Hoja de Datos del LED Infrarrojo de Alta Potencia HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR - 5.0x5.0x1.9mm - 850nm - 3.1V - 3W - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR es un diodo emisor infrarrojo de alta potencia diseñado para aplicaciones de iluminación exigentes. Cuenta con un encapsulado de dispositivo de montaje superficial (SMD) miniatura con encapsulado de silicona transparente y una lente superior esférica, optimizando la extracción de luz y el patrón de radiación. La salida espectral del dispositivo está centrada en 850nm, lo que lo hace idealmente compatible con fotodiodos y fototransistores de silicio para sistemas de detección e imagen. Sus ventajas principales incluyen una alta potencia radiante en un factor de forma compacto, excelentes características de gestión térmica y cumplimiento con estándares ambientales y de seguridad modernos como RoHS, REACH y requisitos libres de halógenos.

1.1 Aplicaciones Objetivo

Este LED infrarrojo está dirigido principalmente a aplicaciones que requieren iluminación robusta e invisible. Sus áreas clave de aplicación incluyen sistemas de vigilancia y seguridad, donde se utiliza para proporcionar iluminación nocturna para cámaras CCD. También es adecuado para varios sistemas basados en infrarrojos, como sensores de proximidad, módulos de reconocimiento de gestos y visión artificial industrial. La alta potencia radiante permite una iluminación de mayor alcance o la cobertura de áreas más amplias en comparación con los LED infrarrojos estándar.

2. Especificaciones Técnicas e Interpretación Objetiva

El rendimiento del dispositivo se define bajo condiciones de prueba estándar (T_A=25°C). A continuación se proporciona un análisis objetivo detallado de sus parámetros clave.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los umbrales de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente en el dispositivo. No están destinados para operación normal.

• Corriente Directa Continua (I_F): 1500 mA. Esta es la corriente máxima de CC que se puede aplicar indefinidamente sin exceder el límite de temperatura de unión.
• Corriente Directa Pico (I_FP): 5000 mA. Esta alta corriente solo es permisible bajo condiciones pulsadas (ancho de pulso ≤100μs, ciclo de trabajo ≤1%), útil para iluminación de alta intensidad en ráfagas cortas.
• Voltaje Inverso (V_R): 5 V. Exceder este voltaje en polarización inversa puede causar ruptura de la unión.
• Temperatura de Unión (T_j): 115 °C. La temperatura máxima permitida en la unión semiconductor.
• Disipación de Potencia (P_d): 3 W a I_F=700mA. Esto indica la capacidad del dispositivo para manejar la generación de calor en un punto de operación específico.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros definen la salida de luz y el comportamiento eléctrico bajo condiciones típicas de operación.

• Potencia Radiada Total (P_o): La potencia óptica emitida en todas las direcciones. A una corriente de accionamiento de 1A, el valor típico oscila entre 900mW y 1100mW, lo que indica alta eficiencia.
• Intensidad Radiante (I_E): La potencia óptica por ángulo sólido, medida en mW/sr. A 1A, es típicamente entre 230 y 270 mW/sr. Esta métrica es relevante para aplicaciones de haz dirigido.
• Longitud de Onda Pico (λ_P): 850 nm. Esta es la longitud de onda a la que la salida espectral es más fuerte, perfectamente alineada con la sensibilidad máxima de los detectores basados en silicio.
• Ancho de Banda Espectral (Δλ): 25 nm. Esto define el rango de longitudes de onda emitidas, típicamente el ancho total a media altura (FWHM).
• Voltaje Directo (V_F): Típicamente 3.10V a 1A. Esta es la caída de voltaje a través del LED durante la operación, crucial para el diseño del conductor y los cálculos de disipación de potencia.
• Ángulo de Visión (2θ_1/2): 150 grados. Este ángulo de visión muy amplio proporciona una iluminación amplia y difusa en lugar de un foco estrecho, ideal para la cobertura de áreas.

2.3 Características Térmicas

Una gestión térmica efectiva es crítica para los LED de alta potencia para mantener el rendimiento y la longevidad.

• Resistencia Térmica (R_th(j-L)): 18 K/W (unión a patillas del encapsulado). Este valor bajo indica una buena transferencia de calor interna desde el chip a las patillas del encapsulado, pero se recomienda encarecidamente un disipador externo para operar a corrientes altas.

