LED a Infrarossi 940nm - Scheda Tecnica e Documentazione

1. Panoramica del Prodotto

Questo documento fornisce una panoramica tecnica completa di un componente LED (diodo emettitore di luce) a infrarossi (IR). La funzione principale di questo dispositivo è emettere luce nello spettro del vicino infrarosso, specificamente a una lunghezza d'onda di picco (λp) di 940 nanometri (nm). Questa lunghezza d'onda è invisibile all'occhio umano ma è altamente efficace per varie applicazioni di rilevamento e telecomando. Il componente è progettato per l'integrazione in assiemi elettronici che richiedono una sorgente di luce IR affidabile e costante.

Il vantaggio principale di questo LED IR risiede nella sua emissione specificata a 940nm, che è uno standard comune per l'elettronica di consumo come telecomandi TV e sensori di prossimità. Questa lunghezza d'onda offre un buon equilibrio tra la sensibilità dei fotodiodi al silicio e il rifiuto della luce ambientale. Il mercato target include elettronica di consumo, automazione industriale, sistemi di sicurezza e qualsiasi applicazione che richieda luce non visibile per segnalazione, rilevamento o trasmissione dati.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Il frammento PDF fornito evidenzia un singolo, critico parametro fotometrico: la lunghezza d'onda di picco.

2.1 Caratteristiche Fotometriche

Lunghezza d'onda di picco (λp): 940nm

Questa è la lunghezza d'onda più prominente emessa dal LED, dove l'intensità radiante è massima. Un picco a 940nm è significativo per diverse ragioni:

• Compatibilità con Rivelatori al Silicio:I fotodiodi e i fototransistor al silicio, i rivelatori IR più comuni, hanno una sensibilità di picco tipicamente nell'intervallo da 800nm a 950nm. Una sorgente a 940nm si allinea bene con questo, garantendo un rilevamento efficiente e una forza del segnale elevata.
• Bassa Emissione di Luce Visibile:Mentre alcuni LED nel vicino infrarosso emettono una debole luce rossa, i LED a 940nm sono praticamente invisibili, rendendoli ideali per applicazioni coperte o dove la fuoriuscita di luce visibile è indesiderabile.
• Immunità alla Luce Solare:Lo spettro dell'irraggiamento solare ha un minimo locale intorno ai 940nm, il che aiuta i sensori che utilizzano questa lunghezza d'onda a essere meno suscettibili alle interferenze della luce solare ambientale rispetto, ad esempio, ai LED a 850nm.

Sebbene l'estratto PDF mostri solo la lunghezza d'onda di picco, una scheda tecnica completa includerebbe tipicamente parametri fotometrici aggiuntivi come l'intensità radiante (in milliwatt per steradiante, mW/sr), l'angolo di visione (angolo a metà intensità in gradi) e la larghezza di banda spettrale (larghezza a metà altezza, FWHM, in nm).

2.2 Parametri Elettrici

Sebbene non elencati esplicitamente nel testo fornito, comprendere le caratteristiche elettriche è fondamentale per la progettazione.

• Tensione Diretta (Vf):La caduta di tensione ai capi del LED quando opera alla sua corrente specificata. Per i tipici LED IR, questo valore varia spesso da 1,2V a 1,6V, ma il valore esatto dipende dal materiale semiconduttore e dal design del chip. Questo parametro è cruciale per selezionare un resistore limitatore di corrente o un circuito di pilotaggio appropriato.
• Corrente Diretta (If):La corrente operativa continua raccomandata, tipicamente tra 20mA e 100mA per package standard. Superare la massima corrente diretta può portare a un rapido degrado o a un guasto catastrofico.
• Tensione Inversa (Vr):La massima tensione che il LED può sopportare quando polarizzato inversamente senza danni, solitamente intorno a 5V. Superare questo valore può rompere la giunzione PN.
• Dissipazione di Potenza:Calcolata come Vf * If, determina il carico termico sul componente e influenza la necessità di dissipatori termici.

2.3 Caratteristiche Termiche

Le prestazioni e la durata del LED dipendono fortemente dalla temperatura di giunzione.

• Resistenza Termica (Rθj-a):La resistenza al flusso di calore dalla giunzione del semiconduttore all'aria ambiente, espressa in gradi Celsius per watt (°C/W). Un valore più basso indica una migliore capacità di dissipazione del calore.
• Temperatura Massima di Giunzione (Tj max):La massima temperatura consentita alla giunzione del semiconduttore. Operare al di sopra di questo limite riduce drasticamente la durata del LED. Un corretto layout del PCB (via termiche, area di rame) è essenziale per mantenere Tj entro i limiti.
• Curva di Derating:Un grafico che mostra come la massima corrente diretta consentita diminuisce all'aumentare della temperatura ambiente. Questo è uno strumento di progettazione critico per garantire l'affidabilità in tutte le condizioni operative.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

Le variazioni di produzione significano che i LED non sono identici. Un sistema di binning categorizza i componenti in base a parametri chiave per garantire coerenza all'interno di un lotto di produzione.

