Hoja de Datos del Emisor Infrarrojo LTE-4208M - Longitud de Onda 940nm - Carcasa T-1 3/4 (5mm) - Voltaje Directo 1.6V - Disipación de Potencia 100mW - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTE-4208M es un diodo emisor infrarrojo (IR) de alto rendimiento diseñado para aplicaciones que requieren una emisión de luz no visible fiable y eficiente. Su función principal es convertir energía eléctrica en radiación infrarroja con una longitud de onda pico de 940 nanómetros (nm). Esta longitud de onda es ideal para aplicaciones donde se debe minimizar la interferencia de la luz visible, ya que es prácticamente invisible para el ojo humano mientras que es altamente detectable por fotodetectores basados en silicio como fototransistores y fotodiodos.

El dispositivo está encapsulado en una carcasa estándar T-1 3/4 (aproximadamente 5mm de diámetro) con una lente transparente al agua. Este encapsulado plástico miniaturizado ofrece una solución rentable y proporciona robustez mecánica. Una característica clave de diseño es su compatibilidad espectral y mecánica con series de fototransistores correspondientes (por ejemplo, LTR-3208), lo que simplifica el diseño del sistema óptico al garantizar una alineación y un acoplamiento de señal óptimos entre el par emisor-detector.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Las ventajas principales del LTE-4208M incluyen su alta intensidad radiante de salida, un rendimiento consistente gracias a un riguroso proceso de clasificación (binning) y su factor de forma compacto y de bajo coste. Se preselecciona en rangos específicos de intensidad radiante (bins), permitiendo a los diseñadores elegir un componente que cumpla precisamente con los requisitos de sensibilidad de su sistema sin necesidad de circuitos externos de calibración o ajuste. Esta previsibilidad mejora el rendimiento de fabricación y la fiabilidad del sistema.

El mercado objetivo para este componente es principalmente la electrónica industrial y de consumo que requiere detección de proximidad, detección de objetos o codificación óptica. Su aplicación más destacada es en detectores de humo, donde un haz de IR se utiliza para detectar partículas de humo midiendo la dispersión o atenuación de la luz. Otras aplicaciones potenciales incluyen interruptores sin contacto, transmisión de datos a corta distancia (por ejemplo, sistemas de control remoto), sensores de automatización industrial y contadores de objetos.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

Comprender los parámetros eléctricos y ópticos es crucial para un diseño de circuito fiable y para garantizar que el LED opere dentro de su área de operación segura (SOA).

2.1 Especificaciones Absolutas Máximas

Estas especificaciones definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No se recomienda operar en o cerca de estos límites durante períodos prolongados.

• Disipación de Potencia (Pd):100 mW. Esta es la cantidad máxima de potencia que el dispositivo puede disipar como calor a una temperatura ambiente (TA) de 25°C. Exceder este límite conlleva el riesgo de fuga térmica y fallo.
• Corriente Directa de Pico (I_FP):3 A. Esta es la corriente instantánea máxima permitida en condiciones de pulso (300 pulsos por segundo, ancho de pulso de 10μs). Es significativamente mayor que la clasificación de corriente continua, destacando la capacidad del dispositivo para ráfagas cortas y de alta intensidad.
• Corriente Directa Continua (I_F):50 mA. Esta es la corriente DC máxima que se puede aplicar continuamente sin exceder la clasificación de disipación de potencia, asumiendo un voltaje directo típico.
• Voltaje Inverso (V_R):5 V. El dispositivo tiene una tolerancia muy baja a la polarización inversa. Aplicar un voltaje mayor a 5V en inversa puede causar una ruptura inmediata. La hoja de datos señala explícitamente que el dispositivo no está diseñado para operación inversa.
• Temperatura de Operación y Almacenamiento:-40°C a +85°C y -55°C a +100°C, respectivamente. Estos rangos definen las condiciones ambientales para una operación fiable y un almacenamiento sin funcionamiento.
• Temperatura de Soldadura de Terminales:260°C durante 5 segundos a una distancia de 4.0mm del cuerpo del encapsulado. Esto es crítico para procesos de soldadura por ola o reflujo para prevenir daños al chip semiconductor interno o al encapsulado plástico.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros se miden bajo condiciones de prueba estándar (TA=25°C, I_F=20mA salvo que se indique) y definen el rendimiento típico del dispositivo.

