Scheda Tecnica LED Infrarosso Subminiaturizzato IR42-21C/TR8 - Diametro 1.8mm - Tensione 1.2V - Potenza 130mW - Lente Trasparente - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'IR42-21C/TR8 è un diodo emettitore infrarosso subminiaturizzato a montaggio superficiale, progettato per applicazioni optoelettroniche compatte. Presenta un package rotondo del diametro di 1.8mm realizzato in plastica trasparente con lente superiore sferica, che ottimizza l'emissione luminosa. Il dispositivo utilizza un chip in Arseniuro di Gallio e Alluminio (GaAlAs), spettralmente abbinato ai fotodiodi e fototransistor al silicio, garantendo un rilevamento efficiente nei sistemi sensoriali. I suoi obiettivi progettuali principali sono la miniaturizzazione, la compatibilità con i processi di assemblaggio automatizzato e prestazioni affidabili in una gamma di dispositivi elettronici consumer e industriali.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Questo LED offre diversi vantaggi chiave per i progettisti. La sua bassa tensione diretta (tipicamente 1.2V) contribuisce a un funzionamento energeticamente efficiente. Il componente è pienamente conforme alle normative senza piombo (Pb-free), RoHS, EU REACH e senza alogeni (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm), rendendolo adatto ai mercati globali con severi standard ambientali. È compatibile sia con i processi di saldatura a rifusione a infrarossi che in fase vapore, facilitando l'assemblaggio automatizzato di PCB su larga scala. I mercati target principali includono i produttori di sensori infrarossi compatti, barriere luminose miniaturizzate per l'automazione, unità floppy disk (per sistemi legacy o specializzati), interruttori optoelettronici generici e sistemi di rilevamento fumo dove è richiesta una sorgente IR invisibile.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Le prestazioni dell'IR42-21C/TR8 sono definite da una serie di valori massimi assoluti e caratteristiche elettro-ottiche misurate a una temperatura ambiente standard (Ta) di 25°C. Comprendere questi parametri è fondamentale 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 Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non devono mai essere superati, nemmeno momentaneamente. La corrente diretta continua (IF) è nominalmente 65 mA. La massima tensione inversa ammissibile (VR) è di 5 V. Il dispositivo può operare in un intervallo di temperatura ambiente (Topr) compreso tra -25°C e +85°C e può essere conservato (Tstg) tra -40°C e +85°C. La temperatura di saldatura (Tsol) non deve superare i 260°C per una durata di 5 secondi o meno durante i processi di rifusione. La dissipazione di potenza totale (Pd) a una temperatura dell'aria libera pari o inferiore a 25°C è di 130 mW. Superare uno qualsiasi di questi limiti rischia di causare guasti catastrofici o un degrado accelerato.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

Questi parametri, tipicamente misurati a una corrente diretta (IF) di 20 mA, definiscono le prestazioni funzionali del dispositivo. L'intensità radiante (Ie), una misura della potenza ottica emessa per angolo solido, ha un valore minimo di 1.0 mW/sr e un valore tipico di 3.0 mW/sr. La lunghezza d'onda di picco (λp) è tipicamente 940 nm, collocandola saldamente nello spettro del vicino infrarosso, ideale per i rivelatori al silicio. La larghezza di banda spettrale (Δλ) è tipicamente 45 nm, definendo l'intervallo di lunghezze d'onda emesse. La tensione diretta (VF) ha un valore tipico di 1.2 V e un massimo di 1.5 V a 20 mA. La corrente inversa (IR) è al massimo di 10 µA quando viene applicata una polarizzazione inversa di 5 V. L'angolo di visione (2θ1/2), definito come l'angolo totale in cui l'intensità radiante scende alla metà del suo valore di picco, è tipicamente di 30 gradi, fornendo un fascio moderatamente focalizzato.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano come i parametri chiave variano in funzione delle condizioni operative. Questi grafici sono essenziali per comprendere il comportamento nel mondo reale al di là delle specifiche puntuali a 25°C.

