Ficha Técnica do LED Infravermelho Subminiatura Redondo de 1.8mm IR42-21C/TR8 - Diâmetro 1.8mm - Tensão 1.2V - Potência 130mW - Lente Transparente - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O IR42-21C/TR8 é um díodo emissor de infravermelho (LED IR) subminiatura de montagem em superfície, projetado para aplicações optoeletrónicas compactas. Apresenta um encapsulamento redondo com 1.8mm de diâmetro moldado em plástico transparente com uma lente esférica no topo, otimizando a saída de luz. O dispositivo utiliza um chip de Arseneto de Gálio e Alumínio (GaAlAs), cujo espectro é compatível com fotodiodos e fototransístores de silício, garantindo uma deteção eficiente em sistemas sensores. Os seus principais objetivos de design são a miniaturização, a compatibilidade com processos de montagem automatizada e um desempenho fiável numa gama de dispositivos eletrónicos de consumo e industriais.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

Este LED oferece várias vantagens-chave para os projetistas. A sua baixa tensão direta (tipicamente 1.2V) contribui para uma operação energeticamente eficiente. O componente é totalmente compatível com as regulamentações de isenção de chumbo (Pb-free), RoHS, REACH da UE e isenção de halogéneos (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm), tornando-o adequado para mercados globais com normas ambientais rigorosas. É compatível com processos de soldadura por refluxo de infravermelhos e de fase de vapor, facilitando a montagem automatizada de PCB em grande volume. Os mercados-alvo primários incluem fabricantes de sensores de infravermelhos compactos, barreiras de luz miniatura para automação, unidades de disquete (para sistemas legados ou especializados), interruptores optoeletrónicos de uso geral e sistemas de deteção de fumo onde é necessária uma fonte de IR invisível.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

O desempenho do IR42-21C/TR8 é definido por um conjunto de valores máximos absolutos e características eletro-óticas medidas a uma temperatura ambiente padrão (Ta) de 25°C. Compreender estes parâmetros é crítico para um design de circuito fiável e para garantir que o LED opera dentro da sua área de operação segura (SOA).

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Nunca devem ser excedidos, mesmo momentaneamente. A corrente direta contínua (IF) é classificada em 65 mA. A tensão reversa máxima permitida (VR) é de 5 V. O dispositivo pode operar dentro de uma gama de temperatura ambiente (Topr) de -25°C a +85°C e ser armazenado (Tstg) entre -40°C e +85°C. A temperatura de soldadura (Tsol) não deve exceder 260°C por uma duração de 5 segundos ou menos durante os processos de refluxo. A dissipação total de potência (Pd) a 25°C ou menos em ar livre é de 130 mW. Exceder qualquer um destes limites arrisca uma falha catastrófica ou degradação acelerada.

2.2 Características Eletro-Óticas

Estes parâmetros, tipicamente medidos a uma corrente direta (IF) de 20 mA, definem o desempenho funcional do dispositivo. A intensidade radiante (Ie), uma medida da potência ótica emitida por ângulo sólido, tem um valor mínimo de 1.0 mW/sr e um valor típico de 3.0 mW/sr. O comprimento de onda de pico (λp) é tipicamente 940 nm, colocando-o firmemente no espectro do infravermelho próximo, ideal para detetores à base de silício. A largura de banda espectral (Δλ) é tipicamente 45 nm, definindo a gama de comprimentos de onda emitidos. A tensão direta (VF) tem um valor típico de 1.2 V e um máximo de 1.5 V a 20 mA. A corrente reversa (IR) é no máximo de 10 µA quando é aplicada uma polarização reversa de 5 V. O ângulo de visão (2θ1/2), definido como o ângulo total no qual a intensidade radiante cai para metade do seu valor de pico, é tipicamente 30 graus, fornecendo um feixe moderadamente focado.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características que ilustram como os parâmetros-chave variam com as condições de operação. Estes gráficos são essenciais para compreender o comportamento no mundo real para além das especificações pontuais a 25°C.