• Intensidad Radiante (I_E):Este es el parámetro óptico de salida principal, medido en milivatios por estereorradián (mW/sr). Indica la potencia óptica emitida por unidad de ángulo sólido. El dispositivo se clasifica en bins (de la A a la G) con valores mínimos y típicos que van desde 3.6/13.2 mW/sr (Bin A) hasta 28.8 mW/sr (Bin G). Esta clasificación permite la selección basada en la fuerza de señal requerida.
• Longitud de Onda de Emisión Pico (λ_Peak):940 nm. Esta es la longitud de onda a la cual la potencia óptica emitida es máxima. Se encuentra dentro del espectro del infrarrojo cercano.
• Ancho de Línea Espectral a Mitad de Altura (Δλ):50 nm. Este parámetro, también conocido como Ancho Total a Mitad del Máximo (FWHM), define el ancho de banda espectral. Un ancho de 50nm significa que la luz emitida cubre longitudes de onda desde aproximadamente 915nm hasta 965nm a la mitad de la intensidad pico.
• Voltaje Directo (V_F):1.2V (Mín), 1.6V (Típ). Esta es la caída de voltaje a través del diodo cuando conduce 20mA. Es esencial para calcular el valor de la resistencia en serie en un circuito de excitación: R = (V_supply- V_F) / I_F.
• Corriente Inversa (I_R):100 μA (Máx) a V_R=5V. Esta es la pequeña corriente de fuga que fluye cuando el diodo está polarizado inversamente a su especificación máxima.
• Ángulo de Visión (2θ_1/2):20 grados. Este es el ángulo total en el cual la intensidad radiante cae a la mitad de su valor máximo (en el eje). Un ángulo de 20° indica un haz relativamente estrecho y enfocado, lo que es beneficioso para aplicaciones de detección dirigida.

3. Explicación del Sistema de Clasificación (Binning)

El LTE-4208M emplea un único parámetro de clasificación crítico: la Intensidad Radiante. Los dispositivos se prueban y clasifican en grupos (Bins de la A a la G) según su salida medida a la corriente de prueba estándar de 20mA. Este sistema proporciona varios beneficios:

1. Consistencia en el Diseño:Los ingenieros pueden seleccionar un bin específico para garantizar niveles de señal óptica consistentes en todas las unidades de una serie de producción, mejorando la uniformidad del producto.
2. Compatibilidad de Rendimiento:Cuando se usa con un fotodetector compatible, la selección de bins del emisor permite un control más estricto sobre la sensibilidad general y el rango dinámico del sistema sensor óptico.
3. Optimización de Costes:Las aplicaciones con requisitos de sensibilidad menos estrictos pueden potencialmente usar partes de bin más bajo (por ejemplo, Bin A, B), lo que puede ser más rentable.

La hoja de datos no indica clasificación para voltaje directo o longitud de onda para este modelo, lo que sugiere un control de proceso estricto en esos parámetros o que no son diferenciadores críticos para sus aplicaciones objetivo.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

Las curvas características típicas proporcionan una visión visual de cómo se comporta el dispositivo bajo condiciones variables, lo que es vital para un diseño de sistema robusto más allá del punto nominal de 25°C.

4.1 Distribución Espectral (Fig.1)

La curva muestra una distribución de tipo Gaussiana centrada en 940nm con un FWHM de aproximadamente 50nm. Esto confirma la naturaleza monocromática de la salida del LED, lo cual es crucial para filtrar la interferencia de la luz ambiente en aplicaciones de detección. La forma de la curva es típica para un LED IR basado en AlGaAs.

4.2 Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente (Fig.2)

Esta curva de reducción de potencia es esencial para la gestión térmica. Muestra que la corriente directa continua máxima permitida disminuye a medida que aumenta la temperatura ambiente. A 85°C (la temperatura máxima de operación), la corriente permitida es significativamente menor que la clasificación de 50mA a 25°C. Los diseñadores deben usar este gráfico para asegurar que la corriente de operación no exceda la curva a la temperatura ambiente máxima esperada del sistema.

