Scheda Tecnica Emettitore e Rivelatore IR LTE-S9511-E - Lunghezza d'Onda 940nm - Corrente Diretta 20mA - Tensione Diretta 1.5V - Dissipazione 100mW - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTE-S9511-E è un componente discreto a infrarossi progettato per un'ampia gamma di applicazioni che richiedono un'emissione e una rilevazione affidabile della luce infrarossa. Fa parte di una linea di prodotti completa che soddisfa le esigenze di alta potenza, alta velocità e ampi angoli di visione nelle soluzioni a infrarossi.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Questo componente è progettato per soddisfare gli standard moderni di produzione e ambientali. È un prodotto ecologico conforme RoHS, fornito in nastro da 8mm su bobine da 13 pollici di diametro per la compatibilità con le attrezzature di posizionamento automatico ad alta velocità. Il suo design supporta i processi di saldatura a rifusione a infrarossi, rendendolo adatto per l'assemblaggio di PCB in volumi elevati. Le principali applicazioni target includono sistemi di telecomando, moduli per la trasmissione dati wireless IR, allarmi di sicurezza e vari altri dispositivi elettronici consumer e industriali dove è richiesto il rilevamento o la segnalazione a infrarossi.

2. Parametri Tecnici: Interpretazione Oggettiva Approfondita

I seguenti parametri definiscono i limiti operativi e le caratteristiche di prestazione del dispositivo in condizioni standard (TA=25°C).

2.1 Valori Nominali Assoluti

Questi valori specificano i limiti oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non sono per il funzionamento continuo.

• Dissipazione di Potenza (Pd):100 mW. Questa è la massima quantità di potenza che il dispositivo può dissipare sotto forma di calore.
• Corrente Diretta di Picco (I_FP):1 A. Questa è la massima corrente impulsiva ammissibile in condizioni specifiche (300 pps, larghezza impulso 10μs).
• Corrente Diretta Continua (I_F):50 mA. La massima corrente diretta continua per un funzionamento affidabile.
• Tensione Inversa (V_R):5 V. Il dispositivo non è progettato per funzionare in polarizzazione inversa; superare questa tensione può causare il breakdown.
• Intervallo di Temperatura Operativa (T_opr):-40°C a +85°C. L'intervallo di temperatura ambiente per il normale funzionamento del dispositivo.
• Intervallo di Temperatura di Stoccaggio (T_stg):-55°C a +100°C.
• Condizione di Saldatura a Infrarossi:Resiste a 260°C per un massimo di 10 secondi, definendo la tolleranza del profilo di rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Questi sono i parametri di prestazione tipici misurati in condizioni di test definite.

• Intensità Radiante (I_E):4.0 (Min), 6.0 (Tip) mW/sr. Misurata a I_F= 20mA. Indica la potenza ottica emessa per angolo solido.
• Lunghezza d'Onda di Emissione di Picco (λ_Peak):940 nm (Tip). La lunghezza d'onda alla quale l'emissione di radiazione infrarossa è più forte.
• Larghezza a Mezza Altezza Spettrale (Δλ):50 nm (Tip). La larghezza di banda dello spettro emesso a metà dell'intensità di picco.
• Tensione Diretta (V_F):1.2 (Tip), 1.5 (Max) V. Misurata a I_F= 20mA. La caduta di tensione ai capi del dispositivo quando conduce.
• Corrente Inversa (I_R):10 μA (Max). Misurata a V_R= 5V. Una piccola corrente di dispersione sotto polarizzazione inversa.
• Angolo di Visione (2θ_1/2):20 (Min), 25 (Tip) gradi. L'angolo totale in cui l'intensità radiante scende alla metà del valore sull'asse.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

Il dispositivo è disponibile in diverse classi di prestazione, o "bin", basate sull'intensità radiante. Ciò consente ai progettisti di selezionare un componente che corrisponda esattamente ai requisiti di sensibilità o potenza in uscita della loro applicazione.

L'elenco dei codici bin specifica l'intensità radiante minima e massima per ogni classe a una corrente di test di 20mA:

• Bin K:4 a 6 mW/sr
• Bin L:5 a 7.5 mW/sr
• Bin M:6 a 9 mW/sr
• Bin N:7 a 10.5 mW/sr

La selezione di un codice bin più alto (es. N rispetto a K) garantisce tipicamente una potenza ottica minima più elevata, che può essere fondamentale per ottenere una portata maggiore o un miglior rapporto segnale/rumore in un sistema.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano il comportamento del dispositivo in condizioni variabili. Queste sono essenziali per la progettazione dettagliata del circuito e per comprendere i compromessi di prestazione.

