Scheda Tecnica LED Infrarosso LTE-3271T-A - Lunghezza d'Onda 940nm - Alta Corrente e Bassa Vf - Involucro Trasparente - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTE-3271T-A è un diodo emettitore di luce (LED) infrarosso (IR) ad alte prestazioni, progettato per applicazioni che richiedono un'uscita ottica robusta e un funzionamento affidabile in condizioni elettriche impegnative. La sua filosofia di progettazione si concentra sul fornire un'elevata potenza radiante mantenendo una tensione diretta relativamente bassa, rendendolo efficiente per i sistemi in cui il consumo energetico è una preoccupazione. Il dispositivo è confezionato in una resina trasparente all'acqua, che minimizza l'assorbimento della luce infrarossa emessa, massimizzando così l'efficienza radiante esterna. È progettato per supportare sia le modalità di pilotaggio continua che in impulso, offrendo flessibilità per varie applicazioni di rilevamento, comunicazione e illuminazione nello spettro del vicino infrarosso.

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.

• Dissipazione di Potenza (P_D):150 mW. Questa è la massima perdita di potenza consentita all'interno del dispositivo, principalmente sotto forma di calore, calcolata come prodotto della corrente diretta e della tensione diretta.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP):2 A. Questo valore di corrente eccezionalmente alto è consentito solo in specifiche condizioni di impulso: una larghezza di impulso di 10 microsecondi e una frequenza di ripetizione degli impulsi non superiore a 300 impulsi al secondo (pps). Ciò consente un'uscita ottica istantanea molto elevata per la misurazione della distanza a corto raggio o la trasmissione dati ad alta velocità.
• Corrente Diretta Continua (I_F):100 mA. La massima corrente continua che può essere applicata in modo continuo senza superare i limiti di dissipazione di potenza o termici.
• Tensione Inversa (V_R):5 V. Superare questa tensione in direzione di polarizzazione inversa può causare il breakdown della giunzione.
• Temperatura di Funzionamento e di Stoccaggio:Il dispositivo è classificato per un intervallo di temperatura ambiente di funzionamento (T_A) da -40°C a +85°C e può essere stoccato in ambienti da -55°C a +100°C.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali:320°C per 3 secondi, misurata a una distanza di 4,0 mm dal corpo del package. Questa linea guida è fondamentale per prevenire danni termici durante l'assemblaggio del PCB.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Questi parametri sono specificati a una temperatura ambiente (T_A) di 25°C e definiscono le prestazioni tipiche del dispositivo.

• Intensità Radiante (I_E):Una metrica chiave dell'uscita ottica. A una corrente diretta (I_F) di 100 mA, l'intensità radiante tipica è di 30 mW/sr. Alla corrente di prova inferiore di 20 mA, varia da 6 mW/sr (Min) a 10,5 mW/sr (Tip). L'intensità radiante descrive la potenza ottica emessa per unità di angolo solido.
• Incidenza Radiante su Apertura (E_e):da 0,80 a 1,4 mW/cm² a I_F=20mA. Questo parametro, talvolta chiamato irradianza, è utile per calcolare la densità di potenza ottica incidente su una superficie a una specifica distanza dall'emettitore.
• Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (λ_P):940 nm. Questa è la lunghezza d'onda nominale alla quale la potenza ottica in uscita è massima. Rientra nello spettro del vicino infrarosso (NIR), invisibile all'occhio umano ma rilevabile dai fotodiodi al silicio e da molti sensori CMOS/CCD.
• Larghezza a Mezza Altezza della Linea Spettrale (Δλ):50 nm (Tip). Questo indica la larghezza di banda spettrale in cui l'intensità radiante è almeno la metà del suo valore di picco. Un valore di 50 nm è caratteristico del materiale standard per LED infrarossi GaAlAs.
• Tensione Diretta (V_F):Questo è un parametro elettrico critico che varia con la corrente.
  • A I_F= 50 mA: V_F(Tip) = 1,25V, (Max) = 1,6V.
  • A I_F= 250 mA: V_F(Tip) = 1,65V, (Max) = 2,1V.
  • A I_F= 450 mA: V_F(Tip) = 2,0V, (Max) = 2,4V.
  • A I_F= 1 A: V_F(Tip) = 2,4V, (Max) = 3,0V. La scheda tecnica evidenzia la "bassa tensione diretta" come caratteristica, evidente da questi valori, specialmente a correnti medie, contribuendo a una maggiore efficienza elettrico-ottica.
• Corrente Inversa (I_R):100 µA (Max) a una tensione inversa (V_R) di 5V. Questa è la corrente di dispersione quando il dispositivo è polarizzato inversamente.
• Angolo di Visione (2θ_1/2):50° (Tip). Questo è l'angolo totale a cui l'intensità radiante scende alla metà del suo valore a 0° (sull'asse). Un angolo di 50° fornisce un diagramma di radiazione ampio, utile per l'illuminazione di aree o il rilevamento dove l'allineamento è meno critico.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diversi grafici caratteristici essenziali per la progettazione del circuito e la comprensione delle prestazioni in condizioni non standard.