3.1 Corrente Diretta vs. Temperatura Ambiente

Questa curva mostra la relazione tra la corrente diretta continua ammissibile e la temperatura ambiente. All'aumentare della temperatura ambiente, la massima corrente diretta consentita diminuisce linearmente. Questa derating è necessaria per impedire che la temperatura di giunzione superi il suo limite, che è legato alla potenza di dissipazione nominale. I progettisti devono utilizzare questo grafico per selezionare una corrente operativa appropriata per la massima temperatura ambiente prevista dalla loro applicazione.

3.2 Distribuzione Spettrale

La curva di distribuzione spettrale traccia l'intensità radiante relativa in funzione della lunghezza d'onda. Conferma visivamente la lunghezza d'onda di picco di 940 nm e la larghezza di banda spettrale di circa 45 nm. La curva è asimmetrica, come è tipico per gli spettri di emissione dei LED. Questa informazione è cruciale per le applicazioni che richiedono un abbinamento spettrale specifico con la curva di responsività di un fotorivelatore.

3.3 Corrente Diretta vs. Tensione Diretta

Questa curva caratteristica IV (Corrente-Tensione) è non lineare, come per tutti i diodi. Mostra che un piccolo aumento della tensione diretta oltre la tensione di "ginocchio" provoca un grande aumento esponenziale della corrente diretta. Ciò sottolinea l'importanza critica di utilizzare una resistenza di limitazione in serie o un driver a corrente costante per prevenire la fuga termica e la distruzione del LED da sovracorrente.

3.4 Intensità Radiante Relativa vs. Spostamento Angolare

Questo grafico polare illustra il modello di emissione spaziale del LED. L'intensità è normalizzata al suo valore massimo a 0 gradi (sull'asse). La curva mostra come l'intensità diminuisce all'aumentare dell'angolo di osservazione, definendo l'angolo di visione di 30 gradi dove l'intensità è il 50% del picco. Il modello è generalmente lambertiano (simile al coseno) per questo package a cupola, il che è utile per calcolare l'irradianza su un rivelatore.

4. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

4.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo è racchiuso in un package SMD rotondo compatto con un diametro di 1.8mm. I disegni meccanici dettagliati nella scheda tecnica forniscono tutte le dimensioni critiche, inclusa l'altezza del corpo, la spaziatura dei terminali e la geometria della lente. Tutte le dimensioni sono in millimetri, con tolleranze standard di ±0.1mm salvo diversa indicazione. Viene fornito un layout consigliato per le piazzole per il progetto del PCB, ma è esplicitamente indicato che questo è solo a titolo di riferimento e dovrebbe essere modificato in base alle esigenze specifiche del processo e di gestione termica.

4.2 Identificazione della Polarità e Nastri Portacomponenti

Il package presenta un lato piatto o un'analoga marcatura per indicare il terminale catodico (negativo), essenziale per il corretto orientamento durante l'assemblaggio. Per la produzione su larga scala, i componenti sono forniti su bobine di nastro portacomponenti. La scheda tecnica include le dimensioni del nastro portacomponenti, specificando la dimensione della tasca, il passo e il diametro della bobina. Una bobina standard contiene 1000 pezzi, tipica per le macchine pick-and-place automatizzate.

5. Linee Guida per la Saldatura e l'Assemblaggio

Una manipolazione e una saldatura corrette sono vitali per l'affidabilità. Il LED è sensibile all'umidità e viene fornito in una busta barriera all'umidità con essiccante.

5.1 Conservazione e Sensibilità all'Umidità

Prima di aprire la busta sigillata, i LED devono essere conservati a 30°C o meno e con un'umidità relativa (UR) del 90% o inferiore. La durata di conservazione è di un anno. Dopo l'apertura della busta, i componenti devono essere mantenuti a 30°C/60%UR o meno e devono essere utilizzati entro 168 ore (7 giorni). Se il tempo di conservazione viene superato o l'essiccante indica l'ingresso di umidità, è necessario un trattamento di baking a 60 ± 5°C per 24 ore prima dell'uso per rimuovere l'umidità assorbita e prevenire l'effetto "popcorning" durante la saldatura a rifusione.

5.2 Parametri di Saldatura a Rifusione

Il dispositivo è compatibile con i profili di saldatura a rifusione senza piombo (Pb-free). Viene raccomandato un profilo di temperatura specifico, che tipicamente coinvolge una fase di preriscaldamento, una zona di stabilizzazione, una zona di temperatura di picco non superiore a 260°C per un massimo di 5 secondi e una fase di raffreddamento controllato. La saldatura a rifusione non dovrebbe essere eseguita più di due volte. Durante il riscaldamento, non deve essere applicato alcuno stress meccanico al corpo del LED o ai terminali, e il PCB non deve risultare deformato dopo la saldatura.