4.3 Corriente Directa vs. Voltaje Directo (Fig.3)

Esta es la curva I-V estándar para un diodo. Muestra la relación exponencial entre corriente y voltaje. La curva permite a los diseñadores estimar el V_Fa corrientes diferentes a la condición de prueba de 20mA, lo cual es importante para el diseño de la fuente de alimentación y los cálculos de eficiencia.

4.4 Intensidad Radiante Relativa vs. Temperatura Ambiente (Fig.4)

Este gráfico ilustra la dependencia de la salida óptica con la temperatura. La intensidad radiante relativa disminuye a medida que aumenta la temperatura. Por ejemplo, a 85°C, la salida puede ser solo alrededor del 60-70% de su valor a 25°C. Este coeficiente de temperatura negativo debe tenerse en cuenta en sistemas diseñados para operar en un amplio rango de temperatura para evitar pérdida de señal a altas temperaturas.

4.5 Intensidad Radiante Relativa vs. Corriente Directa (Fig.5)

Esta curva muestra que la salida óptica es aproximadamente proporcional a la corriente directa en el rango de operación típico (por ejemplo, hasta 50mA). Sin embargo, la relación no es perfectamente lineal, y la eficiencia (intensidad radiante por mA) puede disminuir ligeramente a corrientes muy altas debido al aumento de efectos térmicos y otras no idealidades dentro del semiconductor.

4.6 Diagrama de Radiación (Fig.6)

Este gráfico polar define visualmente el ángulo de visión. La intensidad normalizada se traza contra el ángulo desde el eje central (0°). El gráfico confirma el semiángulo de 20°, mostrando una caída rápida de la intensidad más allá de aproximadamente ±10° desde el centro. Este patrón es característico de un LED con una lente de domo simple, proporcionando un haz enfocado adecuado para aplicaciones dirigidas.

5. Información Mecánica y de Empaquetado

5.1 Dimensiones de Contorno

El dispositivo cumple con las dimensiones estándar del encapsulado de orificio pasante T-1 3/4. Las medidas clave incluyen un diámetro de cuerpo de aproximadamente 5mm, una separación típica de terminales de 2.54mm (0.1") donde los terminales emergen del encapsulado, y una longitud total. Se señala una protuberancia máxima de resina de 1.0mm bajo la brida. Los terminales están típicamente hechos de aleación de cobre estañado. El encapsulado presenta una lente de epoxi transparente e incolora.

5.2 Identificación de Polaridad

Para encapsulados de orificio pasante como el T-1 3/4, la polaridad suele indicarse por la longitud de los terminales (el terminal más largo es típicamente el ánodo, o lado positivo) y/o por un punto plano en la brida plástica cerca del terminal del cátodo (negativo). Se debe consultar el dibujo de la hoja de datos para el marcador específico utilizado en este componente.

6. Guías de Soldadura y Montaje

Cumplir con las especificaciones de soldadura es crítico para prevenir choque térmico y fallos latentes.

• Soldadura Manual:Usar un soldador con control de temperatura. Limitar el tiempo de soldadura por terminal a 3-5 segundos a una temperatura que no exceda los 350°C. Aplicar calor al terminal, no al cuerpo del encapsulado.
• Soldadura por Ola/Reflujo:La condición especificada es 260°C durante 5 segundos, medidos a 4.0mm del cuerpo del encapsulado. Esto implica que el componente puede soportar perfiles típicos de reflujo por infrarrojos o convección, pero se debe considerar la masa térmica de los terminales para asegurar que el encapsulado en sí no se sobrecaliente.
• Limpieza:Si se requiere limpieza después de la soldadura, usar disolventes compatibles con el material del encapsulado de epoxi. Evitar la limpieza ultrasónica a menos que se verifique que es segura para el componente.
• Almacenamiento:Almacenar en un ambiente seco y antiestático dentro del rango de temperatura especificado (-55°C a +100°C). Los dispositivos sensibles a la humedad deben guardarse en bolsas selladas con desecante si no se hornean antes de su uso.

7. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

7.1 Aplicación Típica: Detector de Humo

En un detector de humo fotoeléctrico, el LTE-4208M se coloca en una cámara de modo que su haz no incida directamente en el fototransistor emparejado en condiciones de aire limpio. Cuando las partículas de humo entran en la cámara, dispersan la luz IR, causando que parte de ella se desvíe hacia el fototransistor. El consiguiente aumento en la corriente del detector activa la alarma. Para esta aplicación:

• Elegir un bin de intensidad radiante que proporcione suficiente señal para una detección de humo fiable mientras se minimiza el consumo de energía.
• Excitar el LED con una corriente pulsada (por ejemplo, un pulso corto y alto como 100mA durante 10μs) en lugar de DC para aumentar la señal de pico y obtener una mejor relación señal-ruido, y reducir el consumo de potencia promedio, extendiendo la vida útil de la batería.
• Considerar la reducción de potencia por temperatura tanto de la intensidad radiante como de la corriente máxima, ya que los detectores pueden instalarse en áticos u otros entornos con grandes oscilaciones de temperatura.

7.2 Consideraciones Generales de Diseño

• Limitación de Corriente:Usar siempre una resistencia en serie o un driver de corriente constante para limitar la corriente directa. Nunca conectar el LED directamente a una fuente de voltaje.
• Protección contra Voltaje Inverso:En circuitos donde son posibles transitorios de voltaje inverso (por ejemplo, cargas inductivas, conexión en caliente), considerar añadir un diodo de protección en paralelo con el LED (cátodo a ánodo) para limitar cualquier voltaje inverso por debajo de 0.7V.
• Disipación de Calor:Para operación continua cerca de la clasificación de corriente máxima, considerar el diseño del PCB. Proporcionar un área de cobre amplia alrededor de los terminales ayuda a disipar el calor.
• Diseño Óptico:El estrecho ángulo de visión de 20° simplifica el diseño óptico para colimación, pero requiere un alineamiento mecánico cuidadoso con el receptor. Para una cobertura más amplia, pueden necesitarse difusores o lentes.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los LEDs IR genéricos sin clasificar, el diferenciador clave del LTE-4208M son sus bins de intensidad radiante garantizados, que ofrecen un rendimiento predecible. En comparación con los LEDs IR de montaje superficial (SMD), el encapsulado de orificio pasante T-1 3/4 ofrece una posible mayor disipación de potencia debido a su mayor masa térmica y terminales más largos, permitiendo potencialmente corrientes de excitación continuas o pulsadas más altas. Su encapsulado transparente es ventajoso sobre los encapsulados teñidos o difusos cuando se requiere la máxima salida de luz directa y definición del haz, aunque no ofrece un blindaje inherente contra la luz visible.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Puedo excitar este LED con 3A continuamente ya que la especificación de pico es 3A?

R: No. La especificación de 3A es para pulsos muy cortos (10μs) bajo un ciclo de trabajo específico. La corriente continua máxima es de 50mA. Exceder esto destruirá rápidamente el dispositivo debido al sobrecalentamiento.

P: ¿Por qué la especificación de voltaje inverso es solo de 5V?

R: Los LEDs infrarrojos están optimizados para conducción directa. La estructura del semiconductor no está diseñada para soportar alta polarización inversa. Asegúrese siempre de que el circuito evite la aplicación de voltaje inverso.

P: ¿Cómo elijo el bin correcto (de la A a la G)?

R: Seleccione según la fuerza de señal requerida por su sistema en el receptor. Si su circuito detector tiene alta ganancia y necesita minimizar la potencia, un bin más bajo (A, B) puede ser suficiente. Para distancias más largas, detectores más débiles o sistemas que requieren una alta relación señal-ruido, elija un bin más alto (E, F, G). Se recomienda probar con su ruta óptica específica.

P: El voltaje directo típico es 1.6V. ¿Qué resistencia debo usar con una fuente de 5V para 20mA?

R: R = (V_supply- V_F) / I_F= (5V - 1.6V) / 0.020A = 170 Ohmios. Use el valor estándar más cercano (por ejemplo, 180 Ohmios) y verifique la corriente real: I_F= (5V - 1.6V) / 180 = ~18.9mA, lo cual es aceptable.

10. Caso Práctico de Diseño

Escenario:Diseñar un contador de objetos de baja potencia y alimentado por batería para una cinta transportadora industrial. El sistema utiliza un sensor de barrera donde el LTE-4208M se enfrenta a un fototransistor LTR-3208 a través de la cinta.