3.1 Distribuzione Spettrale (Fig. 1)

La curva mostra l'intensità radiante relativa in funzione della lunghezza d'onda. Conferma la lunghezza d'onda di picco a circa 940 nm con un'ampia larghezza a mezza altezza spettrale. La forma è tipica per un LED infrarosso, con l'uscita che si attenua su entrambi i lati del picco. I progettisti di sistemi ottici devono considerare questo spettro per garantire la compatibilità con la sensibilità spettrale del rilevatore previsto (ad esempio, un fototransistor o un fotodiodo al silicio con filtro).

3.2 Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente (Fig. 2)

Questo grafico illustra la derating della massima corrente diretta continua consentita all'aumentare della temperatura ambiente. A 25°C, sono consentiti tutti i 100 mA. All'aumentare della temperatura, la corrente massima deve essere ridotta linearmente per evitare di superare il limite di dissipazione di potenza di 150 mW e per gestire la temperatura di giunzione. Questo è un grafico cruciale per garantire l'affidabilità a lungo termine in ambienti ad alta temperatura.

3.3 Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Fig. 3)

Questa è la curva caratteristica corrente-tensione (I-V). Mostra la relazione esponenziale tipica di un diodo. La curva è essenziale per progettare il circuito di pilotaggio limitatore di corrente. La pendenza della curva nella regione di funzionamento aiuta a determinare la resistenza dinamica del LED. Il grafico conferma visivamente la caratteristica di bassa V_Fsu un'ampia gamma di correnti.

3.4 Intensità Radiante Relativa vs. Corrente Diretta (Fig. 4)

Questo grafico mostra come l'uscita ottica (normalizzata al suo valore a 20 mA) aumenti con la corrente diretta. La relazione è generalmente lineare a correnti più basse ma può mostrare segni di saturazione o ridotta efficienza a correnti molto elevate a causa dell'aumento degli effetti termici e del droop dell'efficienza quantica interna. Questa curva aiuta i progettisti a scegliere un punto di funzionamento che bilanci la potenza in uscita con l'efficienza e lo stress del dispositivo.

3.5 Intensità Radiante Relativa vs. Temperatura Ambiente (Fig. 5)

Questo grafico descrive la dipendenza dall temperatura dell'uscita ottica. Tipicamente, l'intensità radiante di un LED diminuisce all'aumentare della temperatura di giunzione. Questa curva quantifica tale calo, mostrando la potenza in uscita normalizzata rispetto al suo valore a 20 mA su un intervallo di temperatura da -20°C a 80°C. Questa informazione è vitale per le applicazioni che richiedono un'uscita ottica stabile al variare delle condizioni ambientali.

3.6 Diagramma di Radiazione (Fig. 6)

Questo diagramma polare fornisce una visualizzazione dettagliata del modello di emissione spaziale. I cerchi concentrici rappresentano i livelli di intensità radiante relativa (es. 1,0, 0,9, 0,7). Il grafico conferma l'ampio angolo di visione, mostrando come l'intensità si distribuisce su diversi angoli da 0° a 90°. Questo diagramma è indispensabile per la progettazione ottica, consentendo agli ingegneri di modellare il profilo di illuminazione su una superficie target.

4. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

4.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo utilizza un formato di package LED standard con una flangia per stabilità meccanica e dissipazione del calore. Le note dimensionali chiave della scheda tecnica includono:

• Tutte le dimensioni sono fornite in millimetri, con tolleranze tipicamente ±0,25 mm salvo diversa indicazione.
• È consentita una piccola protuberanza di resina sotto la flangia, con un'altezza massima di 1,5 mm.
• La spaziatura dei terminali è misurata nel punto in cui i terminali escono dal corpo del package, il che è critico per la progettazione dell'impronta sul PCB.
• I terminali sono placcati con stagno per garantire una buona saldabilità.

Il materiale del package trasparente all'acqua è scelto specificamente per gli emettitori infrarossi perché ha un'assorbimento minimo nella regione dei 940 nm, a differenza dei package in epossidica colorata utilizzati per i LED visibili che bloccherebbero la luce IR.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Per garantire l'integrità del dispositivo durante l'assemblaggio del PCB, devono essere osservate le seguenti linee guida:

• Saldatura Manuale:Se è necessaria la saldatura manuale, deve essere eseguita rapidamente, applicando calore al terminale e non al corpo del package.
• Saldatura a Onda:Possono essere utilizzati profili standard di saldatura a onda, ma il tempo totale di esposizione al calore della saldatura deve essere minimizzato.
• Saldatura a Rifusione:Il dispositivo può sopportare una temperatura del terminale di 320°C per un massimo di 3 secondi, come specificato. Sono adatti profili standard di rifusione a infrarossi o a convezione con una temperatura di picco inferiore a questo limite. La specifica di distanza di 4,0 mm garantisce che la massa termica del terminale protegga la sensibile giunzione semiconduttrice all'interno del package.
• Pulizia:Dopo la saldatura, possono essere utilizzati processi standard di pulizia del PCB, ma deve essere verificata la compatibilità con la resina trasparente.
• Stoccaggio:I dispositivi devono essere stoccati nelle loro originali sacchetti barriera all'umidità in un ambiente entro l'intervallo di temperatura di stoccaggio specificato (-55°C a +100°C) e a bassa umidità per prevenire l'ossidazione dei terminali.

6. Suggerimenti per l'Applicazione

6.1 Scenari Applicativi Tipici

• Illuminazione Infrarossa:Per telecamere di sicurezza, sistemi di visione notturna e illuminazione per visione artificiale dove è richiesta un'illuminazione invisibile.
• Rilevamento di Prossimità e Presenza:In rubinetti automatici, dosatori di sapone, asciugamani per le mani e interruttori touchless. L'ampio angolo di visione è vantaggioso in questo caso.
• Interruttori e Encoder Ottici:Per rilevare posizione, rotazione o movimento interrompendo o riflettendo il fascio IR.
• Comunicazione Dati a Corto Raggio:In dispositivi compatibili IrDA o semplici collegamenti dati seriali (es. telecomandi, comunicazione tra dispositivi). L'elevata capacità di corrente di impulso supporta la trasmissione dati modulata.
• Rilevamento Industriale:Conteggio oggetti, rilevamento di livello e sensori a fascio interrotto.