3. Explicación del Sistema de Clasificación (Binning)

El dispositivo se clasifica (binning) en función de su potencia radiante de salida a una corriente de prueba estándar de 1000mA. Esto garantiza consistencia en el rendimiento de la aplicación.

• Clasificación F: Potencia Radiante de 640 mW a 1000 mW.
• Clasificación G: Potencia Radiante de 800 mW a 1260 mW.
• Clasificación H: Potencia Radiante de 1000 mW a 1600 mW.

El código de clasificación permite a los diseñadores seleccionar LED con una salida mínima garantizada para sus necesidades específicas de aplicación. Todas las mediciones incluyen una tolerancia de prueba de ±10%.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que son esenciales para comprender el comportamiento del dispositivo bajo condiciones variables.

4.1 Corriente Directa vs. Voltaje Directo (Curva IV)

Esta curva muestra la relación no lineal entre corriente y voltaje. Es esencial para diseñar el circuito limitador de corriente. La curva mostrará un voltaje umbral (alrededor de 1.2V para GaAlAs) después del cual la corriente aumenta rápidamente con un pequeño aumento en el voltaje.

4.2 Corriente Directa vs. Intensidad Radiante/Potencia

Estas curvas demuestran la dependencia de la salida de luz con la corriente de accionamiento. Típicamente, la salida aumenta de manera superlineal a corrientes más bajas y luego tiende a saturarse a corrientes más altas debido a efectos térmicos y caída de eficiencia. Las curvas proporcionadas para este dispositivo a 350mA, 700mA y 1A ilustran esta tendencia.

4.3 Intensidad Radiante Relativa vs. Desplazamiento Angular

Este gráfico polar visualiza el ángulo de visión de 150 grados. Muestra el patrón de radiación, que es casi Lambertiano (distribución coseno) debido a la lente esférica, proporcionando una iluminación uniforme sobre un área amplia.

4.4 Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente

Este gráfico es crítico para la reducción de potencia (derating). Muestra cómo la corriente directa máxima permitida debe reducirse a medida que aumenta la temperatura ambiente para evitar que la temperatura de unión exceda su límite de 115°C. Esta curva informa directamente sobre el diseño térmico y los requisitos del disipador.

5. Información Mecánica y del Encapsulado

5.1 Dimensiones del Encapsulado

El dispositivo está alojado en un encapsulado SMD compacto de 5.0mm x 5.0mm con una altura de 1.9mm. La lente es una cúpula esférica prominente. Las tolerancias dimensionales críticas son de ±0.1mm a menos que se especifique lo contrario. Se da una advertencia específica de no manipular el dispositivo por la lente, ya que el estrés mecánico puede causar fallos.

5.2 Configuración de Pads e Identificación de Polaridad

El encapsulado tiene tres pads: Pad 1 (Ánodo), Pad 2 (Cátodo) y un gran pad térmico central (P). El pad térmico es crucial para transferir calor desde el dado del LED a la placa de circuito impreso (PCB). El diagrama de disposición de pads muestra claramente las posiciones del ánodo y cátodo para una conexión eléctrica correcta.

6. Guías de Soldadura y Montaje

6.1 Perfil de Soldadura por Reflujo

El dispositivo es adecuado para procesos estándar de reflujo SMT sin plomo. El perfil recomendado es el siguiente:

• Tasa de Calentamiento: 2–3 °C/seg
• Precalentamiento: 150–200 °C durante 60–120 segundos
• Tiempo por Encima del Líquido (T_L=217°C): 60–90 segundos
• Temperatura Pico (T_P): 240 ±5 °C
• Tiempo dentro de 5°C del Pico: Máximo 20 segundos
• Tasa de Enfriamiento: 3–5 °C/seg

6.2 Notas Críticas de Montaje

• La soldadura por reflujo no debe realizarse más de dos veces para evitar un estrés térmico excesivo en el encapsulado y las uniones de alambre.
• Debe evitarse el estrés mecánico en el LED durante el calentamiento (por ejemplo, por flexión de la placa).
• El PCB no debe doblarse después de la soldadura, ya que esto puede agrietar las uniones de soldadura o el propio encapsulado del LED.
• Una disipación de calor adecuada, como se sugiere en las notas, es obligatoria para una operación confiable a corrientes altas.