5.3 Saldatura Manuale e Rilavorazione

Se la saldatura manuale è inevitabile, è necessario prestare estrema attenzione. La temperatura della punta del saldatore dovrebbe essere inferiore a 350°C e il tempo di contatto con ciascun terminale dovrebbe essere limitato a 3 secondi o meno. Si raccomanda un saldatore a bassa potenza (25W o meno). Dovrebbe essere osservata una pausa di almeno 2 secondi tra la saldatura di ciascun terminale. La rilavorazione dopo la saldatura iniziale è fortemente sconsigliata. Se assolutamente necessaria, dovrebbe essere utilizzato un saldatore a doppia testa specializzato per riscaldare simultaneamente entrambi i terminali e rimuovere il componente senza sollecitare il package. Il potenziale di danneggiamento durante la rilavorazione è elevato.

6. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progetto

6.1 Circuiti Applicativi Tipici

Il circuito applicativo più fondamentale è una semplice connessione in serie del LED, di una resistenza di limitazione e di una sorgente di tensione. Il valore della resistenza (R) si calcola utilizzando la Legge di Ohm: R = (V_sorgente - VF_LED) / IF. Ad esempio, con una sorgente di 5V, una VF di 1.2V e una IF desiderata di 20mA, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ohm. Una resistenza da 200 Ohm sarebbe un valore standard adatto. Per un funzionamento più stabile, specialmente con una tensione di alimentazione variabile, è preferibile un circuito driver a corrente costante.

6.2 Considerazioni di Progetto per Sistemi a Infrarossi

Quando si progetta un sistema di rilevamento a infrarossi, devono essere considerati diversi fattori. L'allineamento ottico tra il LED IR e il fotorivelatore è critico, specialmente con un fascio di 30 gradi. Il rifiuto della luce ambiente è spesso necessario; ciò può essere ottenuto modulando la corrente di pilotaggio del LED e utilizzando un circuito rivelatore sincronizzato per filtrare la luce ambiente continua. L'intensità radiante e la sensibilità del rivelatore devono essere abbinate per la distanza di rilevamento richiesta. La gestione termica dovrebbe essere considerata se si opera vicino ai valori massimi, poiché l'aumento della temperatura di giunzione riduce l'emissione luminosa e la durata di vita.

7. Confronto Tecnico e Differenziazione

Rispetto ai LED IR a foro passante più grandi, il vantaggio principale dell'IR42-21C/TR8 è la sua impronta SMD miniaturizzata, che consente progetti PCB più piccoli, leggeri e automatizzati. Rispetto ad altri LED IR SMD, i suoi fattori chiave di differenziazione sono le specifiche dimensioni del package rotondo da 1.8mm, la lunghezza d'onda di picco di 940nm ottimizzata per i rivelatori al silicio e la sua conformità alle più recenti normative ambientali (Senza Alogeni, REACH). La lente trasparente, a differenza di una lente colorata o diffondente, massimizza la trasmissione della luce infrarossa, producendo una maggiore intensità radiante per un dato ingresso elettrico.

8. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Perché una resistenza di limitazione è assolutamente necessaria?

R: La curva IV mostra la relazione esponenziale tra tensione e corrente del LED. Un leggero aumento della tensione di alimentazione o una diminuzione della tensione diretta del LED (dovuta alla temperatura) può causare un enorme e incontrollato picco di corrente, portando a un'immediata bruciatura. La resistenza fornisce un'impedenza lineare e stabilizzante.

D: Posso pilotare questo LED direttamente con un pin di un microcontrollore a 3.3V?

R: Possibile, ma non in modo ottimale. Con una VF di 1.2V, sarebbe necessaria una resistenza in serie. La corrente disponibile da un pin GPIO è spesso limitata (es. 20-25mA). Devi assicurarti che il consumo totale di corrente, incluso il calcolo della resistenza (R = (3.3V - 1.2V) / I_desiderata), non superi la capacità di erogazione di corrente del GPIO. Per correnti più elevate o più LED, è necessario un driver a transistor.

