Technisches Datenblatt für 5mm Infrarot-LED IR323 - 5,0mm Gehäuse - 940nm Wellenlänge - 1,5V Durchlassspannung - 150mW Verlustleistung

1. Produktübersicht

Dieses Dokument enthält die vollständigen technischen Spezifikationen für eine hochintensive 5mm Infrarot-Leuchtdiode (LED). Das Bauteil ist in einem blauen transparenten Kunststoffgehäuse verkapselt und wurde entwickelt, um Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern (nm) zu emittieren, was es eindeutig im nahen Infrarotspektrum verortet. Diese Wellenlänge ist strategisch gewählt für eine optimale Leistung in Sensor- und Fernbedienungsanwendungen, da sie gut mit der spektralen Empfindlichkeit gängiger Silizium-Fototransistoren, Fotodioden und Infrarot-Empfängermodule übereinstimmt. Die primären Designziele für diese Komponente sind hohe Zuverlässigkeit, hohe Strahlungsleistung und ein Betrieb mit niedriger Durchlassspannung, was sie für eine Vielzahl von infrarotbasierten elektronischen Systemen geeignet macht.

1.1 Kernmerkmale und Vorteile

Die LED bietet mehrere Schlüsselvorteile, die zu ihrer Leistung und einfachen Integration beitragen:

• Hohe Strahlungsintensität:Liefert eine typische Strahlungsintensität von 6,4 mW/sr bei einem Standardtreiberstrom von 20mA und gewährleistet so eine starke Signalübertragung.
• Niedrige Durchlassspannung:Weist eine typische Durchlassspannung (Vf) von 1,2V bei 20mA auf, was zu einem geringeren Stromverbrauch im Gesamtsystem beiträgt.
• Standardisiertes Gehäuse:Verwendet ein gängiges 5mm Radialgehäuse mit einem Anschlussabstand von 2,54mm (0,1 Zoll), kompatibel mit Standard-Leiterplattenlayouts und Steckbrettern.
• Umweltkonformität:Das Produkt wird bleifrei hergestellt, ist konform mit den EU-RoHS- und REACH-Verordnungen und erfüllt halogenfreie Standards (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm).
• Definierter Abstrahlwinkel:Bietet einen typischen Halbwertswinkel (2θ1/2) von 30 Grad, was einen fokussierten Strahl für gerichtete Anwendungen liefert.

2. Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der elektrischen, optischen und thermischen Grenzwerte und Kennwerte des Bauteils.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen wird nicht garantiert.

• Dauer-Durchlassstrom (I_F):100 mA. Der maximale Gleichstrom, der bei einer Umgebungstemperatur von 25°C unbegrenzt durch die LED fließen darf.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):1,0 A. Dieser hohe Pulsstrom ist nur unter strengen Bedingungen zulässig: Pulsbreite ≤ 100μs und Tastverhältnis ≤ 1%. Dies ist nützlich für kurze, hochintensive Signalisierung.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung angelegt werden kann. Eine Überschreitung kann zum Sperrschichtdurchbruch führen.
• Verlustleistung (P_d):150 mW bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur. Dies ist die maximale Leistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann. Der Wert verringert sich mit steigender Umgebungstemperatur.
• Temperaturbereiche:Betrieb (T_opr): -40°C bis +85°C; Lagerung (T_stg): -40°C bis +100°C.
• Löttemperatur (T_sol):Maximal 260°C für eine Dauer von nicht mehr als 5 Sekunden, definiert den Prozessbereich für Wellen- oder Handlötung.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter, gemessen bei Ta=25°C, definieren die typische Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen.

• Strahlungsintensität (I_e):Das primäre Maß für die optische Ausgangsleistung. Minimum 4,0 mW/sr, Typisch 6,4 mW/sr bei I_F=20mA. Beim maximalen Dauerstrom von 100mA steigt die typische Intensität auf 30 mW/sr.
• Spitzenwellenlänge (λ_p):940 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die emittierte optische Leistung ihr Maximum erreicht.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):45 nm (typisch). Dies definiert den Bereich der emittierten Wellenlängen, typischerweise gemessen bei halber Spitzenleistung (Halbwertsbreite - FWHM).
• Durchlassspannung (V_F):1,2V (typisch), 1,5V (maximal) bei 20mA. Steigt aufgrund des Serienwiderstands der Diode auf 1,4V (typisch), 1,8V (maximal) bei 100mA.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 10 μA bei einer Sperrvorspannung von 5V.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):30 Grad (typisch). Die Winkelausbreitung zwischen den Punkten, an denen die Strahlungsintensität halb so groß ist wie bei 0 Grad (auf der Achse).

3. Erklärung des Binning-Systems

Die Bauteile werden basierend auf ihrer gemessenen Strahlungsintensität unter der Standardtestbedingung I_F= 20mA sortiert (gebinned). Dies ermöglicht es Konstrukteuren, Teile mit garantierten minimalen und maximalen Ausgangspegeln für eine konsistente Systemleistung auszuwählen.

Ein mit Bin "L" gekennzeichnetes Teil garantiert beispielsweise eine Strahlungsintensität zwischen 5,6 und 8,9 mW/sr. Höhere Bin-Buchstaben (z.B. P) entsprechen Bauteilen mit höherer Ausgangsleistung. Das Datenblatt zeigt für dieses spezifische Produkt kein Binning für andere Parameter wie Durchlassspannung oder Spitzenwellenlänge an, was auf eine enge Fertigungskontrolle dieser Eigenschaften schließen lässt.

4. Analyse der Kennlinien

Die bereitgestellten Kennlinien bieten wertvolle Einblicke in das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen.

