Scheda Tecnica LED Infrarosso ad Alta Potenza HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR - Pacchetto SMD - 850nm - 3.5V - 3W - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'HIR-C19D-1N90/L649-P03/TR è un diodo emettitore infrarosso ad alta potenza, progettato per applicazioni impegnative che richiedono un'illuminazione infrarossa robusta ed efficiente. È alloggiato in un compatto pacchetto a montaggio superficiale (SMD), che lo rende adatto ai processi di assemblaggio automatizzato. Il dispositivo è modellato con un materiale siliconico trasparente dotato di una lente superiore sferica, che contribuisce a ottenere l'angolo di visione e il profilo di intensità radiante specificati.

Il vantaggio principale di questo LED risiede nella combinazione di un fattore di forma ridotto e un'elevata efficienza di emissione ottica. È realizzato utilizzando un chip in GaAlAs (Arseniuro di Gallio e Alluminio), ottimizzato per l'emissione nello spettro del vicino infrarosso. Una caratteristica chiave è la corrispondenza spettrale con i fotodiodi e i fototransistor al silicio, rendendolo una sorgente luminosa ideale per sistemi di rilevamento e imaging che utilizzano questi comuni rivelatori al silicio. Ciò garantisce la massima responsività e rapporto segnale/rumore nell'applicazione target.

I mercati e le applicazioni principali includono sistemi di sorveglianza e sicurezza, in particolare telecamere CCD per la visione notturna, e vari sistemi a infrarossi come sensori di prossimità, automazione industriale e visione artificiale. La sua conformità agli standard ambientali come RoHS, REACH e ai requisiti senza alogeni lo rende adatto all'uso in prodotti con severe esigenze normative.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo è classificato per una corrente diretta continua (I_F) di 1500 mA. Per il funzionamento in impulso, può sopportare una corrente diretta di picco (I_FP) di 5000 mA in condizioni specifiche (larghezza impulso ≤100μs, ciclo di lavoro ≤1%). La tensione inversa massima (V_R) è di 5V, un valore tipico per i LED che indica che il dispositivo non deve essere sottoposto a polarizzazione inversa significativa. L'intervallo di temperatura di funzionamento e conservazione è specificato da -40°C a +100°C, con una temperatura di giunzione massima (T_j) di 125°C. Superare questi valori può causare danni permanenti.

La resistenza termica dalla giunzione al telaio dei terminali (R_th(j-L)) è di 18 K/W. Questo parametro è fondamentale per la gestione termica. Definisce di quanto aumenta la temperatura di giunzione per ogni watt di potenza dissipata. Con una potenza dissipata specificata (P_d) di 3W a I_F=700mA, un efficace dissipatore di calore è essenziale per mantenere la temperatura di giunzione entro limiti sicuri, specialmente a correnti di pilotaggio più elevate.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

I principali parametri ottici sono misurati a una temperatura ambiente standard di 25°C. La lunghezza d'onda di picco (λ_p) è 850 nm, nella regione del vicino infrarosso, invisibile all'occhio umano ma altamente rilevabile dai sensori al silicio. La larghezza di banda spettrale (Δλ) è tipicamente di 25 nm, indicando la purezza spettrale della luce emessa.

Le prestazioni radianti scalano con la corrente di pilotaggio:

• A I_F=350 mA: la Potenza Radiante Totale (P_o) è 500 mW (tip.), l'Intensità Radiante (I_E) è 200 mW/sr (tip.).
• A I_F=700 mA: P_oè 900 mW (tip.), I_Eè 400 mW/sr (tip.).
• A I_F=1 A: P_oè 1300 mW (tip.), I_Eè 560 mW/sr (tip.).

La tensione diretta (V_F) aumenta con la corrente a causa della resistenza intrinseca del diodo:

• 3.0V (tip.) a 350 mA.
• 3.3V (tip.) a 700 mA.
• 3.5V (tip.) a 1 A.
• 3.8V (tip.) a 5 A (impulso).

