Scheda Tecnica LED IR 5.0mm IR533C - Package 5mm - Lunghezza d'Onda di Picco 940nm - Corrente Diretta 100mA - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'IR533C è un diodo emettitore a infrarossi ad alta intensità, alloggiato in un package plastico blu standard da 5.0mm (T-1 3/4). È progettato per applicazioni che richiedono un'emissione infrarossa affidabile e potente nello spettro dei 940nm. Il dispositivo è spettralmente abbinato ai comuni fototransistor al silicio, fotodiodi e moduli ricevitori IR, rendendolo una sorgente ideale per sistemi ottici a ciclo chiuso.

Il posizionamento chiave di questo componente è in applicazioni ad alto volume e costo-efficaci, dove un'uscita infrarossa costante e la compatibilità con package standard sono fondamentali. I suoi vantaggi principali includono alta affidabilità, un'uscita di intensità radiante significativa e una caratteristica di bassa tensione diretta, che contribuisce a un'efficiente gestione della potenza del sistema.

Il mercato target comprende l'elettronica di consumo, il sensing industriale e le apparecchiature di sicurezza. È particolarmente adatto per i progettisti di unità telecomando a infrarossi, collegamenti dati ottici in spazio libero, sistemi di rilevamento fumo e vari altri sistemi applicativi basati su infrarossi.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento a questi limiti o oltre non è garantito.

• Corrente Diretta Continua (IF):100 mA. Questa è la massima corrente continua che può attraversare il LED indefinitamente a una temperatura ambiente di 25°C.
• Corrente Diretta di Picco (IFP):1.0 A. Questa alta corrente è ammissibile solo in condizioni pulsate con una larghezza di impulso ≤100μs e un ciclo di lavoro ≤1%. Questo valore è cruciale per applicazioni che richiedono brevi lampi ad alta intensità di luce IR.
• Tensione Inversa (VR):5 V. Superare questa tensione di polarizzazione inversa può causare la rottura della giunzione.
• Dissipazione di Potenza (Pd):150 mW a o al di sotto di una temperatura dell'aria libera di 25°C. Questo parametro, combinato con la resistenza termica, determina la massima potenza ammissibile in funzionamento continuo.
• Intervalli di Temperatura:Il dispositivo è classificato per funzionare da -40°C a +85°C e può essere conservato da -40°C a +100°C.
• Temperatura di Saldatura (Tsol):260°C per una durata non superiore a 5 secondi, conforme ai tipici profili di rifusione senza piombo.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri sono misurati a una temperatura ambiente standard di 25°C e definiscono le prestazioni del dispositivo in condizioni specificate.

• Intensità Radiante (Ie):Questa è la misura primaria della potenza ottica di uscita per angolo solido (steradiante).
  • A una corrente di pilotaggio standard di 20mA DC, l'intensità radiante tipica è 7.8 mW/sr, con un minimo di 4.0 mW/sr.
  • In funzionamento pulsato a 100mA (≤100μs, ≤1% duty), l'uscita aumenta significativamente.
  • Alla massima corrente pulsata di 1A, l'intensità radiante tipica raggiunge 350 mW/sr, mostrando la sua capacità di emissione ad alta potenza e breve durata.
• Lunghezza d'Onda di Picco (λp):940 nm (tipico). Questa lunghezza d'onda è ideale poiché rientra in una finestra ad alta trasmissione per molte plastiche e vetri ed è ben abbinata alla sensibilità di picco dei rivelatori al silicio, pur essendo largamente invisibile all'occhio umano.
• Larghezza di Banda Spettrale (Δλ):Circa 45 nm (tipico). Questo definisce la larghezza spettrale della luce emessa a metà della sua intensità massima (FWHM).
• Tensione Diretta (VF):Un parametro chiave per il progetto del circuito.
  • A 20mA, VF è tipicamente 1.5V con un massimo di 1.5V.
  • A 100mA pulsata, sale a un tipico 1.4V (max 1.85V).
  • A 1A pulsata, la VF tipica è 2.6V (max 4.0V), indicando un aumento della caduta di tensione di giunzione a correnti molto elevate.
• Angolo di Visione (2θ1/2):25 gradi (tipico). Questo è l'angolo totale a cui l'intensità radiante scende alla metà del suo valore a 0 gradi (sull'asse). Un angolo di 25 gradi fornisce un fascio moderatamente focalizzato.
• Corrente Inversa (IR):Massimo di 10 μA a VR=5V, indicando una buona qualità della giunzione.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

La scheda tecnica include una tabella di binning per l'Intensità Radiante a IF=20mA. Il binning è un processo di controllo qualità in cui i LED vengono suddivisi (binnati) in base ai parametri di prestazione misurati dopo la produzione.

