Hoja de Datos del LED Infrarrojo Subminiatura Redondo de 1.8mm IR42-21C/TR8 - Diámetro 1.8mm - Voltaje 1.2V - Potencia 130mW - Lente Transparente - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El IR42-21C/TR8 es un diodo emisor de infrarrojos subminiatura de montaje superficial, diseñado para aplicaciones optoelectrónicas compactas. Presenta un encapsulado redondo de 1.8mm de diámetro moldeado en plástico transparente con una lente superior esférica, optimizando la salida de luz. El dispositivo utiliza un material de chip de Arseniuro de Galio y Aluminio (GaAlAs), que está emparejado espectralmente con fotodiodos y fototransistores de silicio, garantizando una detección eficiente en sistemas de sensores. Sus objetivos de diseño principales son la miniaturización, la compatibilidad con procesos de ensamblaje automatizado y un rendimiento fiable en una gama de dispositivos electrónicos de consumo e industriales.

1.1 Ventajas Principales y Mercado Objetivo

Este LED ofrece varias ventajas clave para los diseñadores. Su baja tensión directa (típicamente 1.2V) contribuye a un funcionamiento energéticamente eficiente. El componente cumple plenamente con las normativas sin plomo (Pb-free), RoHS, REACH de la UE y libre de halógenos (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm), lo que lo hace adecuado para mercados globales con estrictos estándares medioambientales. Es compatible con procesos de soldadura por reflujo tanto infrarrojos como de fase de vapor, facilitando el ensamblaje automatizado de PCB en grandes volúmenes. Los mercados objetivo principales incluyen fabricantes de sensores infrarrojos compactos, barreras de luz miniatura para automatización, unidades de disquete (para sistemas heredados o especializados), interruptores optoelectrónicos de propósito general y sistemas de detección de humo donde se requiere una fuente IR invisible.

2. Análisis en Profundidad de los Parámetros Técnicos

El rendimiento del IR42-21C/TR8 está definido por un conjunto de valores máximos absolutos y características electro-ópticas medidas a una temperatura ambiente estándar (Ta) de 25°C. Comprender estos parámetros es crítico para un diseño de circuito fiable y para asegurar que el LED opere dentro de su área de operación segura (SOA).

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estos valores definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. Nunca deben excederse, ni siquiera momentáneamente. La corriente directa continua (IF) está clasificada en 65 mA. La tensión inversa máxima permisible (VR) es de 5 V. El dispositivo puede operar dentro de un rango de temperatura ambiente (Topr) de -25°C a +85°C y almacenarse (Tstg) entre -40°C y +85°C. La temperatura de soldadura (Tsol) no debe exceder los 260°C durante una duración de 5 segundos o menos durante los procesos de reflujo. La disipación de potencia total (Pd) a una temperatura ambiente de 25°C o menos es de 130 mW. Exceder cualquiera de estos límites conlleva el riesgo de fallo catastrófico o degradación acelerada.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros, típicamente medidos a una corriente directa (IF) de 20 mA, definen el rendimiento funcional del dispositivo. La intensidad radiante (Ie), una medida de la potencia óptica emitida por ángulo sólido, tiene un valor mínimo de 1.0 mW/sr y un valor típico de 3.0 mW/sr. La longitud de onda pico (λp) es típicamente de 940 nm, situándolo firmemente en el espectro del infrarrojo cercano, ideal para detectores basados en silicio. El ancho de banda espectral (Δλ) es típicamente de 45 nm, definiendo el rango de longitudes de onda emitidas. La tensión directa (VF) tiene un valor típico de 1.2 V y un máximo de 1.5 V a 20 mA. La corriente inversa (IR) es un máximo de 10 µA cuando se aplica una polarización inversa de 5 V. El ángulo de visión (2θ1/2), definido como el ángulo total en el que la intensidad radiante cae a la mitad de su valor pico, es típicamente de 30 grados, proporcionando un haz moderadamente enfocado.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ilustran cómo varían los parámetros clave con las condiciones de operación. Estos gráficos son esenciales para comprender el comportamiento en el mundo real más allá de las especificaciones de un solo punto a 25°C.

