3mm Infrarot-LED IR204/H16/L10 Datenblatt - Abmessungen 3mm - Spannung 1,5V - Wellenlänge 940nm - Technisches Dokument auf Deutsch

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt detailliert die Spezifikationen einer hochintensiven 3mm (T-1) Infrarot-Leuchtdiode (LED). Das Bauteil ist in einem blau-transparenten Kunststoffgehäuse untergebracht und für eine optimale spektrale Anpassung an Silizium-Fotodetektoren, Fototransistoren und Infrarot-Empfängermodule ausgelegt. Seine Hauptfunktion ist die Emission von Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern, was es für das menschliche Auge unsichtbar, für elektronische Sensoren jedoch hochgradig erfassbar macht.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die LED bietet mehrere Schlüsselvorteile, darunter hohe Zuverlässigkeit, niedrige Durchlassspannung und hohe Strahlungsintensität. Sie ist mit einem Standard-Stiftabstand von 2,54mm für eine einfache Leiterplattenintegration ausgelegt. Das Produkt entspricht den Standards RoHS, EU REACH und halogenfrei (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm), was es für umweltbewusste und regulierte Märkte geeignet macht. Die primären Zielanwendungen liegen in infrarotbasierten Systemen wie Fernbedienungen, Annäherungssensoren, Objekterkennung und optischen Schaltern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Das Bauteil ist für den Betrieb innerhalb strenger Grenzwerte ausgelegt, um Langlebigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der kontinuierliche Durchlassstrom (IF) darf 100 mA nicht überschreiten. Für Pulsbetrieb mit einer Pulsbreite ≤100μs und einem Tastverhältnis ≤1% ist ein Spitzendurchlassstrom (IFP) von bis zu 1,0 A zulässig. Die maximale Sperrspannung (VR) beträgt 5 V. Der Betriebstemperaturbereich (Topr) liegt zwischen -40°C und +85°C, während der Lagertemperaturbereich (Tstg) von -40°C bis +100°C reicht. Die Löttemperatur (Tsol) muss bei oder unter 260°C gehalten werden, wobei die Dauer 5 Sekunden nicht überschreiten darf. Die maximale Verlustleistung (Pd) bei 25°C freier Lufttemperatur beträgt 150 mW.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Alle elektro-optischen Kenngrößen sind, sofern nicht anders angegeben, bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C und einem Durchlassstrom (IF) von 20mA spezifiziert. Die Strahlungsintensität (IE) ist gebinnt, mit Minimalwerten von 4,0 bis 11,0 mW/sr je nach Rang. Die Spitzenwellenlänge (λp) beträgt typischerweise 940 nm, mit einer spektralen Bandbreite (Δλ) von 45 nm. Die Durchlassspannung (VF) beträgt typischerweise 1,2 V mit einem Maximum von 1,5 V. Der Sperrstrom (IR) beträgt maximal 10 μA bei einer Sperrspannung von 5V. Der Abstrahlwinkel (2θ1/2), definiert als der volle Winkel bei halber Intensität, beträgt typischerweise 50 Grad.

3. Erklärung des Binning-Systems

Die Strahlungsleistung der LED wird in Bins kategorisiert, um eine konsistente Anwendungsentwicklung zu gewährleisten. Das Binning basiert auf der bei IF=20mA gemessenen Strahlungsintensität. Die verfügbaren Bins sind K, L, M und N mit den entsprechenden Minimal- und Maximalwerten der Strahlungsintensität: Bin K: 4,0-6,4 mW/sr; Bin L: 5,6-8,9 mW/sr; Bin M: 7,8-12,5 mW/sr; Bin N: 11,0-17,6 mW/sr. Dies ermöglicht es Entwicklern, ein Bauteil auszuwählen, das den spezifischen Empfindlichkeitsanforderungen ihrer Fotodetektorschaltung entspricht.

4. Analyse der Kennlinien

4.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Die Derating-Kurve zeigt die Beziehung zwischen dem maximal zulässigen kontinuierlichen Durchlassstrom und der Umgebungstemperatur. Mit steigender Umgebungstemperatur nimmt der maximal zulässige Durchlassstrom linear ab. Dies ist eine kritische Designüberlegung, um thermisches Durchgehen zu verhindern und sicherzustellen, dass die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Betriebsgrenzen bleibt, wodurch die Zuverlässigkeit des Bauteils erhalten wird.

4.2 Spektrale Verteilung

Das Spektralverteilungsdiagramm veranschaulicht die relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Emission ist um die typische Spitzenwellenlänge von 940 nm mit einer definierten Bandbreite zentriert. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Gewährleistung der Kompatibilität mit dem Empfangssensor, der typischerweise seine eigene spektrale Empfindlichkeitskurve aufweist. Eine gute Übereinstimmung maximiert die Systemeffizienz und das Signal-Rausch-Verhältnis.

