Scheda Tecnica Emettitore Infrarosso LTE-4208M - Lunghezza d'onda 940nm - Package T-1 3/4 (5mm) - Tensione Diretta 1.6V - Dissipazione 100mW - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTE-4208M è un diodo emettitore infrarosso (IR) ad alte prestazioni, progettato per applicazioni che richiedono un'emissione di luce non visibile affidabile ed efficiente. La sua funzione principale è convertire l'energia elettrica in radiazione infrarossa con una lunghezza d'onda di picco di 940 nanometri (nm). Questa lunghezza d'onda è ideale per applicazioni in cui l'interferenza della luce visibile deve essere minimizzata, poiché è largamente invisibile all'occhio umano mentre è altamente rilevabile da fotodetettori al silicio come fototransistor e fotodiodi.

Il dispositivo è contenuto in un package standard T-1 3/4 (circa 5mm di diametro) con lente trasparente. Questo package plastico miniaturizzato offre una soluzione economica garantendo al contempo robustezza meccanica. Una caratteristica di progetto chiave è la corrispondenza spettrale e meccanica con le corrispondenti serie di fototransistor (es. LTR-3208), il che semplifica la progettazione del sistema ottico garantendo un allineamento ottimale e un accoppiamento del segnale tra le coppie emettitore-ricevitore.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

I vantaggi principali del LTE-4208M includono l'elevata intensità radiante in uscita, prestazioni costanti grazie a un rigoroso processo di binning e il suo fattore di forma compatto e a basso costo. Viene pre-selezionato in specifici intervalli di intensità radiante (bin), consentendo ai progettisti di scegliere un componente che soddisfi esattamente i requisiti di sensibilità del loro sistema senza bisogno di circuiti di calibrazione o trimming esterni. Questa prevedibilità migliora la resa produttiva e l'affidabilità del sistema.

Il mercato di riferimento per questo componente è principalmente l'elettronica industriale e di consumo che richiede sensori di prossimità, rilevamento di oggetti o codifica ottica. La sua applicazione più rilevante è nei rivelatori di fumo, dove un fascio IR viene utilizzato per rilevare le particelle di fumo misurando la diffusione o l'attenuazione della luce. Altre potenziali applicazioni includono interruttori touchless, trasmissione dati su brevi distanze (es. sistemi a telecomando), sensori per l'automazione industriale e contatori di oggetti.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Comprendere i parametri elettrici e ottici è cruciale per un progetto di circuito affidabile e per garantire che il LED operi all'interno della sua area di funzionamento sicura (SOA).

2.1 Valori Assoluti Massimi (Absolute Maximum Ratings)

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non è consigliabile operare a o vicino a questi limiti per periodi prolungati.

• Dissipazione di Potenza (Pd):100 mW. Questa è la massima quantità di potenza che il dispositivo può dissipare come calore a una temperatura ambiente (TA) di 25°C. Superare questo limite rischia il thermal runaway e il guasto.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP):3 A. Questa è la massima corrente istantanea ammissibile in condizioni impulsive (300 impulsi al secondo, larghezza impulso 10μs). È significativamente superiore alla corrente continua nominale, evidenziando la capacità del dispositivo di brevi impulsi ad alta intensità.
• Corrente Diretta Continua (I_F):50 mA. Questa è la massima corrente continua che può essere applicata in modo continuo senza superare il limite di dissipazione di potenza, assumendo una tipica tensione diretta.
• Tensione Inversa (V_R):5 V. Il dispositivo ha una tolleranza molto bassa alla polarizzazione inversa. Applicare una tensione superiore a 5V in inversa può causare un breakdown immediato. La scheda tecnica nota esplicitamente che il dispositivo non è progettato per funzionamento in inversa.
• Temperatura di Funzionamento e di Stoccaggio:rispettivamente -40°C a +85°C e -55°C a +100°C. Questi intervalli definiscono le condizioni ambientali per un funzionamento affidabile e lo stoccaggio non operativo.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali:260°C per 5 secondi a una distanza di 4.0mm dal corpo del package. Questo è critico per i processi di saldatura a onda o rifusione per prevenire danni al die semiconduttore interno o al package plastico.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Questi parametri sono misurati in condizioni di test standard (TA=25°C, I_F=20mA salvo diversa indicazione) e definiscono le prestazioni tipiche del dispositivo.

