Scheda Tecnica IR Emitter and Detector LTE-C216-P-W - Package 1206 (3.2x1.6x1.1mm) - Lunghezza d'Onda di Picco 850nm - Tensione Diretta 1.4V - Dissipazione di Potenza 100mW - Documento Tecnico in Inglese

1. Panoramica del Prodotto

Questo documento dettaglia le specifiche di un componente discreto emettitore e rivelatore a infrarossi (IR). Questo dispositivo è progettato per applicazioni che richiedono una trasmissione e ricezione affidabile del segnale a infrarossi. Combina un diodo emettitore a infrarossi (IRED) e un elemento sensibile all'interno di un unico package compatto per montaggio superficiale. La tecnologia di base si fonda sui materiali Arseniuro di Gallio (GaAs) e Arseniuro di Alluminio e Gallio (AlGaAs), ottimizzati per funzionare a una lunghezza d'onda di picco di 850 nanometri. Questa lunghezza d'onda è comunemente utilizzata nell'elettronica di consumo e nella trasmissione dati grazie al suo buon equilibrio tra prestazioni e disponibilità dei componenti.

Gli obiettivi di progettazione principali sono fornire una soluzione caratterizzata da alta intensità radiante, buone caratteristiche di velocità e un ampio angolo di visione per facilitare l'allineamento e la cattura del segnale. Il componente è confezionato in un footprint standard 1206, rendendolo compatibile con linee di assemblaggio automatizzate pick-and-place e con i processi standard di saldatura a rifusione a infrarossi. È classificato come prodotto conforme RoHS e Green.

1.1 Caratteristiche Chiave e Applicazioni

Il dispositivo incorpora diverse caratteristiche chiave che lo rendono adatto alla moderna produzione elettronica:

• Conformità agli standard RoHS e Green Product.
• Confezionato in nastro portante da 8 mm su bobine da 7 pollici di diametro per il montaggio automatizzato.
• Compatibile con le attrezzature per il posizionamento automatico.
• Progettato per resistere ai profili standard di saldatura a rifusione a infrarossi.
• Conforme alle dimensioni standard del pacchetto EIA.
• Emette a una lunghezza d'onda di picco (λp) di 850 nm.
• Utilizza il comune tipo di contenitore SMD (dispositivo a montaggio superficiale) 1206.

Le applicazioni tipiche per questo componente includono, ma non sono limitate a:

• Emettitore a infrarossi per unità di controllo remoto (ad es., per TV, impianti audio).
• Sensore a infrarossi montato su PCB per rilevamento di prossimità, rilevamento oggetti o ricezione dati.
• Collegamenti per trasmissione dati wireless a infrarossi per comunicazioni a corto raggio.
• Sistemi di allarme di sicurezza che utilizzano fasci IR.

2. Approfondimento sulle Specifiche Tecniche

Questa sezione fornisce un'analisi dettagliata e oggettiva delle caratteristiche elettriche, ottiche e termiche del dispositivo. Tutti i parametri sono specificati 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 corrispondenza o al di là di queste condizioni non è garantito e dovrebbe essere evitato in progetti affidabili.

• Dissipazione di potenza (Pd): 100 mW. Questa è la potenza totale massima che il package può dissipare sotto forma di calore.
• Corrente Diretta di Picco (IFP): 800 mA. Questa è la massima corrente impulsiva ammissibile, specificata in condizioni di 300 impulsi al secondo con una larghezza dell'impulso di 10 microsecondi.
• Corrente Diretta Continua (IF): 60 mA. Questa è la massima corrente diretta continua per il funzionamento in regime stazionario.
• Tensione Inversa (VR): 5 V. La massima tensione che può essere applicata in direzione inversa attraverso l'IRED.
• Intervallo di Temperatura di Esercizio: Da -40°C a +85°C. L'intervallo di temperatura ambiente entro il quale il dispositivo è progettato per funzionare.
• Intervallo di Temperatura di Stoccaggio: Da -55°C a +100°C. L'intervallo di temperatura per lo stoccaggio in condizioni non operative.
• Condizioni di Saldatura a Infrarossi: Massimo 260°C per 10 secondi. Definisce il limite di temperatura di picco per i processi di rifusione senza piombo.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Questi sono i parametri di prestazione tipici in condizioni operative normali. I progettisti devono utilizzare i valori tipici (Typ.) o massimi (Max.) appropriati per i loro calcoli del circuito.

