Technisches Datenblatt für 5mm Infrarot-LED HIR333/H0 - 5mm Durchmesser - 1,45V Durchlassspannung - 850nm Wellenlänge - 150mW Verlustleistung

1. Produktübersicht

Die HIR333/H0 ist eine hochintensive Infrarot-Emissionsdiode in einem Standard-T-1 3/4 (5mm) Durchsteckgehäuse mit gelber Kunststofflinse. Das Bauteil ist für zuverlässige Leistung in Infrarot-Erfassungs- und Kommunikationssystemen ausgelegt. Ihre Hauptfunktion ist die Emission von Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 850nm, die spektral für die Kompatibilität mit gängigen siliziumbasierten Fotodetektoren wie Fototransistoren, Fotodioden und integrierten Infrarot-Empfängermodulen optimiert ist. Das Produkt ist mit Fokus auf hohe Zuverlässigkeit und konsistente Ausgangsleistung entwickelt.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die Hauptvorteile dieser Komponente sind ihre hohe Strahlungsintensität, die eine starke Signalübertragung ermöglicht, und ihre niedrige Durchlassspannung, die zu energieeffizientem Betrieb beiträgt. Sie ist aus bleifreien Materialien gefertigt und entspricht wichtigen Umwelt- und Sicherheitsrichtlinien wie RoHS, EU REACH und halogenfreien Standards (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). Diese Eigenschaften machen sie für ein breites Spektrum kommerzieller und industrieller Infrarotanwendungen geeignet, bei denen regulatorische Konformität und langfristige Zuverlässigkeit entscheidend sind. Der Zielmarkt umfasst Hersteller von Sicherheitssystemen, Fernbedienungen, optischen Schaltern, Objekterkennungssensoren und verschiedenen Konsumelektronikgeräten, die nicht sichtbare Lichtquellen benötigen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte Aufschlüsselung der elektrischen, optischen und thermischen Spezifikationen, die die Betriebsgrenzen und die Leistung der LED definieren.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Diese Werte dürfen niemals, auch nicht kurzzeitig, überschritten werden. Für zuverlässigen Betrieb sollte innerhalb der empfohlenen Betriebsbedingungen gearbeitet werden.

• Dauer-Durchlassstrom (I_F): 100 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich an die LED angelegt werden darf.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP): 1,0 A. Dieser hohe Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen mit einer Pulsbreite ≤ 100μs und einem Tastverhältnis ≤ 1% zulässig, um Überhitzung zu vermeiden.
• Sperrspannung (V_R): 5 V. Das Überschreiten dieser Sperrspannung kann zum Sperrschichtdurchbruch führen.
• Verlustleistung (P_d): 150 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur. Dieser Wert verringert sich mit steigender Umgebungstemperatur.
• Temperaturbereiche: Betrieb: -40°C bis +85°C; Lagerung: -40°C bis +100°C.
• Löttemperatur (T_sol): 260°C für maximal 5 Sekunden, definiert die Grenzen für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Die elektro-optischen Kenngrößen sind unter einer Standardtestbedingung von 25°C Umgebungstemperatur (T_a) spezifiziert. Diese Parameter definieren die typische Leistung des Bauteils.

• Strahlungsintensität (I_e): Dies ist die pro Raumwinkeleinheit abgegebene optische Leistung, gemessen in Milliwatt pro Steradiant (mW/sr). Der typische Wert beträgt 15 mW/sr bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20mA. Unter einem gepulsten Strom von 100mA kann die Strahlungsintensität 80 mW/sr erreichen.
• Spitzenwellenlänge (λ_p): 850 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung maximal ist. Diese Wellenlänge ist für das menschliche Auge unsichtbar, wird aber von Siliziumsensoren effizient erfasst.
• Spektrale Bandbreite (Δλ): 45 nm (typisch). Dies gibt den Bereich der von der LED emittierten Wellenlängen an, gemessen bei halber Maximalintensität (Full Width at Half Maximum - FWHM).
• Durchlassspannung (V_F): 1,45V (typisch) bei I_F=20mA, maximal 1,65V. Bei I_F=100mA (gepulst) steigt die typische V_Fauf 1,80V mit einem Maximum von 2,40V.
• Sperrstrom (I_R): Maximal 10 μA bei V_R=5V, was auf einen sehr geringen Leckstrom im Sperrzustand hinweist.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2): 30 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte ihres Wertes in der Mitte (0°) abfällt. Ein 30°-Winkel bietet einen mäßig fokussierten Strahl.