3.1 Corrente Direta vs. Temperatura Ambiente

Esta curva mostra a relação entre a corrente direta contínua permitida e a temperatura ambiente. À medida que a temperatura ambiente aumenta, a corrente direta máxima permitida diminui linearmente. Esta redução de classificação é necessária para evitar que a temperatura da junção exceda o seu limite, que está ligado à classificação de dissipação de potência. Os projetistas devem usar este gráfico para selecionar uma corrente de operação apropriada para a temperatura ambiente máxima esperada na sua aplicação.

3.2 Distribuição Espectral

A curva de distribuição espectral traça a intensidade radiante relativa em função do comprimento de onda. Confirma visualmente o comprimento de onda de pico de 940 nm e a largura de banda espectral de aproximadamente 45 nm. A curva é assimétrica, o que é típico para os espectros de emissão de LED. Esta informação é crucial para aplicações que requerem uma correspondência espectral específica com a curva de responsividade de um fotodetector.

3.3 Corrente Direta vs. Tensão Direta

Esta curva característica IV (Corrente-Tensão) é não linear, como em todos os díodos. Mostra que um pequeno aumento na tensão direta para além da tensão de "joelho" resulta num grande aumento exponencial da corrente direta. Isto sublinha a importância crítica de usar uma resistência limitadora de corrente em série ou um driver de corrente constante para evitar a fuga térmica e a destruição do LED por sobrecorrente.

3.4 Intensidade Radiante Relativa vs. Deslocamento Angular

Este gráfico polar ilustra o padrão de emissão espacial do LED. A intensidade é normalizada para o seu valor máximo a 0 graus (no eixo). A curva mostra como a intensidade diminui à medida que o ângulo de observação aumenta, definindo o ângulo de visão de 30 graus onde a intensidade é 50% do pico. O padrão é geralmente Lambertiano (semelhante ao cosseno) para este encapsulamento em forma de cúpula, o que é útil para calcular a irradiância num detetor.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões do Encapsulamento

O dispositivo está alojado num encapsulamento SMD redondo e compacto com um diâmetro de 1.8mm. Desenhos mecânicos detalhados na ficha técnica fornecem todas as dimensões críticas, incluindo altura do corpo, espaçamento dos terminais e geometria da lente. Todas as dimensões estão em milímetros, com tolerâncias padrão de ±0.1mm salvo indicação em contrário. É fornecida uma sugestão de layout de pastilhas para o design do PCB, mas é explicitamente notado que isto é apenas para referência e deve ser modificado com base nos requisitos individuais do processo e nas necessidades de gestão térmica.

4.2 Identificação de Polaridade e Embalagem em Fita

O encapsulamento apresenta um lado plano ou uma marcação semelhante para indicar o terminal do cátodo (negativo), o que é essencial para a orientação correta durante a montagem. Para produção em grande volume, os componentes são fornecidos em bobinas de fita transportadora. A ficha técnica inclui as dimensões da fita transportadora, especificando o tamanho do bolso, o passo e o diâmetro da bobina. Uma bobina padrão contém 1000 peças, o que é típico para máquinas de pick-and-place automatizadas.

5. Diretrizes de Soldadura e Montagem

A manipulação e soldadura adequadas são vitais para a fiabilidade. O LED é sensível à humidade e é fornecido num saco de barreira à humidade com um dessecante.

5.1 Armazenamento e Sensibilidade à Humidade

Antes de abrir o saco selado, os LEDs devem ser armazenados a 30°C ou menos e 90% de Humidade Relativa (HR) ou menos. A vida útil na prateleira é de um ano. Após abrir o saco, os componentes devem ser mantidos a 30°C/60%HR ou menos e devem ser usados dentro de 168 horas (7 dias). Se o tempo de armazenamento for excedido ou se o dessecante indicar entrada de humidade, é necessário um tratamento de cozedura a 60 ± 5°C durante 24 horas antes da utilização para remover a humidade absorvida e evitar o "efeito pipoca" durante a soldadura por refluxo.

