3mm Infrarot-LED 850nm HIR204C Datenblatt - T-1-Gehäuse - 1,45V Durchlassspannung - 150mW Leistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen einer hochintensiven 3mm (T-1) Infrarot-Leuchtdiode (LED). Die Diode ist für die Emission von Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 850 Nanometern (nm) ausgelegt, was sie für eine Vielzahl von Infrarot-Erkennungs- und Übertragungsanwendungen geeignet macht. Ihre Hauptvorteile sind hohe Zuverlässigkeit, eine signifikante Strahlungsleistung und ein niedriger Durchlassspannungsbedarf.

Die LED ist aus Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs)-Chipmaterial aufgebaut und in einem wasserklaren Kunststoffgehäuse untergebracht. Diese spektrale Ausgabe ist gezielt auf die Kompatibilität mit gängigen Infrarot-Empfängern wie Fototransistoren, Fotodioden und integrierten Empfängermodulen abgestimmt. Das Produkt entspricht der RoHS-Richtlinie (Beschränkung gefährlicher Stoffe).

1.1 Zielanwendungen

Die Diode ist für Systeme entwickelt, die eine robuste Infrarotsignalübertragung erfordern. Zu den Hauptanwendungsbereichen zählen:

• Optische Datenübertragungssysteme in freier Luft.
• Infrarot-Fernbedienungen, insbesondere solche mit höherem Ausgangsleistungsbedarf.
• Rauchmelder- und Brandalarmsysteme, die auf optischen Erfassungsprinzipien basieren.
• Allgemeine Infrarot-basierte Anwendungssysteme für den industriellen oder privaten Gebrauch.

2. Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden an der Diode auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Dauer-Durchlassstrom (I_F)): 100 mA
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP)): 1,0 A (Pulsbreite ≤ 100μs, Tastverhältnis ≤ 1%)
• Sperrspannung (V_R)): 5 V
• Betriebstemperatur (T_opr)): -40°C bis +85°C
• Lagertemperatur (T_stg)): -40°C bis +100°C
• Löttemperatur (T_sol)): 260°C (für ≤ 5 Sekunden)
• Verlustleistung (P_d)): 150 mW (bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur)

2.2 Elektro-optische Kenngrößen (T_a= 25°C)

Diese Parameter definieren die typische Leistung der Diode unter festgelegten Testbedingungen.

• Strahlungsstärke (I_e):
  • Typisch: 17,6 mW/sr bei I_F= 20 mA.
  • Typisch: 90 mW/sr bei I_F= 100 mA (gepulst).
  • Typisch: 900 mW/sr bei I_F= 1 A (gepulst).
• Spitzenwellenlänge (λ_p)): Typisch 850 nm bei I_F= 20 mA.
• Spektrale Bandbreite (Δλ)): Typisch 45 nm bei I_F= 20 mA.
• Durchlassspannung (V_F):
  • Typisch: 1,45 V, Maximal: 1,65 V bei I_F= 20 mA.
  • Typisch: 1,80 V, Maximal: 2,40 V bei I_F= 100 mA (gepulst).
  • Typisch: 4,10 V, Maximal: 5,25 V bei I_F= 1 A (gepulst).
• Sperrstrom (I_R)): Maximal 10 μA bei V_R= 5 V.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2)): Typisch 25 Grad bei I_F= 20 mA.

Hinweis: Messunsicherheiten sind für Durchlassspannung (±0,1V), Strahlungsstärke (±10%) und dominante Wellenlänge (±1,0nm) angegeben.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die das Verhalten der Diode unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen. Diese sind für Entwicklungsingenieure entscheidend, um die Leistung in realen Anwendungen vorherzusagen.

3.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt die Reduzierung des maximal zulässigen Durchlassstroms bei steigender Umgebungstemperatur. Die Verlustleistungsfähigkeit der Diode nimmt mit steigender Temperatur ab, was im thermischen Design berücksichtigt werden muss, um eine Überhitzung zu verhindern.

3.2 Spektrale Verteilung

Das spektrale Ausgangsdiagramm bestätigt die Spitzenemission bei 850nm mit einer definierten Bandbreite. Dies ist wesentlich, um die Kompatibilität mit der spektralen Empfindlichkeit des vorgesehenen Empfängers (z.B. eines Silizium-Fotodetektors, der im Bereich von 800-900nm am empfindlichsten ist) sicherzustellen.