Binning dell'Intensità Radiante:I LED sono categorizzati in bin (K, L, M, N, P) in base alla loro intensità radiante misurata. Ad esempio, il bin 'K' include LED con intensità tra 4.0 e 6.4 mW/sr, mentre il bin 'P' include quelli tra 15.0 e 24.0 mW/sr. Ciò consente ai progettisti di selezionare componenti con livelli di uscita minimi (e massimi) garantiti per la loro applicazione, assicurando coerenza nelle prestazioni del sistema, specialmente in array multi-LED o sistemi riceventi sensibili. Il bin specifico per un dato lotto è indicato sull'etichetta della confezione.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano le tendenze di prestazione oltre i dati puntuali nelle tabelle.

• Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente (Fig.1):Questa curva mostra come la massima corrente diretta continua ammissibile si riduca all'aumentare della temperatura ambiente oltre i 25°C. Per prevenire il surriscaldamento, la corrente di pilotaggio deve essere ridotta a temperature più elevate.
• Distribuzione Spettrale (Fig.2):Un grafico che traccia l'intensità relativa rispetto alla lunghezza d'onda, confermando visivamente il picco a 940nm e la larghezza di banda di ~45nm.
• Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco vs. Temperatura Ambiente (Fig.3):Illustra lo spostamento della lunghezza d'onda di picco (tipicamente un leggero aumento) al variare della temperatura di giunzione. Questo è importante per applicazioni con filtraggio spettrale stretto.
• Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Curva IV) (Fig.4):Mostra la relazione non lineare tra corrente e tensione. La curva diventa più ripida a correnti più elevate a causa della resistenza in serie nel semiconduttore e nel package.
• Intensità Relativa vs. Corrente Diretta (Fig.5):Dimostra la relazione sub-lineare tra corrente di pilotaggio e uscita luminosa. L'efficienza (uscita luminosa per unità di corrente) spesso diminuisce a correnti molto elevate.
• Intensità Radiante Relativa vs. Spostamento Angolare (Fig.6):Questo è il modello di radiazione spaziale, che definisce graficamente l'angolo di visione di 25 gradi. Mostra come l'intensità diminuisce allontanandosi dall'asse centrale.
• Intensità Relativa vs. Temperatura Ambiente (Fig.7):Mostra la diminuzione dell'uscita luminosa all'aumentare della temperatura ambiente (e quindi di giunzione), un fenomeno noto come quenching termico.
• Tensione Diretta vs. Temperatura Ambiente (Fig.8):Indica come la caduta di tensione diretta diminuisca con l'aumentare della temperatura, caratteristica tipica della giunzione semiconduttrice.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

5.1 Dimensioni del Package

L'IR533C utilizza il package radiale con reofori standard da 5.0mm (T-1 3/4). Le specifiche dimensionali chiave dal disegno includono:

• Diametro complessivo: 5.0mm (nominale).
• Distanza tra i reofori: 2.54mm (0.1 pollici), compatibile con schede forate e zoccoli standard.
• Il corpo del package è stampato in plastica colorata blu, tipico per i LED a infrarossi per indicare la funzione e può offrire un certo filtraggio.
• La lente è trasparente.
• Il materiale del chip è Arseniuro di Gallio e Alluminio (GaAlAs).
• Tutte le tolleranze dimensionali sono ±0.25mm salvo diversa specificazione.

5.2 Identificazione della Polarità

Come la maggior parte dei LED radiali, un reoforo è più lungo dell'altro. Il reoforo più lungo è l'anodo (positivo, A+), e quello più corto è il catodo (negativo, K-). Il package può anche avere un punto piatto sul bordo vicino al reoforo del catodo. La polarità corretta è essenziale per il funzionamento.

6. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

• Saldatura Manuale:Utilizzare un saldatore a temperatura controllata. Limitare il tempo di saldatura per reoforo a un massimo di 3-5 secondi a una temperatura non superiore a 350°C per prevenire danni termici al package plastico e ai bonding interni.
• Saldatura a Onda:È possibile ma richiede un attento controllo dei profili di temperatura di preriscaldamento e dell'onda di saldatura per rimanere entro i 260°C per un massimo di 5 secondi.
• Pulizia:Se è necessaria la pulizia dopo la saldatura, utilizzare solventi appropriati compatibili con il materiale plastico blu del package. Evitare la pulizia a ultrasuoni che può danneggiare la struttura interna del die.
• Piegatura dei Reofori:Se è richiesta la formatura dei reofori, piegarli in un punto non più vicino di 3mm dal corpo del package per evitare stress sulla tenuta. Utilizzare strumenti adatti per evitare di intaccare o danneggiare i reofori.
• Condizioni di Conservazione:Conservare in un ambiente asciutto e antistatico a temperature comprese tra -40°C e +100°C. Il Livello di Sensibilità all'Umidità (MSL) non è esplicitamente dichiarato, ma trattarlo come MSL 2A o superiore (vita a scaffale >1 anno) è tipico per questo tipo di package.

7. Informazioni su Confezionamento e Ordine

• Specifica di Confezionamento:I LED sono tipicamente confezionati in sacchetti contenenti da 200 a 500 pezzi. Cinque sacchetti sono posti in una scatola, e dieci scatole costituiscono un cartone di spedizione.
• Informazioni sull'Etichetta:L'etichetta della confezione include informazioni critiche per la tracciabilità e l'identificazione:
  • CPN (Numero di Parte del Cliente): Assegnato dall'acquirente.
  • P/N (Numero di Produzione): Il numero di parte del produttore (IR533C).
  • QTY (Quantità di Confezionamento): Numero di pezzi nel sacchetto/scatola.
  • CAT (Classi): Il codice del bin di prestazione (es., M per intensità radiante).
  • HUE: Il bin della lunghezza d'onda di picco.
  • LOT No: Il numero di lotto di produzione univoco per la tracciabilità.

8. Raccomandazioni Applicative

8.1 Circuiti Applicativi Tipici

Circuito di Pilotaggio Base:Il circuito più semplice coinvolge una resistenza limitatrice di corrente in serie collegata a un'alimentazione di tensione. Il valore della resistenza (R) è calcolato usando la Legge di Ohm: R = (Vcc - VF) / IF, dove Vcc è la tensione di alimentazione, VF è la tensione diretta del LED alla corrente desiderata IF, e IF è la corrente diretta target (es., 20mA). Assicurarsi sempre che la potenza nominale della resistenza sia adeguata (P = IF² * R).

Funzionamento Pulsato per Alta Intensità:Per applicazioni come telecomandi a lungo raggio, utilizzare i valori nominali pulsati. Un transistor (BJT o MOSFET) può essere usato per commutare l'alta corrente pulsata (fino a 1A) da un condensatore o da un'alimentazione a tensione più alta. La resistenza in serie deve essere calcolata in base alla VF pulsata e alla corrente di impulso desiderata. Assicurarsi che i vincoli di larghezza di impulso e ciclo di lavoro (≤100μs, ≤1%) siano rigorosamente rispettati.

8.2 Considerazioni di Progetto

• Dissipazione Termica:Sebbene il package abbia una capacità di dissipazione termica limitata, per un funzionamento continuo vicino alla corrente massima (100mA), considerare la temperatura ambiente e fornire un'adeguata ventilazione. La curva di derating (Fig.1) deve essere seguita.
• Progettazione Ottica:L'angolo di visione di 25 gradi fornisce una focalizzazione naturale. Per fasci più stretti, possono essere utilizzate lenti esterne o riflettori. Per una copertura più ampia, possono essere necessari più LED o diffusori.
• Abbinamento del Ricevitore:Assicurarsi che il ricevitore (fototransistor, fotodiodo o IC) sia sensibile nella regione dei 940nm. Utilizzare un filtro IR corrispondente sul ricevitore può migliorare notevolmente il rapporto segnale/rumore bloccando la luce visibile ambientale.
• Rumore Elettrico:In applicazioni di sensing analogico sensibili, pilotare il LED con una sorgente di corrente costante piuttosto che con una semplice resistenza per un'uscita più stabile. Per sistemi digitali pulsati, assicurare tempi di salita/discesa rapidi del segnale di pilotaggio.