3. Erklärung des Binning-Systems

Die Strahlungsintensität der LEDs wird in verschiedene Bins oder Klassen sortiert, um Konsistenz für den Endanwender zu gewährleisten. Das Binning erfolgt unter einer Standardtestbedingung von I_F= 20mA. Die verfügbaren Bins sind durch einen Buchstabencode (M, N, P, Q, R) mit entsprechenden Minimal- und Maximalwerten für die Strahlungsintensität definiert. Dies ermöglicht es Entwicklern, eine Komponente auszuwählen, die ihren spezifischen Empfindlichkeits- oder Reichweitenanforderungen entspricht. Beispielsweise garantiert die Auswahl eines 'P'-Bins eine minimale Strahlungsintensität von 15,0 mW/sr und eine maximale von 24,0 mW/sr. Das Datenblatt zeigt für diese spezifische Artikelnummer kein separates Binning für Wellenlänge (Farbton) oder Durchlassspannung (REF) an, aber die Etikettenspezifikation deutet darauf hin, dass diese Parameter während der Fertigung verfolgt werden.

4. Analyse der Leistungskurven

Die typischen Leistungskurven bieten visuelle Einblicke in das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen, was für Schaltungsentwurf und thermisches Management entscheidend ist.

4.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Diese Derating-Kurve zeigt, wie der maximal zulässige kontinuierliche Durchlassstrom abnimmt, wenn die Umgebungstemperatur über 25°C steigt. Um sicherzustellen, dass die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen bleibt und die langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet ist, muss der Betriebsstrom in Hochtemperaturumgebungen reduziert werden. Entwickler müssen diese Kurve konsultieren, wenn die LED in Gehäusen oder bei erhöhten Umgebungstemperaturen betrieben wird.

4.2 Spektrale Verteilung

Das Spektralverteilungsdiagramm stellt die relative Strahlungsintensität über der Wellenlänge dar. Es bestätigt visuell die Spitzenwellenlänge bei 850nm und die ungefähre spektrale Bandbreite von 45nm. Die Kurve ist charakteristisch für GaAlAs (Galliumaluminiumarsenid) Halbleitermaterial. Der schmale, klar definierte Peak gewährleistet minimale Überlappung mit sichtbarem Licht und optimale Kopplung mit Siliziumdetektoren, deren maximale Empfindlichkeit bei etwa 800-900nm liegt.

4.3 Strahlungsintensität vs. Durchlassstrom

Diese Kurve veranschaulicht die Beziehung zwischen Treiberstrom und optischer Ausgangsleistung. Die Strahlungsintensität steigt bei niedrigeren Strömen überlinear mit dem Strom und tendiert bei höheren Strömen dazu, linearer zu werden, um schließlich zu sättigen, wenn der interne Wirkungsgrad aufgrund von Erwärmungseffekten sinkt. Die Kurve für den gepulsten Betrieb (100mA) zeigt eine deutlich höhere Ausgangsleistung als der Gleichstrombetrieb und unterstreicht den Vorteil des gepulsten Betriebs für das Erreichen hoher Spitzenintensität ohne thermische Schäden.

4.4 Relative Strahlungsintensität vs. Winkelabweichung

Dieses Polardiagramm zeigt das räumliche Abstrahlmuster der LED. Es zeigt, wie die Lichtintensität abnimmt, wenn der Betrachtungswinkel von der Mittelachse (0°) abweicht. Das Muster ist für diesen Gehäusetyp annähernd lambertisch, wobei die Intensität an den Halbwertspunkten (ca. ±15°) 50% der Intensität auf der Achse beträgt, was den 30°-Abstrahlwinkel definiert.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil verwendet ein Standard-5mm (T-1 3/4) Radialgehäuse mit Anschlussdrähten. Die Anschlüsse haben einen Standardabstand von 2,54mm (0,1 Zoll), kompatibel mit gängigen Lochrasterplatinen und PCB-Layouts. Die Gehäuseabmessungszeichnung liefert kritische Maße wie Gesamtdurchmesser, Linsenhöhe, Anschlussdrahtlänge und -durchmesser. Das Gehäuse ist aus gelbem Kunststoff geformt, der für das 850nm-Infrarotlicht durchlässig ist, aber farbig erscheint, um die visuelle Identifikation und Unterscheidung von sichtbaren LEDs zu erleichtern. Die Kathode ist typischerweise durch eine abgeflachte Stelle am Linsenrand und/oder einen kürzeren Anschlussdraht gekennzeichnet. Alle Abmessungen haben eine Standardtoleranz von ±0,25mm, sofern nicht anders angegeben.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Sachgemäße Handhabung während der Montage ist entscheidend, um mechanische oder thermische Schäden an der LED zu vermeiden.