6.2 Considerazioni di Progettazione

• Pilotaggio in Corrente:Un LED è un dispositivo pilotato in corrente. Utilizzare sempre una resistenza di limitazione di corrente in serie o un circuito di pilotaggio a corrente costante. Il valore della resistenza è calcolato utilizzando R = (V_{alimentazione}- V_F) / I_F, utilizzando la V_Fmassima dalla scheda tecnica per garantire che la corrente non superi il valore desiderato.
• Gestione Termica:Per il funzionamento continuo ad alte correnti (es. vicino a 100 mA), considerare la dissipazione di potenza (P_D= V_F* I_F). Assicurare un'adeguata area di rame sul PCB o un dissipatore di calore per mantenere la temperatura di giunzione entro limiti sicuri, specialmente ad alte temperature ambiente.
• Funzionamento in Impulso:Per ottenere una potenza ottica di picco molto elevata, utilizzare la specifica della modalità in impulso (2A, 10µs, 300pps). Ciò richiede un circuito di pilotaggio in grado di fornire impulsi di alta corrente, come un MOSFET controllato da un generatore di impulsi.
• Progettazione Ottica:Considerare il diagramma di radiazione (Fig. 6) quando si progettano lenti, riflettori o aperture per modellare il fascio per l'applicazione specifica. La lente trasparente all'acqua è emisferica, influenzando la divergenza iniziale.
• Abbinamento con il Rivelatore:Accoppiare l'emettitore con un fotorivelatore (fotodiodo, fototransistor) che abbia una sensibilità di picco intorno ai 940 nm. L'utilizzo di un filtro IR sul rivelatore può aiutare a respingere la luce visibile ambientale.

7. Confronto e Differenziazione Tecnica

Sebbene la scheda tecnica non confronti parti specifiche della concorrenza, le caratteristiche chiave di differenziazione del LTE-3271T-A possono essere dedotte:

• Elevata Capacità di Corrente:La combinazione di una valutazione in impulso di 2A e una valutazione continua di 100mA è notevole per un package LED standard, offrendo un'elevata flessibilità di uscita.
• Bassa Tensione Diretta:Una V_Fdi circa 1,25V a 50mA è relativamente bassa per un emettitore IR ad alta potenza, portando a una migliore efficienza energetica e a una ridotta generazione di calore rispetto a dispositivi con V_F.
• Package Trasparente all'Acqua:A differenza dei package colorati che attenuano l'uscita, questo massimizza l'efficienza quantica esterna per la luce IR.
• Ampio Angolo di Visione:Il semiangolo di 50° fornisce un'ampia copertura, il che è un vantaggio per l'illuminazione di aree rispetto alle alternative a fascio più stretto.

8. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D1: Posso pilotare questo LED direttamente da un pin di un microcontrollore a 5V?

R: No. Un pin GPIO di un microcontrollore tipicamente non può erogare più di 20-50mA e ha una tensione fissa vicina a 5V o 3,3V. È necessario utilizzare una resistenza di limitazione di corrente e probabilmente un transistor (BJT o MOSFET) come interruttore per pilotare il LED, specialmente a correnti superiori a 20mA.

D2: Qual è la differenza tra Intensità Radiante (mW/sr) e Incidenza Radiante su Apertura (mW/cm²)?

R: L'Intensità Radiante è una misura di quanta potenza la sorgente emetteper unità di angolo solido(steradiante). Descrive la direzionalità della sorgente. L'Incidenza Radiante su Apertura (o Irradianza) è la potenzaper unità di areaincidente su una superficie a una specifica distanza. Sono correlate attraverso la legge dell'inverso del quadrato della distanza (per una sorgente puntiforme) e l'angolo di visione.

D3: Perché la lunghezza d'onda di picco di 940nm è significativa?

R: 940nm è una lunghezza d'onda molto comune per i sistemi IR perché è al di fuori dello spettro visibile (invisibile) e i rivelatori a base di silicio (fotodiodi, sensori di fotocamera) hanno ancora una sensibilità ragionevolmente buona a questa lunghezza d'onda. Evita anche la lunghezza d'onda di 850nm, che ha una debole luminescenza rossa che può essere visibile al buio.

D4: Come interpreto i grafici di "Intensità Radiante Relativa"?

R: Questi grafici mostrano come l'uscita luminosacambirispetto a una condizione di riferimento (solitamente a I_F=20mA e T_A=25°C). Non forniscono valori di uscita assoluti. Per trovare l'uscita assoluta a una corrente diversa, si moltiplicherebbe il fattore relativo dalla Fig. 4 per il valore di intensità radiante assoluta fornito nella tabella per 20mA.