La corrente inversa (I_R) è al massimo di 10 μA a V_R=5V. L'angolo di visione (2θ_1/2), definito come l'angolo totale a metà intensità, è di 90 gradi, fornendo un fascio relativamente ampio adatto all'illuminazione di area.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

Il prodotto utilizza un sistema di binning per la Potenza Radiante Totale misurata a una corrente di pilotaggio di 1000 mA (1A). Questo sistema categorizza i LED in base alla loro emissione ottica per garantire coerenza nelle prestazioni applicative. I codici bin e i corrispondenti intervalli di potenza (inclusa una tolleranza di test del ±10%) sono:

• Bin G:Minimo 800 mW, Massimo 1260 mW.
• Bin H:Minimo 1000 mW, Massimo 1600 mW.
• Bin I:Minimo 1260 mW, Massimo 2000 mW.

Ciò consente ai progettisti di selezionare componenti che soddisfano specifici requisiti minimi di luminosità per il loro sistema. La scheda tecnica non indica bin separati per lunghezza d'onda o tensione diretta per questo specifico numero di parte, suggerendo un controllo stretto su questi parametri in produzione.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a diverse curve caratteristiche tipiche, cruciali per comprendere il comportamento del dispositivo in diverse condizioni operative.

Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Fig.1):Questa curva IV mostra la relazione esponenziale tipica di un diodo. È essenziale per progettare il circuito di pilotaggio della corrente e calcolare il consumo di potenza (V_F* I_F). La curva si sposta con la temperatura.

Corrente Diretta vs. Intensità Radiante / Potenza Totale (Fig.2 & Fig.3):Questi grafici illustrano l'emissione luminosa in funzione della corrente di pilotaggio. La relazione è generalmente lineare a correnti basse, ma può mostrare segni di "efficiency droop" (aumento sub-lineare) a correnti molto elevate a causa di effetti termici ed elettrici. Questo aiuta a selezionare il punto operativo ottimale per bilanciare emissione ed efficienza/calore.

Intensità Radiante Relativa vs. Spostamento Angolare (Fig.4):Questo diagramma polare definisce il modello di radiazione spaziale. Qui viene confermato l'angolo di visione di 90 gradi. La forma della curva (es. Lambertiana, "batwing") influisce su come la luce viene distribuita sull'area target.

Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente (Fig.5):Questa curva di derating è una delle più critiche per l'affidabilità. Mostra la massima corrente diretta ammissibile per mantenere la temperatura di giunzione sotto i 125°C all'aumentare della temperatura ambiente. A 100°C ambiente, la corrente continua ammissibile è significativamente ridotta. Questo grafico deve essere utilizzato per qualsiasi progetto che opera in un ambiente diverso da 25°C.

5. Informazioni Meccaniche e sul Pacchetto

5.1 Dimensioni del Pacchetto

Il LED è alloggiato in un pacchetto a montaggio superficiale. Le dimensioni chiave dal disegno includono le dimensioni del corpo, l'altezza della lente e la spaziatura dei terminali. Le tolleranze sono tipicamente ±0.1mm salvo diversa indicazione. Una nota critica di manipolazione avverte di non applicare forza sulla lente, poiché ciò può danneggiare la struttura interna e portare al guasto del dispositivo. Il dispositivo deve essere maneggiato dal corpo o dai terminali durante l'assemblaggio.

5.2 Configurazione dei Pad e Polarità

Il dispositivo ha tre pad elettrici: Pad 1 è l'Anodo (+), Pad 2 è il Catodo (-), e Pad P è un Pad Termico dedicato. Il pad termico è cruciale per trasferire il calore dalla giunzione del LED al circuito stampato (PCB). Per prestazioni termiche ed elettriche ottimali, il layout del PCB deve includere una zona di rame di dimensioni adeguata collegata a questo pad, con via termiche agli strati interni o inferiori se necessario. La corretta connessione di polarità (Anodo all'alimentazione positiva) è obbligatoria per il funzionamento.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

6.1 Profilo di Rifusione

Il dispositivo è adatto per processi standard di rifusione SMT. Viene fornito un profilo di rifusione senza piombo:

• Velocità di Rampa in Salita:2~3 °C/sec.
• Preriscaldamento:150~200°C per 60~120 secondi.
• Temperatura Liquida (T_L):217°C.
• Tempo Sopra T_L:60~90 secondi.
• Temperatura di Picco (T_P):240 ±5°C.
• Tempo al Picco (t_P):Massimo 20 secondi.
• Velocità di Rampa in Discesa:3~5 °C/sec.