6.1 Anschlussdrahtverformung

Wenn Anschlussdrähte gebogen werden müssen, muss dies an einer Stelle mindestens 3mm vom Epoxidharzkörper entfernt erfolgen. Die Verformung sollte immer vor dem Löten, bei Raumtemperatur und mit Sorgfalt durchgeführt werden, um direkte Belastung des Epoxidkörpers zu vermeiden, die das Gehäuse brechen oder die internen Bonddrähte beschädigen kann. PCB-Löcher müssen präzise mit den LED-Anschlüssen ausgerichtet sein, um Montagespannungen zu vermeiden.

6.2 Lagerung

LEDs sollten in einer kühlen, trockenen Umgebung (≤30°C, ≤70% relative Luftfeuchtigkeit) gelagert werden. Die empfohlene Lagerdauer nach Versand beträgt 3 Monate. Für längere Lagerung (bis zu einem Jahr) sollten die Bauteile in einem versiegelten, feuchtigkeitsdichten Beutel mit Trockenmittel, vorzugsweise in Stickstoffatmosphäre, aufbewahrt werden, um Feuchtigkeitsaufnahme und potenzielles \"Popcorning\" während des Lötens zu verhindern.

6.3 Lötprozess

Ein Mindestabstand von 3mm muss zwischen der Lötstelle und dem Epoxidharzkörper eingehalten werden. Empfohlene Lötparameter sind:
Handlöten: Lötspitzentemperatur ≤300°C (für max. 30W Lötkolben), Lötzeit ≤3 Sekunden pro Anschluss.
Wellen-/Tauchlöten: Vorwärmtemperatur ≤100°C für ≤60 Sekunden; Lötbad-Temperatur ≤260°C für ≤5 Sekunden.
Das bereitgestellte Lötprofil-Diagramm empfiehlt einen schnellen Temperaturanstieg, eine Plateau-(Soak-)Zone, einen kurzen Peak bei 260°C und ein kontrolliertes Abkühlen. Schnelles Abkühlen oder thermischer Schock sollte vermieden werden. Nachlöten (mehr als ein Zyklus von Tauch- oder Handlöten) wird nicht empfohlen.

6.4 Reinigung

Wenn nach dem Löten eine Reinigung notwendig ist, verwenden Sie Isopropylalkohol bei Raumtemperatur für nicht länger als eine Minute. Verwenden Sie keine Ultraschallreinigung, es sei denn, ihre Auswirkungen (Leistung, Frequenz, Dauer) wurden an Probenbaugruppen gründlich vorqualifiziert, da Ultraschallenergie die empfindliche interne Halbleiterstruktur brechen kann.

5.5 Wärmemanagement

Effektives thermisches Management ist eine kritische Designüberlegung. Die Verlustleistungsangabe von 150mW gilt bei 25°C. In realen Anwendungen muss die tatsächliche Verlustleistung (V_F* I_F) mit steigender Umgebungstemperatur reduziert werden, wie in der Derating-Kurve gezeigt. Für Dauerbetrieb bei hohen Strömen oder in hohen Umgebungstemperaturen sollten Sie die Verwendung eines Kühlkörpers, erhöhte Luftströmung oder gepulsten Betrieb in Betracht ziehen, um die mittlere Sperrschichttemperatur zu senken und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die LEDs sind in antistatischen Beuteln verpackt, um sie vor elektrostatischer Entladung (ESD) zu schützen. Diese Beutel befinden sich in Innenkartons, die dann für den Versand in größere Außenkartons gepackt werden. Eine typische Packmenge ist 200-500 Stück pro Beutel, mit 5 Beuteln pro Innenkarton und 10 Innenkartons pro Master-Außenkarton. Das Etikett auf dem Beutel enthält Schlüsselinformationen für Rückverfolgbarkeit und Identifikation, einschließlich der Kunden-Produktnummer (CPN), der Hersteller-Produktnummer (P/N), der Packmenge (QTY) und der Leuchtstärkeklasse (CAT). Andere Codes können die dominante Wellenlängenklasse (HUE), die Durchlassspannungsklasse (REF), die Losnummer und den Datencode angeben.

8. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarot-Fernbedienungen: Wird als Sender in TV-, Audio- und Set-Top-Box-Fernbedienungen verwendet.
• Näherungs- und Objekterkennung: Zusammen mit einem Fototransistor, um die Anwesenheit, Abwesenheit oder Position eines Objekts zu erfassen.
• Optische Schalter: Verwendung in Schlitzsensoren (z.B. Papiererkennung in Druckern) oder reflektiven Sensoren.
• Sicherheitssysteme: Für Nachtsichtbeleuchtung in CCTV-Kameras oder als Teil von Infrarot-Einbruchmelde-Strahlen.
• Industrieautomation: Für berührungslose Erfassung in Zähl-, Ausrichtungs- und Füllstandserkennungsanwendungen.

8.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung: Verwenden Sie immer einen Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle, um den Durchlassstrom auf den gewünschten Wert zu begrenzen, berechnet basierend auf der Versorgungsspannung und der Durchlassspannung der LED.
• Gepulster Betrieb: Für Anwendungen, die hohe Spitzenintensität erfordern (wie Fernerkennung), verwenden Sie gepulsten Betrieb mit angemessenem Tastverhältnis, um innerhalb der Spitzenstrom- und Durchschnittsleistungsgrenzen zu bleiben.
• Optisches Design: Berücksichtigen Sie den 30°-Abstrahlwinkel beim Entwerfen von Linsen, Blenden oder Lichtwegen. Für größere Reichweiten können externe Linsen verwendet werden, um den Strahl zu kollimieren.
• Detektorabstimmung: Stellen Sie sicher, dass der ausgewählte Fotodetektor (Fototransistor, Fotodiode oder Empfänger-IC) eine hohe Empfindlichkeit im 850nm-Bereich aufweist.
• Unempfindlichkeit gegen Umgebungslicht: In Umgebungen mit starkem Umgebungslicht (insbesondere Sonnenlicht mit IR-Anteil) verwenden Sie modulierte (gepulste) IR-Signale und synchrone Detektion im Empfänger, um das Signal vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-sichtbaren LEDs ist diese IR-LED für die Ausgabe im Infrarotspektrum mit einem Material (GaAlAs) optimiert, das bei 850nm hohe Effizienz bietet. Ihre Hauptunterscheidungsmerkmale innerhalb der IR-LED-Kategorie sind die Kombination aus relativ hoher Strahlungsintensität (15 mW/sr typisch) und niedriger Durchlassspannung (1,45V typisch), was zu geringerem Stromverbrauch in batteriebetriebenen Geräten führen kann. Der 30°-Abstrahlwinkel bietet eine gute Balance zwischen Strahlkonzentration und Abdeckungsbereich. Die Konformität mit modernen Umweltstandards (RoHS, REACH, halogenfrei) ist ein bedeutender Vorteil für Produkte für den globalen Markt und beseitigt Materialkonformitätsbedenken.

10. Häufig gestellte Fragen basierend auf technischen Parametern

F: Kann ich diese LED direkt an eine 5V-Versorgung anschließen?
A: Nein. Sie müssen einen strombegrenzenden Widerstand verwenden. Zum Beispiel, mit einer 5V-Versorgung, einem Zielstrom von 20mA und einer angenommenen typischen V_Fvon 1,45V, wäre der Widerstandswert R = (5V - 1,45V) / 0,02A = 177,5Ω. Ein Standard-180Ω-Widerstand wäre geeignet.