• Intensità Radiante (I_E):Questo è il parametro ottico di uscita principale, misurato in milliwatt per steradiante (mW/sr). Indica la potenza ottica emessa per unità di angolo solido. Il dispositivo è suddiviso in bin (da A a G) con valori minimi e tipici che vanno da 3.6/13.2 mW/sr (Bin A) a 28.8 mW/sr (Bin G). Questo binning consente la selezione in base alla forza del segnale richiesta.
• Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (λ_Peak):940 nm. Questa è la lunghezza d'onda alla quale la potenza ottica emessa è massima. Rientra nello spettro del vicino infrarosso.
• Larghezza a Mezza Altezza Spettrale (Δλ):50 nm. Questo parametro, noto anche come Full Width at Half Maximum (FWHM), definisce la larghezza di banda spettrale. Una larghezza di 50nm significa che la luce emessa copre lunghezze d'onda da circa 915nm a 965nm a metà dell'intensità di picco.
• Tensione Diretta (V_F):1.2V (Min), 1.6V (Tip). Questa è la caduta di tensione ai capi del diodo quando conduce 20mA. È essenziale per calcolare il valore della resistenza in serie in un circuito di pilotaggio: R = (V_{alimentazione}- V_F) / I_F.
• Corrente Inversa (I_R):100 μA (Max) a V_R=5V. Questa è la piccola corrente di dispersione che scorre quando il diodo è polarizzato inversamente al suo massimo rating.
• Angolo di Visione (2θ_1/2):20 gradi. Questo è l'angolo totale a cui l'intensità radiante scende alla metà del suo valore massimo (sull'asse). Un angolo di 20° indica un fascio relativamente stretto e focalizzato, vantaggioso per applicazioni di sensing direzionale.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

Il LTE-4208M utilizza un unico parametro critico di binning: l'Intensità Radiante. I dispositivi vengono testati e suddivisi in gruppi (Bin da A a G) in base alla loro uscita misurata alla corrente di test standard di 20mA. Questo sistema offre diversi vantaggi:

1. Consistenza di Progetto:Gli ingegneri possono selezionare un bin specifico per garantire livelli di segnale ottico consistenti in tutte le unità di una produzione, migliorando l'uniformità del prodotto.
2. Corrispondenza delle Prestazioni:Quando utilizzato con un fotodetettore abbinato, la selezione dei bin dell'emettitore consente un controllo più stretto sulla sensibilità complessiva e sulla gamma dinamica del sistema sensore ottico.
3. Ottimizzazione dei Costi:Applicazioni con requisiti di sensibilità meno stringenti possono potenzialmente utilizzare parti di bin inferiori (es. Bin A, B), che possono essere più convenienti.

La scheda tecnica non indica binning per la tensione diretta o la lunghezza d'onda per questo modello, suggerendo un controllo di processo stretto su quei parametri o che non sono differenziatori critici per le sue applicazioni target.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

Le curve caratteristiche tipiche forniscono una visione visiva di come si comporta il dispositivo in condizioni variabili, il che è vitale per un progetto di sistema robusto oltre il punto nominale di 25°C.

4.1 Distribuzione Spettrale (Fig.1)

La curva mostra una distribuzione di tipo Gaussiano centrata a 940nm con un FWHM di circa 50nm. Ciò conferma la natura monocromatica dell'uscita del LED, cruciale per filtrare le interferenze della luce ambientale nelle applicazioni di sensing. La forma della curva è tipica per un LED IR basato su AlGaAs.

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

Questa curva di derating è essenziale per la gestione termica. Mostra la massima corrente diretta continua ammissibile che diminuisce all'aumentare della temperatura ambiente. A 85°C (la massima temperatura di funzionamento), la corrente ammissibile è significativamente inferiore al rating di 50mA a 25°C. I progettisti devono utilizzare questo grafico per garantire che la corrente operativa non superi la curva alla massima temperatura ambiente prevista per il sistema.

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

Questa è la curva I-V standard per un diodo. Mostra la relazione esponenziale tra corrente e tensione. La curva consente ai progettisti di stimare la V_Fa correnti diverse dalla condizione di test di 20mA, il che è importante per la progettazione dell'alimentazione e i calcoli di efficienza.

