Ficha Técnica do LED Infravermelho de Alta Potência HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR - 5.0x5.0x1.9mm - 850nm - 3.1V - 3W - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR é um diodo emissor de infravermelho de alta potência projetado para aplicações de iluminação exigentes. Apresenta um encapsulamento miniatura de montagem em superfície (SMD) com encapsulamento de silicone transparente e uma lente esférica superior, otimizando a extração de luz e o padrão de radiação. A saída espectral do dispositivo está centrada em 850nm, tornando-o idealmente compatível com fotodiodos e fototransistores de silício para sistemas de sensoriamento e imagem. Suas principais vantagens incluem alta potência radiante em um formato compacto, excelentes características de gerenciamento térmico e conformidade com padrões ambientais e de segurança modernos, como RoHS, REACH e requisitos livres de halogênio.

1.1 Aplicações Alvo

Este LED infravermelho é direcionado principalmente a aplicações que requerem iluminação robusta e invisível. Suas principais áreas de aplicação incluem sistemas de vigilância e segurança, onde é usado para fornecer iluminação noturna para câmeras CCD. Também é adequado para vários sistemas baseados em infravermelho, como sensores de proximidade, módulos de reconhecimento de gestos e visão industrial. A alta potência radiante permite iluminação de longo alcance ou cobertura de áreas mais amplas em comparação com LEDs infravermelhos padrão.

2. Especificações Técnicas e Interpretação Objetiva

O desempenho do dispositivo é definido sob condições de teste padrão (T_A=25°C). Uma análise objetiva e detalhada de seus principais parâmetros é fornecida abaixo.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de estresse além dos quais danos permanentes ao dispositivo podem ocorrer. Eles não se destinam à operação normal.

• Corrente Direta Contínua (I_F): 1500 mA. Esta é a corrente DC máxima que pode ser aplicada indefinidamente sem exceder o limite de temperatura da junção.
• Corrente Direta de Pico (I_FP): 5000 mA. Esta alta corrente é permitida apenas sob condições pulsadas (largura de pulso ≤100μs, ciclo de trabalho ≤1%), útil para iluminação de alta intensidade em rajadas curtas.
• Tensão Reversa (V_R): 5 V. Exceder esta tensão em polarização reversa pode causar ruptura da junção.
• Temperatura da Junção (T_j): 115 °C. A temperatura máxima permitida na junção semicondutora.
• Dissipação de Potência (P_d): 3 W em I_F=700mA. Isto indica a capacidade do dispositivo de lidar com a geração de calor em um ponto operacional específico.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros definem a saída de luz e o comportamento elétrico sob condições operacionais típicas.

• Potência Radiada Total (P_o): A potência óptica emitida em todas as direções. Com corrente de acionamento de 1A, o valor típico varia de 900mW a 1100mW, indicando alta eficiência.
• Intensidade Radiante (I_E): A potência óptica por ângulo sólido, medida em mW/sr. A 1A, é tipicamente entre 230 e 270 mW/sr. Esta métrica é relevante para aplicações de feixe direcionado.
• Comprimento de Onda de Pico (λ_P): 850 nm. Este é o comprimento de onda no qual a saída espectral é mais forte, perfeitamente alinhado com a sensibilidade de pico dos detectores de silício.
• Largura de Banda Espectral (Δλ): 25 nm. Isto define a faixa de comprimentos de onda emitidos, tipicamente a largura total à meia altura (FWHM).
• Tensão Direta (V_F): Tipicamente 3.10V a 1A. Esta é a queda de tensão no LED durante a operação, crucial para o projeto do acionador e cálculos de dissipação de potência.
• Ângulo de Visão (2θ_1/2): 150 graus. Este ângulo de visão muito amplo fornece iluminação difusa e ampla, em vez de um foco estreito, ideal para cobertura de área.

2.3 Características Térmicas

O gerenciamento térmico eficaz é crítico para LEDs de alta potência manterem desempenho e longevidade.

• Resistência Térmica (R_th(j-L)): 18 K/W (junção para terminais). Este valor baixo indica boa transferência de calor interna do chip para os terminais do encapsulamento, mas o uso de dissipador externo é fortemente recomendado para operação em altas correntes.