F: Was ist der Unterschied zwischen den DC- und gepulsten Strahlungsintensitätswerten?
A: Der DC-Wert (15 mW/sr bei 20mA) gilt für Dauerbetrieb, bei dem thermische Effekte die Ausgangsleistung begrenzen. Der gepulste Wert (80 mW/sr bei 100mA) ist erreichbar, weil der kurze Puls es der Sperrschicht nicht erlaubt, sich signifikant zu erwärmen, was einen viel höheren Momentanstrom und damit eine höhere Lichtausgabe ermöglicht.

F: Wie identifiziere ich die Kathode?
A: In einem Standard-5mm-Gehäuse ist die Kathode typischerweise durch zwei Merkmale gekennzeichnet: 1) Eine abgeflachte Kante am runden Kunststofflinsenrand. 2) Der Kathodenanschluss ist normalerweise kürzer als der Anodenanschluss. Überprüfen Sie die Polarität immer vor dem Löten.

F: Ist diese LED empfindlich gegenüber ESD?
A: Wie alle Halbleiterbauteile kann sie durch elektrostatische Entladung beschädigt werden. Sie wird in antistatischer Verpackung geliefert und sollte während der Montage mit angemessenen ESD-Vorsichtsmaßnahmen gehandhabt werden.

11. Praktischer Design- und Anwendungsfall

Fall: Entwurf eines einfachen Objekterkennungssensors
Eine häufige Anwendung ist ein Lichtschranken-Sensor. Die HIR333/H0 IR-LED wird auf einer Seite eines Weges platziert und ein Fototransistor direkt gegenüber. Wenn ein Objekt zwischen ihnen hindurchgeht, unterbricht es den Infrarotstrahl, was zu einer Änderung des Ausgangssignals des Fototransistors führt. Für dieses Design:
1. Betreiben Sie die LED mit einem 20mA-Konstantstrom, z.B. über einen einfachen Transistorschalter oder einen Mikrocontroller-GPIO-Pin (mit Vorwiderstand).
2. Für verbesserte Störfestigkeit und Reichweite pulsen Sie die LED mit einer Frequenz (z.B. 38kHz) und verwenden Sie ein Fototransistormodul mit eingebautem 38kHz-Filter.
3. Richten Sie LED und Detektor sorgfältig aus und berücksichtigen Sie den 30°-Abstrahlkegel. Für größere Abstände ziehen Sie in Betracht, vor der LED ein Rohr oder eine Kollimatorlinse anzubringen, um den Strahl zu verengen.
4. Platzieren Sie den Sensor fern von direktem Sonnenlicht oder anderen starken Infrarotlichtquellen, um Fehlauslösungen zu verhindern.

12. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiter-pn-Übergangsdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen aus dem n-Gebiet und Löcher aus dem p-Gebiet über den Übergang injiziert. Wenn diese Ladungsträger im aktiven Gebiet rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen (Licht) freigesetzt. Die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt. Die HIR333/H0 verwendet Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs), das eine Bandlücke aufweist, die Photonen im nahen Infrarotspektrum entspricht, speziell um 850 Nanometer. Das gelbe Kunststoffgehäuse ist dotiert, um für diese Wellenlänge durchlässig zu sein, während sichtbares Licht blockiert wird, und dient auch als Primärlinse zur Formung des Ausgangsstrahls.

13. Technologietrends und Entwicklungen

Der Trend in der Infrarot-LED-Technologie geht weiterhin in Richtung höherer Effizienz (mehr Lichtausbeute pro elektrischem Watt Eingang) und höherer Leistungsdichten. Dies ermöglicht entweder hellere Quellen oder energieeffizientere Designs. Es gibt auch Entwicklungen bei variierenden Spitzenwellenlängen; während 850nm und 940nm üblich sind, werden andere Wellenlängen für spezifische Anwendungen wie Gasdetektion oder medizinische Diagnostik optimiert. Die Gehäusetechnik entwickelt sich weiter, um Oberflächenmontagetechnik (SMD) für automatisierte Montage zu unterstützen, obwohl Durchsteckgehäuse wie das 5mm-Gehäuse für Prototyping, Reparatur und bestimmte Hochzuverlässigkeitsanwendungen beliebt bleiben. Integration ist ein weiterer Trend, bei dem IR-LEDs mit Treibern, Modulatoren und sogar Detektoren zu einzelnen Modulen kombiniert werden, um das Systemdesign für den Endanwender zu vereinfachen.