4.4 Intensità Radiante Relativa vs. Temperatura Ambiente (Fig.4)

Questo grafico illustra la dipendenza dall'uscita ottica dalla temperatura. L'intensità radiante relativa diminuisce all'aumentare della temperatura. Ad esempio, a 85°C, l'uscita può essere solo circa il 60-70% del suo valore a 25°C. Questo coefficiente di temperatura negativo deve essere considerato nei sistemi progettati per operare su un'ampia gamma di temperature per evitare la perdita di segnale ad alte temperature.

4.5 Intensità Radiante Relativa vs. Corrente Diretta (Fig.5)

Questa curva mostra che l'uscita ottica è approssimativamente proporzionale alla corrente diretta nel tipico intervallo operativo (es. fino a 50mA). Tuttavia, la relazione non è perfettamente lineare e l'efficienza (intensità radiante per mA) può diminuire leggermente a correnti molto elevate a causa di maggiori effetti termici e altre non idealità all'interno del semiconduttore.

4.6 Diagramma di Radiazione (Fig.6)

Questo grafico polare definisce visivamente l'angolo di visione. L'intensità normalizzata è tracciata rispetto all'angolo dall'asse centrale (0°). Il grafico conferma il semi-angolo di 20°, mostrando un rapido calo dell'intensità oltre circa ±10° dal centro. Questo pattern è caratteristico di un LED con una semplice lente a cupola, che fornisce un fascio focalizzato adatto per applicazioni direzionali.

5. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

5.1 Dimensioni di Contorno

Il dispositivo rispetta le dimensioni standard del package through-hole T-1 3/4. Le misure chiave includono un diametro del corpo di circa 5mm, una tipica spaziatura dei terminali di 2.54mm (0.1") dove i terminali escono dal package e una lunghezza complessiva. È indicata una sporgenza massima della resina di 1.0mm sotto la flangia. I terminali sono tipicamente in lega di rame stagnato. Il package presenta una lente epossidica trasparente e incolore.

5.2 Identificazione della Polarità

Per package through-hole come il T-1 3/4, la polarità è solitamente indicata dalla lunghezza dei terminali (il terminale più lungo è tipicamente l'anodo, o lato positivo) e/o da un punto piatto sulla flangia plastica vicino al terminale del catodo (negativo). Si consiglia di consultare il disegno nella scheda tecnica per il marcatore specifico utilizzato su questo componente.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il rispetto delle specifiche di saldatura è fondamentale per prevenire shock termici e guasti latenti.

• Saldatura Manuale:Utilizzare un saldatore a temperatura controllata. Limitare il tempo di saldatura per terminale a 3-5 secondi a una temperatura non superiore a 350°C. Applicare calore al terminale, non al corpo del package.
• Saldatura a Onda/Rifusione:La condizione specificata è 260°C per 5 secondi, misurata a 4.0mm dal corpo del package. Ciò implica che il componente può resistere ai tipici profili di rifusione a infrarossi o convezione, ma la massa termica dei terminali deve essere considerata per garantire che il package stesso non si surriscaldi.
• Pulizia:Se è richiesta la pulizia dopo la saldatura, utilizzare solventi compatibili con il materiale del package epossidico. Evitare la pulizia a ultrasuoni a meno che non sia verificata come sicura per il componente.
• Stoccaggio:Conservare in un ambiente asciutto e antistatico entro l'intervallo di temperatura specificato (-55°C a +100°C). I dispositivi sensibili all'umidità devono essere conservati in sacchetti sigillati con essiccante se non vengono sottoposti a baking prima dell'uso.

7. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progetto

7.1 Applicazione Tipica: Rivelatore di Fumo

In un rivelatore di fumo fotoelettrico, il LTE-4208M è posizionato in una camera in modo che il suo fascio non colpisca direttamente il fototransistor abbinato in condizioni di aria pulita. Quando le particelle di fumo entrano nella camera, diffondono la luce IR, facendo sì che parte di essa venga deviata sul fototransistor. Il conseguente aumento della corrente del rivelatore attiva l'allarme. Per questa applicazione:

• Scegliere un bin di intensità radiante che fornisca un segnale sufficiente per un rilevamento affidabile del fumo minimizzando il consumo energetico.
• Pilotare il LED con una corrente impulsiva (es. un impulso breve e alto come 100mA per 10μs) piuttosto che in DC per aumentare il segnale di picco per un migliore rapporto segnale/rumore e ridurre il consumo medio di potenza, prolungando la durata della batteria.
• Considerare il derating termico sia dell'intensità radiante che della corrente massima, poiché i rivelatori possono essere installati in soffitte o altri ambienti con ampie escursioni termiche.

7.2 Considerazioni Generali di Progetto

• Limitazione della Corrente:Utilizzare sempre una resistenza in serie o un driver a corrente costante per limitare la corrente diretta. Non collegare mai il LED direttamente a una sorgente di tensione.
• Protezione dalla Tensione Inversa:Nei circuiti dove sono possibili transitori di tensione inversa (es. carichi induttivi, hot-plugging), considerare l'aggiunta di un diodo di protezione in parallelo al LED (catodo ad anodo) per limitare qualsiasi tensione inversa al di sotto di 0.7V.
• Dissipazione Termica:Per funzionamento continuo vicino alla corrente massima nominale, considerare il layout del PCB. Fornire un'ampia area di rame attorno ai terminali aiuta a dissipare il calore.
• Progetto Ottico:Lo stretto angolo di visione di 20° semplifica il progetto ottico per la collimazione ma richiede un attento allineamento meccanico con il ricevitore. Per una copertura più ampia, potrebbero essere necessari diffusori o lenti.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

Rispetto ai LED IR generici e non binnati, il differenziatore chiave del LTE-4208M sono i suoi bin garantiti di intensità radiante, che offrono prestazioni prevedibili. Rispetto ai LED IR a montaggio superficiale (SMD), il package through-hole T-1 3/4 offre una possibile dissipazione di potenza più elevata grazie alla sua maggiore massa termica e ai terminali più lunghi, consentendo potenzialmente correnti di pilotaggio continue o impulsive più elevate. Il suo package trasparente è vantaggioso rispetto ai package colorati o diffusi quando sono richieste la massima uscita luminosa diretta e la definizione del fascio, sebbene non offra alcuna schermatura intrinseca dalla luce visibile.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Posso pilotare questo LED con 3A in continuo dato che il rating di picco è 3A?

R: No. Il rating di 3A è per impulsi molto brevi (10μs) con un ciclo di lavoro specifico. La massima corrente continua è 50mA. Superarla distruggerà rapidamente il dispositivo a causa del surriscaldamento.

D: Perché il rating della tensione inversa è solo 5V?

R: I LED infrarossi sono ottimizzati per la conduzione diretta. La struttura del semiconduttore non è progettata per resistere ad alta polarizzazione inversa. Assicurarsi sempre che il circuito impedisca l'applicazione di tensione inversa.

D: Come scelgo il bin giusto (da A a G)?

R: Seleziona in base alla forza del segnale richiesta dal tuo sistema al ricevitore. Se il tuo circuito rivelatore ha un alto guadagno e devi minimizzare la potenza, un bin inferiore (A, B) può essere sufficiente. Per distanze maggiori, rivelatori più deboli o sistemi che richiedono un alto rapporto segnale/rumore, scegli un bin superiore (E, F, G). Si raccomanda di testare con il tuo specifico percorso ottico.

D: La tensione diretta tipica è 1.6V. Quale resistenza devo usare con un'alimentazione da 5V per 20mA?

R: R = (V_{alimentazione}- V_F) / I_F= (5V - 1.6V) / 0.020A = 170 Ohm. Usa il valore standard più vicino (es. 180 Ohm) e verifica la corrente effettiva: I_F= (5V - 1.6V) / 180 = ~18.9mA, che è accettabile.

10. Caso Pratico di Progetto

Scenario:Progettare un contatore di oggetti a basso consumo, alimentato a batteria, per un nastro trasportatore industriale. Il sistema utilizza un sensore a fascio interrotto dove il LTE-4208M è rivolto verso un fototransistor LTR-3208 attraverso il nastro.