4.1 Distribuzione Spettrale

Una curva (Fig.1) mostra l'intensità radiante relativa in funzione della lunghezza d'onda. Conferma l'emissione di picco a 940nm e la larghezza a mezza altezza spettrale di circa 50nm, tipica per gli emettitori a infrarossi basati su GaAs. Questo ampio spettro è adatto per l'uso con fotodiodi al silicio, che hanno un'ampia sensibilità nella regione del vicino infrarosso.

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

Questa curva (Fig.3) descrive la relazione non lineare tra corrente e tensione. Mostra che la tensione diretta aumenta con la corrente, partendo da circa 1.0V e avvicinandosi a 1.5V a 100mA. Questa curva è vitale per progettare il circuito di limitazione della corrente.

4.3 Caratteristiche di Temperatura

Multiple curve illustrano la dipendenza del dispositivo dalla temperatura ambiente (T_a).

- Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente (Fig.2):Mostra probabilmente come la massima corrente diretta ammissibile si riduca all'aumentare della temperatura ambiente per evitare di superare il limite di dissipazione di potenza.

- Intensità Radiante Relativa vs. Temperatura Ambiente (Fig.4):Dimostra che la potenza ottica in uscita diminuisce all'aumentare della temperatura. Questo coefficiente di temperatura negativo è una considerazione chiave per le applicazioni che operano in ambienti termici variabili, poiché può richiedere una compensazione termica nel circuito di pilotaggio o ricevitore per mantenere prestazioni costanti.

4.4 Intensità Radiante Relativa vs. Corrente Diretta

Questa curva (Fig.5) mostra che l'intensità radiante è generalmente proporzionale alla corrente diretta, ma la relazione può diventare sub-lineare a correnti molto elevate a causa del riscaldamento e del calo di efficienza. Aiuta a determinare la corrente operativa ottimale per un livello di uscita desiderato.

4.5 Diagramma di Radiazione

Il diagramma polare (Fig.6) rappresenta visivamente l'angolo di visione. L'intensità è massima a 0° (sull'asse) e diminuisce simmetricamente, scendendo alla metà a circa ±12.5° (per un angolo di visione di 25°). Questo pattern è cruciale per allineare l'emettitore con un rivelatore o per progettare l'ottica per modellare il fascio.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

5.1 Dimensioni di Contorno

Il dispositivo è conforme a un package standard EIA. Le dimensioni chiave includono le dimensioni del corpo, la spaziatura dei terminali e l'altezza complessiva. Tutte le dimensioni sono fornite in millimetri con una tolleranza tipica di ±0.1mm salvo diversa indicazione. Il package presenta una lente in plastica trasparente con configurazione laterale, che dirige la luce emessa perpendicolarmente al piano del PCB.

5.2 Dimensioni Consigliate per i Pad di Saldatura

Un diagramma fornisce le dimensioni consigliate per il land pattern sul PCB per garantire una corretta formazione del giunto di saldatura e stabilità meccanica durante e dopo il processo di rifusione. Rispettare queste linee guida è fondamentale per la resa produttiva e l'affidabilità a lungo termine.

5.3 Identificazione della Polarità

Il catodo è tipicamente indicato da un lato piatto, un intaglio o un terminale più corto sul package. La polarità corretta deve essere osservata durante l'assemblaggio, poiché applicare una tensione inversa oltre il valore nominale massimo può danneggiare istantaneamente il dispositivo.

6. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

6.1 Parametri di Saldatura a Rifusione

Il dispositivo è compatibile con i processi di rifusione a infrarossi. Le condizioni consigliate includono:

- Preriscaldamento:150–200°C per un massimo di 120 secondi.

- Temperatura di Picco:Massimo 260°C.

- Tempo Sopra il Liquido:Massimo 10 secondi (per un massimo di due cicli di rifusione).

Questi parametri sono allineati con gli standard JEDEC e le specifiche comuni della pasta saldante senza piombo. Il profilo dovrebbe essere caratterizzato per il design specifico del PCB, i componenti e il forno utilizzato.