5.2 Parâmetros de Soldadura por Refluxo

O dispositivo é compatível com perfis de soldadura por refluxo sem chumbo (Pb-free). É recomendado um perfil de temperatura específico, tipicamente envolvendo uma fase de pré-aquecimento, uma zona de imersão, uma zona de temperatura de pico não excedendo 260°C por um máximo de 5 segundos, e uma fase de arrefecimento controlado. A soldadura por refluxo não deve ser realizada mais de duas vezes. Durante o aquecimento, não deve ser aplicado qualquer stress mecânico ao corpo ou aos terminais do LED, e o PCB não deve ficar empenado após a soldadura.

5.3 Soldadura Manual e Retrabalho

Se a soldadura manual for inevitável, deve ser tomado extremo cuidado. A temperatura da ponta do ferro de soldar deve estar abaixo de 350°C, e o tempo de contacto com cada terminal deve ser limitado a 3 segundos ou menos. Recomenda-se um ferro de baixa potência (25W ou menos). Deve ser observada uma pausa de pelo menos 2 segundos entre soldar cada terminal. O retrabalho após a soldadura inicial é fortemente desencorajado. Se for absolutamente necessário, deve ser usado um ferro de soldar de dupla cabeça especializado para aquecer simultaneamente ambos os terminais e levantar o componente sem stressar o encapsulamento. O potencial de dano durante o retrabalho é elevado.

6. Sugestões de Aplicação e Considerações de Design

6.1 Circuitos de Aplicação Típicos

O circuito de aplicação mais fundamental é uma simples ligação em série do LED, uma resistência limitadora de corrente e uma fonte de tensão. O valor da resistência (R) é calculado usando a Lei de Ohm: R = (V_fonte - VF_LED) / IF. Por exemplo, com uma fonte de 5V, uma VF de 1.2V e uma IF desejada de 20mA, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ohms. Uma resistência de 200 Ohm seria um valor padrão adequado. Para uma operação mais estável, especialmente com uma tensão de alimentação variável, é preferível um circuito driver de corrente constante.

6.2 Considerações de Design para Sistemas de Infravermelhos

Ao projetar um sistema de sensoriamento por infravermelhos, vários fatores devem ser considerados. O alinhamento ótico entre o LED IR e o fotodetector é crítico, especialmente com um feixe de 30 graus. A rejeição de luz ambiente é frequentemente necessária; isto pode ser conseguido modulando a corrente de acionamento do LED e usando um circuito detetor sincronizado para filtrar a luz ambiente DC. A intensidade radiante e a sensibilidade do detetor devem ser compatíveis para a distância de sensoriamento necessária. A gestão térmica deve ser considerada se a operação for próxima dos valores máximos, uma vez que o aumento da temperatura da junção reduz a saída de luz e a vida útil.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado com LEDs IR de orifício passante maiores, a principal vantagem do IR42-21C/TR8 é a sua pegada SMD miniatura, permitindo designs de PCB mais pequenos, leves e mais automatizados. Comparado com outros LEDs IR SMD, os seus principais diferenciadores são o seu tamanho específico de encapsulamento redondo de 1.8mm, o comprimento de onda de pico de 940nm otimizado para detetores de silício e a sua conformidade com as mais recentes regulamentações ambientais (Livre de Halogéneos, REACH). A lente transparente, em oposição a uma lente colorida ou difusa, maximiza a transmissão da luz infravermelha, produzindo uma maior intensidade radiante para uma dada entrada elétrica.

8. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Por que é absolutamente necessária uma resistência limitadora de corrente?

R: A curva IV mostra a relação exponencial do LED entre tensão e corrente. Um ligeiro aumento na tensão de alimentação ou uma queda na tensão direta do LED (devido à temperatura) pode causar um surto massivo e descontrolado de corrente, levando à queima imediata. A resistência fornece uma impedância linear e estabilizadora.

P: Posso acionar este LED diretamente com um pino de microcontrolador de 3.3V?

R: Possivelmente, mas não de forma ideal. Com uma VF de 1.2V, seria necessária uma resistência em série. A corrente disponível de um pino GPIO é frequentemente limitada (ex., 20-25mA). Deve garantir que o consumo total de corrente, incluindo o cálculo da resistência (R = (3.3V - 1.2V) / I_desejada), não excede a capacidade de fornecimento de corrente do GPIO. Para correntes mais altas ou múltiplos LEDs, é necessário um driver com transístor.