4.3 Strahlungsintensität vs. Durchlassstrom

Dieses Diagramm zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen der Strahlungsleistung (Ie) und dem Durchlassstrom (IF). Die Strahlungsintensität nimmt mit dem Strom zu, jedoch nicht in einer perfekt linearen Weise, insbesondere bei höheren Strompegeln. Das Verständnis dieser Kurve ist entscheidend, um die LED korrekt anzusteuern und die gewünschte optische Ausgangsleistung zu erreichen, ohne die absoluten Grenzwerte zu überschreiten.

4.4 Relative Strahlungsintensität vs. Winkelabweichung

Das Abstrahldiagramm zeigt, wie sich die emittierte Lichtintensität mit dem Winkel von der Mittelachse (0°) ändert. Das Muster ist für diesen Gehäusetyp typischerweise lambertisch oder nahezu lambertisch, wobei die Intensität bei etwa ±25 Grad auf 50% ihres Wertes auf der Achse abfällt (was den 50° Abstrahlwinkel ergibt). Diese Information ist für das optische Design von entscheidender Bedeutung, um den Abdeckungsbereich und die Ausrichtungsanforderungen in einem System zu bestimmen.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die LED ist in einem Standard-T-1 (3mm) Radialgehäuse mit Anschlussdrähten verpackt. Das Gehäuse besteht aus blau-transparentem Kunststoff. Die Anschlussdrähte haben einen Standardabstand von 2,54mm (0,1 Zoll). Die Maßzeichnung (im PDF impliziert) würde genaue Maße für den Gehäusedurchmesser, die Drahtlänge und andere kritische Abmessungen liefern, typischerweise mit einer Toleranz von ±0,25mm, sofern nicht anders angegeben. Die Kathode ist typischerweise durch eine abgeflachte Stelle am Linsenrand oder einen kürzeren Draht gekennzeichnet, obwohl die spezifische Markierung aus der mechanischen Zeichnung überprüft werden sollte.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Es können Handlöt- oder Wellenlötverfahren verwendet werden. Die absolute maximale Löttemperatur beträgt 260°C, und die Lötzeit sollte 5 Sekunden nicht überschreiten. Es wird empfohlen, die standardmäßigen IPC-Richtlinien für das Löten von Durchsteckbauteilen zu befolgen. Längere Exposition gegenüber hohen Temperaturen kann das Kunststoffgehäuse und den internen Halbleiterchip beschädigen. Das Bauteil sollte in einer trockenen Umgebung gelagert werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die bei Reflow-Lötung (falls zutreffend) zu Popcorning führen könnte, obwohl es sich primär um ein Durchsteckbauteil handelt.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation ist 200 bis 1000 Stück pro Beutel, 4 Beutel pro Karton und 10 Kartons pro Versandkarton. Das Etikett auf der Verpackung enthält kritische Informationen für Rückverfolgbarkeit und Identifikation: Kundeneigene Produktnummer (CPN), Produktnummer (P/N), Packmenge (QTY), Ränge (CAT), Spitzenwellenlänge (HUE), Referenz (REF), Losnummer (LOT No) und Produktionsort. Feuchtigkeitsbeständige Verpackungsmaterialien werden verwendet, um die Bauteile während der Lagerung und des Transports zu schützen.

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

Diese Infrarot-LED ist ideal für eine Vielzahl von berührungslosen Erfassungs- und Signalübertragungsanwendungen geeignet. Häufige Anwendungen sind Infrarot-Fernbedienungen für Unterhaltungselektronik (Fernseher, Audiosysteme), Annäherungs- und Objekterkennung in Haushaltsgeräten und Industrieanlagen, optische Encoder, Lichtschranken und als Lichtquelle in gepaarten Sender-Empfänger-Modulen für Zähl- oder Füllstandserfassung.

8.2 Designüberlegungen

Beim Entwurf einer Schaltung sollte stets ein strombegrenzender Widerstand in Reihe mit der LED geschaltet werden, um den Durchlassstrom zu steuern und Schäden zu verhindern. Der Wert kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R = (Versorgungsspannung - VF) / IF. Wählen Sie den geeigneten Strahlungsintensitäts-Bin basierend auf der erforderlichen Erfassungsdistanz und der Empfindlichkeit des Detektors. Berücksichtigen Sie den Abstrahlwinkel bei der Ausrichtung der LED auf den Empfänger. Für Pulsbetrieb zur Erzielung einer höheren momentanen Ausgangsleistung (z.B. für größere Reichweite) stellen Sie sicher, dass Pulsbreite und Tastverhältnis innerhalb der spezifizierten Grenzen für IFP bleiben. Sorgen Sie für eine ausreichende Leiterplattenlayoutgestaltung zur Wärmeableitung, insbesondere beim Betrieb nahe der Grenzwerte.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu generischen Infrarot-LEDs bietet dieses Bauteil eine klar definierte und konsistente spektrale Ausgangsleistung, die bei 940nm zentriert ist. Dies ist eine gängige Spitzenempfindlichkeitswellenlänge für Silizium-Fotodioden und Fototransistoren, was eine effiziente Kopplung gewährleistet. Die Verfügbarkeit von Strahlungsintensitäts-Bins ermöglicht eine vorhersehbare Leistung in der Serienfertigung. Die Kombination aus niedriger Durchlassspannung (typ. 1,2V) und hoher Strahlungsintensität kann zu energieeffizienteren Designs führen. Die Einhaltung moderner Umweltstandards (RoHS, REACH, halogenfrei) ist ein bedeutender Vorteil für Produkte, die auf globale Märkte mit strengen Vorschriften abzielen.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Was ist der Unterschied zwischen den Bins K, L, M und N?