6.2 Condizioni di Stoccaggio

Il dispositivo ha un Livello di Sensibilità all'Umidità (MSL) di 3.

- Confezione Sigillata:Conservare a ≤30°C e ≤90% UR. Utilizzare entro un anno dalla data di sigillatura della busta.

- Confezione Aperta:Per i componenti rimossi dalla busta anti-umidità, l'ambiente di stoccaggio non deve superare 30°C/60% UR. Si raccomanda di completare la rifusione IR entro una settimana (168 ore). Per uno stoccaggio più lungo al di fuori della confezione originale, utilizzare un contenitore sigillato con essiccante. I componenti stoccati per più di una settimana dovrebbero essere sottoposti a baking a circa 60°C per almeno 20 ore prima della saldatura per rimuovere l'umidità assorbita e prevenire il "popcorning" durante la rifusione.

6.3 Pulizia

Se è necessaria la pulizia dopo la saldatura, utilizzare solventi a base alcolica come l'alcool isopropilico. Evitare sostanze chimiche aggressive o corrosive.

7. Confezionamento e Informazioni per l'Ordine

7.1 Specifiche del Nastro e della Bobina

Il dispositivo è fornito in nastro portacomponenti da 8mm su bobine da 13 pollici (330mm) di diametro. Ogni bobina contiene circa 9000 pezzi. Il confezionamento è conforme alle specifiche ANSI/EIA 481-1-A-1994. Il nastro ha una copertura superiore sigillata ed è consentito un massimo di due tasche per componenti vuote consecutive.

8. Suggerimenti Applicativi

8.1 Scenari Applicativi Tipici

• Telecomandi:Per TV, impianti audio e altri dispositivi elettronici consumer.
• Trasmissione Dati IR:Comunicazione wireless simplex a corto raggio per sensori o segnali di controllo.
• Sistemi di Sicurezza:Come parte di fasci per il rilevamento di intrusioni o sensori di prossimità.
• Rilevamento Oggetti:Sensori montati su PCB per conteggio, rilevamento di posizione o rilevamento di bordo.

8.2 Considerazioni di Progettazione e Metodo di Pilotaggio

Un LED è un dispositivo pilotato a corrente. Per garantire un'intensità costante e una lunga durata, deve essere pilotato con una sorgente di corrente o una sorgente di tensione con una resistenza di limitazione della corrente in serie. Il valore della resistenza (R_s) può essere calcolato usando la Legge di Ohm: R_s= (V_{alimentazione}- V_F) / I_F. Dove V_Fè la tensione diretta dalla scheda tecnica alla corrente operativa desiderata I_F. Quando si pilotano più LED in parallelo, si raccomanda vivamente di utilizzare una resistenza di limitazione della corrente separata per ogni LED per prevenire l'"accaparramento" di corrente a causa di piccole variazioni nella loro V_F characteristics.

9. Confronto e Differenziazione Tecnica

Il LTE-S9511-E, con la sua lunghezza d'onda di 940nm, offre un vantaggio chiave rispetto ai LED a luce visibile o ad altre lunghezze d'onda IR: è praticamente invisibile all'occhio umano, rendendolo ideale per un funzionamento discreto. Rispetto agli emettitori a 850nm, i 940nm hanno tipicamente un rumore di fondo di irradianza solare inferiore, il che può migliorare il rapporto segnale/rumore in condizioni di luce ambientale. Il package con lente laterale è specificamente progettato per applicazioni in cui il fascio IR deve viaggiare parallelamente alla superficie del PCB, un requisito comune nei sensori a fessura o nei pannelli illuminati lateralmente.

10. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Posso pilotare questo LED direttamente da un pin di un microcontrollore a 3.3V o 5V?

R: No. È necessario utilizzare una resistenza in serie per limitare la corrente. Ad esempio, con un'alimentazione di 5V e un target I_Fdi 20mA (V_F~1.2V), R_s= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω. Una resistenza da 200Ω sarebbe un valore standard adatto.

D: Qual è la differenza tra "Intensità Radiante" e "Angolo di Visione"?

