Hoja de Datos del Emisor Infrarrojo HSDL-4261 - Longitud de Onda 870nm - Voltaje Directo 1.4V - Disipación de Potencia 190mW - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El HSDL-4261 es un componente emisor infrarrojo discreto diseñado para aplicaciones que requieren transmisión óptica de datos de alta velocidad. Utiliza tecnología LED de AlGaAs (Arseniuro de Galio y Aluminio) para producir luz infrarroja con una longitud de onda pico de 870 nanómetros. Este dispositivo se caracteriza por sus rápidas capacidades de conmutación, lo que lo hace adecuado para interfaces de comunicación digital.

1.1 Ventajas Principales

• Funcionamiento de Alta Velocidad:Presenta un tiempo típico de subida y bajada óptica de 15 nanosegundos, permitiendo la transmisión de datos en aplicaciones de gran ancho de banda.
• Alta Potencia Óptica:Proporciona una alta intensidad radiante, ofreciendo una señal fuerte para una comunicación infrarroja fiable.
• Conforme con RoHS:Fabricado como un producto libre de plomo, cumpliendo con las normativas medioambientales.
• Carcasa Transparente:Alojado en una carcasa de color transparente que no filtra la luz infrarroja emitida.

1.2 Aplicaciones Objetivo

• Equipos Industriales de Infrarrojos
• Instrumentos Portátiles de Infrarrojos
• Electrónica de Consumo (p. ej., ratones ópticos)
• Comunicaciones por Infrarrojos de Alta Velocidad (p. ej., LAN IR, módems, dongles)

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

Todas las especificaciones se definen a una temperatura ambiente (TA) de 25°C, salvo que se indique lo contrario.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estos valores definen los límites más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No se garantiza el funcionamiento bajo estas condiciones.

• Corriente Directa Continua (IFDC):Máximo 100 mA.
• Corriente Directa de Pico (IFPK):Máximo 500 mA, en condiciones pulsadas (Factor de Ciclo=20%, Ancho de Pulso=100µs).
• Disipación de Potencia (PDISS):Máximo 190 mW. Debe reducirse con el aumento de la temperatura ambiente como se muestra en las curvas características.
• Voltaje Inverso (VR):Máximo 5 V.
• Rango de Temperatura de Almacenamiento (TS):-40°C a +100°C.
• Rango de Temperatura de Funcionamiento (TO):-40°C a +85°C.
• Temperatura de Unión (TJ):Máximo 110°C.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas:260°C durante un máximo de 5 segundos, con la punta del soldador no más cerca de 1.6mm del cuerpo del encapsulado.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos son los parámetros de rendimiento típicos bajo condiciones de prueba especificadas.

• Potencia Óptica Radiante (Po):Típicamente 9 mW a IF=20mA y 45 mW a IF=100mA.
• Intensidad Radiante en el Eje (IE):Típicamente 36 mW/sr a IF=20mA y 180 mW/sr a IF=100mA.
• Longitud de Onda de Emisión Pico (λPeak):870 nm típico (rango: 850 nm a 890 nm) a IF=20mA.
• Ancho de Media Altura Espectral (Δλ):Aproximadamente 47 nm a IF=20mA.
• Voltaje Directo (Vf):Típicamente 1.4 V a IF=20mA y 1.7 V a IF=100mA.
• Coeficiente de Temperatura del Voltaje Directo (△V/△T):Aproximadamente -1.5 mV/°C a IF=20mA.
• Ángulo de Visión (2θ1/2):26 grados típico, definiendo la dispersión angular de la radiación emitida.
• Coeficiente de Temperatura de la Intensidad (△IE/△T):Aproximadamente -0.22 %/°C a IF=100mA, indicando una disminución de la salida con el aumento de la temperatura.
• Coeficiente de Temperatura de la Longitud de Onda (△λ/△T):Aproximadamente +0.18 nm/°C a IF=20mA.
• Tiempo de Subida/Bajada Óptica (Tr/Tf):15 ns típico, medido del 10% al 90% de la salida óptica.
• Resistencia en Serie (RS):Típicamente 4.1 Ohmios a IF=100mA.
• Capacitancia del Diodo (CO):Típicamente 80 pF a polarización 0V y 1 MHz.
• Resistencia Térmica (RθJA):Típicamente 280 °C/W desde la unión al ambiente a través de las patillas.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varios gráficos que ilustran relaciones clave.