3. Explicação do Sistema de Binning

O dispositivo é classificado (binning) com base em sua potência radiante de saída em uma corrente de teste padrão de 1000mA. Isto garante consistência no desempenho da aplicação.

• Bin F: Potência Radiante de 640 mW a 1000 mW.
• Bin G: Potência Radiante de 800 mW a 1260 mW.
• Bin H: Potência Radiante de 1000 mW a 1600 mW.

O código de bin permite que os projetistas selecionem LEDs com saída mínima garantida para suas necessidades específicas de aplicação. Todas as medições incluem uma tolerância de teste de ±10%.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características essenciais para entender o comportamento do dispositivo sob condições variáveis.

4.1 Corrente Direta vs. Tensão Direta (Curva IV)

Esta curva mostra a relação não linear entre corrente e tensão. É essencial para projetar o circuito limitador de corrente. A curva mostrará uma tensão de limiar (cerca de 1.2V para GaAlAs) após a qual a corrente aumenta rapidamente com um pequeno aumento na tensão.

4.2 Corrente Direta vs. Intensidade Radiante/Potência

Estas curvas demonstram a dependência da saída de luz com a corrente de acionamento. Tipicamente, a saída aumenta de forma super-linear em correntes mais baixas e tende a saturar em correntes mais altas devido a efeitos térmicos e queda de eficiência. As curvas fornecidas para este dispositivo a 350mA, 700mA e 1A ilustram esta tendência.

4.3 Intensidade Radiante Relativa vs. Deslocamento Angular

Este gráfico polar visualiza o ângulo de visão de 150 graus. Mostra o padrão de radiação, que é quase Lambertiano (distribuição cosseno) devido à lente esférica, fornecendo iluminação uniforme sobre uma área ampla.

4.4 Corrente Direta vs. Temperatura Ambiente

Este gráfico é crítico para o derating. Mostra como a corrente direta máxima permitida deve ser reduzida à medida que a temperatura ambiente aumenta, para evitar que a temperatura da junção exceda seu limite de 115°C. Esta curva informa diretamente o projeto térmico e os requisitos do dissipador.

5. Informações Mecânicas e do Encapsulamento

5.1 Dimensões do Encapsulamento

O dispositivo é acondicionado em um encapsulamento SMD compacto de 5.0mm x 5.0mm com altura de 1.9mm. A lente é uma cúpula esférica proeminente. As tolerâncias dimensionais críticas são ±0.1mm, salvo indicação em contrário. Um aviso específico é dado para não manusear o dispositivo pela lente, pois o estresse mecânico pode causar falha.

5.2 Configuração dos Terminais e Identificação de Polaridade

O encapsulamento possui três terminais: Terminal 1 (Ânodo), Terminal 2 (Cátodo) e um grande terminal térmico central (P). O terminal térmico é crucial para transferir calor do chip do LED para a placa de circuito impresso (PCB). O diagrama de layout dos terminais mostra claramente as posições do ânodo e cátodo para a conexão elétrica correta.

6. Diretrizes de Soldagem e Montagem

6.1 Perfil de Soldagem por Refluxo

O dispositivo é adequado para processos padrão de refluxo SMT sem chumbo. O perfil recomendado é o seguinte:

• Taxa de Aquecimento: 2–3 °C/seg
• Pré-aquecimento: 150–200 °C por 60–120 segundos
• Tempo Acima do Líquidus (T_L=217°C): 60–90 segundos
• Temperatura de Pico (T_P): 240 ±5 °C
• Tempo dentro de 5°C do Pico: Máximo 20 segundos
• Taxa de Resfriamento: 3–5 °C/seg

6.2 Notas Críticas de Montagem

• A soldagem por refluxo não deve ser realizada mais de duas vezes para evitar estresse térmico excessivo no encapsulamento e nas ligações internas.
• O estresse mecânico no LED durante o aquecimento (ex.: por flexão da placa) deve ser evitado.
• A PCB não deve ser dobrada após a soldagem, pois isso pode rachar as juntas de solda ou o próprio encapsulamento do LED.
• Dissipação de calor adequada, conforme sugerido nas notas, é obrigatória para operação confiável em altas correntes.