A: Die Bins repräsentieren verschiedene Bereiche der minimalen Strahlungsintensität. Bin N hat die höchste Ausgangsleistung (11,0-17,6 mW/sr), während Bin K die niedrigste hat (4,0-6,4 mW/sr). Wählen Sie einen Bin basierend auf der für Ihre Anwendung erforderlichen Signalstärke.

F: Kann ich diese LED direkt mit einer 5V-Versorgung betreiben?

A: Nein. Die Durchlassspannung beträgt nur etwa 1,2-1,5V. Ein direkter Anschluss an 5V würde einen übermäßigen Stromfluss verursachen und die LED zerstören. Sie müssen stets einen Reihenstrombegrenzungswiderstand verwenden.

F: Wie identifiziere ich die Kathode?

A: Bei einem Standard-T-1-Gehäuse ist die Kathode üblicherweise durch eine abgeflachte Kante am Kunststofflinsenrand gekennzeichnet. Alternativ ist, wenn man die LED von unten betrachtet, der Draht, der der abgeflachten Seite entspricht, die Kathode. Die Kathode kann auch der kürzere Draht sein.

F: Was ist die typische Betriebslebensdauer?

A: Obwohl in diesem Datenblatt nicht explizit angegeben, haben Infrarot-LEDs wie diese typischerweise eine sehr lange Betriebslebensdauer (Zehntausende von Stunden), wenn sie innerhalb ihrer spezifizierten absoluten Grenzwerte, insbesondere der Strom- und Temperaturgrenzen, betrieben werden.

11. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwurf eines einfachen Objekterkennungssensors.

Ein Ingenieur muss das Vorhandensein eines Objekts, das eine Lücke passiert, erfassen. Er kombiniert diese IR204-LED mit einem Fototransistor, der auf der gegenüberliegenden Seite der Lücke platziert ist (Durchlicht-Konfiguration). Er wählt eine LED aus Bin M für ausreichende Intensität. Die LED wird mit einem Konstantstrom von 20mA von einem 3,3V-Mikrocontroller-Pin über einen 100Ω-Widerstand angesteuert (R = (3,3V - 1,2V) / 0,02A ≈ 105Ω). Der Kollektor des Fototransistors wird über einen Widerstand auf 3,3V hochgezogen, und die Spannung am Kollektor wird vom ADC des Mikrocontrollers ausgelesen. Wenn der Strahl ungehindert ist, leitet der Fototransistor und zieht die Spannung auf einen niedrigen Pegel. Wenn ein Objekt den Strahl blockiert, hört der Fototransistor auf zu leiten, und die Spannung steigt auf einen hohen Pegel, was die Anwesenheit des Objekts signalisiert. Der 50° Abstrahlwinkel gewährleistet einen ausreichend breiten Strahl für eine zuverlässige Erkennung, selbst bei leichter Fehlausrichtung.

12. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Infrarot-LED ist eine Halbleiter-pn-Übergangsdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die ihre Bandlückenenergie übersteigt, rekombinieren Elektronen aus dem n-Gebiet mit Löchern aus dem p-Gebiet im aktiven Bereich (in diesem Fall aus GaAlAs). Dieser Rekombinationsprozess setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Materialzusammensetzung (Galliumaluminiumarsenid) bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen, die bei diesem Bauteil im Infrarotspektrum um 940 nm liegt. Das blau-transparente Kunststoffgehäuse ist kein Filter, sondern fungiert als Linse, um den Ausgangsstrahl zu formen und den Halbleiterchip zu schützen.

13. Technologietrends

Die Infrarot-LED-Technologie entwickelt sich weiter in Richtung höherer Effizienz (mehr Strahlungsleistung pro elektrischem Watt Eingang), höherer Leistungsdichte für Anwendungen mit größerer Reichweite wie LiDAR und Time-of-Flight-Erfassung sowie kleinerer Gehäusegrößen für die Integration in kompakte Verbrauchergeräte. Es gibt auch einen Trend zu präziserer Wellenlängenkontrolle und schmaleren spektralen Bandbreiten für spezifische Erfassungsanwendungen, wie Gasdetektion oder physiologische Überwachung. Die Integration von Treibern und Steuerlogik direkt mit dem LED-Chip (Smart-LEDs) ist ein weiteres Entwicklungsgebiet. Die grundlegenden Prinzipien von Bauteilen wie dem hier beschriebenen bleiben für eine Vielzahl von etablierten und aufkommenden optoelektronischen Systemen von entscheidender Bedeutung.