3.1 Corriente Directa vs. Temperatura Ambiente

Esta curva muestra la relación entre la corriente directa continua permisible y la temperatura ambiente. A medida que aumenta la temperatura ambiente, la corriente directa máxima permitida disminuye linealmente. Esta reducción de potencia es necesaria para evitar que la temperatura de unión exceda su límite, que está vinculado a la clasificación de disipación de potencia. Los diseñadores deben usar este gráfico para seleccionar una corriente de operación apropiada para la temperatura ambiente máxima esperada en su aplicación.

3.2 Distribución Espectral

La curva de distribución espectral representa la intensidad radiante relativa frente a la longitud de onda. Confirma visualmente la longitud de onda pico de 940 nm y el ancho de banda espectral aproximado de 45 nm. La curva es asimétrica, lo cual es típico para los espectros de emisión de LED. Esta información es crucial para aplicaciones que requieren un emparejamiento espectral específico con la curva de responsividad de un fotodetector.

3.3 Corriente Directa vs. Tensión Directa

Esta curva característica IV (Corriente-Tensión) es no lineal, como en todos los diodos. Muestra que un pequeño aumento en la tensión directa más allá del voltaje de "rodilla" resulta en un gran aumento exponencial de la corriente directa. Esto subraya la importancia crítica de usar una resistencia limitadora de corriente en serie o un controlador de corriente constante para prevenir la fuga térmica y la destrucción del LED por sobrecorriente.

3.4 Intensidad Radiante Relativa vs. Desplazamiento Angular

Este gráfico polar ilustra el patrón de emisión espacial del LED. La intensidad se normaliza a su valor máximo a 0 grados (en el eje). La curva muestra cómo la intensidad disminuye a medida que aumenta el ángulo de observación, definiendo el ángulo de visión de 30 grados donde la intensidad es el 50% del pico. El patrón es generalmente lambertiano (similar al coseno) para este encapsulado en forma de cúpula, lo que es útil para calcular la irradiancia en un detector.

4. Información Mecánica y de Empaquetado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El dispositivo está alojado en un encapsulado SMD redondo y compacto con un diámetro de 1.8mm. Los dibujos mecánicos detallados en la hoja de datos proporcionan todas las dimensiones críticas, incluyendo la altura del cuerpo, el espaciado de los terminales y la geometría de la lente. Todas las dimensiones están en milímetros, con tolerancias estándar de ±0.1mm a menos que se especifique lo contrario. Se proporciona un diseño sugerido de pads para el diseño del PCB, pero se señala explícitamente que esto es solo para referencia y debe modificarse según los requisitos individuales del proceso y las necesidades de gestión térmica.

4.2 Identificación de Polaridad y Cinta Portadora

El encapsulado presenta un lado plano o una marca similar para indicar el terminal del cátodo (negativo), lo cual es esencial para la orientación correcta durante el ensamblaje. Para la producción en gran volumen, los componentes se suministran en carretes de cinta portadora. La hoja de datos incluye las dimensiones de la cinta portadora, especificando el tamaño del bolsillo, el paso y el diámetro del carrete. Un carrete estándar contiene 1000 piezas, lo cual es típico para maquinaria automatizada de pick-and-place.

5. Directrices de Soldadura y Ensamblaje

El manejo y soldadura adecuados son vitales para la fiabilidad. El LED es sensible a la humedad y se suministra en una bolsa barrera de humedad con un desecante.

5.1 Almacenamiento y Sensibilidad a la Humedad

Antes de abrir la bolsa sellada, los LED deben almacenarse a 30°C o menos y con una Humedad Relativa (HR) del 90% o menos. La vida útil en almacén es de un año. Después de abrir la bolsa, los componentes deben mantenerse a 30°C/60%HR o menos y deben usarse dentro de las 168 horas (7 días). Si se excede el tiempo de almacenamiento o el desecante indica entrada de humedad, se requiere un tratamiento de secado a 60 ± 5°C durante 24 horas antes de su uso para eliminar la humedad absorbida y prevenir el "efecto palomita" durante la soldadura por reflujo.