7. Informações de Embalagem e Pedido

7.1 Especificações da Fita e Carretel

Os dispositivos são fornecidos em fita transportadora e carretel para montagem automatizada. Cada carretel contém 400 peças. Dimensões detalhadas da fita e do carretel são fornecidas para garantir compatibilidade com equipamentos pick-and-place.

7.2 Embalagem Sensível à Umidade

O produto é embalado em um saco de alumínio resistente à umidade com um dessecante para protegê-lo da umidade ambiente durante o armazenamento e transporte, o que é uma prática padrão para componentes SMD.

8. Recomendações de Aplicação e Considerações de Projeto

8.1 Projeto do Circuito Acionador

Devido à alta corrente direta (até 1.5A contínua), um acionador de corrente constante é essencial. O acionador deve ser capaz de fornecer a corrente necessária enquanto suporta a queda de tensão direta (aproximadamente 3.1V a 1A). Reguladores chaveados são frequentemente preferidos em relação aos lineares para eficiência nestes níveis de potência. O projeto do acionador também deve incorporar proteção térmica ou derating de corrente com base na curva de temperatura ambiente.

8.2 Projeto de Gerenciamento Térmico

Este é o aspecto mais crítico do uso deste LED de alta potência. A baixa resistência térmica junção-terminal (18K/W) é apenas parte do sistema. O caminho térmico total da junção ao ambiente (R_th(j-A)) deve ser minimizado. Isto envolve:

• Usar uma PCB com uma matriz de vias térmicas sob o terminal térmico conectada a grandes áreas de cobre ou a uma camada de terra interna.
• Possivelmente anexar um dissipador externo à PCB.
• Garantir bom fluxo de ar na aplicação final.
• Usar material de interface térmica, se necessário.

A temperatura máxima da junção de 115°C nunca deve ser excedida. A curva de derating (Corrente Direta vs. Temperatura Ambiente) fornece os dados necessários para calcular o desempenho do dissipador necessário.

8.3 Projeto Óptico

O ângulo de visão de 150 graus fornece ampla cobertura. Para aplicações que requerem um feixe mais focado, ópticas secundárias (lentes ou refletores) podem ser usadas. O comprimento de onda de 850nm é invisível ao olho humano, mas facilmente detectável por sensores de silício e pela maioria das câmeras CCD/CMOS, que frequentemente possuem um filtro de corte de infravermelho que deve ser removido ou substituído por um que permita a passagem de 850nm para uso eficaz.

9. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado com LEDs infravermelhos convencionais de 5mm ou 3mm furo passante, este dispositivo oferece uma potência radiante significativamente maior (por uma ordem de magnitude ou mais) em um encapsulamento de montagem em superfície, permitindo projetos mais compactos e robustos. Seus principais diferenciais são a combinação de alta potência (até 3W de dissipação), amplo ângulo de visão e o terminal térmico integrado para dissipação de calor eficaz—uma característica frequentemente ausente em LEDs SMD de baixa potência. O uso do material de chip GaAlAs é padrão para emissores infravermelhos de alta eficiência nesta faixa de comprimento de onda.

10. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

10.1 Qual é a diferença entre Potência Radiante e Intensidade Radiante?

Potência Radiante (P_o, em mW) é a potência óptica total emitida em todas as direções. Intensidade Radiante (I_E, em mW/sr) é a potência emitida por unidade de ângulo sólido em uma direção específica. Para um LED de grande ângulo como este, a potência total é alta, mas a intensidade em qualquer direção única é menor do que a de um LED de feixe estreito com a mesma potência total.

10.2 Posso acionar este LED diretamente de uma fonte de tensão?

Não. LEDs são dispositivos acionados por corrente. Sua tensão direta tem uma tolerância e varia com a temperatura. Conectar diretamente a uma fonte de tensão fará com que uma corrente descontrolada flua, provavelmente excedendo a classificação máxima e destruindo o LED. Um acionador de corrente constante ou um circuito limitador de corrente é obrigatório.