• Binning per Lunghezza d'Onda/Lunghezza d'Onda di Picco:I LED vengono suddivisi in bin in base alla loro effettiva lunghezza d'onda di picco, ad es. 935-945nm, 940-950nm. Ciò garantisce la coerenza del colore per l'applicazione.
• Binning per Intensità Radiante/Flusso:I componenti sono raggruppati in base alla loro potenza luminosa misurata. Ad esempio, i bin potrebbero essere definiti come valori Min/Tip/Max di intensità radiante a una specifica corrente di test.
• Binning per Tensione Diretta:I LED vengono suddivisi in base alla loro Vf a una corrente di test. Questo aiuta a progettare circuiti più uniformi, specialmente quando più LED sono collegati in serie.

I progettisti devono specificare i bin richiesti quando ordinano per garantire le prestazioni necessarie per la loro applicazione.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

I dati grafici forniscono una comprensione più profonda rispetto alle specifiche a punto singolo.

4.1 Curva Corrente-Tensione (I-V)

Questa curva mostra la relazione tra tensione diretta e corrente diretta. È non lineare, esibendo una tensione di "ginocchio" (tipicamente ~1,2V per i LED IR) al di sopra della quale la corrente aumenta rapidamente con piccoli aumenti di tensione. Ciò sottolinea l'importanza del controllo di corrente, non del controllo di tensione, per pilotare i LED.

4.2 Caratteristiche di Temperatura

I grafici chiave includono:

• Tensione Diretta vs. Temperatura di Giunzione:Vf ha un coefficiente di temperatura negativo, il che significa che diminuisce all'aumentare della temperatura. Questo può essere utilizzato per il rilevamento della temperatura.
• Intensità Radiante vs. Temperatura di Giunzione:L'output luminoso tipicamente diminuisce all'aumentare della temperatura. La pendenza di questa curva indica la stabilità termica dell'output.
• Intensità Relativa vs. Corrente Diretta:Mostra come l'output luminoso scala con la corrente di pilotaggio, solitamente in una relazione lineare o leggermente sub-lineare fino a quando gli effetti termici dominano.

4.3 Distribuzione Spettrale

Un grafico che traccia l'intensità relativa rispetto alla lunghezza d'onda. Per un LED a 940nm, questa curva sarebbe centrata intorno ai 940nm con una tipica FWHM di 40-50nm. La forma e la larghezza di questa curva influenzano il modo in cui la luce interagisce con filtri e rivelatori.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

Il PDF menziona termini di imballaggio ma manca di un disegno dimensionale.

• Tipo di Package:I package comuni per LED IR includono quelli radiali da 3mm, 5mm e package per montaggio superficiale (SMD) come 0805, 1206 o package IR specializzati.
• Dimensioni:Un disegno meccanico dettagliato specificherebbe lunghezza, larghezza, altezza, diametro/spaziatura dei terminali (per i forati) o dimensioni dei pad (per SMD).
• Design dei Pad/Land Pattern:Per i componenti SMD, l'impronta PCB raccomandata (dimensione, forma e spaziatura dei pad) è critica per una saldatura affidabile e la resistenza meccanica.
• Identificazione della Polarità:I LED sono diodi e devono essere collegati con la polarità corretta. L'identificazione avviene tipicamente tramite un bordo piatto sulla lente, un terminale dell'anodo più lungo o un catodo contrassegnato sul corpo del package SMD.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Una manipolazione corretta garantisce l'affidabilità.

• Profilo di Rifusione:Per i componenti SMD, deve essere seguito un profilo tempo-temperatura che specifichi pre-riscaldamento, stabilizzazione, temperatura di picco di rifusione (tipicamente 260°C max per pochi secondi) e velocità di raffreddamento.
• Saldatura Manuale:Se applicabile, vengono fornite linee guida per la temperatura del saldatore (<350°C) e il tempo massimo di saldatura per terminale (es. 3 secondi) per prevenire danni termici alla lente epossidica o al semiconduttore.
• Precauzioni ESD:I LED sono sensibili alle scariche elettrostatiche. La manipolazione dovrebbe avvenire su postazioni di lavoro protette da ESD utilizzando attrezzature messe a terra. La menzione di una "busta antistatica" nel PDF evidenzia questo requisito.
• Condizioni di Stoccaggio:I componenti dovrebbero essere conservati in un ambiente asciutto e controllato (es. <40°C/40% UR) per prevenire l'assorbimento di umidità, che può causare il fenomeno del "popcorning" durante la rifusione.

