Scheda Tecnica LED Infrarosso 5mm HIR333/H0 - Diametro 5mm - Tensione Diretta 1.45V - Lunghezza d'Onda 850nm - Dissipazione 150mW - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'HIR333/H0 è un diodo emettitore infrarosso ad alta intensità, alloggiato in un contenitore standard forato T-1 3/4 (5mm) con lente in plastica gialla. Il dispositivo è progettato per garantire prestazioni affidabili nei sistemi di rilevamento e comunicazione a infrarossi. La sua funzione principale è emettere luce infrarossa con una lunghezza d'onda di picco di 850nm, ottimizzata spettralmente per la compatibilità con i comuni fotorivelatori al silicio come fototransistor, fotodiodi e moduli ricevitori IR integrati. Il prodotto è concepito con un focus su alta affidabilità e output costante.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

I vantaggi chiave di questo componente includono l'alta intensità radiante, che consente una trasmissione del segnale potente, e la bassa tensione diretta, che contribuisce a un funzionamento energeticamente efficiente. È realizzato con materiali senza piombo e conforme alle principali direttive ambientali e di sicurezza, tra cui RoHS, REACH UE e standard alogeni-free (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). Queste caratteristiche lo rendono adatto a una vasta gamma di applicazioni commerciali e industriali a infrarossi dove la conformità normativa e l'affidabilità a lungo termine sono critiche. Il mercato target include produttori di sistemi di sicurezza, telecomandi, interruttori ottici, sensori di rilevamento oggetti e vari dispositivi elettronici di consumo che richiedono sorgenti luminose non visibili.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Questa sezione fornisce una suddivisione dettagliata delle specifiche elettriche, ottiche e termiche che definiscono i limiti operativi e le prestazioni del LED.

2.1 Valori Massimi Assoluti

I Valori Massimi Assoluti definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Questi valori non devono mai essere superati, nemmeno momentaneamente. Per prestazioni affidabili, l'operatività deve essere mantenuta entro le condizioni operative raccomandate.

• Corrente Diretta Continua (I_F): 100 mA. Questa è la massima corrente continua che può essere applicata in modo continuativo al LED.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP): 1.0 A. Questa elevata corrente è ammessa solo in condizioni pulsate con una larghezza di impulso ≤ 100μs e un ciclo di lavoro ≤ 1% per prevenire il surriscaldamento.
• Tensione Inversa (V_R): 5 V. Superare questa tensione di polarizzazione inversa può causare la rottura della giunzione.
• Dissipazione di Potenza (P_d): 150 mW a una temperatura dell'aria libera ≤ 25°C. Questo valore diminuisce all'aumentare della temperatura ambiente.
• Intervalli di Temperatura: Operativo: -40°C a +85°C; Magazzinaggio: -40°C a +100°C.
• Temperatura di Saldatura (T_sol): 260°C per un massimo di 5 secondi, definisce i limiti per i processi di saldatura a onda o a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Le Caratteristiche Elettro-Ottiche sono specificate alla condizione di test standard di una temperatura ambiente (T_a) di 25°C. Questi parametri definiscono le prestazioni tipiche del dispositivo.

• Intensità Radiante (I_e): Questa è la potenza ottica emessa per unità di angolo solido, misurata in milliwatt per steradiante (mW/sr). Il valore tipico è 15 mW/sr a una corrente diretta (I_F) di 20mA. Sotto una corrente pulsata di 100mA, l'intensità radiante può raggiungere 80 mW/sr.
• Lunghezza d'Onda di Picco (λ_p): 850 nm (tipico). Questa è la lunghezza d'onda alla quale la potenza ottica in uscita è massima. Questa lunghezza d'onda è invisibile all'occhio umano ma è rilevata efficientemente dai sensori al silicio.
• Larghezza di Banda Spettrale (Δλ): 45 nm (tipico). Indica l'intervallo di lunghezze d'onda emesse dal LED, misurato a metà dell'intensità massima (Larghezza a Metà Altezza - FWHM).
• Tensione Diretta (V_F): 1.45V (tipico) a I_F=20mA, con un massimo di 1.65V. A I_F=100mA (pulsata), la V_Ftipica sale a 1.80V con un massimo di 2.40V.
• Corrente Inversa (I_R): Massimo 10 μA a V_R=5V, indica una perdita molto bassa nello stato di spegnimento.
• Angolo di Visione (2θ_1/2): 30 gradi (tipico). Questo è l'angolo totale a cui l'intensità radiante scende alla metà del suo valore al centro (0°). Un angolo di 30° fornisce un fascio moderatamente focalizzato.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