• Intensità Radiante (IE): 3.0 mW/sr (Tip.) con una corrente diretta (IF) di 20mA. Misura la potenza ottica emessa per unità di angolo solido lungo l'asse.
• Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (λPeak): 850 nm (Tip.). La lunghezza d'onda alla quale la potenza ottica in uscita è massima.
• Larghezza a Mezza Altezza della Linea Spettrale (Δλ): 50 nm (Tip.). L'intervallo di lunghezze d'onda entro il quale la potenza emessa è almeno la metà della potenza di picco, indicando la purezza spettrale.
• Tensione Diretta (VF): 1.4 V (Tip.), 1.8 V (Max.) con IF=20mA. La caduta di tensione ai capi dell'IRED quando è in conduzione.
• Corrente Inversa (IR): 10 μA (Max.) con una tensione inversa (VR) di 5V. La piccola corrente di dispersione quando il dispositivo è polarizzato inversamente.
• Tempo di Salita/Discesa (Tr/Tf): 20 nS (Typ.). Il tempo impiegato dall'uscita ottica per salire dal 10% al 90% (o scendere dal 90% al 10%) del suo valore finale, indicando la velocità di commutazione.
• Angolo di Visione (2θ1/2): 100 gradi (Typ.). L'angolo totale in cui l'intensità radiante è la metà dell'intensità sull'asse. Un angolo più ampio rende meno critico l'allineamento tra emettitore e rivelatore.

3. Analisi della Curva di Prestazione

Il datasheet fornisce diverse curve caratteristiche essenziali per comprendere il comportamento del dispositivo in condizioni variabili. Questi grafici consentono ai progettisti di estrapolare le prestazioni oltre le specifiche a punto singolo.

3.1 Distribuzione Spettrale

La curva di distribuzione spettrale mostra l'intensità radiante relativa in funzione della lunghezza d'onda. Per questo dispositivo, la curva è centrata attorno a 850nm con la larghezza a metà altezza definita di 50nm. Questa informazione è fondamentale per selezionare filtri ottici compatibili sul lato rivelatore per respingere il rumore della luce ambientale.

3.2 Corrente Diretta vs. Tensione Diretta (Curva I-V)

Questa curva illustra la relazione non lineare tra la corrente che attraversa l'IRED e la tensione ai suoi capi. Mostra la tipica tensione di soglia e come VF aumenti con IF. I progettisti la utilizzano per calcolare il valore necessario della resistenza in serie per limitare la corrente quando pilotata da una sorgente di tensione.

3.3 Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente

Questo grafico dimostra come la massima corrente diretta continua ammissibile si riduca all'aumentare della temperatura ambiente. Per garantire l'affidabilità, la corrente operativa deve essere ridotta a temperature più elevate per mantenere la temperatura di giunzione e la dissipazione di potenza entro limiti di sicurezza.

3.4 Intensità Radiante Relativa vs. Temperatura Ambiente

Questa curva mostra la dipendenza della potenza ottica in uscita dalla temperatura. Tipicamente, l'intensità radiante diminuisce all'aumentare della temperatura di giunzione. Questa caratteristica deve essere considerata nelle applicazioni che richiedono un'uscita ottica stabile su un ampio intervallo di temperature.

3.5 Intensità Radiante Relativa vs. Corrente Diretta

Questa è una curva chiave che mostra la potenza ottica in uscita in funzione della corrente di pilotaggio. È generalmente lineare su un intervallo significativo ma può saturarsi a correnti molto elevate. I progettisti la utilizzano per determinare la corrente di pilotaggio necessaria per ottenere una specifica intensità del segnale.

3.6 Diagramma del Diagramma di Radiazione

Un grafico polare che descrive la distribuzione spaziale della luce emessa. Il diagramma conferma l'ampio angolo di visione di 100 gradi, mostrando come l'intensità diminuisca agli angoli fuori dall'asse centrale. Questo pattern è cruciale per progettare il percorso ottico e l'allineamento in un sistema.

4. Informazioni Meccaniche e di Imballaggio

4.1 Dimensioni di Contorno e del Package

Il dispositivo utilizza un package SMD standard 1206. Le dimensioni principali includono una lunghezza del corpo di circa 3.2mm, una larghezza di 1.6mm e un'altezza di 1.1mm. Il datasheet fornisce un disegno dimensionale dettagliato con tolleranze tipicamente di ±0.1mm. Il catodo è tipicamente indicato da una marcatura o da una geometria specifica del pad.

4.2 Layout Consigliato per i Pad di Saldatura

Viene fornito un land pattern (footprint) consigliato per il progetto del PCB. Questo include le dimensioni, la spaziatura e la forma dei pad per garantire una giunzione saldata affidabile durante il reflow, minimizzando il rischio di tombstoning o ponticelli di saldatura. Rispettare queste raccomandazioni è importante per la resa produttiva.