9. Confronto Tecnico e Differenziazione

L'IR533C si posiziona all'interno del vasto mercato dei LED IR da 5mm attraverso caratteristiche specifiche:

• Alta Intensità Radiante:La sua tipica 7.8 mW/sr a 20mA e la capacità di uscita pulsata molto alta (350 mW/sr a 1A) lo rendono adatto per applicazioni che richiedono una portata maggiore o una forza del segnale più alta rispetto ai LED IR standard a bassa potenza.
• Lunghezza d'Onda 940nm:Questa è la lunghezza d'onda IR più comune e versatile. Offre un buon equilibrio tra sensibilità del rivelatore al silicio, disponibilità di filtri corrispondenti e relativa sicurezza per gli occhi rispetto alle lunghezze d'onda nel vicino infrarosso più corte.
• Package Standard:Il fattore di forma onnipresente da 5mm garantisce una facile integrazione in progetti esistenti, schede di prototipazione e fori standard sui pannelli.
• Bassa Tensione Diretta:Una VF tipica di 1.5V a 20mA consente un funzionamento efficiente da alimentazioni logiche a bassa tensione (3.3V, 5V) con una caduta di tensione minima sulla resistenza limitatrice, lasciando più margine per un funzionamento stabile.
• Conformità:La dichiarata conformità agli standard RoHS (Senza Piombo), EU REACH e Senza Alogeni soddisfa i moderni requisiti ambientali e normativi per i componenti elettronici.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D1: Posso pilotare questo LED in continuo a 100mA?

R1: Il Valore Massimo Assoluto per la corrente diretta continua è 100mA a Ta=25°C. Tuttavia, è necessario consultare la curva di derating (Fig.1). A temperature ambiente elevate, la massima corrente continua ammissibile diminuisce significativamente per prevenire il superamento della massima temperatura di giunzione e del limite di dissipazione di potenza di 150mW. Per un funzionamento affidabile a lungo termine, è spesso consigliabile progettare per una corrente inferiore (es., 50-75mA).

D2: Qual è la differenza tra Intensità Radiante (mW/sr) e Potenza Radiante (mW)?

R2: L'Intensità Radiante è la potenza ottica emessa per unità di angolo solido (steradiante). La Potenza Radiante (o Flusso) è la potenza ottica totale emessa in tutte le direzioni. Per stimare la potenza totale, sarebbe necessario integrare l'intensità sull'intero modello di emissione spaziale (Fig.6). Per un LED con angolo di visione di 25 gradi, la potenza totale è significativamente inferiore al valore dell'intensità sull'asse moltiplicato per 4π steradianti.

D3: Come seleziono la corretta resistenza limitatrice di corrente?

R3: Usare la formula R = (Vs - VF) / IF. Utilizzare la VF *massima* dalla scheda tecnica per la IF scelta per garantire una caduta di tensione sufficiente sulla resistenza in tutte le condizioni, prevenendo sovracorrenti. Ad esempio, per un'alimentazione a 5V e target 20mA: R = (5V - 1.5V) / 0.02A = 175 Ohm. Usare il valore standard successivo (180 Ohm). Potenza sulla resistenza: P = (0.02A)² * 180Ω = 0.072W, quindi una resistenza da 1/8W o 1/4W è sicura.

D4: Perché nella tabella la tensione diretta a 100mA pulsata è inferiore rispetto a 20mA DC?

R4: Questo sembra essere una discrepanza nei dati forniti (Tip. 1.4V a 100mA pulsata vs. 1.5V a 20mA). In realtà, VF dovrebbe aumentare con la corrente a causa della resistenza in serie. La misurazione pulsata a 100mA potrebbe avere un aumento di temperatura di giunzione inferiore rispetto a una misurazione DC a 20mA, il che potrebbe influenzare leggermente VF. Progettare sempre utilizzando la VF *massima* specificata per la propria condizione operativa per essere sicuri.

11. Esempi Pratici di Progetto e Utilizzo

Esempio 1: Trasmettitore per Telecomando a Infrarossi a Lungo Raggio.

Obiettivo: Ottenere una portata di 30 metri in condizioni indoor.

Progetto: Utilizzare il funzionamento pulsato al valore nominale massimo. Pilotare l'IR533C con impulsi da 1A di larghezza 50μs a un ciclo di lavoro 1/40 (es., 50μs acceso, 1950μs spento, rispettando la specifica ≤100μs, ≤1%). Un circuito semplice utilizza un pin GPIO di un microcontrollore per pilotare la base di un transistor NPN (es., 2N2222) tramite una piccola resistenza di base. Il collettore del transistor è collegato all'anodo del LED, e il catodo del LED è collegato a massa attraverso una resistenza di impostazione della corrente di basso valore calcolata per 1A. L'anodo del LED è anche collegato a un condensatore carico (es., 100μF) vicino al LED per fornire l'alta corrente di picco. Questa configurazione sfrutta l'alta intensità radiante pulsata (350 mW/sr tip.) per la massima portata.

