Scheda Tecnica HSDL-4261 Emettitore IR - Lunghezza d'Onda 870nm - Tensione Diretta 1.4V - Dissipazione 190mW - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'HSDL-4261 è un componente emettitore infrarosso discreto progettato per applicazioni che richiedono trasmissione ottica di dati ad alta velocità. Utilizza la tecnologia LED in AlGaAs (Arseniuro di Gallio e Alluminio) per produrre luce infrarossa con una lunghezza d'onda di picco di 870 nanometri. Questo dispositivo è caratterizzato da capacità di commutazione rapida, rendendolo adatto per interfacce di comunicazione digitale.

1.1 Vantaggi Principali

• Funzionamento ad Alta Velocità:Presenta un tipico tempo di salita e discesa ottico di 15 nanosecondi, abilitando la trasmissione dati in applicazioni ad alta larghezza di banda.
• Alta Potenza Ottica:Fornisce un'elevata intensità radiante, garantendo un segnale forte per una comunicazione infrarossa affidabile.
• Conforme RoHS:Prodotto senza piombo, in conformità con le normative ambientali.
• Involucro Trasparente:Racchiuso in un package di colore trasparente che non filtra la luce infrarossa emessa.

1.2 Applicazioni Target

• Apparecchiature Industriali a Infrarossi
• Strumenti Portatili a Infrarossi
• Elettronica di Consumo (es. mouse ottici)
• Comunicazioni Infrarosse ad Alta Velocità (es. IR LAN, modem, dongle)

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Tutte le specifiche sono definite a una temperatura ambiente (TA) di 25°C salvo diversa indicazione.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito.

• Corrente Diretta Continua (IFDC):Massimo 100 mA.
• Corrente Diretta di Picco (IFPK):Massimo 500 mA, in condizioni pulsate (Fattore di Lavoro=20%, Larghezza Impulso=100µs).
• Dissipazione di Potenza (PDISS):Massimo 190 mW. Deve essere ridotta all'aumentare della temperatura ambiente come mostrato nelle curve caratteristiche.
• Tensione Inversa (VR):Massimo 5 V.
• Intervallo di Temperatura di Stoccaggio (TS):Da -40°C a +100°C.
• Intervallo di Temperatura di Funzionamento (TO):Da -40°C a +85°C.
• Temperatura di Giunzione (TJ):Massimo 110°C.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali:260°C per un massimo di 5 secondi, con la punta del saldatore non più vicina di 1,6mm dal corpo del package.

2.2 Caratteristiche Elettriche & Ottiche

Questi sono i parametri di prestazione tipici nelle condizioni di test specificate.

• Potenza Ottica Radiante (Po):Tipicamente 9 mW a IF=20mA e 45 mW a IF=100mA.
• Intensità Radiante sull'Asse (IE):Tipicamente 36 mW/sr a IF=20mA e 180 mW/sr a IF=100mA.
• Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (λPeak):Tipicamente 870 nm (intervallo: 850 nm a 890 nm) a IF=20mA.
• Larghezza a Mezza Altezza Spettrale (Δλ):Circa 47 nm a IF=20mA.
• Tensione Diretta (Vf):Tipicamente 1,4 V a IF=20mA e 1,7 V a IF=100mA.
• Coefficiente di Temperatura della Tensione Diretta (△V/△T):Circa -1,5 mV/°C a IF=20mA.
• Angolo di Visione (2θ1/2):Tipicamente 26 gradi, definisce l'ampiezza angolare della radiazione emessa.
• Coefficiente di Temperatura dell'Intensità (△IE/△T):Circa -0,22 %/°C a IF=100mA, indica una diminuzione dell'output con l'aumentare della temperatura.
• Coefficiente di Temperatura della Lunghezza d'Onda (△λ/△T):Circa +0,18 nm/°C a IF=20mA.
• Tempo di Salita/Discesa Ottico (Tr/Tf):Tipicamente 15 ns, misurato dal 10% al 90% dell'output ottico.
• Resistenza Serie (RS):Tipicamente 4,1 Ohm a IF=100mA.
• Capacità del Diodo (CO):Tipicamente 80 pF a polarizzazione 0V e 1 MHz.
• Resistenza Termica (RθJA):Tipicamente 280 °C/W dalla giunzione all'ambiente attraverso i terminali.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diversi grafici che illustrano le relazioni chiave.