L'intensità radiante dei LED è suddivisa in diversi bin o classi per garantire coerenza all'utente finale. Il binning viene eseguito in una condizione di test standard di I_F= 20mA. I bin disponibili sono definiti da un codice lettera (M, N, P, Q, R) con corrispondenti valori minimi e massimi di intensità radiante. Ciò consente ai progettisti di selezionare un componente che soddisfi i loro specifici requisiti di sensibilità o portata. Ad esempio, selezionare un bin 'P' garantisce un'intensità radiante minima di 15.0 mW/sr e massima di 24.0 mW/sr. La scheda tecnica non indica un binning separato per la lunghezza d'onda (Hue) o la tensione diretta (REF) per questo specifico numero di parte, ma la specifica dell'etichetta suggerisce che questi parametri sono tracciati durante la produzione.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

Le curve di prestazione tipiche forniscono una visione visiva del comportamento del dispositivo in condizioni variabili, fondamentale per la progettazione del circuito e la gestione termica.

4.1 Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente

Questa curva di derating mostra come la massima corrente diretta continua ammissibile diminuisca all'aumentare della temperatura ambiente oltre i 25°C. Per garantire che la temperatura di giunzione rimanga entro limiti sicuri e mantenere l'affidabilità a lungo termine, la corrente operativa deve essere ridotta in ambienti ad alta temperatura. I progettisti devono consultare questa curva quando operano il LED in contenitori chiusi o a temperature ambiente elevate.

4.2 Distribuzione Spettrale

Il grafico della distribuzione spettrale traccia l'intensità radiante relativa rispetto alla lunghezza d'onda. Conferma visivamente la lunghezza d'onda di picco a 850nm e la larghezza di banda spettrale di circa 45nm. La curva è caratteristica del materiale semiconduttore GaAlAs (Arseniuro di Gallio Alluminio). Il picco stretto e ben definito garantisce una sovrapposizione minima con la luce visibile e un accoppiamento ottimale con i rivelatori al silicio, che hanno una sensibilità di picco intorno agli 800-900nm.

4.3 Intensità Radiante vs. Corrente Diretta

Questa curva illustra la relazione tra la corrente di pilotaggio e l'output ottico. L'intensità radiante aumenta in modo super-lineare con la corrente a livelli bassi e tende a diventare più lineare a correnti più elevate, saturando infine quando l'efficienza interna cala a causa degli effetti termici. La curva per la condizione pulsata (100mA) mostra un output significativamente più alto rispetto alla condizione DC, evidenziando il vantaggio dell'operazione pulsata per ottenere un'alta intensità di picco senza danni termici.

4.4 Intensità Radiante Relativa vs. Spostamento Angolare

Questo grafico polare descrive il modello di emissione spaziale del LED. Mostra come l'intensità luminosa diminuisca man mano che l'angolo di visione si allontana dall'asse centrale (0°). Il modello è approssimativamente Lambertiano per questo tipo di contenitore, con l'intensità ai punti di semi-angolo (circa ±15°) pari al 50% dell'intensità sull'asse, definendo così l'angolo di visione di 30°.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

Il dispositivo utilizza un package radiale forato standard da 5mm (T-1 3/4). I terminali hanno una spaziatura standard di 2.54mm (0.1 pollice), compatibile con comuni basette forate e layout PCB. Il disegno dimensionale del package fornisce misure critiche tra cui diametro totale, altezza lente, lunghezza e diametro dei terminali. Il corpo è stampato in plastica gialla, trasparente alla luce infrarossa a 850nm ma colorata per facilitare l'identificazione visiva e la differenziazione dai LED a luce visibile. Il catodo è tipicamente identificato da un punto piatto sul bordo della lente e/o da un terminale più corto. Tutte le dimensioni hanno una tolleranza standard di ±0.25mm salvo diversa specifica.

6. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

Una manipolazione corretta durante l'assemblaggio è essenziale per prevenire danni meccanici o termici al LED.

6.1 Formatura dei Terminali

Se i terminali devono essere piegati, l'operazione deve essere eseguita in un punto ad almeno 3mm dalla base del bulbo in epossidico. La formatura deve sempre essere eseguita prima della saldatura, a temperatura ambiente, e con cura per evitare di applicare stress direttamente al corpo in epossidico, che potrebbe incrinare il package o danneggiare i bonding interni. I fori sul PCB devono allinearsi precisamente con i terminali del LED per evitare stress di montaggio.

6.2 Magazzinaggio

I LED devono essere conservati in un ambiente fresco e asciutto (≤30°C, ≤70% Umidità Relativa). La durata di conservazione consigliata dopo la spedizione è di 3 mesi. Per conservazioni più lunghe (fino a un anno), i componenti dovrebbero essere tenuti in una busta sigillata barriera all'umidità con essiccante, preferibilmente in atmosfera di azoto, per prevenire l'assorbimento di umidità e potenziali fenomeni di \"popcorning\" durante la saldatura.

6.3 Processo di Saldatura

Deve essere mantenuta una distanza minima di 3mm tra il giunto di saldatura e il bulbo in epossidico. I parametri di saldatura raccomandati sono:
Saldatura Manuale: Temperatura punta saldatore ≤300°C (per saldatore max 30W), tempo di saldatura ≤3 secondi per terminale.
Saldatura a Onda/Per Immersione: Temperatura di preriscaldamento ≤100°C per ≤60 secondi; temperatura bagno di saldatura ≤260°C per ≤5 secondi.
Il profilo di saldatura fornito raccomanda una rapida rampa di temperatura, una zona di plateau (soak), un breve picco a 260°C e un raffreddamento controllato. Evitare raffreddamenti rapidi o shock termici. Non è raccomandata la ri-saldatura (più di un ciclo di immersione o saldatura manuale).

6.4 Pulizia

Se è necessaria la pulizia dopo la saldatura, utilizzare alcol isopropilico a temperatura ambiente per non più di un minuto. Non utilizzare la pulizia ad ultrasuoni a meno che i suoi effetti (potenza, frequenza, durata) non siano stati preventivamente qualificati su campioni assemblati, poiché l'energia ultrasonica può fratturare la delicata struttura semiconduttrice interna.

5.5 Gestione Termica

Una gestione termica efficace è una considerazione critica di progetto. Il valore di dissipazione di potenza di 150mW è specificato a 25°C. Nelle applicazioni reali, la potenza effettivamente dissipata (V_F* I_F) deve essere deratata all'aumentare della temperatura ambiente, come mostrato nella curva di derating. Per un funzionamento continuo ad alte correnti o in ambienti ad alta temperatura, considerare l'uso di un dissipatore di calore, l'aumento del flusso d'aria o l'implementazione di un pilotaggio pulsato per ridurre la temperatura di giunzione media e garantire l'affidabilità a lungo termine.

