Ficha Técnica do Emissor de Infravermelhos HSDL-4261 - Comprimento de Onda 870nm - Tensão Direta 1.4V - Dissipação de Potência 190mW - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O HSDL-4261 é um componente emissor de infravermelhos discreto, projetado para aplicações que requerem transmissão óptica de dados de alta velocidade. Utiliza tecnologia LED de AlGaAs (Arsenieto de Gálio e Alumínio) para produzir luz infravermelha com um comprimento de onda de pico de 870 nanómetros. Este dispositivo caracteriza-se pelas suas capacidades de comutação rápida, tornando-o adequado para interfaces de comunicação digital.

1.1 Vantagens Principais

• Operação de Alta Velocidade:Apresenta um tempo de subida e descida óptico típico de 15 nanossegundos, permitindo transmissão de dados em aplicações de alta largura de banda.
• Alta Potência Óptica:Fornece uma elevada intensidade radiante, garantindo um sinal forte para uma comunicação infravermelha fiável.
• Conformidade RoHS:Fabricado como um produto sem chumbo, em conformidade com as regulamentações ambientais.
• Invólucro Transparente:Alojado num invólucro de cor transparente que não filtra a luz infravermelha emitida.

1.2 Aplicações Alvo

• Equipamento Industrial de Infravermelhos
• Instrumentos Portáteis de Infravermelhos
• Eletrónica de Consumo (ex.: ratos ópticos)
• Comunicações por Infravermelhos de Alta Velocidade (ex.: redes locais IR, modems, dongles)

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

Todas as especificações são definidas a uma temperatura ambiente (TA) de 25°C, salvo indicação em contrário.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estes valores definem os limites além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Não é garantida a operação nestas condições.

• Corrente Contínua Direta (IFDC):Máximo de 100 mA.
• Corrente de Pico Direta (IFPK):Máximo de 500 mA, em condições de pulso (Fator de Ciclo=20%, Largura de Pulso=100µs).
• Dissipação de Potência (PDISS):Máximo de 190 mW. Deve ser reduzida com o aumento da temperatura ambiente, conforme mostrado nas curvas características.
• Tensão Inversa (VR):Máximo de 5 V.
• Intervalo de Temperatura de Armazenamento (TS):-40°C a +100°C.
• Intervalo de Temperatura de Operação (TO):-40°C a +85°C.
• Temperatura da Junção (TJ):Máximo de 110°C.
• Temperatura de Soldadura dos Terminais:260°C durante no máximo 5 segundos, com a ponta do ferro a não menos de 1.6mm do corpo do invólucro.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes são os parâmetros de desempenho típicos sob condições de teste especificadas.

• Potência Óptica Radiante (Po):Tipicamente 9 mW a IF=20mA e 45 mW a IF=100mA.
• Intensidade Radiante no Eixo (IE):Tipicamente 36 mW/sr a IF=20mA e 180 mW/sr a IF=100mA.
• Comprimento de Onda de Emissão de Pico (λPico):870 nm típico (intervalo: 850 nm a 890 nm) a IF=20mA.
• Largura a Meia Altura do Espetro (Δλ):Aproximadamente 47 nm a IF=20mA.
• Tensão Direta (Vf):Tipicamente 1.4 V a IF=20mA e 1.7 V a IF=100mA.
• Coeficiente de Temperatura da Tensão Direta (△V/△T):Aproximadamente -1.5 mV/°C a IF=20mA.
• Ângulo de Visão (2θ1/2):26 graus típicos, definindo a dispersão angular da radiação emitida.
• Coeficiente de Temperatura da Intensidade (△IE/△T):Aproximadamente -0.22 %/°C a IF=100mA, indicando uma diminuição da saída com o aumento da temperatura.
• Coeficiente de Temperatura do Comprimento de Onda (△λ/△T):Aproximadamente +0.18 nm/°C a IF=20mA.
• Tempo de Subida/Descida Óptico (Tr/Tf):15 ns típico, medido de 10% a 90% da saída óptica.
• Resistência em Série (RS):Tipicamente 4.1 Ohms a IF=100mA.
• Capacitância do Diodo (CO):Tipicamente 80 pF a 0V de polarização e 1 MHz.
• Resistência Térmica (RθJA):Tipicamente 280 °C/W da junção para o ambiente através dos terminais.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece vários gráficos que ilustram relações-chave.

