la soldadura por reflujo no se realice más de dos veces para minimizar el estrés térmico en el paquete y las uniones internas. Debe evitarse el estrés en el LED durante el calentamiento, y la placa de circuito no debe doblarse después de la soldadura para prevenir daños mecánicos en las soldaduras o en el propio LED.

6.2 Condiciones de Almacenamiento

El dispositivo se envía en un embalaje resistente a la humedad, que incluye una bolsa de aluminio antihumedad con desecante. Si se abre el embalaje, los dispositivos son sensibles a la absorción de humedad y deben usarse dentro de un tiempo especificado o secarse (baked) según los procedimientos estándar de Nivel de Sensibilidad a la Humedad (MSL) antes del reflujo para prevenir daños por "efecto palomita" durante la soldadura. El nivel MSL específico no se indica en el extracto proporcionado.

7. Información de Embalaje y Pedido

El dispositivo se suministra en cinta portadora y carrete para montaje automatizado pick-and-place. Cada carrete contiene 400 piezas. Se proporcionan las dimensiones de la cinta portadora para garantizar la compatibilidad con los equipos alimentadores. La etiqueta del embalaje incluye información estándar como el Número de Parte (P/N), la cantidad (QTY) y el número de lote (LOT No.) para la trazabilidad. El código de clasificación para la potencia radiante (CAT) también se indicaría aquí.

8. Notas de Aplicación y Consideraciones de Diseño

8.1 Circuitos de Aplicación Típicos

Este LED infrarrojo requiere una fuente de corriente constante para una operación estable, no una tensión constante. Se puede usar una resistencia en serie para aplicaciones de baja corriente, pero para las altas corrientes que este dispositivo puede manejar, se recomienda un circuito integrado controlador de LED dedicado o un regulador de corriente basado en transistores para garantizar una salida de luz consistente y proteger el LED de picos de corriente. El controlador debe ser capaz de suministrar hasta la corriente directa requerida y manejar la caída de tensión directa.

8.2 Gestión Térmica

Este es el aspecto más crítico del uso de este LED de alta potencia. La hoja de datos sugiere explícitamente añadir un disipador de calor. El diseño del PCB debe incorporar un pad térmico significativo conectado al pad térmico del LED con un área de cobre amplia. Se recomienda encarecidamente el uso de vías térmicas para conducir el calor a otras capas del PCB o a un disipador externo. No debe excederse la temperatura máxima de unión de 125°C; por lo tanto, deben realizarse cálculos o mediciones térmicas basadas en la corriente de operación real, la temperatura ambiente y las propiedades térmicas del PCB.

8.3 Diseño Óptico

Para aplicaciones como iluminación de cámaras, se pueden usar ópticas secundarias (lentes o reflectores) para colimar o dar forma al haz de 90 grados en un patrón más enfocado para aumentar la distancia de alcance o la eficiencia. La lente transparente al agua garantiza una absorción mínima de la luz infrarroja. Los diseñadores deben considerar la intensidad radiante (mW/sr) en lugar de solo la potencia total al diseñar para iluminación a distancia.

9. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los LEDs infrarrojos estándar de 5mm o 3mm de orificio pasante, este dispositivo SMD ofrece una potencia óptica de salida significativamente mayor (hasta 1300+ mW frente a decenas de mW) en un paquete más compacto y fabricable. Su resistencia térmica de 18 K/W es relativamente baja para un LED SMD, lo que indica una buena vía térmica, pero aún requiere una gestión cuidadosa en comparación con los LEDs montados en PCBs de núcleo metálico o con disipadores integrados. La longitud de onda de 850nm es un estándar común, que ofrece un buen equilibrio entre la sensibilidad del detector de silicio y una menor visibilidad en comparación con los LEDs de 940nm (que son casi invisibles pero producen una respuesta del sensor más baja).

10. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Puedo alimentar este LED directamente desde una fuente de 5V con una resistencia?

R: Posiblemente, pero requiere un cálculo cuidadoso. A 1A, V_Fes ~3.5V. Una resistencia en serie necesitaría caer 1.5V a 1A, lo que significa R = 1.5Ω y disiparía 1.5W. Esto es ineficiente y genera más calor. Se prefiere firmemente un regulador de corriente dedicado para corrientes superiores a 350mA.

P: ¿Por qué es necesario un disipador de calor?