Pasos de Diseño:

1. Objetivo:Maximizar la vida útil de la batería mientras se asegura una detección fiable de todos los objetos.
2. Método de Excitación:Usar operación pulsada. Un microcontrolador genera un pulso de 100Hz, con un ciclo de trabajo del 10% (1ms ENCENDIDO, 9ms APAGADO).
3. Cálculo de Corriente:Para mantenerse dentro de los límites de potencia promedio, elegir una corriente de pulso. Con Pd=100mW y V_F~1.6V, la I_Fpromedio puede ser ~62.5mA. Para un ciclo de trabajo del 10%, la I_Fde pulso puede ser de hasta 625mA. Se selecciona una corriente de pulso conservadora de 100mA para una señal fuerte.
4. Selección de Componentes:Elegir LTE-4208M del Bin D o E para una buena fuerza de señal. Seleccionar el fototransistor compatible LTR-3208.
5. Circuito:Usar un pin GPIO del microcontrolador para excitar un transistor (por ejemplo, BJT NPN o MOSFET de canal N) que conmute el pulso de 100mA a través del LED. Una resistencia en serie establece la corriente: R = (3.3V_GPIO- V_CE(sat)- V_F) / I_F. La salida del fototransistor se conecta a un comparador o al ADC del microcontrolador.
6. Consideraciones:Tener en cuenta la luz ambiente sincronizando la detección con el pulso del LED (detección síncrona). Considerar los efectos de la temperatura en la intensidad de salida.

Este enfoque reduce el consumo de corriente promedio a aproximadamente 10mA (100mA * 10%) en lugar de un consumo continuo de 20-50mA, extendiendo significativamente la vida útil de la batería mientras se mantiene un pulso de luz fuerte y detectable.

11. Principio de Funcionamiento

El LTE-4208M es un diodo semiconductor de unión p-n fabricado con materiales como Arseniuro de Galio y Aluminio (AlGaAs). Cuando se aplica un voltaje directo que excede la energía de banda del material, los electrones de la región n y los huecos de la región p se inyectan en la región de la unión. Cuando estos portadores de carga se recombinan, liberan energía. En un diodo emisor de luz (LED), esta energía se libera principalmente como fotones (luz). La longitud de onda (color) de la luz emitida está determinada por la energía de banda del material semiconductor. Para AlGaAs ajustado a 940nm, la energía de banda es aproximadamente 1.32 electronvoltios (eV). El encapsulado de epoxi transparente actúa como una lente, dando forma al patrón de emisión y proporcionando protección ambiental.

12. Tendencias Tecnológicas

La tecnología de emisores infrarrojos continúa evolucionando. Las tendencias relevantes para dispositivos como el LTE-4208M incluyen:

• Mayor Eficiencia:La investigación continua en ciencia de materiales tiene como objetivo mejorar la eficiencia de conversión (potencia óptica de salida / potencia eléctrica de entrada) de los LEDs IR, reduciendo la generación de calor y el consumo de energía para la misma salida óptica.
• Modulación a Mayor Velocidad:Desarrollo de LEDs capaces de conmutar más rápido para aplicaciones en comunicación de datos ópticos (por ejemplo, IrDA, Li-Fi) y detección de alta velocidad.
• Integración:Movimiento hacia ensamblajes optoelectrónicos integrados que combinan el emisor, el detector y, a veces, el circuito de excitación en un solo módulo, simplificando el diseño y mejorando la alineación y la consistencia del rendimiento.
• Longitudes de Onda Alternativas:Expansión hacia otras longitudes de onda del infrarrojo cercano (por ejemplo, 850nm, 880nm) para aplicaciones específicas como el seguimiento ocular (donde se prefiere 940nm por ser menos visible) o la compatibilidad con diferentes sensibilidades de detectores de silicio.
• Miniaturización del Empaquetado:Si bien los encapsulados de orificio pasante siguen siendo populares para aplicaciones de alta potencia o alta fiabilidad, existe una fuerte tendencia hacia la tecnología de montaje superficial (SMD) para el montaje automatizado y diseños con restricciones de espacio.

El LTE-4208M, con su probado encapsulado T-1 3/4, alta salida radiante y rigurosa clasificación, representa una solución madura y fiable muy adecuada para sus aplicaciones principales, particularmente donde se prefiere o requiere el montaje de orificio pasante.