3.3 Strahlungsstärke vs. Durchlassstrom

Diese Darstellung zeigt die Beziehung zwischen Treiberstrom und optischer Ausgangsleistung. Sie zeigt typischerweise einen unterlinearen Anstieg, was bedeutet, dass der Wirkungsgrad bei sehr hohen Strömen sinken kann. Entwickler nutzen dies, um einen Arbeitspunkt zu wählen, der Ausgangsleistung mit Effizienz und Lebensdauer der Diode in Einklang bringt.

3.4 Relative Strahlungsstärke vs. Winkelabweichung

Dieses Polardiagramm definiert das räumliche Abstrahlmuster (Abstrahlwinkel). Der typische Halbwinkel von 25 Grad zeigt einen mäßig fokussierten Strahl an, was nützlich ist, um Infrarotenergie auf ein bestimmtes Ziel oder einen Sensor zu richten.

3.5 Spitzenemissionswellenlänge vs. Umgebungstemperatur

Infrarot-LEDs zeigen eine Verschiebung der Spitzenwellenlänge mit der Temperatur, typischerweise um etwa 0,2-0,3 nm/°C. Diese Kurve quantifiziert diese Verschiebung für die HIR204C, was für Anwendungen wichtig ist, bei denen eine präzise Wellenlängenabstimmung kritisch ist.

3.6 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kennlinie)

Die grundlegende elektrische Kennlinie einer Diode. Diese Kurve wird verwendet, um den Spannungsabfall über der LED bei einem gegebenen Betriebsstrom zu bestimmen, was für den Entwurf der Treiberschaltung (z.B. Auswahl eines strombegrenzenden Widerstands oder Entwurf eines Konstantstromtreibers) notwendig ist.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen (T-1, 3mm)

Die Diode entspricht den Standardabmessungen des radial bedrahteten T-1 (3mm)-Gehäuses. Zu den wichtigsten mechanischen Spezifikationen gehören:

• Der Gesamtgehäusedurchmesser beträgt etwa 3,0mm.
• Der Standard-Anschlussabstand (Mitte zu Mitte) beträgt 2,54mm (0,1 Zoll).
• Eine detaillierte Maßzeichnung mit Bemaßung ist im Datenblatt enthalten, die Längen, Durchmesser und Drahtstärken der Anschlüsse mit einer allgemeinen Toleranz von ±0,25mm spezifiziert, sofern nicht anders angegeben.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die LED hat eine abgeflachte Seite an der Linse oder einen kürzeren Anschlussdraht, um die Kathode (negativer Anschluss) zu kennzeichnen. Die korrekte Polarität muss während des Schaltungsaufbaus beachtet werden.

5. Richtlinien für Lötung und Montage

Eine sachgemäße Handhabung ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit und Leistung der Diode zu erhalten.

5.1 Anschlussdraht-Formgebung

• Das Biegen muss mindestens 3mm von der Basis der Epoxidlinse entfernt erfolgen, um Belastungen des internen Chips und der Bonddrähte zu vermeiden.
• Die Anschlussdrähte vor dem Löten formen.
• Vermeiden Sie Belastungen auf das Gehäuse. Die Leiterplattenlöcher müssen perfekt mit den LED-Anschlussdrähten ausgerichtet sein, um Montagespannungen zu verhindern.
• Anschlussdrähte bei Raumtemperatur schneiden.

5.2 Lagerbedingungen

• Empfohlene Lagerung: ≤ 30°C und ≤ 70% relative Luftfeuchtigkeit (RLF).
• Die Haltbarkeit nach dem Versand beträgt unter diesen Bedingungen 3 Monate.
• Für längere Lagerung (bis zu 1 Jahr) verwenden Sie einen versiegelten Behälter mit Stickstoffatmosphäre und Trockenmittel.
• Vermeiden Sie schnelle Temperaturwechsel in feuchter Umgebung, um Kondensation zu verhindern.

5.3 Lötempfehlungen

Halten Sie einen Mindestabstand von 3mm zwischen Lötstelle und Epoxidkörper ein.

• Handlöten: Lötspitzentemperatur ≤ 300°C (max. 30W), Lötzeit ≤ 3 Sekunden.
• Wellen-/Tauchlöten: Vorwärmen ≤ 100°C (max. 60 Sek.), Lötbad ≤ 260°C, Verweilzeit ≤ 5 Sekunden.
• Vermeiden Sie Belastungen der Anschlussdrähte während Hochtemperaturvorgängen.
• Tauch-/Handlöten nicht mehr als einmal durchführen.
• Lassen Sie die Diode nach dem Löten langsam auf Raumtemperatur abkühlen und schützen Sie sie während des Abkühlens vor Stößen oder Vibrationen.