10.3 Por que a dissipação de calor é tão enfatizada?

LEDs de alta potência convertem uma porção significativa da entrada elétrica em calor. Se este calor não for removido efetivamente, a temperatura da junção aumenta. Altas temperaturas da junção levam à redução da saída de luz (queda de eficiência), degradação acelerada dos materiais semicondutores e, finalmente, falha catastrófica. O projeto térmico adequado garante desempenho, confiabilidade e longevidade.

10.4 O que significa o Código de Bin para o meu projeto?

Selecionar um bin mais alto (ex.: Bin H em vez de Bin F) garante uma saída radiante mínima mais alta. Isto permite projetar seu sistema com um nível de iluminação conhecido e garantido. Se seu projeto tiver margem ampla, um bin mais baixo pode ser mais econômico. Se você está no limite do alcance de iluminação ou da sensibilidade da câmera, um bin mais alto é necessário.

11. Estudo de Caso Prático de Projeto e Uso

Cenário: Projetando um Iluminador IR para uma Câmera de Segurança

Um projetista precisa criar um iluminador IR compacto de parede para estender o alcance da visão noturna de uma câmera de segurança de 10 metros para 25 metros. O sensor da câmera é sensível a 850nm. O projetista seleciona o LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR no Bin H para máxima saída.

Etapas do Projeto:

1. Projeto Elétrico: Um acionador chaveado de corrente constante é projetado para fornecer 1000mA ao LED a partir de uma fonte de 12V DC. O acionador inclui proteção contra sobrecorrente e desligamento térmico.
2. Projeto Térmico: Uma PCB de 2 camadas é usada com peso de cobre de 2oz. Uma matriz de vias térmicas conecta o terminal térmico do LED a uma grande área de cobre na parte inferior, que atua como dissipador. O invólucro é feito de alumínio com a PCB montada diretamente nele usando pasta térmica para dissipar ainda mais o calor.
3. Projeto Óptico/Mecânico: Quatro LEDs são dispostos em um padrão quadrado na PCB. Uma janela plana e transparente de policarbonato protege os LEDs. O feixe amplo de 150 graus de cada LED se sobrepõe para criar uma inundação uniforme de luz infravermelha cobrindo o campo de visão da câmera no alcance desejado.
4. Validação: O protótipo é testado em uma sala escura. Uma câmera térmica confirma que as temperaturas da junção dos LEDs permanecem abaixo de 100°C. A câmera de segurança identifica com sucesso objetos a 25 metros com contraste claro.

Este caso destaca a interdependência do projeto do acionador, gerenciamento térmico e layout óptico ao utilizar este componente de alta potência.

12. Princípio de Operação

O HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR é uma fonte de luz semicondutora baseada em uma heteroestrutura de Arseneto de Gálio e Alumínio (GaAlAs). Quando uma tensão direta que excede a energia da banda proibida do diodo é aplicada, elétrons e lacunas são injetados na região ativa onde se recombinam. Este processo de recombinação libera energia na forma de fótons. A composição específica das camadas de GaAlAs determina a energia da banda proibida, que por sua vez define o comprimento de onda de pico dos fótons emitidos—neste caso, 850 nanômetros, que está no espectro do infravermelho próximo. O encapsulamento de silicone transparente protege o chip semicondutor e atua como um elemento óptico primário, com sua forma esférica ajudando a extrair luz de forma eficiente e moldar o padrão de radiação.

13. Tendências Tecnológicas

O campo dos LEDs infravermelhos de alta potência continua a evoluir com várias tendências claras. Há um impulso constante por maior eficiência wall-plug (potência óptica de saída / potência elétrica de entrada) para reduzir a geração de calor e o consumo de energia para a mesma saída de luz. Isto envolve avanços em técnicas de crescimento epitaxial e projeto de chip. A tecnologia de encapsulamento também está melhorando para oferecer menor resistência térmica, permitindo que mais calor seja extraído do chip. Além disso, há uma crescente integração, com acionadores e, às vezes, até lógica de controle simples sendo co-embalados com o chip do LED para criar módulos de iluminação mais inteligentes e fáceis de usar. A demanda por fontes infravermelhas de alta potência e confiáveis é sustentada pela expansão de aplicações em LiDAR automotivo, reconhecimento facial e automação industrial avançada.