D: Cosa significa "spettralmente abbinato al fotorivelatore al Si"?

R: I fotodiodi e fototransistor al silicio hanno una sensibilità di picco nella regione del vicino infrarosso, intorno agli 800-900nm. L'emissione di picco di questo LED a 940nm rientra in questa zona ad alta responsività, garantendo la massima efficienza di trasferimento del segnale dalla sorgente luminosa al rivelatore, risultando in un migliore rapporto segnale/rumore e portata del sistema.

D: Quanto sono critiche le istruzioni sulla sensibilità all'umidità e sul baking?

R: Estremamente critiche per i componenti SMD. L'umidità assorbita può vaporizzarsi rapidamente durante il processo di saldatura a rifusione ad alta temperatura, causando delaminazione interna, crepe o l'effetto "popcorning" che distrugge il dispositivo. Seguire le procedure di gestione del MSL (Livello di Sensibilità all'Umidità) è essenziale per la resa produttiva e l'affidabilità a lungo termine.

9. Studio di Caso Pratico di Progetto e Utilizzo

Scenario: Progettazione di un Sensore di Rilevamento Oggetti Compatto.Un progettista deve creare un sensore di rilevamento oggetti senza contatto per un piccolo dispositivo automatizzato. Lo spazio è limitato, richiedendo un componente SMD. Seleziona l'IR42-21C/TR8 per le sue piccole dimensioni. Lo abbina a un fototransistor in una configurazione retro-riflettente: entrambi i componenti sono posizionati fianco a fianco sullo stesso PCB, rivolti nella stessa direzione. Un oggetto che passa davanti riflette il fascio IR sul fototransistor. Il progettista utilizza l'intensità radiante tipica (3.0 mW/sr) e la sensibilità del fototransistor per calcolare la corrente necessaria per la distanza di rilevamento desiderata di 10cm. Implementa un semplice circuito a timer 555 per pilotare il LED a impulsi a 1kHz, e il circuito rivelatore include un filtro passa-banda sintonizzato su 1kHz per rifiutare il tremolio della luce ambiente a 50/60Hz e la luce solare continua. La resistenza di limitazione è scelta per fornire una corrente di pilotaggio di 15mA, ben all'interno del rating del LED, per garantirne la longevità. Il package SMD compatto consente all'intero assemblaggio del sensore di adattarsi a un alloggiamento di larghezza inferiore a 15mm.

10. Principio di Funzionamento e Tendenze Tecnologiche

10.1 Principio di Funzionamento

Un Diodo Emettitore di Luce Infrarossa (IR LED) opera sul principio dell'elettroluminescenza in una giunzione p-n di un semiconduttore. Quando viene applicata una tensione diretta, gli elettroni dalla regione di tipo n e le lacune dalla regione di tipo p vengono iniettati attraverso la giunzione. Quando questi portatori di carica si ricombinano nella regione attiva (il chip GaAlAs in questo caso), l'energia viene rilasciata sotto forma di fotoni (luce). Il particolare bandgap energetico del materiale semiconduttore GaAlAs determina la lunghezza d'onda dei fotoni emessi, che per questo dispositivo è nello spettro infrarosso (940nm). Il package in resina epossidica trasparente funge da lente, modellando la luce emessa nell'angolo di visione specificato.

10.2 Tendenze del Settore

La tendenza nell'optoelettronica, come in tutta l'elettronica, è verso un'ulteriore miniaturizzazione, una maggiore efficienza e una maggiore integrazione. Mentre il principio di base del LED IR rimane stabile, i progressi si vedono nella tecnologia di packaging (impronte ancora più piccole come 0402 o package chip-scale), materiali epitassiali migliorati per una maggiore efficienza wall-plug (più luce emessa per watt di ingresso elettrico) e l'integrazione di driver e logica di controllo in moduli LED "intelligenti". C'è anche una continua spinta verso opzioni spettrali più ampie e dispositivi capaci di operare a velocità di modulazione più elevate per applicazioni di comunicazione dati (come IRDA). La conformità ambientale (Senza Alogeni, produzione con minore impronta di carbonio) rimane un forte driver in tutto il settore.