Si raccomanda di non eseguire la saldatura a rifusione più di due volte per minimizzare lo stress termico sul pacchetto e sui legami interni. Durante il riscaldamento si deve evitare stress sul LED, e il circuito stampato non deve essere piegato dopo la saldatura per prevenire danni meccanici ai giunti di saldatura o al LED stesso.

6.2 Condizioni di Conservazione

Il dispositivo è spedito in imballaggio resistente all'umidità, inclusa una busta di alluminio anti-umidità con essiccante. Se l'imballaggio viene aperto, i dispositivi sono sensibili all'assorbimento di umidità e dovrebbero essere utilizzati entro un tempo specificato o "baked" secondo le procedure standard MSL (Moisture Sensitivity Level) prima della rifusione per prevenire danni da "popcorning" durante la saldatura. Il livello MSL specifico non è indicato nell'estratto fornito.

7. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

Il dispositivo è fornito su nastro portatore e bobina per l'assemblaggio automatizzato pick-and-place. Ogni bobina contiene 400 pezzi. Le dimensioni del nastro portatore sono fornite per garantire la compatibilità con le attrezzature di alimentazione. L'etichetta dell'imballaggio include informazioni standard come Numero di Parte (P/N), quantità (QTY) e numero di lotto (LOT No.) per la tracciabilità. Qui sarebbe indicato anche il codice bin per la potenza radiante (CAT).

8. Note Applicative e Considerazioni di Progettazione

8.1 Circuiti Applicativi Tipici

Questo LED infrarosso richiede una sorgente di corrente costante per un funzionamento stabile, non una tensione costante. Una semplice resistenza in serie può essere utilizzata per applicazioni a bassa corrente, ma per le alte correnti di cui è capace questo dispositivo, si raccomanda un driver LED dedicato o un regolatore di corrente basato su transistor per garantire un'emissione luminosa costante e proteggere il LED da picchi di corrente. Il driver deve essere in grado di fornire fino alla corrente diretta richiesta e gestire la caduta di tensione diretta.

8.2 Gestione Termica

Questo è l'aspetto più critico nell'utilizzo di questo LED ad alta potenza. La scheda tecnica suggerisce esplicitamente di aggiungere un dissipatore di calore. Il progetto del PCB deve incorporare un ampio pad termico collegato al pad termico del LED con un'area di rame generosa. L'uso di via termiche per condurre il calore ad altri strati del PCB o a un dissipatore esterno è altamente raccomandato. La temperatura di giunzione massima di 125°C non deve essere superata; pertanto, calcoli o misurazioni termiche dovrebbero essere eseguiti in base alla corrente operativa effettiva, alla temperatura ambiente e alle proprietà termiche del PCB.

8.3 Progettazione Ottica

Per applicazioni come l'illuminazione per telecamere, possono essere utilizzate ottiche secondarie (lenti o riflettori) per collimare o modellare il fascio di 90 gradi in un modello più focalizzato per aumentare la distanza di lancio o l'efficienza. La lente trasparente garantisce un'assorbimento minimo della luce infrarossa. I progettisti dovrebbero considerare l'intensità radiante (mW/sr) piuttosto che solo la potenza totale quando progettano per l'illuminazione a distanza.

9. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto ai LED infrarossi standard da 5mm o 3mm a foro passante, questo dispositivo SMD offre una potenza ottica di uscita significativamente più elevata (fino a 1300+ mW contro decine di mW) in un pacchetto più compatto e producibile. La sua resistenza termica di 18 K/W è relativamente bassa per un LED SMD, indicando un buon percorso termico, ma richiede comunque un'attenta gestione rispetto a LED montati su PCB a nucleo metallico o con dissipatori integrati. La lunghezza d'onda di 850nm è uno standard comune, offrendo un buon equilibrio tra sensibilità del rivelatore al silicio e minore visibilità rispetto ai LED a 940nm (che sono quasi invisibili ma producono una risposta del sensore inferiore).

10. Domande Frequenti (FAQ)

D: Posso pilotare questo LED direttamente da un'alimentazione a 5V con una resistenza?

R: Possibilmente, ma richiede un calcolo attento. A 1A, V_Fè ~3.5V. Una resistenza in serie dovrebbe dissipare 1.5V a 1A, quindi R = 1.5Ω e dissiperebbe 1.5W. Questo è inefficiente e genera più calore. Un regolatore di corrente dedicato è fortemente preferito per correnti superiori a 350mA.

D: Perché è necessario un dissipatore di calore?