3.1 Corriente Directa vs. Intensidad Radiante Relativa

Esta curva muestra que la intensidad de la salida óptica aumenta de forma supralineal con la corriente directa, especialmente a corrientes más altas. Destaca la importancia de la corriente de excitación para lograr el brillo deseado.

3.2 Voltaje Directo vs. Corriente Directa

La curva característica I-V demuestra la relación exponencial típica de un diodo. El voltaje directo aumenta con la corriente y también depende de la temperatura.

3.3 Voltaje Directo vs. Temperatura Ambiente

Este gráfico muestra el coeficiente de temperatura negativo del voltaje directo. A corriente constante, Vf disminuye a medida que aumenta la temperatura, una consideración crítica para circuitos de excitación a voltaje constante.

3.4 Reducción de la Corriente Directa Continua vs. Temperatura Ambiente

Este es un gráfico crucial para la fiabilidad. Define la corriente directa continua máxima permitida en función de la temperatura ambiente. A medida que sube la temperatura, la corriente máxima permitida debe reducirse para evitar que la temperatura de unión supere su límite de 110°C. Por ejemplo, a 85°C, la corriente continua máxima es significativamente menor que a 25°C.

3.5 Patrón de Radiación

El diagrama polar ilustra la distribución espacial de la luz infrarroja emitida. El HSDL-4261 tiene un ángulo de visión típico de 26 grados (ancho total a media altura), resultando en un haz moderadamente enfocado adecuado para enlaces de comunicación dirigidos.

4. Información Mecánica y de Encapsulado

4.1 Dimensiones de Contorno

El dispositivo es un encapsulado LED estándar de orificio pasante. Las dimensiones clave incluyen la separación de las patillas, el diámetro del cuerpo y la altura total. Las patillas están diseñadas para ser dobladas en un punto al menos a 3mm de la base de la lente. Se especifica una protuberancia mínima de resina bajo la brida. Todas las tolerancias dimensionales son típicamente ±0.25mm, salvo que se indique lo contrario.

4.2 Identificación de Polaridad

El componente utiliza el marcado de polaridad estándar para LEDs. La patilla más larga suele denotar el ánodo (conexión positiva), mientras que la patilla más corta es el cátodo (conexión negativa). Esto debe verificarse durante el montaje para garantizar un funcionamiento correcto.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

5.1 Condiciones de Almacenamiento

Para almacenamiento a largo plazo, el ambiente no debe superar los 30°C o el 70% de humedad relativa. Si se retiran del embalaje original con barrera de humedad, los componentes deben usarse dentro de los tres meses. Para almacenamiento prolongado fuera del embalaje original, utilice un contenedor sellado con desecante o un desecador lleno de nitrógeno.

5.2 Limpieza

Si es necesaria la limpieza, utilice únicamente disolventes a base de alcohol, como alcohol isopropílico. Deben evitarse productos químicos agresivos.

5.3 Formado de Patillas

El doblado debe realizarse a temperatura ambiente y antes de la soldadura. La curva debe hacerse al menos a 3mm de la base de la lente del LED. El cuerpo del encapsulado no debe usarse como punto de apoyo durante el doblado para evitar dañar la unión del chip interno o los hilos de conexión.

5.4 Parámetros de Soldadura

Soldadura Manual (con Soldador):Temperatura máxima 260°C durante un máximo de 5 segundos por patilla. La punta del soldador no debe estar más cerca de 1.6mm de la base de la lente de epoxi.

Soldadura por Ola:Precalentar a un máximo de 100°C durante hasta 60 segundos. La temperatura de la ola de soldadura debe ser un máximo de 260°C con un tiempo de contacto de 5 segundos. El dispositivo debe sumergirse no más bajo de 2mm desde la base de la bombilla de epoxi.

Importante:Debe evitarse sumergir la lente en la soldadura. La soldadura por reflujo IR no es adecuada para este tipo de encapsulado de orificio pasante. Una temperatura o tiempo excesivos pueden causar deformación de la lente o fallo catastrófico.