P: O que significa "espectralmente compatível com fotodetector de Si"?

R: Fotodiodos e fototransístores de silício têm sensibilidade de pico na região do infravermelho próximo, por volta de 800-900nm. A emissão de pico de 940nm deste LED cai dentro desta zona de alta responsividade, garantindo a máxima eficiência de transferência de sinal da fonte de luz para o detetor, resultando numa melhor relação sinal-ruído e alcance do sistema.

P: Quão críticas são as instruções de sensibilidade à humidade e cozedura?

R: Extremamente críticas para componentes SMD. A humidade absorvida pode vaporizar-se rapidamente durante o processo de soldadura por refluxo de alta temperatura, causando delaminação interna, fissuras ou "efeito pipoca" que destrói o dispositivo. Seguir os procedimentos de manuseamento do Nível de Sensibilidade à Humidade (MSL) é essencial para o rendimento da produção e a fiabilidade a longo prazo.

9. Estudo de Caso Prático de Design e Utilização

Cenário: Projetar um Sensor Compacto de Deteção de Objetos.Um projetista precisa criar um sensor de deteção de objetos sem contacto para um pequeno dispositivo automatizado. O espaço é limitado, exigindo um componente SMD. Eles selecionam o IR42-21C/TR8 pelo seu tamanho reduzido. Emparelham-no com um fototransístor numa configuração retro-refletiva: ambos os componentes são colocados lado a lado na mesma PCB, virados na mesma direção. Um objeto que passa à frente reflete o feixe de IR de volta para o fototransístor. O projetista usa a intensidade radiante típica (3.0 mW/sr) e a sensibilidade do fototransístor para calcular a corrente necessária para o alcance de deteção desejado de 10cm. Eles implementam um circuito simples com temporizador 555 para pulsar o LED a 1kHz, e o circuito detetor inclui um filtro passa-banda sintonizado a 1kHz para rejeitar o cintilar da luz ambiente de 50/60Hz e a luz solar DC. A resistência limitadora de corrente é escolhida para fornecer 15mA de acionamento, bem dentro da classificação do LED, para garantir longevidade. O encapsulamento SMD compacto permite que todo o conjunto do sensor caiba num invólucro com menos de 15mm de largura.

10. Princípio de Funcionamento e Tendências Tecnológicas

10.1 Princípio de Funcionamento

Um Díodo Emissor de Luz Infravermelha (LED IR) opera com base no princípio da eletroluminescência numa junção p-n de semicondutor. Quando uma tensão direta é aplicada, eletrões da região tipo-n e lacunas da região tipo-p são injetados através da junção. Quando estes portadores de carga se recombinam na região ativa (o chip de GaAlAs neste caso), a energia é libertada na forma de fotões (luz). A banda proibida de energia específica do material semicondutor GaAlAs determina o comprimento de onda dos fotões emitidos, que está no espectro do infravermelho (940nm) para este dispositivo. O encapsulamento epóxi transparente atua como uma lente, moldando a luz emitida no ângulo de visão especificado.

10.2 Tendências da Indústria

A tendência na optoeletrónica, como em toda a eletrónica, é para uma maior miniaturização, maior eficiência e maior integração. Embora o princípio básico do LED IR permaneça estável, os avanços são vistos na tecnologia de encapsulamento (pegadas ainda mais pequenas como 0402 ou encapsulamentos de escala de chip), materiais epitaxiais melhorados para maior eficiência wall-plug (mais saída de luz por watt de entrada elétrica) e a integração de drivers e lógica de controlo em módulos LED "inteligentes". Há também um impulso contínuo para opções espectrais mais amplas e dispositivos capazes de operar a velocidades de modulação mais altas para aplicações de comunicação de dados (como IRDA). A conformidade ambiental (Livre de Halogéneos, fabrico com menor pegada de carbono) continua a ser um forte impulsionador em toda a indústria.