Scheda Tecnica LED IR ad Alta Potenza HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR - 5.0x5.0x1.9mm - 850nm - 3.1V - 3W - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR è un diodo emettitore infrarosso ad alta potenza progettato per applicazioni di illuminazione impegnative. Presenta un package SMD (Surface-Mount Device) miniaturizzato con un incapsulamento in silicone trasparente e una lente superiore sferica, che ottimizzano l'estrazione della luce e il diagramma di radiazione. L'emissione spettrale del dispositivo è centrata a 850nm, rendendolo perfettamente compatibile con fotodiodi e fototransistor al silicio per sistemi di rilevamento e imaging. I suoi vantaggi principali includono un'elevata potenza radiante in un fattore di forma compatto, eccellenti caratteristiche di gestione termica e la conformità agli standard ambientali e di sicurezza moderni come RoHS, REACH e requisiti alogeni-free.

1.1 Applicazioni Target

Questo LED infrarosso è principalmente destinato ad applicazioni che richiedono un'illuminazione robusta e invisibile. Le sue aree applicative chiave includono sistemi di sorveglianza e sicurezza, dove viene utilizzato per fornire illuminazione notturna per telecamere CCD. È inoltre adatto per vari sistemi basati su infrarossi come sensori di prossimità, moduli per il riconoscimento gestuale e visione artificiale industriale. L'elevata potenza radiante consente un'illuminazione a più lunga distanza o la copertura di aree più ampie rispetto ai LED infrarossi standard.

2. Specifiche Tecniche e Interpretazione Oggettiva

Le prestazioni del dispositivo sono definite in condizioni di test standard (T_A=25°C). Di seguito viene fornita un'analisi dettagliata e oggettiva dei suoi parametri chiave.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non sono destinati al funzionamento normale.

• Corrente Diretta Continua (I_F): 1500 mA. Questa è la massima corrente continua che può essere applicata indefinitamente senza superare il limite di temperatura di giunzione.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP): 5000 mA. Questa elevata corrente è ammissibile solo in condizioni pulsate (larghezza dell'impulso ≤100μs, ciclo di lavoro ≤1%), utile per illuminazione ad alta intensità a brevi impulsi.
• Tensione Inversa (V_R): 5 V. Superare questa tensione in polarizzazione inversa può causare la rottura della giunzione.
• Temperatura di Giunzione (T_j): 115 °C. La massima temperatura ammissibile alla giunzione del semiconduttore.
• Dissipazione di Potenza (P_d): 3 W a I_F=700mA. Questo indica la capacità del dispositivo di gestire la generazione di calore in un punto operativo specifico.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri definiscono l'emissione luminosa e il comportamento elettrico in condizioni operative tipiche.

• Potenza Radiante Totale (P_o): La potenza ottica emessa in tutte le direzioni. A una corrente di pilotaggio di 1A, il valore tipico varia da 900mW a 1100mW, indicando un'elevata efficienza.
• Intensità Radiante (I_E): La potenza ottica per angolo solido, misurata in mW/sr. A 1A, è tipicamente compresa tra 230 e 270 mW/sr. Questa metrica è rilevante per applicazioni con fascio diretto.
• Lunghezza d'Onda di Picco (λ_P): 850 nm. Questa è la lunghezza d'onda alla quale l'emissione spettrale è più forte, perfettamente allineata con la massima sensibilità dei rilevatori al silicio.
• Larghezza di Banda Spettrale (Δλ): 25 nm. Questo definisce l'intervallo di lunghezze d'onda emesse, tipicamente la larghezza a metà altezza (FWHM).
• Tensione Diretta (V_F): Tipicamente 3.10V a 1A. Questa è la caduta di tensione ai capi del LED durante il funzionamento, cruciale per il progetto del driver e i calcoli di dissipazione di potenza.
• Angolo di Visione (2θ_1/2): 150 gradi. Questo angolo di visione molto ampio fornisce un'illuminazione diffusa e ampia piuttosto che un fascio ristretto, ideale per la copertura di aree.

2.3 Caratteristiche Termiche

Una gestione termica efficace è fondamentale per i LED ad alta potenza per mantenere prestazioni e longevità.