R: L'Intensità Radiante (mW/sr) misura quanta potenza ottica è concentrata in una data direzione (per steradiante). L'Angolo di Visione definisce quanto è ampio quel fascio. Un dispositivo con alta intensità radiante ma un angolo di visione molto stretto proietta un fascio potente ma concentrato. Questo dispositivo ha un moderato angolo di visione di 25°, offrendo un buon equilibrio tra concentrazione del fascio e copertura.

D: Perché il Livello di Sensibilità all'Umidità (MSL 3) è importante?

R: I package in plastica possono assorbire umidità dall'aria. Durante il processo di saldatura a rifusione ad alta temperatura, questa umidità intrappolata può vaporizzarsi rapidamente, causando delaminazione interna, crepe o "popcorning", che distrugge il dispositivo. Seguire le procedure prescritte di stoccaggio, manipolazione e baking è essenziale per prevenire questa modalità di guasto.

11. Caso Pratico di Progettazione e Utilizzo

Caso: Progettare un Semplice Sensore di Rilevamento Oggetti a IR.

Un design comune utilizza il LTE-S9511-E sia come emettitore che come rivelatore (in modalità di sensing riflessivo) o utilizza un fototransistor separato. L'emettitore viene pulsato a una frequenza specifica (es. 38kHz). Il circuito rivelatore include un filtro sintonizzato su questa frequenza. Quando un oggetto riflette il fascio IR verso il rivelatore, il circuito registra un segnale. Passaggi chiave del design:

1. Circuito di Pilotaggio:Utilizzare un transistor (es. NPN o MOSFET a canale N) commutato da un microcontrollore per pulsare il LED alla corrente desiderata (es. impulsi da 50mA) e frequenza. Includere la resistenza in serie calcolata.

2. Circuito Ricevitore:L'uscita di un fototransistor viene inviata a un amplificatore e a un filtro passa-banda centrato sulla frequenza di modulazione (38kHz). Questo respinge la luce ambientale (DC e a bassa frequenza) e altro rumore IR.

3. Allineamento:Utilizzare il diagramma di radiazione per allineare emettitore e rivelatore. Per il sensing riflessivo, sono spesso posizionati affiancati ad un angolo, con i loro campi di vista che si intersecano alla distanza di rilevamento desiderata.

4. Layout PCB:Posizionare i componenti secondo il layout dei pad suggerito. Assicurarsi che la lente trasparente non sia ostruita dalla maschera di saldatura o da altri componenti.

12. Introduzione al Principio di Funzionamento

Il LTE-S9511-E, come emettitore a infrarossi, è un diodo a semiconduttore. Quando polarizzato direttamente, elettroni e lacune si ricombinano nella regione attiva (realizzata con materiali come GaAs o AlGaAs), rilasciando energia sotto forma di fotoni. La specifica composizione del materiale determina la lunghezza d'onda di questi fotoni; in questo caso, è centrata attorno a 940nm, che è nello spettro del vicino infrarosso. La lente laterale è modellata in epossidico trasparente, che estrae efficientemente la luce dal chip semiconduttore e la dirige lateralmente. Il dispositivo può anche funzionare come rivelatore perché la giunzione PN del semiconduttore può generare una piccola fotocorrente quando esposta a luce di energia sufficiente (fotoni con lunghezza d'onda inferiore alla lunghezza di taglio del materiale). Tuttavia, la sua funzione primaria ottimizzata è l'emissione.

13. Tendenze di Sviluppo

Il campo dei componenti discreti a infrarossi continua a evolversi. Le tendenze includono:

- Maggiore Efficienza:Sviluppo di nuovi materiali e strutture a semiconduttore (es. pozzi quantici multipli) per estrarre più potenza ottica per unità di ingresso elettrico, riducendo la generazione di calore e il consumo energetico.

- Velocità Aumentata:Per applicazioni di trasmissione dati, componenti con tempi di salita/discesa più rapidi consentono velocità di dati più elevate.

- Integrazione:Combinare emettitore, rivelatore e logica di controllo (come modulazione/demodulazione) in un unico package o modulo semplifica il design e migliora le prestazioni.

- Miniaturizzazione:Riduzione continua delle dimensioni del package per adattarsi alle esigenze di dispositivi consumer sempre più piccoli, mantenendo o migliorando le specifiche di prestazione.

- Affidabilità Migliorata:Materiali e processi di packaging migliorati per resistere a condizioni ambientali più severe e garantire una maggiore durata operativa.