7. Información de Embalaje y Pedido

7.1 Especificaciones de Cinta y Carrete

Los dispositivos se suministran en cinta portadora y carrete para montaje automatizado. Cada carrete contiene 400 piezas. Se proporcionan dimensiones detalladas de la cinta portadora y el carrete para garantizar la compatibilidad con equipos pick-and-place.

7.2 Embalaje Sensible a la Humedad

El producto se envasa en una bolsa de aluminio resistente a la humedad con un desecante para protegerlo de la humedad ambiental durante el almacenamiento y transporte, lo cual es una práctica estándar para componentes SMD.

8. Recomendaciones de Aplicación y Consideraciones de Diseño

8.1 Diseño del Circuito Conductor

Debido a la alta corriente directa (hasta 1.5A continua), un conductor de corriente constante es esencial. El conductor debe ser capaz de suministrar la corriente requerida mientras soporta la caída de voltaje directo (aprox. 3.1V a 1A). Los reguladores conmutados a menudo se prefieren sobre los reguladores lineales por su eficiencia en estos niveles de potencia. El diseño del conductor también debe incorporar protección térmica o reducción de corriente basada en la curva de temperatura ambiente.

8.2 Diseño de Gestión Térmica

Este es el aspecto más crítico del uso de este LED de alta potencia. La baja resistencia térmica unión-a-patilla (18K/W) es solo una parte del sistema. La ruta térmica total desde la unión al ambiente (R_th(j-A)) debe minimizarse. Esto implica:

• Usar un PCB con una matriz de vías térmicas debajo del pad térmico conectada a grandes planos de cobre o a una capa de tierra interna.
• Posiblemente adjuntar un disipador externo al PCB.
• Asegurar un buen flujo de aire en la aplicación final.
• Usar material de interfaz térmica si es necesario.

La temperatura máxima de unión de 115°C nunca debe excederse. La curva de reducción de potencia (Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente) proporciona los datos necesarios para calcular el rendimiento requerido del disipador.

8.3 Diseño Óptico

El ángulo de visión de 150 grados proporciona una cobertura amplia. Para aplicaciones que requieren un haz más enfocado, se pueden usar ópticas secundarias (lentes o reflectores). La longitud de onda de 850nm es invisible para el ojo humano pero fácilmente detectable por sensores de silicio y la mayoría de cámaras CCD/CMOS, que a menudo tienen un filtro de corte infrarrojo que debe retirarse o reemplazarse por uno que permita el paso de 850nm para un uso efectivo.

9. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los LED infrarrojos estándar de 5mm o 3mm de orificio pasante, este dispositivo ofrece una potencia radiante significativamente mayor (en un orden de magnitud o más) en un encapsulado de montaje superficial, permitiendo diseños más compactos y robustos. Sus diferenciadores clave son su combinación de alta potencia (hasta 3W de disipación), amplio ángulo de visión y el pad térmico integrado para una disipación de calor efectiva, una característica que a menudo falta en los LED SMD de baja potencia. El uso de material de chip GaAlAs es estándar para emisores infrarrojos de alta eficiencia en este rango de longitud de onda.

10. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

10.1 ¿Cuál es la diferencia entre Potencia Radiante e Intensidad Radiante?

La Potencia Radiante (P_o, en mW) es la potencia óptica total emitida en todas las direcciones. La Intensidad Radiante (I_E, en mW/sr) es la potencia emitida por unidad de ángulo sólido en una dirección específica. Para un LED de gran ángulo como este, la potencia total es alta, pero la intensidad en cualquier dirección única es menor que la de un LED de haz estrecho con la misma potencia total.

10.2 ¿Puedo alimentar este LED directamente desde una fuente de voltaje?

No. Los LED son dispositivos accionados por corriente. Su voltaje directo tiene una tolerancia y varía con la temperatura. Conectarlo directamente a una fuente de voltaje hará que fluya una corriente no controlada, probablemente excediendo la clasificación máxima y destruyendo el LED. Un conductor de corriente constante o un circuito limitador de corriente es obligatorio.

10.3 ¿Por qué se enfatiza tanto la disipación de calor?