7. Imballaggio e Informazioni per l'Ordine

Il frammento PDF elenca diversi livelli di imballaggio.

• Busta Antistatica:La barriera primaria contro l'umidità e l'ESD per i componenti sfusi o i nastri.
• Cartone Interno:Contiene più buste antistatiche o nastri.
• Cartone Esterno:Il cartone di spedizione principale contenente più cartoni interni.
• Quantità di Imballo:La quantità standard per nastro (es. 1000pz), per busta o per cartone.
• Etichettatura:Le etichette dovrebbero includere il numero di parte, la quantità, il codice data, il numero di lotto/serie e il livello di sensibilità ESD/umidità (MSL).
• Regola di Numerazione del Modello:Un numero di parte completo tipicamente codifica attributi chiave come tipo di package, bin della lunghezza d'onda, bin dell'intensità e bin della tensione diretta.

8. Raccomandazioni per l'Applicazione

8.1 Scenari Applicativi Tipici

• Telecomandi a Infrarossi:Per TV, decoder, sistemi audio. La lunghezza d'onda di 940nm è lo standard del settore.
• Sensori di Prossimità e Presenza:Utilizzati negli smartphone (per disabilitare il touchscreen durante le chiamate), rubinetti automatici, dosatori di sapone.
• Rilevamento e Conteggio Oggetti:Nell'automazione industriale, distributori automatici e barriere di sicurezza.
• Trasmissione Dati Ottica:Per collegamenti dati a corto raggio e bassa velocità (IrDA era uno standard comune).
• Illuminazione per Visione Notturna:Abbinati a telecamere sensibili agli IR per sorveglianza in condizioni di scarsa illuminazione.

8.2 Considerazioni di Progettazione

• Circuito di Pilotaggio:Utilizzare sempre un resistore limitatore di corrente in serie o un driver a corrente costante. Calcolare il valore del resistore usando R = (Tensione di Alimentazione - Vf) / If.
• Layout del PCB:Fornire un'adeguata area di rame o via termiche sotto il pad termico del LED (se SMD) per dissipare il calore.
• Design Ottico:Considerare lenti o aperture per modellare il fascio. L'angolo di visione del LED deve corrispondere al campo visivo del rivelatore.
• Filtraggio:Utilizzare un filtro passa-IR sul rivelatore per bloccare la luce visibile e migliorare il rapporto segnale/rumore.
• Modulazione:Per applicazioni di rilevamento, modulare il segnale IR (es. a 38kHz) e utilizzare un rivelatore sincronizzato può respingere efficacemente le interferenze della luce ambientale.

9. Confronto Tecnico

Rispetto ad altre sorgenti IR:

• vs. LED IR 850nm:I LED a 850nm spesso hanno una debole luce rossa e sono più suscettibili alle interferenze solari, ma possono offrire un'intensità radiante leggermente superiore a parità di corrente di pilotaggio grazie all'efficienza del materiale. I 940nm sono preferiti per operazioni coperte e un migliore rifiuto della luce solare.
• vs. Diodi Laser:I laser forniscono un fascio coerente e stretto ideale per il rilevamento a lungo raggio o di precisione, ma sono più costosi, richiedono misure di pilotaggio e sicurezza più complesse e hanno uno spettro di emissione più stretto.
• vs. Sorgenti IR a Incandescenza:Le sorgenti basate su filamento emettono IR a largo spettro ma sono inefficienti, lente, fragili e generano calore significativo.

Il LED a 940nm offre un equilibrio ottimale tra costo, efficienza, affidabilità e prestazioni per le applicazioni consumer e industriali mainstream.

10. Domande Frequenti (FAQ)

D: Perché il mio LED a 940nm non è visibile?

R: La sensibilità dell'occhio umano cala drasticamente oltre circa 750nm. I 940nm sono ben all'interno dello spettro infrarosso e sono essenzialmente invisibili, caratteristica chiave per molte applicazioni.

D: Posso pilotare questo LED direttamente da un pin di un microcontrollore a 5V o 3,3V?

R: No. Devi sempre utilizzare un resistore limitatore di corrente in serie. Un pin GPIO di un microcontrollore non può fornire una corrente stabile e potrebbe essere danneggiato dalla bassa tensione diretta del LED, creando una condizione di quasi-cortocircuito.