4.3 Specifiche di Imballaggio in Nastro e Bobina

I componenti sono forniti in nastro portante goffrato avvolto su bobine da 7 pollici (178 mm) di diametro. Le dimensioni chiave del nastro includono il passo delle tasche, la dimensione delle tasche e la larghezza del nastro. Ogni bobina contiene 3000 pezzi. Il confezionamento è conforme agli standard ANSI/EIA 481-1-A-1994, garantendo la compatibilità con gli alimentatori automatici standard.

5. Linee Guida per il Montaggio, la Manipolazione e l'Applicazione

5.1 Processo di saldatura e rifusione

Il dispositivo è compatibile con i processi di saldatura a riflusso a infrarossi. Viene suggerito un profilo di temperatura di riflusso dettagliato, conforme agli standard JEDEC per l'assemblaggio senza piombo. I parametri chiave includono:

• Pre-riscaldo: 150-200°C per un massimo di 120 secondi.
• Temperatura di Picco: Massimo 260°C.
• Tempo Sopra il Liquido: Il componente non deve essere esposto a temperature superiori a 260°C per più di 10 secondi e il riflusso non deve essere eseguito più di due volte.

Per la saldatura manuale con saldatore, si raccomanda una temperatura massima della punta di 300°C per non più di 3 secondi per giunto. Si sottolinea che il profilo ottimale dipende dal design specifico del PCB, dalla pasta saldante e dal forno, pertanto è necessaria una caratterizzazione del processo.

5.2 Conservazione e sensibilità all'umidità

I componenti sono sensibili all'umidità. Nella loro confezione originale ermetica e anti-umidità con essiccante, devono essere conservati a ≤30°C e ≤90% di Umidità Relativa (UR) e utilizzati entro un anno. Una volta aperta la confezione, l'ambiente di conservazione non deve superare i 30°C / 60% UR. I componenti rimossi dalla confezione originale devono essere sottoposti a riflusso entro una settimana. Per una conservazione più lunga al di fuori della confezione originale, devono essere conservati in un contenitore sigillato con essiccante o in un essiccatore a azoto. I componenti conservati senza confezione per oltre una settimana richiedono una cottura (ad esempio, a 60°C per 20 ore) prima della saldatura per rimuovere l'umidità assorbita e prevenire l'effetto "popcorn" durante il riflusso.

5.3 Pulizia

Se è necessaria la pulizia dopo la saldatura, utilizzare solo solventi a base alcolica come l'alcol isopropilico (IPA). Evitare detergenti chimici aggressivi o corrosivi poiché potrebbero danneggiare la lente epossidica del package.

5.4 Metodo di pilotaggio e progettazione del circuito

Una nota critica di progettazione è che un LED è un dispositivo operato in corrente. Quando si pilota l'emettitore IR, è obbligatorio un resistore di limitazione della corrente in serie quando si utilizza una sorgente di tensione. Questo resistore imposta la corrente di lavoro (IF) al valore desiderato, calcolato utilizzando la Legge di Ohm: R = (Vcc - VF) / IF. Inoltre, quando più emettitori sono collegati in parallelo, dovrebbe essere utilizzato un resistore di limitazione della corrente separato per ciascun dispositivo per garantire l'uniformità dell'intensità, poiché la tensione diretta (VF) può variare leggermente da unità a unità.

5.5 Precauzioni di Applicazione e Uso Previsto

Il componente è destinato a equipaggiamenti elettronici per uso generico. Per applicazioni che richiedono un'affidabilità eccezionale, in cui un guasto potrebbe mettere a rischio la vita o la salute (ad es., aviazione, medicale, sistemi di sicurezza dei trasporti), sono necessarie consultazioni e qualifiche specifiche, poiché queste vanno oltre lo scopo delle specifiche di grado commerciale standard fornite in questo datasheet.

6. Confronto Tecnico e Considerazioni di Progettazione

Rispetto a IRED o fotodetettori discreti semplici, questa coppia emettitore-rivelatore integrata in un unico package offre una semplificazione progettuale garantendo caratteristiche ottiche abbinate e una stretta vicinanza fisica, il che può essere vantaggioso per il sensing riflessivo. La lunghezza d'onda di 850nm è meno visibile all'occhio umano rispetto ai 940nm, rendendola adatta per applicazioni in cui un debole bagliore rosso è accettabile o addirittura utilizzato come indicatore di stato. L'angolo di visione di 100 gradi è notevolmente ampio, riducendo i requisiti di precisione di allineamento rispetto a dispositivi con fascio più stretto.