3.1 Corrente Direta vs. Intensidade Radiante Relativa

Esta curva mostra que a intensidade da saída óptica aumenta de forma supralinear com a corrente direta, especialmente a correntes mais elevadas. Destaca a importância da corrente de acionamento para alcançar o brilho desejado.

3.2 Tensão Direta vs. Corrente Direta

A curva característica I-V demonstra a relação exponencial típica de um díodo. A tensão direta aumenta com a corrente e também depende da temperatura.

3.3 Tensão Direta vs. Temperatura Ambiente

Este gráfico mostra o coeficiente de temperatura negativo da tensão direta. A uma corrente constante, Vf diminui à medida que a temperatura aumenta, uma consideração crítica para circuitos de acionamento a tensão constante.

3.4 Redução da Corrente Contínua Direta vs. Temperatura Ambiente

Este é um gráfico crucial para a fiabilidade. Define a corrente contínua direta máxima permitida em função da temperatura ambiente. À medida que a temperatura sobe, a corrente máxima permitida deve ser reduzida para evitar que a temperatura da junção exceda o seu limite de 110°C. Por exemplo, a 85°C, a corrente contínua máxima é significativamente menor do que a 25°C.

3.5 Padrão de Radiação

O diagrama polar ilustra a distribuição espacial da luz infravermelha emitida. O HSDL-4261 tem um ângulo de visão típico de 26 graus (largura total a meia altura), resultando num feixe moderadamente focado, adequado para ligações de comunicação direcionadas.

4. Informação Mecânica e de Embalagem

4.1 Dimensões de Contorno

O dispositivo é um invólucro LED padrão de montagem através de orifício. As dimensões-chave incluem o espaçamento dos terminais, o diâmetro do corpo e a altura total. Os terminais são projetados para serem dobrados num ponto a pelo menos 3mm da base da lente. É especificada uma protuberância mínima de resina sob o flange. Todas as tolerâncias dimensionais são tipicamente ±0.25mm, salvo indicação em contrário.

4.2 Identificação da Polaridade

O componente utiliza a marcação de polaridade padrão para LEDs. O terminal mais longo denota tipicamente o ânodo (ligação positiva), enquanto o terminal mais curto é o cátodo (ligação negativa). Isto deve ser verificado durante a montagem para garantir o funcionamento correto.

5. Diretrizes de Soldadura e Montagem

5.1 Condições de Armazenamento

Para armazenamento a longo prazo, o ambiente não deve exceder 30°C ou 70% de humidade relativa. Se removidos da bolsa de barreira à humidade original, os componentes devem ser utilizados no prazo de três meses. Para armazenamento prolongado fora da embalagem original, utilize um recipiente selado com dessecante ou um dessecador preenchido com azoto.

5.2 Limpeza

Se for necessária limpeza, utilize apenas solventes à base de álcool, como álcool isopropílico. Devem ser evitados produtos químicos agressivos.

5.3 Dobragem dos Terminais

A dobragem deve ser realizada à temperatura ambiente e antes da soldadura. A dobra deve ser feita a pelo menos 3mm da base da lente do LED. O corpo do invólucro não deve ser usado como fulcro durante a dobragem para evitar danos na ligação interna do *die* ou nos fios de ligação.

5.4 Parâmetros de Soldadura

Soldadura Manual (Ferro):Temperatura máxima de 260°C durante no máximo 5 segundos por terminal. A ponta do ferro não deve estar a menos de 1.6mm da base da lente de epóxi.

Soldadura por Onda:Pré-aquecer a um máximo de 100°C durante até 60 segundos. A temperatura da onda de solda deve ser no máximo 260°C com um tempo de contacto de 5 segundos. O dispositivo deve ser mergulhado a não menos de 2mm da base da lâmpada de epóxi.