7. Confezionamento e Informazioni per l'Ordine

I LED sono confezionati in buste antistatiche per proteggerli dalle scariche elettrostatiche (ESD). Queste buste sono poste all'interno di scatole interne, che a loro volta sono imballate in scatole esterne più grandi per la spedizione. Una quantità di imballaggio tipica è di 200-500 pezzi per busta, con 5 buste per scatola interna e 10 scatole interne per scatola esterna master. L'etichetta sulla busta contiene informazioni chiave per la tracciabilità e l'identificazione, tra cui il Numero Prodotto Cliente (CPN), il Numero Prodotto del produttore (P/N), la Quantità di imballaggio (QTY) e la Classe di Intensità Luminosa (CAT). Altri codici possono indicare la Classe di Lunghezza d'Onda Dominante (HUE), la Classe di Tensione Diretta (REF), il Numero di Lotto e il Codice Data.

8. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progetto

8.1 Scenari Applicativi Tipici

• Telecomandi a Infrarossi: Utilizzato come trasmettitore in telecomandi per TV, audio e decoder.
• Rilevamento di Prossimità e Oggetti: Accoppiato con un fototransistor per rilevare la presenza, assenza o posizione di un oggetto.
• Interruttori Ottici: Utilizzato in sensori a fessura (es. rilevamento carta nelle stampanti) o sensori riflettenti.
• Sistemi di Sicurezza: Per illuminazione a visione notturna in telecamere CCTV o come parte di fasci di rilevamento intrusioni a infrarossi.
• Automazione Industriale: Per sensori a contatto in applicazioni di conteggio, allineamento e rilevamento livello.

8.2 Considerazioni di Progetto

• Limitazione di Corrente: Utilizzare sempre una resistenza in serie o un driver a corrente costante per limitare la corrente diretta al valore desiderato, calcolato in base alla tensione di alimentazione e alla tensione diretta del LED.
• Funzionamento Pulsato: Per applicazioni che richiedono un'alta intensità di picco (come il rilevamento a lunga distanza), utilizzare un pilotaggio pulsato con un adeguato ciclo di lavoro per rimanere entro i valori nominali di corrente di picco e potenza media.
• Progettazione Ottica: Considerare l'angolo di visione di 30° quando si progettano lenti, aperture o percorsi ottici. Per portate più lunghe, si possono utilizzare lenti esterne per collimare il fascio.
• Abbinamento con il Rivelatore: Assicurarsi che il fotorivelatore selezionato (fototransistor, fotodiodo o IC ricevitore) abbia un'alta sensibilità nella regione degli 850nm.
• Immunità alla Luce Ambiente: In ambienti con forte luce ambiente (specialmente luce solare contenente IR), utilizzare segnali IR modulati (pulsati) e un rilevamento sincrono nel ricevitore per distinguere il segnale dal rumore di fondo.

9. Confronto e Differenziazione Tecnologica

Rispetto ai LED standard a luce visibile, questo LED IR è ottimizzato per l'output nello spettro infrarosso con un materiale (GaAlAs) che fornisce alta efficienza a 850nm. I suoi principali fattori di differenziazione nella categoria dei LED IR sono la combinazione di un'intensità radiante relativamente alta (15 mW/sr tipico) e una bassa tensione diretta (1.45V tipico), che può portare a un minor consumo energetico nei dispositivi alimentati a batteria. L'angolo di visione di 30° offre un buon equilibrio tra concentrazione del fascio e area di copertura. La conformità agli standard ambientali moderni (RoHS, REACH, Halogen-Free) è un vantaggio significativo per i prodotti destinati ai mercati globali, eliminando le preoccupazioni sulla conformità dei materiali.

10. Domande Frequenti Basate sui Parametri Tecnici

D: Posso pilotare questo LED direttamente da un'alimentazione a 5V?
R: No. È necessario utilizzare una resistenza limitatrice di corrente. Ad esempio, con un'alimentazione a 5V e una corrente target di 20mA, e assumendo una V_Ftipica di 1.45V, il valore della resistenza sarebbe R = (5V - 1.45V) / 0.02A = 177.5Ω. Una resistenza standard da 180Ω sarebbe adatta.