Esempio 2: Sensore di Prossimità o Rilevamento Oggetti.

Obiettivo: Rilevare un oggetto entro 10cm.

Progetto: Utilizzare il funzionamento continuo a una corrente moderata (es., 50mA) per un'uscita stabile. Accoppiare l'IR533C con un fototransistor al silicio corrispondente posto a pochi centimetri di distanza. Modulare la corrente di pilotaggio del LED a una frequenza specifica (es., 38kHz) utilizzando il microcontrollore. Il circuito ricevitore include un filtro passa banda sintonizzato a 38kHz. Questa tecnica rende il sistema immune ai cambiamenti della luce ambientale (luce solare, luci della stanza). La lunghezza d'onda di 940nm minimizza l'interferenza della luce visibile. La bassa VF consente al sistema di funzionare da un'alimentazione a 3.3V del microcontrollore.

12. Principio di Funzionamento

Un Diodo Emettitore di Luce a Infrarossi (LED IR) è un diodo a giunzione p-n semiconduttore. Quando polarizzato direttamente (tensione positiva applicata al lato p rispetto al lato n), gli elettroni dalla regione n vengono iniettati attraverso la giunzione nella regione p, e le lacune dalla regione p vengono iniettate nella regione n. Questi portatori minoritari iniettati (elettroni nella regione p, lacune nella regione n) si ricombinano con i portatori maggioritari. In un semiconduttore a bandgap diretto come l'Arseniuro di Gallio e Alluminio (GaAlAs), una parte significativa di questo evento di ricombinazione rilascia energia sotto forma di fotoni (luce). La lunghezza d'onda (colore) della luce emessa è determinata dall'energia del bandgap (Eg) del materiale semiconduttore, secondo l'equazione λ ≈ 1240 / Eg (con Eg in elettronvolt e λ in nanometri). Per il GaAlAs sintonizzato per l'emissione a 940nm, il bandgap è di circa 1.32 eV. Il drogaggio specifico e la struttura a strati del chip sono progettati per massimizzare l'efficienza di questo processo di ricombinazione radiativa all'interno dello spettro infrarosso.

13. Tendenze Tecnologiche

La tecnologia fondamentale alla base di dispositivi come l'IR533C è matura. Tuttavia, le tendenze nel più ampio mercato dei LED IR influenzano il loro contesto applicativo e di sviluppo:

• Aumento della Potenza e dell'Efficienza:La ricerca in corso nella scienza dei materiali mira a migliorare l'efficienza wall-plug (potenza ottica in uscita / potenza elettrica in ingresso) dei LED IR, consentendo un'uscita più luminosa o un consumo energetico inferiore. Questo è guidato da applicazioni in sensori time-of-flight (ToF), LiDAR e riconoscimento facciale.
• Miniaturizzazione:Mentre il 5mm rimane popolare per progetti through-hole, i package per dispositivi a montaggio superficiale (SMD) (es., 0805, 1206 e package chip-scale) stanno diventando dominanti per l'assemblaggio automatizzato e progetti con vincoli di spazio come smartphone e dispositivi indossabili.
• Soluzioni Integrate:C'è una tendenza verso la combinazione del LED IR con un IC di pilotaggio, un fotorivelatore e talvolta persino un microcontrollore in un unico modulo. Questi moduli di "sensor fusion" semplificano il progetto per gli utenti finali in applicazioni come il controllo gestuale o il rilevamento di presenza.
• Diversificazione della Lunghezza d'Onda:Mentre i 940nm sono standard, altre lunghezze d'onda come 850nm (spesso visibili come una debole luce rossa) sono utilizzate dove una certa visibilità è accettabile e la sensibilità del rivelatore al silicio è leggermente più alta. Lunghezze d'onda più lunghe (1050nm, 1300nm, 1550nm) sono utilizzate per applicazioni specializzate come LiDAR sicuro per gli occhi e comunicazioni ottiche.
• Espansione delle Applicazioni:La crescita dell'Internet delle Cose (IoT), dell'automazione domestica intelligente, del monitoraggio del conducente automobilistico e della sicurezza biometrica sta creando continuamente nuove applicazioni per emettitori a infrarossi affidabili e a basso costo come l'IR533C.