9. Studio di Caso Pratico di Progettazione

Scenario: Progettazione di un Sensore di Prossimità per un Interruttore Touchless.

1. Obiettivo:Rilevare una mano entro 10 cm dal sensore.
2. Scelte di Progettazione:
   • Far funzionare il LTE-3271T-A in modalità continua a I_F= 50mA per un'illuminazione costante. Dalla scheda tecnica, V_F≈ 1,4V (tipico).
   • L'alimentazione è a 5V. Resistenza in serie R = (5V - 1,4V) / 0,05A = 72Ω. Utilizzare una resistenza standard da 75Ω.
   • Posizionare un fototransistor al silicio abbinato di fronte all'emettitore, con un piccolo spazio tra di loro (configurazione "break-beam"). Quando una mano interrompe il fascio, il segnale del rivelatore cala.
   • In alternativa, utilizzare una configurazione riflettente in cui sia l'emettitore che il rivelatore sono rivolti nella stessa direzione. L'ampio angolo di visione di 50° del LTE-3271T-A aiuta a coprire un'area di rilevamento più ampia. Il segnale sul rivelatore aumenterà quando una mano riflette la luce indietro.
   • Utilizzare un circuito amplificatore operazionale per amplificare la piccola fotocorrente dal rivelatore e confrontarla con una soglia impostata da un potenziometro per compensare le variazioni della luce ambientale.
   • Considerazione termica: Dissipazione di potenza P_D= 1,4V * 0,05A = 70mW, che è ben al di sotto del massimo di 150mW. Non è necessario alcun dissipatore di calore speciale.

10. Introduzione al Principio Tecnico

I LED infrarossi come il LTE-3271T-A sono dispositivi semiconduttori basati su materiali come l'Arseniuro di Gallio e Alluminio (GaAlAs). Quando viene applicata una tensione diretta, elettroni e lacune si ricombinano nella regione attiva della giunzione semiconduttrice. L'energia rilasciata durante questa ricombinazione viene emessa come fotoni (luce). La specifica lunghezza d'onda di 940 nm è determinata dall'energia del bandgap del materiale semiconduttore, che viene ingegnerizzata durante il processo di crescita del cristallo. Il package in epossidica trasparente all'acqua funge da lente, modellando il diagramma di radiazione della luce emessa e fornendo protezione ambientale. La caratteristica della "bassa tensione diretta" è ottenuta attraverso profili di drogaggio ottimizzati e qualità del materiale, riducendo la caduta di tensione attraverso la giunzione per una data corrente, il che migliora direttamente l'efficienza di conversione elettrico-ottica.

11. Tendenze e Sviluppi del Settore

Il campo dell'optoelettronica infrarossa continua a evolversi. Le tendenze rilevanti per dispositivi come il LTE-3271T-A includono:

• Aumento della Densità di Potenza:La ricerca in corso mira a concentrare più potenza ottica nelle stesse dimensioni di package o più piccole gestendo la dissipazione del calore, spinta dalle richieste di rilevamento e illuminazione a più lungo raggio.
• Miglioramento dell'Efficienza:Lo sviluppo di nuovi materiali e strutture semiconduttrici (es. pozzi quantici multipli) cerca di aumentare l'Efficienza Wall-Plug (WPE), che è il rapporto tra la potenza ottica in uscita e la potenza elettrica in ingresso.
• Integrazione:C'è una tendenza verso l'integrazione dell'emettitore IR con un circuito integrato di pilotaggio o addirittura con un fotorivelatore in un unico modulo, semplificando la progettazione del sistema per gli utenti finali.
• Specificità della Lunghezza d'Onda:Mentre i 940nm rimangono dominanti, c'è un crescente utilizzo di altre lunghezze d'onda IR (es. 850nm, 1050nm) per applicazioni specifiche come LiDAR eye-safe o compatibilità con diversi tipi di sensori.
• Innovazioni nel Confezionamento:I progressi nei materiali di confezionamento e nel design delle lenti mirano a fornire diagrammi di radiazione più precisi e personalizzabili (es. batwing, emissione laterale) per applicazioni specializzate.