D: Qual è la differenza tra i valori nominali di intensità radiante DC e pulsata?
R: Il valore nominale DC (15 mW/sr a 20mA) è per il funzionamento continuo dove gli effetti termici limitano l'output. Il valore nominale pulsato (80 mW/sr a 100mA) è raggiungibile perché il breve impulso non consente alla giunzione di riscaldarsi significativamente, permettendo una corrente istantanea molto più alta e quindi un'uscita luminosa maggiore.

D: Come identifico il catodo?
R: In un package standard da 5mm, il catodo è tipicamente indicato da due caratteristiche: 1) Un bordo piatto sul bordo rotondo della lente in plastica. 2) Il terminale del catodo è solitamente più corto di quello dell'anodo. Verificare sempre la polarità prima della saldatura.

D: Questo LED è sensibile all'ESD?
R: Come tutti i dispositivi a semiconduttore, può essere danneggiato da scariche elettrostatiche. Viene fornito in confezione antistatica e deve essere maneggiato con le opportune precauzioni ESD durante l'assemblaggio.

11. Caso Pratico di Progetto e Utilizzo

Caso: Progettazione di un Semplice Sensore di Rilevamento Oggetti
Un'applicazione comune è un sensore a barriera. Il LED IR HIR333/H0 è posizionato su un lato di un percorso e un fototransistor è posizionato direttamente di fronte. Quando un oggetto passa tra di loro, interrompe il fascio infrarosso, causando una variazione nell'output del fototransistor. Per questo progetto:
1. Pilotare il LED con una corrente costante di 20mA utilizzando un semplice interruttore a transistor o un pin GPIO di un microcontrollore (con resistenza in serie).
2. Per migliorare l'immunità al rumore e la portata, pilotare il LED in modo pulsato a una frequenza (es. 38kHz) e utilizzare un modulo fototransistor con filtro integrato a 38kHz.
3. Allineare con cura il LED e il rivelatore, considerando il cono di emissione di 30°. Per distanze maggiori, considerare l'aggiunta di un tubo o di una lente collimatrice davanti al LED per restringere il fascio.
4. Posizionare il sensore lontano dalla luce solare diretta o da altre forti sorgenti di luce infrarossa per prevenire falsi trigger.

12. Introduzione al Principio di Funzionamento

Un Diodo Emettitore di Luce Infrarossa (IR LED) è un diodo a giunzione p-n semiconduttore. Quando viene applicata una tensione diretta, gli elettroni dalla regione n e le lacune dalla regione p vengono iniettati attraverso la giunzione. Quando questi portatori di carica si ricombinano nella regione attiva, l'energia viene rilasciata sotto forma di fotoni (luce). La lunghezza d'onda (colore) della luce emessa è determinata dall'energia di bandgap del materiale semiconduttore. L'HIR333/H0 utilizza l'Arseniuro di Gallio Alluminio (GaAlAs), che ha un bandgap corrispondente a fotoni nello spettro del vicino infrarosso, specificamente intorno ai 850 nanometri. Il package in plastica gialla è drogato per essere trasparente a questa lunghezza d'onda bloccando la luce visibile, e funge anche da lente primaria per modellare il fascio in uscita.

13. Tendenze e Sviluppi Tecnologici

La tendenza nella tecnologia dei LED infrarossi continua verso una maggiore efficienza (più luce in uscita per watt elettrico in ingresso) e densità di potenza più elevate. Ciò consente sorgenti più luminose o progetti più efficienti dal punto di vista energetico. C'è anche sviluppo in lunghezze d'onda di picco variabili; mentre 850nm e 940nm sono comuni, altre lunghezze d'onda vengono ottimizzate per applicazioni specifiche come il rilevamento di gas o la diagnostica medica. Il packaging si evolve per supportare la tecnologia a montaggio superficiale (SMD) per l'assemblaggio automatizzato, sebbene i package forati come il 5mm rimangano popolari per prototipazione, riparazione e alcune applicazioni ad alta affidabilità. L'integrazione è un'altra tendenza, con LED IR combinati con driver, modulatori e persino rivelatori in moduli singoli per semplificare la progettazione del sistema per l'utente finale.