5.4 Reinigung

• Falls notwendig, nur mit Isopropylalkohol bei Raumtemperatur für ≤ 1 Minute reinigen. An der Luft trocknen lassen.
• Ultraschallreinigung wird nicht empfohlen. Falls unvermeidbar, muss deren potenzielle Auswirkung sorgfältig bewertet werden.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Verpackungsmaterialien & Spezifikation

Die Dioden werden mit feuchtigkeitsbeständigen Materialien verpackt, um Schäden während Lagerung und Transport zu verhindern. Die Verpackungshierarchie ist:

1. Dioden werden in antistatische Beutel gelegt.
2. Beutel werden in Innenkartons gelegt.
3. Innenkartons werden in Versandkartons gepackt.

6.2 Verpackungsmengen

• Mindestens 200 bis 1000 Stück pro antistatischem Beutel.
• 5 Beutel pro Innenkarton.
• 10 Kartons pro Versandkarton.

6.3 Etikettenerklärung

Etiketten auf der Verpackung enthalten wichtige Kennzeichnungen:

• CPN: Kundeneigene Produktionsnummer
• P/N: Produktionsnummer (Teilenummer)
• QTY: Verpackungsmenge
• CAT: Ränge (Leistungsklassen)
• HUE: Dominante Wellenlänge
• REF: Referenz
• LOT No: Losnummer für Rückverfolgbarkeit

7. Anwendungsdesign-Überlegungen

7.1 Treiberschaltungs-Design

Aufgrund der exponentiellen I-V-Kennlinie der Diode ist ein Konstantstromtreiber oder ein strombegrenzender Widerstand zwingend erforderlich. Der Widerstandswert (R_limit) kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F. Verwenden Sie stets den maximalen V_F-Wert aus dem Datenblatt für einen gegebenen I_F-Wert, um unter allen Bedingungen ausreichenden Strom sicherzustellen. Für gepulsten Betrieb (z.B. Fernbedienungen) muss der Treiber den hohen Spitzenstrom (bis zu 1A) mit dem korrekten Tastverhältnis liefern können.

7.2 Thermomanagement

Während das Gehäuse bei 25°C 150mW abführen kann, reduziert sich dieser Wert mit steigender Umgebungstemperatur. In geschlossenen Räumen oder bei hohen Umgebungstemperaturen muss sichergestellt werden, dass die tatsächliche Verlustleistung (I_F* V_F) unter dem reduzierten Grenzwert bleibt. Für kontinuierlichen Hochstrombetrieb kann eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte oder andere Kühlmaßnahmen erforderlich sein.

7.3 Optisches Design

Der 25-Grad-Abstrahlwinkel bietet einen Kompromiss zwischen Strahlbündelung und Abdeckung. Für Anwendungen mit größerer Reichweite können Sekundäroptiken (Linsen) verwendet werden, um den Strahl zu kollimieren. Für großflächige Abdeckung kann ein Diffusor notwendig sein. Stellen Sie sicher, dass das Sichtfeld und die spektrale Empfindlichkeit des Empfängers mit der Ausgabe der LED übereinstimmen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die Hauptunterscheidungsmerkmale der HIR204C in ihrer Klasse (3mm IR-LEDs) sind die Kombination aushoher Strahlungsintensität(bis zu 900 mW/sr gepulst) undrelativ niedriger Durchlassspannung(typisch 1,45V bei 20mA). Dies macht sie effizient und reduziert im Vergleich zu Dioden mit höherer V_F den Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung bei einer gegebenen Lichtausgabe. Die 850nm-Wellenlänge ist ein Standard für siliziumbasierte Empfänger und bietet einen guten Kompromiss zwischen Empfängerempfindlichkeit und relativer Unsichtbarkeit. Ihre robuste Bauweise und das klare Gehäusematerial tragen zu ihrer angegebenen hohen Zuverlässigkeit bei.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

9.1 Was ist der Unterschied zwischen Dauer- und Pulsstromwerten?

Der Dauerstromwert (100mA) ist der maximale Gleichstrom, den die LED dauerhaft ohne Beschädigungsrisiko verkraften kann. Der Pulsstromwert (1A) ist viel höher, kann aber nur für sehr kurze Pulse (≤100μs) bei einem sehr niedrigen Tastverhältnis (≤1%) angewendet werden. Dies ermöglicht kurze Ausbrüche sehr hoher Helligkeit, wie sie bei Fernbedienungssignalen üblich sind, ohne die Diode zu überhitzen.