6. Consideraciones de Diseño para la Aplicación

6.1 Diseño del Circuito de Excitación

Los LEDs son dispositivos operados por corriente. Para garantizar un brillo uniforme al excitar múltiples LEDs en paralelo, se recomienda encarecidamente utilizar una resistencia limitadora de corriente individual en serie con cada LED. No se aconseja conectar LEDs directamente en paralelo sin resistencias individuales debido a las variaciones en sus características de voltaje directo (Vf), lo que puede provocar un desequilibrio significativo de corriente y un brillo desigual.

6.2 Gestión Térmica

Dada la resistencia térmica (RθJA) de 280°C/W, la disipación de potencia debe gestionarse cuidadosamente. Operar a la corriente continua máxima (100mA) con un Vf típico de 1.7V resulta en una disipación de potencia de 170mW. Esto causaría un aumento de la temperatura de unión de aproximadamente 47.6°C por encima de la ambiente (170mW * 280°C/W). A una ambiente de 85°C, la unión alcanzaría 132.6°C, superando el valor máximo de 110°C. Por lo tanto, debe seguirse estrictamente la curva de reducción de la Figura 6.

6.3 Protección contra Descargas Electroestáticas (ESD)

Este componente es susceptible a daños por descarga electrostática. Las precauciones de manejo recomendadas incluyen:

- Usar una pulsera antiestática conectada a tierra o guantes antiestáticos.

- Asegurarse de que todo el equipo, las estaciones de trabajo y los bastidores de almacenamiento estén correctamente conectados a tierra.

- Usar un ionizador para neutralizar la carga estática que pueda acumularse en la lente de plástico durante el manejo.

6.4 Diseño Óptico

El ángulo de visión de 26 grados y la longitud de onda de 870nm deben emparejarse con un fotodetector apropiado (p. ej., un fotodiodo PIN con una respuesta espectral coincidente). Para un alcance e integridad de señal óptimos, considere usar lentes o aperturas para colimar o enfocar el haz, especialmente en enlaces de comunicación dirigidos. La carcasa transparente permite el uso de elementos ópticos externos sin filtrado intrínseco.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

El HSDL-4261 se posiciona en el mercado de emisores infrarrojos mediante combinaciones específicas de parámetros:

Velocidad vs. Potencia:Ofrece un equilibrio entre conmutación de alta velocidad (15ns) y una salida de potencia óptica relativamente alta (45mW típ. a 100mA). Algunos emisores pueden ser más rápidos con menor potencia, o de mayor potencia con respuesta más lenta.

Longitud de Onda:La longitud de onda pico de 870nm es un estándar común para muchos enlaces de datos infrarrojos y sistemas de control remoto, ofreciendo un buen equilibrio entre la sensibilidad del fotodetector de silicio y un menor ruido de luz ambiente en comparación con longitudes de onda visibles o casi visibles.

Encapsulado:El encapsulado estándar de orificio pasante lo hace adecuado tanto para prototipos como para aplicaciones donde se utiliza soldadura por ola, diferenciándolo de las alternativas de montaje superficial que requieren procesos de reflujo.

8. Preguntas Frecuentes (FAQs)

8.1 ¿Puedo excitar este LED con una fuente de voltaje constante?

No es recomendable. La característica exponencial I-V de un LED significa que un pequeño cambio en el voltaje provoca un gran cambio en la corriente, que puede superar fácilmente el valor máximo si se excita directamente desde una fuente de voltaje. Utilice siempre una resistencia en serie o un controlador de corriente constante para establecer el punto de operación.

8.2 ¿Por qué la intensidad de salida disminuye con la temperatura?

El coeficiente de temperatura negativo de la intensidad radiante (-0.22%/°C) es una propiedad fundamental del material semiconductor. A medida que aumenta la temperatura, los procesos de recombinación no radiativa dentro del semiconductor se vuelven más dominantes, reduciendo la eficiencia de la generación de luz.

8.3 ¿Cuál es el propósito de la curva de reducción?