3.1 Corrente Diretta vs. Intensità Radiante Relativa

Questa curva mostra che l'intensità dell'output ottico aumenta in modo super-lineare con la corrente diretta, specialmente a correnti più elevate. Sottolinea l'importanza della corrente di pilotaggio per ottenere la luminosità desiderata.

3.2 Tensione Diretta vs. Corrente Diretta

La curva caratteristica I-V dimostra la tipica relazione esponenziale per un diodo. La tensione diretta aumenta con la corrente ed è anche dipendente dalla temperatura.

3.3 Tensione Diretta vs. Temperatura Ambiente

Questo grafico mostra il coefficiente di temperatura negativo della tensione diretta. A corrente costante, Vf diminuisce all'aumentare della temperatura, un aspetto critico per i circuiti di pilotaggio a tensione costante.

3.4 Derating della Corrente Diretta CC vs. Temperatura Ambiente

Questo è un grafico cruciale per l'affidabilità. Definisce la massima corrente diretta continua ammissibile in funzione della temperatura ambiente. All'aumentare della temperatura, la corrente massima consentita deve essere ridotta per evitare che la temperatura di giunzione superi il suo limite di 110°C. Ad esempio, a 85°C, la corrente CC massima è significativamente inferiore rispetto a 25°C.

3.5 Diagramma di Radiazione

Il diagramma polare illustra la distribuzione spaziale della luce infrarossa emessa. L'HSDL-4261 ha un tipico angolo di visione di 26 gradi (larghezza a metà altezza), risultando in un fascio moderatamente focalizzato adatto per collegamenti di comunicazione direzionali.

4. Informazioni Meccaniche & di Confezionamento

4.1 Dimensioni di Contorno

Il dispositivo è un package LED standard a foro passante. Le dimensioni chiave includono la distanza tra i terminali, il diametro del corpo e l'altezza complessiva. I terminali sono progettati per essere piegati in un punto ad almeno 3mm dalla base della lente. È specificata una minima sporgenza della resina sotto la flangia. Tutte le tolleranze dimensionali sono tipicamente ±0,25mm salvo diversa indicazione.

4.2 Identificazione della Polarità

Il componente utilizza la marcatura di polarità standard per LED. Il terminale più lungo indica tipicamente l'anodo (collegamento positivo), mentre quello più corto è il catodo (collegamento negativo). Questo deve essere verificato durante l'assemblaggio per garantire il corretto funzionamento.

5. Linee Guida per Saldatura & Assemblaggio

5.1 Condizioni di Stoccaggio

Per lo stoccaggio a lungo termine, l'ambiente non deve superare i 30°C o il 70% di umidità relativa. Se rimossi dalla busta barriera all'umidità originale, i componenti dovrebbero essere utilizzati entro tre mesi. Per stoccaggio prolungato fuori dalla confezione originale, utilizzare un contenitore sigillato con essiccante o un essiccatore riempito di azoto.

5.2 Pulizia

Se necessaria la pulizia, utilizzare solo solventi a base alcolica come l'alcool isopropilico. Evitare prodotti chimici aggressivi.

5.3 Piegatura dei Terminali

La piegatura deve essere eseguita a temperatura ambiente e prima della saldatura. La piega deve essere effettuata ad almeno 3mm dalla base della lente del LED. Il corpo del package non deve essere usato come fulcro durante la piegatura per evitare di danneggiare l'attacco del chip interno o i bonding wires.

5.4 Parametri di Saldatura

Saldatura Manuale (Saldatore):Temperatura massima 260°C per un massimo di 5 secondi per terminale. La punta del saldatore non deve avvicinarsi più di 1,6mm dalla base della lente in epossidica.

Saldatura a Onda:Preriscaldamento a un massimo di 100°C per un massimo di 60 secondi. La temperatura dell'onda di saldatura deve essere al massimo di 260°C con un tempo di contatto di 5 secondi. Il dispositivo deve essere immerso non più in basso di 2mm dalla base del bulbo in epossidica.

Importante:Evitare di immergere la lente nella saldatura. La saldatura a rifusione IR non è adatta per questo tipo di package a foro passante. Temperature o tempi eccessivi possono causare deformazione della lente o guasto catastrofico.