5.2 Parámetros de Soldadura por Reflujo

El dispositivo es compatible con perfiles de soldadura por reflujo sin plomo (Pb-free). Se recomienda un perfil de temperatura específico, que típicamente implica una etapa de precalentamiento, una zona de estabilización, una zona de temperatura pico que no exceda los 260°C durante un máximo de 5 segundos, y una etapa de enfriamiento controlado. La soldadura por reflujo no debe realizarse más de dos veces. Durante el calentamiento, no debe aplicarse estrés mecánico al cuerpo del LED o a sus terminales, y el PCB no debe deformarse después de la soldadura.

5.3 Soldadura Manual y Rework

Si la soldadura manual es inevitable, se debe tener extremo cuidado. La temperatura de la punta del soldador debe estar por debajo de 350°C, y el tiempo de contacto con cada terminal debe limitarse a 3 segundos o menos. Se recomienda un soldador de baja potencia (25W o menos). Debe observarse una pausa de al menos 2 segundos entre soldar cada terminal. Se desaconseja firmemente el rework después de la soldadura inicial. Si es absolutamente necesario, debe usarse un soldador de doble punta especializado para calentar ambos terminales simultáneamente y levantar el componente sin estresar el encapsulado. El potencial de daño durante el rework es alto.

6. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

El circuito de aplicación más fundamental es una simple conexión en serie del LED, una resistencia limitadora de corriente y una fuente de voltaje. El valor de la resistencia (R) se calcula usando la Ley de Ohm: R = (V_fuente - VF_LED) / IF. Por ejemplo, con una fuente de 5V, un VF de 1.2V y un IF deseado de 20mA, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ohmios. Una resistencia de 200 Ohmios sería un valor estándar adecuado. Para una operación más estable, especialmente con un voltaje de alimentación variable, se prefiere un circuito controlador de corriente constante.

6.2 Consideraciones de Diseño para Sistemas Infrarrojos

Al diseñar un sistema de detección por infrarrojos, se deben considerar varios factores. La alineación óptica entre el LED IR y el fotodetector es crítica, especialmente con un haz de 30 grados. A menudo es necesario el rechazo de la luz ambiente; esto puede lograrse modulando la corriente de excitación del LED y usando un circuito detector sincronizado para filtrar la luz ambiente DC. La intensidad radiante y la sensibilidad del detector deben emparejarse para la distancia de detección requerida. Debe considerarse la gestión térmica si se opera cerca de los valores máximos absolutos, ya que el aumento de la temperatura de unión reduce la salida de luz y la vida útil.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con los LED IR de orificio pasante más grandes, la ventaja principal del IR42-21C/TR8 es su huella SMD miniatura, permitiendo diseños de PCB más pequeños, ligeros y automatizados. En comparación con otros LED IR SMD, sus diferenciadores clave son su tamaño específico de encapsulado redondo de 1.8mm, la longitud de onda pico de 940nm optimizada para detectores de silicio, y su cumplimiento con las últimas normativas medioambientales (Libre de Halógenos, REACH). La lente transparente, a diferencia de una lente teñida o difusa, maximiza la transmisión de la luz infrarroja, produciendo una mayor intensidad radiante para una entrada eléctrica dada.

8. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Por qué es absolutamente necesaria una resistencia limitadora de corriente?

R: La curva IV muestra la relación exponencial del LED entre voltaje y corriente. Un ligero aumento en el voltaje de alimentación o una caída en la tensión directa del LED (debido a la temperatura) puede causar un aumento masivo y descontrolado de la corriente, llevando a una quemadura inmediata. La resistencia proporciona una impedancia lineal y estabilizadora.

P: ¿Puedo excitar este LED directamente con un pin de microcontrolador de 3.3V?

R: Posiblemente, pero no de manera óptima. Con un VF de 1.2V, se necesitaría una resistencia en serie. La corriente disponible de un pin GPIO a menudo está limitada (ej., 20-25mA). Debes asegurarte de que el consumo total de corriente, incluyendo el cálculo de la resistencia (R = (3.3V - 1.2V) / I_deseada), no exceda la capacidad de suministro de corriente del GPIO. Para corrientes más altas o múltiples LED, se requiere un controlador con transistor.