R: A 700mA, la disipación de potencia es aproximadamente 3.3V * 0.7A = 2.31W. Con una resistencia térmica de 18 K/W, la unión aumentaría 2.31W * 18 K/W = ~41.6°C por encima de la temperatura de la patilla. Si el PCB/patilla no se enfría, la unión puede superar fácilmente los 125°C, lo que lleva a una degradación rápida o fallo.

P: ¿Cuál es la diferencia entre Potencia Radiada Total (mW) e Intensidad Radiante (mW/sr)?

R: La Potencia Radiante Total es la potencia óptica integrada emitida en todas las direcciones. La Intensidad Radiante es la potencia emitida por unidad de ángulo sólido en una dirección específica (típicamente en el eje). La intensidad es más relevante para aplicaciones dirigidas, mientras que la potencia total importa para la eficiencia general del sistema.

P: ¿Es seguro este LED para la exposición ocular?

R: Los LEDs infrarrojos, especialmente los de alta potencia, pueden ser peligrosos para los ojos. Emiten radiación invisible que puede causar daño en la retina antes de que se active el reflejo de parpadeo. Siempre siga los estándares de seguridad relevantes para productos láser/infrarrojos (como la IEC 62471) e implemente salvaguardas apropiadas (difusores, carcasas, límites de intensidad) en el producto final.

11. Caso de Estudio de Diseño y Uso

Escenario: Iluminación de Visión Nocturna para una Cámara de Seguridad.

Un diseñador está creando una cámara IP compacta con capacidad de visión nocturna utilizando un sensor de imagen basado en silicio. Selecciona este LED de 850nm por su alta salida y coincidencia espectral. Se colocan cuatro LEDs alrededor del objetivo de la cámara. Cada uno es alimentado a 700mA por un CI controlador de LED conmutador compacto para garantizar una salida estable a medida que cambia el voltaje de la batería. El PCB es una placa de 4 capas con el plano de masa interno conectado a través de múltiples vías térmicas a la gran almohadilla de cobre debajo de cada LED para dispersar el calor. Se coloca una película difusora ligera sobre los LEDs para mezclar los haces y reducir los puntos calientes en la imagen. El diseño térmico se valida con una cámara térmica, confirmando que la temperatura de la carcasa del LED se mantiene por debajo de 85°C en un ambiente de 40°C, manteniendo la unión de manera segura por debajo de su límite. El sistema resultante proporciona imágenes de visión nocturna claras y uniformemente iluminadas hasta 30 metros.

12. Introducción al Principio Técnico

Los LEDs infrarrojos operan bajo el mismo principio fundamental que los LEDs visibles: electroluminiscencia en una unión p-n de semiconductor. Cuando se aplica una tensión directa, los electrones y los huecos se inyectan en la región activa donde se recombinan, liberando energía en forma de fotones. La longitud de onda (color) de la luz emitida está determinada por la energía de la banda prohibida del material semiconductor. El GaAlAs (Arseniuro de Galio y Aluminio) es un semiconductor compuesto cuya banda prohibida puede ajustarse variando el contenido de Aluminio para emitir en el rango del infrarrojo cercano, específicamente alrededor de 850nm. El encapsulado de silicona transparente al agua es transparente a esta longitud de onda y se forma en una lente para dar forma al haz de salida. La capacidad de alta potencia se logra utilizando un chip semiconductor más grande y un paquete eficiente diseñado para extraer calor.

13. Tendencias Tecnológicas

La tendencia en los LEDs infrarrojos, particularmente para detección e imagen, es hacia una mayor eficiencia (más potencia radiante por vatio eléctrico), lo que reduce la generación de calor y el consumo de energía. Esto se logra mediante avances en el diseño de capas epitaxiales y técnicas de extracción de luz. También hay un movimiento hacia una integración más estrecha, como LEDs con controladores incorporados o combinados con fotodetectores en un solo paquete. Longitudes de onda como 940nm están ganando popularidad para iluminación "encubierta", ya que son menos visibles para el ojo humano que los de 850nm, aunque requieren sensores con mayor sensibilidad. Además, la búsqueda de la miniaturización continúa, impulsando alta potencia en paquetes SMD cada vez más pequeños, lo que a su vez aumenta la importancia de soluciones avanzadas de gestión térmica a nivel de PCB y sistema.