• Resistenza Termica (R_th(j-L)): 18 K/W (giunzione a piombo). Questo basso valore indica un buon trasferimento di calore interno dal chip ai terminali del package, ma è fortemente raccomandato un dissipatore esterno per il funzionamento ad alte correnti.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

Il dispositivo viene selezionato (binnato) in base alla sua potenza radiante a una corrente di test standard di 1000mA. Ciò garantisce coerenza nelle prestazioni applicative.

• Bin F: Potenza Radiante da 640 mW a 1000 mW.
• Bin G: Potenza Radiante da 800 mW a 1260 mW.
• Bin H: Potenza Radiante da 1000 mW a 1600 mW.

Il codice bin consente ai progettisti di selezionare LED con una potenza minima garantita per le loro specifiche esigenze applicative. Tutte le misurazioni includono una tolleranza di test di ±10%.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche essenziali per comprendere il comportamento del dispositivo in condizioni variabili.

4.1 Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Curva IV)

Questa curva mostra la relazione non lineare tra corrente e tensione. È essenziale per progettare il circuito di limitazione della corrente. La curva mostra una tensione di soglia (circa 1.2V per GaAlAs) oltre la quale la corrente aumenta rapidamente con un piccolo aumento di tensione.

4.2 Corrente Diretta vs. Intensità/Potenza Radiante

Queste curve dimostrano la dipendenza dell'emissione luminosa dalla corrente di pilotaggio. Tipicamente, l'emissione aumenta in modo super-lineare a correnti più basse e poi tende a saturarsi a correnti più elevate a causa degli effetti termici e del calo di efficienza (efficiency droop). Le curve fornite per questo dispositivo a 350mA, 700mA e 1A illustrano questa tendenza.

4.3 Intensità Radiante Relativa vs. Spostamento Angolare

Questo diagramma polare visualizza l'angolo di visione di 150 gradi. Mostra il diagramma di radiazione, che è quasi Lambertiano (distribuzione coseno) grazie alla lente sferica, fornendo un'illuminazione uniforme su un'ampia area.

4.4 Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente

Questo grafico è fondamentale per il derating. Mostra come la massima corrente diretta ammissibile deve essere ridotta all'aumentare della temperatura ambiente per evitare che la temperatura di giunzione superi il suo limite di 115°C. Questa curva informa direttamente il progetto termico e i requisiti del dissipatore.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

5.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo è alloggiato in un compatto package SMD da 5.0mm x 5.0mm con un'altezza di 1.9mm. La lente è una prominente cupola sferica. Le tolleranze dimensionali critiche sono ±0.1mm salvo diversa indicazione. Viene dato un avvertimento specifico di non maneggiare il dispositivo dalla lente, poiché lo stress meccanico può causare guasti.

5.2 Configurazione dei Pad e Identificazione della Polarità

Il package ha tre pad: Pad 1 (Anodo), Pad 2 (Catodo) e un ampio pad termico centrale (P). Il pad termico è cruciale per trasferire il calore dal die del LED al circuito stampato (PCB). Il diagramma del layout dei pad mostra chiaramente le posizioni dell'anodo e del catodo per una corretta connessione elettrica.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

6.1 Profilo di Rifusione (Reflow)

Il dispositivo è adatto per processi SMT standard di rifusione senza piombo. Il profilo raccomandato è il seguente:

• Velocità di Riscaldamento: 2–3 °C/sec
• Preriscaldamento: 150–200 °C per 60–120 secondi
• Tempo Sopra Liquido (T_L=217°C): 60–90 secondi
• Temperatura di Picco (T_P): 240 ±5 °C
• Tempo entro 5°C dal Picco: Massimo 20 secondi
• Velocità di Raffreddamento: 3–5 °C/sec

6.2 Note Critiche per il Montaggio

• La saldatura a rifusione non dovrebbe essere eseguita più di due volte per evitare stress termici eccessivi sul package e sui bond dei fili.
• Deve essere evitato lo stress meccanico sul LED durante il riscaldamento (ad esempio, dalla flessione del circuito stampato).
• Il PCB non deve essere piegato dopo la saldatura, poiché ciò può crepare le giunzioni saldate o il package del LED stesso.
• Un'adeguata dissipazione del calore, come suggerito nelle note, è obbligatoria per un funzionamento affidabile ad alte correnti.

7. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

7.1 Specifiche del Nastro e della Bobina (Tape and Reel)

I dispositivi sono forniti su nastro portante e bobina per il montaggio automatizzato. Ogni bobina contiene 400 pezzi. Vengono fornite le dimensioni dettagliate del nastro portante e della bobina per garantire la compatibilità con le attrezzature pick-and-place.

7.2 Imballaggio Sensibile all'Umidità

Il prodotto è imballato in una busta di alluminio resistente all'umidità con un essiccante per proteggerlo dall'umidità ambientale durante lo stoccaggio e il trasporto, pratica standard per i componenti SMD.

8. Raccomandazioni Applicative e Considerazioni di Progetto

8.1 Progetto del Circuito di Pilotaggio (Driver)

A causa dell'elevata corrente diretta (fino a 1.5A continua), un driver a corrente costante è essenziale. Il driver deve essere in grado di fornire la corrente richiesta sopportando la caduta di tensione diretta (circa 3.1V a 1A). I regolatori switching sono spesso preferiti ai regolatori lineari per l'efficienza a questi livelli di potenza. Il progetto del driver deve anche incorporare protezione termica o derating della corrente basato sulla curva della temperatura ambiente.

8.2 Progetto della Gestione Termica

Questo è l'aspetto più critico nell'utilizzo di questo LED ad alta potenza. La bassa resistenza termica giunzione-piombo (18K/W) è solo una parte del sistema. Il percorso termico totale dalla giunzione all'ambiente (R_th(j-A)) deve essere minimizzato. Ciò comporta:

• Utilizzare un PCB con un array di via termiche sotto il pad termico collegato a grandi piani di rame o a uno strato di massa interno.
• Possibilmente, applicare un dissipatore esterno al PCB.
• Garantire un buon flusso d'aria nell'applicazione finale.
• Utilizzare materiale interfaccia termica se necessario.

La massima temperatura di giunzione di 115°C non deve mai essere superata. La curva di derating (Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente) fornisce i dati necessari per calcolare le prestazioni richieste al dissipatore.

8.3 Progetto Ottico

L'angolo di visione di 150 gradi fornisce un'ampia copertura. Per applicazioni che richiedono un fascio più focalizzato, possono essere utilizzate ottiche secondarie (lenti o riflettori). La lunghezza d'onda di 850nm è invisibile all'occhio umano ma facilmente rilevabile dai sensori al silicio e dalla maggior parte delle telecamere CCD/CMOS, che spesso hanno un filtro taglia infrarossi che deve essere rimosso o sostituito con uno che passi gli 850nm per un uso efficace.

9. Confronto Tecnico e Differenziazione

Rispetto ai LED infrarossi standard da 5mm o 3mm a foro passante, questo dispositivo offre una potenza radiante significativamente più elevata (di un ordine di grandezza o più) in un package surface-mount, consentendo progetti più compatti e robusti. I suoi principali fattori di differenziazione sono la combinazione di alta potenza (fino a 3W di dissipazione), ampio angolo di visione e il pad termico integrato per un'effettiva dissipazione del calore—una caratteristica spesso assente nei LED SMD a bassa potenza. L'uso del materiale chip GaAlAs è standard per gli emettitori infrarossi ad alta efficienza in questo intervallo di lunghezze d'onda.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

10.1 Qual è la differenza tra Potenza Radiante e Intensità Radiante?

La Potenza Radiante (P_o, in mW) è la potenza ottica totale emessa in tutte le direzioni. L'Intensità Radiante (I_E, in mW/sr) è la potenza emessa per unità di angolo solido in una direzione specifica. Per un LED ad ampio angolo come questo, la potenza totale è alta, ma l'intensità in qualsiasi singola direzione è inferiore a quella di un LED a fascio stretto con la stessa potenza totale.

10.2 Posso pilotare questo LED direttamente da una sorgente di tensione?

No. I LED sono dispositivi pilotati in corrente. La loro tensione diretta ha una tolleranza e varia con la temperatura. Collegarlo direttamente a una sorgente di tensione causerà il passaggio di una corrente incontrollata, che probabilmente supererà il valore massimo e distruggerà il LED. È obbligatorio un driver a corrente costante o un circuito limitatore di corrente.