P: ¿Qué significa "emparejado espectralmente con fotodetector de Si"?

R: Los fotodiodos y fototransistores de silicio tienen una sensibilidad máxima en la región del infrarrojo cercano, alrededor de 800-900nm. La emisión pico de 940nm de este LED cae dentro de esta zona de alta responsividad, garantizando la máxima eficiencia de transferencia de señal desde la fuente de luz al detector, resultando en una mejor relación señal-ruido y alcance del sistema.

P: ¿Qué tan críticas son las instrucciones de sensibilidad a la humedad y secado?

R: Extremadamente críticas para componentes SMD. La humedad absorbida puede vaporizarse rápidamente durante el proceso de soldadura por reflujo a alta temperatura, causando delaminación interna, grietas o el "efecto palomita" que destruye el dispositivo. Seguir los procedimientos de manejo del Nivel de Sensibilidad a la Humedad (MSL) es esencial para el rendimiento de producción y la fiabilidad a largo plazo.

9. Estudio de Caso Práctico de Diseño y Uso

Escenario: Diseño de un Sensor Compacto de Detección de Objetos.Un diseñador necesita crear un sensor de detección de objetos sin contacto para un pequeño dispositivo automatizado. El espacio es limitado, requiriendo un componente SMD. Selecciona el IR42-21C/TR8 por su pequeño tamaño. Lo empareja con un fototransistor en una configuración retroreflectiva: ambos componentes se colocan uno al lado del otro en la misma PCB, mirando en la misma dirección. Un objeto que pasa frente a ellos refleja el haz IR de vuelta al fototransistor. El diseñador usa la intensidad radiante típica (3.0 mW/sr) y la sensibilidad del fototransistor para calcular la corriente requerida para el rango de detección deseado de 10cm. Implementa un circuito simple con temporizador 555 para pulsar el LED a 1kHz, y el circuito detector incluye un filtro paso banda sintonizado a 1kHz para rechazar el parpadeo de luz ambiente de 50/60Hz y la luz solar DC. Se elige la resistencia limitadora para proporcionar una excitación de 15mA, muy dentro de la clasificación del LED, para asegurar longevidad. El encapsulado SMD compacto permite que todo el conjunto del sensor quepa en una carcasa de menos de 15mm de ancho.

10. Principio de Funcionamiento y Tendencias Tecnológicas

10.1 Principio de Funcionamiento

Un Diodo Emisor de Luz Infrarroja (LED IR) opera bajo el principio de electroluminiscencia en una unión p-n de semiconductor. Cuando se aplica una tensión directa, los electrones de la región tipo n y los huecos de la región tipo p se inyectan a través de la unión. Cuando estos portadores de carga se recombinan en la región activa (el chip de GaAlAs en este caso), la energía se libera en forma de fotones (luz). El ancho de banda específico del material semiconductor GaAlAs determina la longitud de onda de los fotones emitidos, que está en el espectro infrarrojo (940nm) para este dispositivo. El encapsulado epóxico transparente actúa como una lente, dando forma a la luz emitida en el ángulo de visión especificado.

10.2 Tendencias de la Industria

La tendencia en optoelectrónica, como en toda la electrónica, es hacia una mayor miniaturización, mayor eficiencia y mayor integración. Si bien el principio básico del LED IR permanece estable, se ven avances en la tecnología de encapsulado (huellas aún más pequeñas como 0402 o encapsulados a escala de chip), materiales epitaxiales mejorados para una mayor eficiencia wall-plug (más salida de luz por vatio de entrada eléctrica), y la integración de controladores y lógica de control en módulos LED "inteligentes". También hay un impulso continuo por opciones espectrales más amplias y dispositivos capaces de operar a velocidades de modulación más altas para aplicaciones de comunicación de datos (como IRDA). El cumplimiento medioambiental (Libre de Halógenos, fabricación con menor huella de carbono) sigue siendo un fuerte impulsor en toda la industria.