Importante:Deve ser evitado mergulhar a lente na solda. A soldadura por reflow IR não é adequada para este tipo de invólucro de montagem através de orifício. Temperatura ou tempo excessivos podem causar deformação da lente ou falha catastrófica.

6. Considerações de Projeto de Aplicação

6.1 Projeto do Circuito de Acionamento

Os LEDs são dispositivos operados por corrente. Para garantir um brilho uniforme ao acionar vários LEDs em paralelo, é fortemente recomendado utilizar uma resistência limitadora de corrente individual em série com cada LED. Não é aconselhado ligar LEDs diretamente em paralelo sem resistências individuais devido às variações nas suas características de tensão direta (Vf), o que pode levar a um desequilíbrio significativo de corrente e brilho desigual.

6.2 Gestão Térmica

Dada a resistência térmica (RθJA) de 280°C/W, a dissipação de potência deve ser cuidadosamente gerida. Operar na corrente contínua máxima (100mA) com uma Vf típica de 1.7V resulta numa dissipação de potência de 170mW. Isto causaria um aumento da temperatura da junção de aproximadamente 47.6°C acima da ambiente (170mW * 280°C/W). A uma temperatura ambiente de 85°C, a junção atingiria 132.6°C, excedendo a especificação máxima de 110°C. Portanto, a curva de redução na Figura 6 deve ser estritamente seguida.

6.3 Proteção contra Descarga Eletrostática (ESD)

Este componente é suscetível a danos por descarga eletrostática. As precauções de manuseamento recomendadas incluem:

- Utilizar uma pulseira de aterramento ou luvas antiestáticas.

- Garantir que todo o equipamento, estações de trabalho e prateleiras de armazenamento estão devidamente aterrados.

- Utilizar um ionizador para neutralizar a carga estática que pode acumular-se na lente de plástico durante o manuseamento.

6.4 Projeto Óptico

O ângulo de visão de 26 graus e o comprimento de onda de 870nm devem ser combinados com um fotodetector apropriado (ex.: um fotodíodo PIN com uma resposta espectral correspondente). Para um alcance e integridade de sinal ótimos, considere o uso de lentes ou aberturas para colimar ou focar o feixe, especialmente em ligações de comunicação direcionadas. O invólucro transparente permite a utilização de elementos ópticos externos sem filtragem intrínseca.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

O HSDL-4261 posiciona-se no mercado de emissores de infravermelhos através de combinações específicas de parâmetros:

Velocidade vs. Potência:Oferece um equilíbrio entre comutação de alta velocidade (15ns) e uma saída de potência óptica relativamente alta (45mW típ. a 100mA). Alguns emissores podem ser mais rápidos com menor potência, ou ter maior potência com resposta mais lenta.

Comprimento de Onda:O comprimento de onda de pico de 870nm é um padrão comum para muitas ligações de dados por infravermelhos e sistemas de controlo remoto, oferecendo um bom equilíbrio entre a sensibilidade dos fotodetetores de silício e um ruído de luz ambiente mais baixo em comparação com comprimentos de onda visíveis ou quase visíveis.

Invólucro:O invólucro padrão de montagem através de orifício torna-o adequado tanto para prototipagem como para aplicações onde é usada soldadura por onda, diferenciando-o das alternativas de montagem em superfície que requerem processos de reflow.

8. Perguntas Frequentes (FAQs)

8.1 Posso acionar este LED com uma fonte de tensão constante?

Não é recomendado. A característica exponencial I-V de um LED significa que uma pequena alteração na tensão causa uma grande alteração na corrente, que pode facilmente exceder a especificação máxima se for acionado diretamente a partir de uma fonte de tensão. Utilize sempre uma resistência em série ou um driver de corrente constante para definir o ponto de operação.

8.2 Por que é que a intensidade da saída diminui com a temperatura?

O coeficiente de temperatura negativo da intensidade radiante (-0.22%/°C) é uma propriedade fundamental do material semicondutor. À medida que a temperatura aumenta, os processos de recombinação não radiativa dentro do semicondutor tornam-se mais dominantes, reduzindo a eficiência da geração de luz.