R: A 700mA, la potenza dissipata è circa 3.3V * 0.7A = 2.31W. Con una resistenza termica di 18 K/W, la giunzione si riscalderebbe di 2.31W * 18 K/W = ~41.6°C sopra la temperatura dei terminali. Se il PCB/terminali non viene raffreddato, la giunzione può facilmente superare i 125°C, portando a rapida degradazione o guasto.

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

R: La Potenza Radiante Totale è la potenza ottica integrata emessa in tutte le direzioni. L'Intensità Radiante è la potenza emessa per unità di angolo solido in una direzione specifica (tipicamente sull'asse). L'intensità è più rilevante per applicazioni direzionali, mentre la potenza totale è importante per l'efficienza complessiva del sistema.

D: Questo LED è sicuro per l'esposizione agli occhi?

R: I LED infrarossi, specialmente quelli ad alta potenza, possono essere pericolosi per gli occhi. Emettono radiazioni invisibili che possono causare danni alla retina prima che scatti il riflesso di ammiccamento. Seguire sempre gli standard di sicurezza pertinenti per prodotti laser/infrarossi (come IEC 62471) e implementare adeguate protezioni (diffusori, custodie, limiti di intensità) nel prodotto finale.

11. Studio di Caso di Progettazione e Utilizzo

Scenario: Illuminazione per Visione Notturna di una Telecamera di Sicurezza.

Un progettista sta creando una telecamera IP compatta con capacità di visione notturna utilizzando un sensore d'immagine al silicio. Seleziona questo LED a 850nm per la sua alta emissione e corrispondenza spettrale. Quattro LED sono posizionati attorno all'obiettivo della telecamera. Ciascuno è pilotato a 700mA da un compatto driver LED switching per garantire un'emissione stabile al variare della tensione della batteria. Il PCB è a 4 strati con il piano di massa interno collegato tramite multiple via termiche all'ampia area di rame sotto ogni LED per la dispersione del calore. Una leggera pellicola diffusiva è posta sopra i LED per fondere i fasci e ridurre i punti caldi nell'immagine. Il progetto termico è validato con una termocamera, confermando che la temperatura del case del LED rimane sotto gli 85°C in un ambiente a 40°C, mantenendo la giunzione al sicuro sotto il suo limite. Il sistema risultante fornisce riprese notturne chiare e uniformemente illuminate fino a 30 metri.

12. Introduzione al Principio Tecnico

I LED infrarossi operano sullo stesso principio fondamentale dei LED visibili: l'elettroluminescenza in una giunzione p-n di un semiconduttore. Quando viene applicata una tensione diretta, elettroni e lacune vengono iniettati nella regione attiva dove si ricombinano, rilasciando energia sotto forma di fotoni. La lunghezza d'onda (colore) della luce emessa è determinata dall'energia di bandgap del materiale semiconduttore. Il GaAlAs (Arseniuro di Gallio e Alluminio) è un semiconduttore composto il cui bandgap può essere sintonizzato variando il contenuto di Alluminio per emettere nella gamma del vicino infrarosso, specificamente attorno a 850nm. L'incapsulamento siliconico trasparente è trasparente a questa lunghezza d'onda ed è formato a lente per modellare il fascio di uscita. La capacità ad alta potenza è ottenuta utilizzando un chip semiconduttore più grande e un pacchetto efficiente progettato per estrarre calore.

13. Tendenze Tecnologiche

La tendenza nei LED infrarossi, in particolare per il rilevamento e l'imaging, è verso una maggiore efficienza (più potenza radiante per watt elettrico), che riduce la generazione di calore e il consumo energetico. Ciò è ottenuto attraverso progressi nel design degli strati epitassiali e nelle tecniche di estrazione della luce. C'è anche una spinta verso un'integrazione più stretta, come LED con driver integrati o combinati con fotorivelatori in un unico pacchetto. Lunghezze d'onda come 940nm stanno guadagnando popolarità per l'illuminazione "nascosta" in quanto sono meno visibili all'occhio umano rispetto a 850nm, sebbene richiedano sensori con sensibilità più elevata. Inoltre, la spinta alla miniaturizzazione continua, spingendo per alta potenza in pacchetti SMD sempre più piccoli, il che a sua volta aumenta l'importanza di soluzioni avanzate di gestione termica a livello di PCB e sistema.