I progettisti devono considerare attentamente il compromesso tra corrente di pilotaggio, intensità radiante e durata/generazione di calore del dispositivo. Operare a o vicino ai valori massimi assoluti per corrente o temperatura accelererà l'invecchiamento e ridurrà l'affidabilità a lungo termine. Si raccomanda un adeguato layout PCB per la dissipazione del calore, specialmente se si opera con cicli di lavoro elevati o a temperature ambiente elevate.

7. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Posso pilotare questo IRED direttamente da un pin GPIO di un microcontrollore?
R: No. Un pin di un microcontrollore tipicamente non può erogare in sicurezza 20-60mA. È necessario utilizzare il GPIO per controllare un transistor (ad es., MOSFET o BJT) che commuti la corrente più elevata da un alimentatore, con una resistenza in serie per impostare la corrente esatta.

D: Qual è la differenza tra lunghezza d'onda di picco (λp) e lunghezza d'onda dominante (λd)?
A> Peak wavelength is the point of maximum spectral power. Dominant wavelength is derived from color perception on a chromaticity diagram and represents a single wavelength that matches the perceived color. For monochromatic IR devices, they are often very close.

Q: Come interfacciarsi con il lato rivelatore di questo componente?
A> The datasheet primarily details the emettitore characteristics. The rivelatore (photodiode or phototransistor) will have its own set of parameters (dark current, responsivity, etc.) not fully listed here. Typically, the rivelatore output is a small current proportional to received IR light, which is usually converted to a voltage using a transimpedance amplifier or a simple load resistor for digital threshold detection.

Q: Perché la condizione di umidità di stoccaggio è così importante?
A> SMD packages can absorb moisture through the plastic molding compound. During the high heat of reflow soldering, this trapped moisture can vaporize rapidly, creating internal pressure that can crack the package or delaminate internal bonds—a failure known as "popcorning." The storage and baking guidelines prevent this.

8. Esempio di Applicazione Pratica

Caso di Progettazione: Sensore di Prossimità/Ostacolo Semplice
Un utilizzo comune è quello di sensore a interruzione di fascio. L'emettitore è pilotato da una corrente pulsata (ad esempio, impulsi da 20mA a 38kHz) per distinguere il suo segnale dall'IR ambientale. Il rivelatore, posto a breve distanza, riceve questo segnale. Quando un oggetto interrompe il fascio, il segnale ricevuto cala. L'uscita del rivelatore viene inviata a un circuito integrato ricevitore demodulante o a un microcontrollore con logica di filtraggio per rilevare l'assenza della frequenza portante, attivando un'uscita. L'ampio angolo di visione semplifica l'allineamento dell'emettitore e del rivelatore sui lati opposti del percorso monitorato.

9. Principio Operativo

Il dispositivo funziona secondo i principi fondamentali dell'optoelettronica. L' emettitore è un diodo a emissione infrarossa (IRED). Quando polarizzato direttamente, elettroni e lacune si ricombinano nella regione attiva del semiconduttore (GaAs/AlGaAs), rilasciando energia sotto forma di fotoni. Il bandgap del materiale determina l'energia del fotone e quindi la lunghezza d'onda, che in questo caso è di 850nm. Il rivelatore è tipicamente un fotodiodo o un fototransistor realizzato in silicio. Quando fotoni con energia sufficiente (lunghezze d'onda tipicamente fino a ~1100nm per il silicio) colpiscono la regione di svuotamento del rivelatore, generano coppie elettrone-lacuna. In un fotodiodo, ciò crea una fotocorrente quando è polarizzato inversamente. In un fototransistor, la fotocorrente agisce come corrente di base, causando il flusso di una maggiore corrente di collettore, fornendo un guadagno interno.

10. Tendenze Tecnologiche

Nel campo dei componenti infrarossi discreti, le tendenze includono lo sviluppo di dispositivi con potenza di uscita più elevata per una portata maggiore, velocità migliorata per una trasmissione dati più rapida e filtraggio spettrale potenziato integrato nel package del rivelatore per ottenere rapporti segnale-rumore più alti in ambienti con luce ambientale intensa. Si assiste anche a una tendenza verso la miniaturizzazione oltre il package 1206 (ad esempio, 0805, 0603) per risparmiare spazio sulla scheda, sebbene spesso a scapito della potenza ottica o dell'angolo di visione. La spinta verso un'affidabilità e prestazioni superiori nelle applicazioni automobilistiche e industriali continua a promuovere lo sviluppo di componenti con intervalli di temperatura operativa più ampi e package più robusti.