6. Considerazioni di Progettazione Applicativa

6.1 Progettazione del Circuito di Pilotaggio

I LED sono dispositivi pilotati in corrente. Per garantire una luminosità uniforme quando si pilotano più LED in parallelo, si raccomanda vivamente di utilizzare una resistenza di limitazione di corrente individuale in serie con ciascun LED. Non è consigliabile collegare i LED direttamente in parallelo senza resistenze individuali a causa delle variazioni nelle loro caratteristiche di tensione diretta (Vf), che possono portare a uno squilibrio significativo della corrente e a luminosità non uniforme.

6.2 Gestione Termica

Data la resistenza termica (RθJA) di 280°C/W, la dissipazione di potenza deve essere gestita con attenzione. Il funzionamento alla massima corrente continua (100mA) con una Vf tipica di 1,7V risulta in una dissipazione di 170mW. Ciò causerebbe un aumento della temperatura di giunzione di circa 47,6°C sopra l'ambiente (170mW * 280°C/W). A un ambiente di 85°C, la giunzione raggiungerebbe 132,6°C, superando il valore massimo di 110°C. Pertanto, la curva di derating nella Figura 6 deve essere seguita rigorosamente.

6.3 Protezione dalle Scariche Elettrostatiche (ESD)

Questo componente è suscettibile ai danni da scariche elettrostatiche. Le precauzioni di manipolazione raccomandate includono:

- Utilizzare un braccialetto o guanti antistatici collegati a terra.

- Assicurarsi che tutte le attrezzature, postazioni di lavoro e scaffali di stoccaggio siano correttamente messi a terra.

- Utilizzare un ionizzatore per neutralizzare la carica statica che può accumularsi sulla lente in plastica durante la manipolazione.

6.4 Progettazione Ottica

L'angolo di visione di 26 gradi e la lunghezza d'onda di 870nm devono essere abbinati a un fotodetettore appropriato (es. un fotodiodo PIN con una risposta spettrale corrispondente). Per una portata e un'integrità del segnale ottimali, considerare l'uso di lenti o diaframmi per collimare o focalizzare il fascio, specialmente nei collegamenti di comunicazione direzionali. Il package trasparente consente l'uso di elementi ottici esterni senza filtraggio intrinseco.

7. Confronto Tecnico & Differenziazione

L'HSDL-4261 si posiziona nel mercato degli emettitori infrarossi attraverso specifiche combinazioni di parametri:

Velocità vs. Potenza:Offre un equilibrio tra commutazione ad alta velocità (15ns) e un'uscita di potenza ottica relativamente alta (45mW tip. a 100mA). Alcuni emettitori possono essere più veloci con potenza inferiore, o più potenti con risposta più lenta.

Lunghezza d'Onda:La lunghezza d'onda di picco di 870nm è uno standard comune per molti collegamenti dati infrarossi e sistemi di controllo remoto, offrendo un buon equilibrio tra sensibilità del fotodetettore al silicio e rumore di luce ambientale inferiore rispetto alle lunghezze d'onda visibili o quasi visibili.

Package:Il package standard a foro passante lo rende adatto sia per prototipazione che per applicazioni in cui si utilizza la saldatura a onda, differenziandolo dalle alternative SMD che richiedono processi di rifusione.

8. Domande Frequenti (FAQ)

8.1 Posso pilotare questo LED con una sorgente di tensione costante?

Non è raccomandato. La caratteristica I-V esponenziale di un LED significa che una piccola variazione di tensione causa una grande variazione di corrente, che può facilmente superare il valore massimo se pilotato direttamente da una sorgente di tensione. Utilizzare sempre una resistenza in serie o un driver a corrente costante per impostare il punto di lavoro.

8.2 Perché l'intensità di output diminuisce con la temperatura?

Il coefficiente di temperatura negativo dell'intensità radiante (-0,22%/°C) è una proprietà fondamentale del materiale semiconduttore. All'aumentare della temperatura, i processi di ricombinazione non radiativa all'interno del semiconduttore diventano più dominanti, riducendo l'efficienza della generazione di luce.