Los LED de alta potencia convierten una parte significativa de la entrada eléctrica en calor. Si este calor no se elimina efectivamente, la temperatura de unión aumenta. Las altas temperaturas de unión conducen a una reducción en la salida de luz (caída de eficiencia), degradación acelerada de los materiales semiconductores y, en última instancia, fallo catastrófico. Un diseño térmico adecuado garantiza rendimiento, confiabilidad y longevidad.

10.4 ¿Qué significa el Código de Clasificación (Bin) para mi diseño?

Seleccionar una clasificación más alta (por ejemplo, Clasificación H sobre Clasificación F) garantiza una salida radiante mínima más alta. Esto le permite diseñar su sistema con un nivel de iluminación conocido y garantizado. Si su diseño tiene un amplio margen, una clasificación más baja puede ser más rentable. Si está llevando al límite el alcance de iluminación o la sensibilidad de la cámara, es necesaria una clasificación más alta.

11. Caso Práctico de Diseño y Uso

Escenario: Diseño de un Iluminador IR para una Cámara de Seguridad

Un diseñador necesita crear un iluminador IR compacto montado en pared para extender el alcance de visión nocturna de una cámara de seguridad de 10 metros a 25 metros. El sensor de la cámara es sensible a 850nm. El diseñador selecciona el LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR en Clasificación H para máxima salida.

Pasos del Diseño:

1. Diseño Eléctrico: Se diseña un conductor conmutado de corriente constante para proporcionar 1000mA al LED desde una fuente de alimentación de 12V CC. El conductor incluye protección contra sobrecorriente y apagado térmico.
2. Diseño Térmico: Se utiliza un PCB de 2 capas con un peso de cobre de 2oz. Una matriz de vías térmicas conecta el pad térmico del LED a una gran zona de cobre en la parte inferior, que actúa como disipador. La carcasa está hecha de aluminio con el PCB montado directamente sobre ella usando pasta térmica para disipar aún más el calor.
3. Diseño Óptico/Mecánico: Cuatro LED se organizan en un patrón cuadrado en el PCB. Una ventana plana y transparente de policarbonato protege los LED. El haz amplio de 150 grados de cada LED se superpone para crear una inundación uniforme de luz infrarroja que cubre el campo de visión de la cámara en el alcance deseado.
4. Validación: El prototipo se prueba en una habitación oscura. Una cámara térmica confirma que las temperaturas de unión de los LED permanecen por debajo de 100°C. La cámara de seguridad identifica con éxito objetos a 25 metros con un contraste claro.

Este caso destaca la interdependencia del diseño del conductor, la gestión térmica y la disposición óptica al utilizar este componente de alta potencia.

12. Principio de Funcionamiento

El HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR es una fuente de luz semiconductor basada en una heteroestructura de Arseniuro de Galio y Aluminio (GaAlAs). Cuando se aplica un voltaje directo que excede la energía de la banda prohibida del diodo, los electrones y huecos se inyectan en la región activa donde se recombinan. Este proceso de recombinación libera energía en forma de fotones. La composición específica de las capas de GaAlAs determina la energía de la banda prohibida, que a su vez define la longitud de onda pico de los fotones emitidos, en este caso, 850 nanómetros, que está en el espectro del infrarrojo cercano. El encapsulado de silicona transparente protege el chip semiconductor y actúa como un elemento óptico primario, con su forma esférica ayudando a extraer la luz de manera eficiente y dar forma al patrón de radiación.

13. Tendencias Tecnológicas

El campo de los LED infrarrojos de alta potencia continúa evolucionando con varias tendencias claras. Existe un impulso constante por una mayor eficiencia de conversión de energía (potencia óptica de salida / potencia eléctrica de entrada) para reducir la generación de calor y el consumo de energía para la misma salida de luz. Esto implica avances en técnicas de crecimiento epitaxial y diseño de chips. La tecnología de encapsulado también está mejorando para ofrecer una menor resistencia térmica, permitiendo extraer más calor del chip. Además, hay una creciente integración, con conductores y, a veces, incluso lógica de control simple siendo co-encapsulados con el dado del LED para crear módulos de iluminación más inteligentes y fáciles de usar. La demanda de fuentes infrarrojas de alta potencia y confiables se mantiene gracias a la expansión de aplicaciones en LiDAR automotriz, reconocimiento facial y automatización industrial avanzada.