9.2 Warum ist die Durchlassspannung bei 1A höher als bei 20mA?

Dies liegt am inhärenten Serienwiderstand innerhalb des LED-Chips und des Gehäuses. Mit steigendem Strom erhöht sich der Spannungsabfall über diesem Innenwiderstand (V = I * R), was zu einer höheren Gesamt-Durchlassspannung führt. Das Datenblatt liefert diese Daten, damit Treiber so ausgelegt werden können, dass sie die notwendige Spannung beim Zielbetriebsstrom liefern.

9.3 Kann diese LED für Datenübertragung verwendet werden?

Ja, ihre schnelle Schaltfähigkeit (impliziert durch ihre Verwendung in Fernbedienungen) macht sie für modulierte Datenübertragung in Freilaufsystemen geeignet. Die erreichbare Datenrate hängt von der Fähigkeit der Treiberschaltung ab, den Strom schnell zu schalten, und von der Bandbreite des Empfängers.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

10.1 Entwurf eines einfachen IR-Senders

Ziel: Erstellen eines kontinuierlich leuchtenden IR-Senders für die Annäherungserkennung mit einer Reichweite von wenigen Metern.

Entwurfsschritte:

1. Arbeitspunkt wählen: Wählen Sie I_F= 50mA für einen Kompromiss aus guter Ausgangsleistung und moderater Leistungsaufnahme. Aus der I-V-Kennlinie schätzen Sie V_F≈ 1,6V.
2. Treiber berechnen: Mit einer 5V-Versorgung und einem Vorwiderstand: R = (5V - 1,6V) / 0,05A = 68Ω. Leistung im Widerstand: P = I²R = (0,05)² * 68 = 0,17W. Verwenden Sie einen 68Ω, 0,25W Widerstand.
3. Thermische Prüfung: LED-Verlustleistung: P_LED= V_F* I_F= 1,6V * 0,05A = 80mW. Dies liegt deutlich unter dem Nennwert von 150mW bei 25°C. Wenn eine Umgebungstemperatur von 50°C erwartet wird, konsultieren Sie die Reduktionskurve, um sicherzustellen, dass 80mW immer noch sicher ist.
4. Montage: Auf Leiterplatte platzieren, wobei die Löcher mit den Anschlussdrähten ausgerichtet sind. Löten, wobei die Lötstellen >3mm vom Linsenkörper entfernt bleiben.
5. Paarung: Verwenden Sie einen Fototransistor oder ein Empfängermodul, das für 850nm-Licht empfindlich ist, und platzieren Sie es innerhalb des 25-Grad-Strahlungskegels der LED.

11. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-LED ist eine Halbleiter-p-n-Übergangsdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen aus dem n-dotierten Bereich und Löcher aus dem p-dotierten Bereich in den Übergangsbereich injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, geben sie Energie in Form von Photonen (Licht) ab. Das verwendete spezifische Halbleitermaterial (in diesem Fall GaAlAs) bestimmt die Bandlückenenergie, die direkt die Wellenlänge der emittierten Photonen definiert – in diesem Fall im nahen Infrarotbereich um 850nm. Das wasserklare Epoxidgehäuse fungiert als Linse, formt den Ausgangsstrahl und schützt den empfindlichen Halbleiterchip.

12. Technologietrends

Die Entwicklung von Infrarot-LEDs konzentriert sich weiterhin auf mehrere Schlüsselbereiche:Erhöhter Wirkungsgrad(mehr optische Leistungsabgabe pro elektrischem Watt Eingang),Höhere Leistungsdichte(kleinere Gehäuse, die mehr Strom verkraften können) undVerbesserte Zuverlässigkeitunter rauen Umgebungsbedingungen. Es gibt auch laufende Arbeiten zur Entwicklung von Dioden mit anderen spezifischen Wellenlängen (z.B. 940nm für verbesserte Unauffälligkeit oder spezifische Wellenlängen für Gassensorik). Die Integration von Treiberschaltungen und Empfängern in kompakte Module ist ein weiterer bedeutender Trend, der das Systemdesign für Endanwender vereinfacht. Die HIR204C repräsentiert eine ausgereifte, zuverlässige Technologie, die für ihre vorgesehenen Anwendungen gut geeignet ist.