8.3 Qual è lo scopo della curva di derating?

La curva di derating (Fig. 6) è essenziale per garantire l'affidabilità a lungo termine. Impedisce che la temperatura di giunzione del LED superi il suo valore massimo nominale (110°C) limitando la dissipazione di potenza (e quindi la corrente diretta) all'aumentare della temperatura ambiente. Ignorare questa curva può portare a un rapido degrado e guasto.

8.4 Questo LED è adatto per il funzionamento continuo?

Sì, ma entro i limiti definiti dai Valori Massimi Assoluti e dalla curva di derating. Per il funzionamento continuo in CC, la corrente diretta non deve superare i 100mA a 25°C ambiente e deve essere ridotta a temperature ambiente più elevate secondo la Fig. 6. Per il funzionamento pulsato con alte correnti di picco, devono essere rispettate le specifiche del ciclo di lavoro e della larghezza dell'impulso.

9. Esempio di Applicazione Pratica

Scenario: Progettare un semplice trasmettitore dati IR per comunicazione seriale a corto raggio.

1. Progettazione del Circuito:Utilizzare un pin GPIO di un microcontrollore per pilotare il LED. Posizionare una resistenza di limitazione di corrente in serie con l'anodo del LED. Calcolare il valore della resistenza usando R = (Vcc - Vf_LED) / I_desiderata. Per un'alimentazione di 3,3V, una corrente desiderata di 50mA e una Vf tipica di 1,5V: R = (3,3V - 1,5V) / 0,05A = 36 Ohm. Utilizzare il valore standard successivo (es. 39 Ohm).

2. Verifica Termica:Dissipazione di potenza nel LED: P = Vf * I = 1,5V * 0,05A = 75mW. Aumento temperatura giunzione: ΔTj = P * RθJA = 0,075W * 280°C/W = 21°C. A una temperatura ambiente massima di 85°C, Tj = 106°C, che è sotto il limite di 110°C.

3. Software:Configurare il microcontrollore per generare la modulazione digitale desiderata (es. On-Off Keying) sul pin GPIO. Il tempo di salita/discesa di 15ns del LED consente alte velocità di trasmissione dati.

4. Layout:Mantenere il LED e la sua resistenza in serie vicini al pin di pilotaggio per minimizzare l'induttanza parassita. Assicurarsi che il ricevitore (fotodiodo) sia allineato entro l'angolo di visione di 26 gradi dell'emettitore.

10. Principio di Funzionamento

L'HSDL-4261 è un diodo a giunzione p-n semiconduttore basato su materiali AlGaAs. Quando viene applicata una tensione di polarizzazione diretta, gli elettroni dalla regione n e le lacune dalla regione p vengono iniettati attraverso la giunzione nelle regioni opposte. Questi portatori minoritari iniettati si ricombinano con i portatori maggioritari. In un semiconduttore a bandgap diretto come l'AlGaAs, una porzione significativa di queste ricombinazioni è radiativa, cioè rilascia energia sotto forma di fotoni. Il bandgap specifico della lega AlGaAs utilizzata determina la lunghezza d'onda dei fotoni emessi, che in questo caso è centrata intorno a 870nm nello spettro infrarosso. Il package in epossidica trasparente incapsula il chip semiconduttore, fornisce protezione meccanica e funge da lente per modellare il fascio in uscita.

11. Tendenze del Settore

Gli emettitori infrarossi continuano a evolversi in diverse aree chiave rilevanti per componenti come l'HSDL-4261:

Aumento della Velocità:La domanda di velocità di trasmissione dati più elevate nella comunicazione ottica wireless (Li-Fi, IRDA ad alta velocità) guida lo sviluppo di emettitori con tempi di salita/discesa ancora più rapidi.

Efficienza Migliorata:I miglioramenti nella crescita epitassiale e nel design del chip mirano a produrre più potenza ottica (lumen o flusso radiante) per unità di potenza elettrica in ingresso (watt), riducendo la generazione di calore e migliorando l'efficienza del sistema.

Integrazione:C'è una tendenza verso l'integrazione dell'emettitore con il circuito di pilotaggio o addirittura con un fotodetettore in un unico package per creare moduli transceiver ottici completi, semplificando la progettazione dell'utente finale.

Nuove Lunghezze d'Onda:Mentre 870-940nm rimane standard per i ricevitori basati su silicio, c'è ricerca su altre lunghezze d'onda per applicazioni specifiche come il rilevamento di gas o LiDAR eye-safe.