D: Come determino il valore ottimale del resistore?

R: Usa la Legge di Ohm: R = (Vs - Vf) / If. Ad esempio, con Vs=5V, Vf=1,4V (tipico) e If=20mA: R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ohm. Usa il prossimo valore standard (es. 180Ω o 220Ω).

D: Qual è lo scopo della "busta antistatica" menzionata?

R: Protegge il LED dalle scariche elettrostatiche (ESD) durante lo stoccaggio e il trasporto, che possono danneggiare la sensibile giunzione del semiconduttore anche se il danno non è immediatamente visibile.

D: La temperatura ambiente influisce sulle prestazioni?

R: Sì, in modo significativo. L'intensità radiante diminuisce all'aumentare della temperatura e la tensione diretta diminuisce. Per applicazioni critiche, consultare le curve di derating e progettare la gestione termica di conseguenza.

11. Casi d'Uso Pratici

Caso Studio 1: Sensore di Prossimità per Smartphone

Un LED a 940nm è posizionato vicino all'auricolare. Quando una chiamata è attiva, il LED emette un breve impulso. Un fotorivelatore vicino misura la luce riflessa. Se un oggetto (come l'orecchio dell'utente) è vicino, il segnale riflesso è forte e il touchscreen viene disabilitato per prevenire input accidentali. La lunghezza d'onda di 940nm garantisce che non si veda alcuna luce visibile durante la chiamata.

Caso Studio 2: Contatore Oggetti per Nastro Trasportatore Industriale

Un LED IR e un rivelatore sono montati sui lati opposti di un nastro trasportatore, creando un fascio. Quando un oggetto passa attraverso, interrompe il fascio, attivando un contatore. L'uso di un segnale modulato a 940nm aiuta il sistema a ignorare la radiazione IR costante da oggetti caldi o macchinari sul pavimento della fabbrica.

12. Principio di Funzionamento

Un LED a infrarossi è un diodo a giunzione p-n semiconduttore. Quando polarizzato direttamente (tensione positiva applicata al lato p, anodo), gli elettroni dalla regione n vengono iniettati attraverso la giunzione nella regione p, e le lacune dalla regione p vengono iniettate nella regione n. Questi portatori minoritari si ricombinano con i portatori maggioritari nelle regioni opposte. In un materiale semiconduttore a bandgap diretto come l'Arseniuro di Gallio (GaAs) o l'Arseniuro di Alluminio Gallio (AlGaAs), comunemente usato per i LED IR, questo evento di ricombinazione rilascia energia sotto forma di un fotone (particella di luce). La lunghezza d'onda (colore) del fotone emesso è determinata dall'energia del bandgap (Eg) del materiale semiconduttore, secondo l'equazione λ ≈ 1240 / Eg (eV), dove λ è in nanometri. Per una lunghezza d'onda di 940nm, l'energia del bandgap è di circa 1,32 eV. La composizione specifica del materiale (es. AlGaAs) è progettata per ottenere questo preciso bandgap.

13. Tendenze Tecnologiche

Lo sviluppo dei LED IR segue diverse tendenze chiave guidate dalle richieste delle applicazioni:

• Aumento della Potenza e dell'Efficienza:I continui miglioramenti nella scienza dei materiali e nel design dei chip producono una maggiore intensità radiante ed efficienza wall-plug (potenza ottica in uscita / potenza elettrica in ingresso), consentendo una portata maggiore o un consumo energetico inferiore.
• Miniaturizzazione:Le dimensioni dei package continuano a ridursi (es. package chip-scale) per adattarsi a dispositivi consumer sempre più piccoli come i wearable e gli smartphone ultra-sottili.
• Soluzioni Integrate:C'è una tendenza verso moduli che combinano il LED, il driver, il fotorivelatore e talvolta persino un microcontrollore in un unico package, semplificando la progettazione per gli utenti finali (es. moduli completi per sensori di prossimità).
• Espansione in Nuovi Spettri:Mentre 850nm e 940nm dominano, c'è un crescente interesse per altre lunghezze d'onda IR per applicazioni specializzate, come il rilevamento di gas (utilizzando linee di assorbimento specifiche) o l'imaging avanzato dei tessuti biologici.
• Gestione Termica Migliorata:Nuovi design di package con una resistenza termica inferiore consentono correnti di pilotaggio più elevate e un output sostenuto in ambienti impegnativi.

Queste tendenze mirano a rendere il rilevamento IR più affidabile, compatto, energeticamente efficiente e accessibile per una gamma più ampia di applicazioni, dal LiDAR automobilistico e l'autenticazione biometrica al monitoraggio ambientale avanzato.