Passi di Progetto:

1. Obiettivo:Massimizzare la durata della batteria garantendo il rilevamento affidabile di tutti gli oggetti.
2. Metodo di Pilotaggio:Utilizzare un funzionamento impulsivo. Il microcontrollore genera un impulso a 100Hz, ciclo di lavoro 10% (1ms ON, 9ms OFF).
3. Calcolo della Corrente:Per rimanere entro i limiti di potenza media, scegliere una corrente impulsiva. Con Pd=100mW e V_F~1.6V, la I_Fmedia può essere ~62.5mA. Per un ciclo di lavoro del 10%, la I_Fimpulsiva può arrivare fino a 625mA. Viene selezionata una corrente impulsiva conservativa di 100mA per un segnale forte.
4. Selezione dei Componenti:Scegliere LTE-4208M dal Bin D o E per una buona forza del segnale. Selezionare il fototransistor abbinato LTR-3208.
5. Circuito:Utilizzare un pin GPIO del microcontrollore per pilotare un transistor (es. BJT NPN o MOSFET a canale N) che commuta l'impulso da 100mA attraverso il LED. Una resistenza in serie imposta la corrente: R = (3.3V_GPIO- V_CE(sat)- V_F) / I_F. L'uscita del fototransistor è collegata a un comparatore o all'ADC del microcontrollore.
6. Considerazioni:Tenere conto della luce ambiente sincronizzando il rilevamento con l'impulso del LED (rilevamento sincrono). Considerare gli effetti della temperatura sull'intensità di uscita.

Questo approccio riduce il consumo medio di corrente a circa 10mA (100mA * 10%) invece di un continuo 20-50mA, prolungando significativamente la durata della batteria mantenendo un impulso di luce forte e rilevabile.

11. Principio di Funzionamento

Il LTE-4208M è un diodo a giunzione p-n semiconduttore realizzato con materiali come Arseniuro di Gallio e Alluminio (AlGaAs). Quando viene applicata una tensione diretta che supera l'energia della banda proibita del materiale, gli elettroni dalla regione n e le lacune dalla regione p vengono iniettati nella regione di giunzione. Quando questi portatori di carica si ricombinano, rilasciano energia. In un diodo emettitore di luce (LED), questa energia viene rilasciata principalmente come fotoni (luce). La lunghezza d'onda (colore) della luce emessa è determinata dall'energia della banda proibita del materiale semiconduttore. Per AlGaAs sintonizzato a 940nm, l'energia della banda proibita è di circa 1.32 elettronvolt (eV). Il package epossidico trasparente funge da lente, modellando il pattern di emissione e fornendo protezione ambientale.

12. Tendenze Tecnologiche

La tecnologia degli emettitori infrarossi continua a evolversi. Le tendenze rilevanti per dispositivi come il LTE-4208M includono:

• Aumento 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, riducendo la generazione di calore e il consumo energetico a parità di uscita ottica.
• Modulazione ad Alta Velocità:Sviluppo di LED capaci di commutazione più rapida per applicazioni nella comunicazione dati ottica (es. IrDA, Li-Fi) e sensing ad alta velocità.
• Integrazione:Tendenza verso assemblaggi optoelettronici integrati che combinano emettitore, rivelatore e talvolta il circuito di pilotaggio in un unico modulo, semplificando la progettazione e migliorando l'allineamento e la consistenza delle prestazioni.
• Lunghezze d'Onda Alternative:Espansione verso altre lunghezze d'onda del vicino IR (es. 850nm, 880nm) per applicazioni specifiche come l'eye-tracking (dove il 940nm è preferito perché meno visibile) o la compatibilità con diverse sensibilità dei rivelatori al silicio.
• Miniaturizzazione del Package:Sebbene i package through-hole rimangano popolari per applicazioni ad alta potenza o alta affidabilità, c'è una forte tendenza verso la tecnologia a montaggio superficiale (SMD) per l'assemblaggio automatizzato e progetti con vincoli di spazio.

Il LTE-4208M, con il suo collaudato package T-1 3/4, l'elevata uscita radiante e il rigoroso binning, rappresenta una soluzione matura e affidabile ben adatta alle sue applicazioni principali, in particolare dove è preferito o richiesto il montaggio through-hole.