8.3 Qual é o propósito da curva de redução?

A curva de redução (Fig. 6) é essencial para garantir a fiabilidade a longo prazo. Impede que a temperatura da junção do LED exceda o seu valor máximo especificado (110°C), limitando a dissipação de potência (e, portanto, a corrente direta) à medida que a temperatura ambiente aumenta. Ignorar esta curva pode levar a degradação rápida e falha.

8.4 Este LED é adequado para operação contínua?

Sim, mas dentro dos limites definidos pelas Especificações Máximas Absolutas e pela curva de redução. Para operação contínua em CC, a corrente direta não deve exceder 100mA a 25°C de ambiente e deve ser reduzida a temperaturas ambientes mais elevadas, conforme a Fig. 6. Para operação em pulso com correntes de pico elevadas, as especificações de ciclo de trabalho e largura de pulso devem ser respeitadas.

9. Exemplo Prático de Aplicação

Cenário: Projetar um transmissor de dados IR simples para comunicação série de curto alcance.

1. Projeto do Circuito:Utilize um pino GPIO de um microcontrolador para acionar o LED. Coloque uma resistência limitadora de corrente em série com o ânodo do LED. Calcule o valor da resistência usando R = (Vcc - Vf_LED) / I_desejada. Para uma alimentação de 3.3V, uma corrente desejada de 50mA e uma Vf típica de 1.5V: R = (3.3V - 1.5V) / 0.05A = 36 Ohms. Utilize o próximo valor padrão (ex.: 39 Ohms).

2. Verificação Térmica:Dissipação de potência no LED: P = Vf * I = 1.5V * 0.05A = 75mW. Aumento da temperatura da junção: ΔTj = P * RθJA = 0.075W * 280°C/W = 21°C. A uma temperatura ambiente máxima de 85°C, Tj = 106°C, que está abaixo do limite de 110°C.

3. Software:Configure o microcontrolador para gerar a modulação digital desejada (ex.: Chaveamento On-Off) no pino GPIO. O tempo de subida/descida de 15ns do LED permite altas taxas de dados.

4. Layout:Mantenha o LED e a sua resistência em série próximos do pino de acionamento para minimizar a indutância parasita. Garanta que o recetor (fotodíodo) está alinhado dentro do ângulo de visão de 26 graus do emissor.

10. Princípio de Funcionamento

O HSDL-4261 é um díodo de junção p-n semicondutor baseado em materiais de AlGaAs. Quando uma tensão de polarização direta é aplicada, eletrões da região n e lacunas da região p são injetados através da junção para as regiões opostas. Estes portadores minoritários injetados recombinam-se com os portadores majoritários. Num semicondutor de banda proibida direta como o AlGaAs, uma parte significativa destas recombinações é radiante, o que significa que libertam energia na forma de fotões. A banda proibida específica da liga de AlGaAs utilizada determina o comprimento de onda dos fotões emitidos, que neste caso está centrado em torno de 870nm no espetro infravermelho. O invólucro de epóxi transparente encapsula o *chip* semicondutor, fornece proteção mecânica e atua como uma lente para moldar o feixe de saída.

11. Tendências da Indústria

Os emissores de infravermelhos continuam a evoluir em várias áreas-chave relevantes para componentes como o HSDL-4261:

Aumento da Velocidade:A procura por taxas de dados mais elevadas em comunicação óptica sem fios (Li-Fi, IRDA de alta velocidade) impulsiona o desenvolvimento de emissores com tempos de subida/descida ainda mais rápidos.

Eficiência Melhorada:Melhorias no crescimento epitaxial e no projeto do *chip* visam produzir mais potência óptica (lúmens ou fluxo radiante) por unidade de potência elétrica de entrada (watts), reduzindo a geração de calor e melhorando a eficiência do sistema.

Integração:Existe uma tendência para integrar o emissor com o circuito de acionamento ou mesmo com um fotodetector num único invólucro para criar módulos transceptores ópticos completos, simplificando o projeto do utilizador final.

Novos Comprimentos de Onda:Embora 870-940nm permaneça padrão para recetores baseados em silício, existe investigação sobre outros comprimentos de onda para aplicações específicas como deteção de gases ou LiDAR seguro para os olhos.