La curva de reducción (Fig. 6) es esencial para garantizar la fiabilidad a largo plazo. Evita que la temperatura de unión del LED supere su valor máximo nominal (110°C) limitando la disipación de potencia (y por tanto la corriente directa) a medida que aumenta la temperatura ambiente. Ignorar esta curva puede llevar a una degradación rápida y a fallos.

8.4 ¿Es adecuado este LED para funcionamiento continuo?

Sí, pero dentro de los límites definidos por los Valores Máximos Absolutos y la curva de reducción. Para funcionamiento continuo en CC, la corriente directa no debe superar los 100mA a 25°C ambiente y debe reducirse a temperaturas ambiente más altas según la Fig. 6. Para funcionamiento pulsado con corrientes de pico altas, deben respetarse las especificaciones de ciclo de trabajo y ancho de pulso.

9. Ejemplo de Aplicación Práctica

Escenario: Diseñar un transmisor de datos IR simple para comunicación serie de corto alcance.

1. Diseño del Circuito:Utilice un pin GPIO de un microcontrolador para excitar el LED. Coloque una resistencia limitadora de corriente en serie con el ánodo del LED. Calcule el valor de la resistencia usando R = (Vcc - Vf_LED) / I_deseada. Para una alimentación de 3.3V, una corriente deseada de 50mA y un Vf típico de 1.5V: R = (3.3V - 1.5V) / 0.05A = 36 Ohmios. Use el siguiente valor estándar (p. ej., 39 Ohmios).

2. Comprobación Térmica:Disipación de potencia en el LED: P = Vf * I = 1.5V * 0.05A = 75mW. Aumento de temperatura de unión: ΔTj = P * RθJA = 0.075W * 280°C/W = 21°C. A una temperatura ambiente máxima de 85°C, Tj = 106°C, que está por debajo del límite de 110°C.

3. Software:Configure el microcontrolador para generar la modulación digital deseada (p. ej., Conmutación por Desplazamiento de Amplitud) en el pin GPIO. El tiempo de subida/bajada de 15ns del LED permite altas velocidades de datos.

4. Diseño de Placa:Mantenga el LED y su resistencia en serie cerca del pin de excitación para minimizar la inductancia parásita. Asegúrese de que el receptor (fotodiodo) esté alineado dentro del ángulo de visión de 26 grados del emisor.

10. Principio de Funcionamiento

El HSDL-4261 es un diodo semiconductor de unión p-n basado en materiales de AlGaAs. Cuando se aplica un voltaje de polarización directa, los electrones de la región n y los huecos de la región p se inyectan a través de la unión hacia las regiones opuestas. Estos portadores minoritarios inyectados se recombinan con los portadores mayoritarios. En un semiconductor de banda prohibida directa como el AlGaAs, una parte significativa de estas recombinaciones es radiativa, lo que significa que liberan energía en forma de fotones. El ancho de banda prohibida específico de la aleación de AlGaAs utilizada determina la longitud de onda de los fotones emitidos, que en este caso se centra alrededor de 870nm en el espectro infrarrojo. La carcasa de epoxi transparente encapsula el chip semiconductor, proporciona protección mecánica y actúa como una lente para dar forma al haz de salida.

11. Tendencias de la Industria

Los emisores infrarrojos continúan evolucionando en varias áreas clave relevantes para componentes como el HSDL-4261:

Mayor Velocidad:La demanda de mayores velocidades de datos en comunicación óptica inalámbrica (Li-Fi, IRDA de alta velocidad) impulsa el desarrollo de emisores con tiempos de subida/bajada aún más rápidos.

Eficiencia Mejorada:Las mejoras en el crecimiento epitaxial y el diseño de chips tienen como objetivo producir más potencia óptica (lúmenes o flujo radiante) por unidad de potencia eléctrica de entrada (vatios), reduciendo la generación de calor y mejorando la eficiencia del sistema.

Integración:Existe una tendencia hacia la integración del emisor con el circuito de excitación o incluso con un fotodetector en un solo encapsulado para crear módulos transceptores ópticos completos, simplificando el diseño del usuario final.

Nuevas Longitudes de Onda:Si bien 870-940nm sigue siendo estándar para receptores basados en silicio, existe investigación en otras longitudes de onda para aplicaciones específicas como detección de gases o LiDAR seguro para los ojos.