10.3 Perché la dissipazione del calore è così fortemente enfatizzata?

I LED ad alta potenza convertono una parte significativa dell'energia elettrica in calore. Se questo calore non viene efficacemente rimosso, la temperatura di giunzione aumenta. Alte temperature di giunzione portano a una ridotta emissione luminosa (calo di efficienza), a una degradazione accelerata dei materiali semiconduttori e, infine, a un guasto catastrofico. Un corretto progetto termico garantisce prestazioni, affidabilità e longevità.

10.4 Cosa significa il Codice Bin per il mio progetto?

Selezionare un bin più alto (ad esempio, Bin H rispetto a Bin F) garantisce una potenza radiante minima più elevata. Ciò consente di progettare il sistema con un livello di illuminazione noto e garantito. Se il progetto ha un ampio margine, un bin più basso può essere più conveniente. Se si spingono i limiti della portata di illuminazione o della sensibilità della telecamera, è necessario un bin più alto.

11. Studio di Caso Pratico di Progetto e Utilizzo

Scenario: Progettazione di un Illuminatore IR per una Telecamera di Sicurezza

Un progettista deve creare un illuminatore IR compatto da parete per estendere la portata della visione notturna di una telecamera di sicurezza da 10 metri a 25 metri. Il sensore della telecamera è sensibile a 850nm. Il progettista seleziona il LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR in Bin H per la massima potenza.

Fasi di Progetto:

1. Progetto Elettrico: Viene progettato un driver switching a corrente costante per fornire 1000mA al LED da un'alimentazione a 12V DC. Il driver include protezione da sovracorrente e spegnimento termico.
2. Progetto Termico: Viene utilizzato un PCB a 2 strati con rame da 2oz. Un array di via termiche collega il pad termico del LED a un'ampia zona di rame sul lato inferiore, che funge da dissipatore. L'involucro è in alluminio con il PCB montato direttamente su di esso utilizzando pasta termica per dissipare ulteriormente il calore.
3. Progetto Ottico/Meccanico: Quattro LED sono disposti in uno schema quadrato sul PCB. Una finestra piatta e trasparente in policarbonato protegge i LED. L'ampio fascio di 150 gradi di ciascun LED si sovrappone per creare una luce infrarossa uniforme a "flood" che copre il campo visivo della telecamera alla distanza desiderata.
4. Validazione: Il prototipo viene testato in una stanza buia. Una telecamera termica conferma che le temperature di giunzione dei LED rimangono sotto i 100°C. La telecamera di sicurezza identifica con successo oggetti a 25 metri con un buon contrasto.

Questo caso evidenzia l'interdipendenza del progetto del driver, della gestione termica e del layout ottico quando si utilizza questo componente ad alta potenza.

12. Principio di Funzionamento

L'HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR è una sorgente luminosa a semiconduttore basata su un'eterostruttura di Arseniuro di Gallio e Alluminio (GaAlAs). Quando viene applicata una tensione diretta che supera l'energia del bandgap del diodo, elettroni e lacune vengono iniettati nella regione attiva dove si ricombinano. Questo processo di ricombinazione rilascia energia sotto forma di fotoni. La composizione specifica degli strati GaAlAs determina l'energia del bandgap, che a sua volta definisce la lunghezza d'onda di picco dei fotoni emessi—in questo caso, 850 nanometri, che si trova nello spettro del vicino infrarosso. L'incapsulamento in silicone trasparente protegge il chip semiconduttore e funge da elemento ottico primario, con la sua forma sferica che aiuta a estrarre la luce in modo efficiente e a modellare il diagramma di radiazione.

13. Tendenze Tecnologiche

Il campo dei LED infrarossi ad alta potenza continua a evolversi con diverse tendenze chiare. C'è una costante spinta verso un'efficienza wall-plug più elevata (potenza ottica in uscita / potenza elettrica in ingresso) per ridurre la generazione di calore e il consumo energetico a parità di emissione luminosa. Ciò comporta progressi nelle tecniche di crescita epitassiale e nel design del chip. Anche la tecnologia dei package sta migliorando per offrire una resistenza termica più bassa, consentendo di estrarre più calore dal chip. Inoltre, c'è una crescente integrazione, con driver e talvolta anche una logica di controllo semplice co-imballati con il die del LED per creare moduli di illuminazione più intelligenti e facili da usare. La domanda di sorgenti infrarosse affidabili e ad alta potenza è sostenuta dall'espansione delle applicazioni nel LiDAR automobilistico, nel riconoscimento facciale e nell'automazione industriale avanzata.