4.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Dieses Diagramm zeigt die Reduzierung des maximal zulässigen Dauer-Durchlassstroms mit steigender Umgebungstemperatur. Bei 25°C sind die vollen 100mA erlaubt. Bei steigender Temperatur muss der maximale Strom reduziert werden, um die 150mW Verlustleistungsgrenze nicht zu überschreiten und die Langzeitzuverlässigkeit sicherzustellen. Diese Kurve ist entscheidend für den Entwurf von Systemen, die in erhöhten Temperaturumgebungen arbeiten.

4.2 Strahlungsintensität vs. Durchlassstrom

Diese Darstellung veranschaulicht die Beziehung zwischen Treiberstrom (I_F) und optischer Ausgangsleistung (I_e). Die Strahlungsintensität steigt bei niedrigeren Strömen überlinear mit dem Strom und tendiert bei höheren Strömen dazu, linearer zu werden, obwohl sie letztendlich sättigt. Die Kurve bestätigt die in der Tabelle angegebenen typischen Werte (z.B. ~6,4 mW/sr bei 20mA, ~30 mW/sr bei 100mA).

4.3 Spektrale Verteilung

Das Spektraldiagramm stellt die relative Strahlungsintensität über der Wellenlänge dar. Es bestätigt visuell die Spitzenwellenlänge (λ_p) von 940nm und die spektrale Bandbreite (Δλ) von etwa 45nm an den FWHM-Punkten. Die Kurve ist charakteristisch für ein GaAlAs (Galliumaluminiumarsenid) Halbleitermaterialsystem.

4.4 Relative Strahlungsintensität vs. Winkelabweichung

Dieses Polardiagramm zeigt das Abstrahlverhalten der LED. Es zeigt, wie die Intensität mit zunehmendem Winkel von der Mittelachse (0°) abnimmt. Der Winkel, bei dem die Intensität auf 50% ihres Achsenwertes fällt, definiert den Halbwertswinkel, hier mit etwa 30 Grad dargestellt, was einen mäßig fokussierten Strahl ergibt.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein Standard-5mm-Radialgehäuse. Die Maßzeichnung gibt die wichtigsten Maße an: Gesamtdurchmesser (typisch 5,0mm), Anschlussdrahtdurchmesser, der Abstand von der Linsenunterseite zur Biegung in den Anschlüssen und der Anschlussabstand (2,54mm). Die Zeichnung enthält einen Hinweis, dass Toleranzen ±0,25mm betragen, sofern nicht anders angegeben. Der längere Anschluss kennzeichnet typischerweise die Anode (Pluspol).

6. Löt- und Montagerichtlinien

Eine sachgemäße Handhabung ist entscheidend, um die Integrität und Leistung des Bauteils zu erhalten.

6.1 Anschlussformung

• Das Biegen muss an einem Punkt mindestens 3mm von der Basis der Epoxidlinse entfernt erfolgen, um Belastungen der Dichtung zu vermeiden.
• Die Formung sollte vor jedem Lötvorgang abgeschlossen sein.
• Das Schneiden der Anschlüsse sollte bei Raumtemperatur erfolgen, um thermische Schocks zu verhindern.
• Leiterplattenlöcher müssen präzise mit den LED-Anschlüssen ausgerichtet sein, um Montagespannungen zu vermeiden.

6.2 Lagerung

• Empfohlene Lagerbedingungen sind ≤30°C und ≤70% relative Luftfeuchtigkeit (RH) für bis zu 3 Monate ab Versand.
• Für längere Lagerung (bis zu einem Jahr) verwenden Sie einen versiegelten Behälter mit Stickstoffatmosphäre und Trockenmittel.
• Vermeiden Sie schnelle Temperaturwechsel in feuchten Umgebungen, um Kondensation zu verhindern.

6.3 Lötprozess

Kritische Regel:Halten Sie einen Mindestabstand von 3mm von der Lötstelle zur Epoxidkugel ein.

• Handlöten:Lötspitzentemperatur ≤300°C (für ein max. 30W-Lötkolben), Lötzeit ≤3 Sekunden pro Anschluss.
• Wellen-/Tauchlöten:Vorwärmen ≤100°C für ≤60 Sekunden. Lötbad-Temperatur ≤260°C für eine Tauchzeit von ≤5 Sekunden.
• Vermeiden Sie Belastungen der Anschlüsse während der Hochtemperaturphasen.
• Tauch- oder Handlöten sollte nicht mehr als einmal durchgeführt werden.
• Lassen Sie die LED nach dem Löten allmählich auf Raumtemperatur abkühlen; vermeiden Sie schnelles Abschrecken.

6.4 Reinigung

• Reinigen Sie gegebenenfalls nur mit Isopropylalkohol bei Raumtemperatur für nicht mehr als eine Minute.
• Verwenden Sie keine Ultraschallreinigung, es sei denn, es ist unbedingt erforderlich und nur nach gründlicher Vorabprüfung, da sie mechanische Schäden verursachen kann.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Etikettenspezifikation

Das Etikett auf der Verpackung enthält mehrere Codes: Kundeneigene Artikelnummer (CPN), Hersteller-Artikelnummer (P/N), Packmenge (QTY) und Leistungsklassen für Lichtstärke (CAT), dominante Wellenlänge (HUE) und Durchlassspannung (REF). Es enthält auch die Losnummer und einen Datumscode (Monat).

7.2 Verpackungsspezifikation

• LEDs sind in antistatischen Beuteln verpackt.
• Typische Verpackung: 200-500 Stück pro Beutel, 5 Beutel pro Innenkarton, 10 Innenkartons pro Master- (Außen-)Karton.

8. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarot-Fernbedienungen:Für Fernseher, Audiosysteme und andere Unterhaltungselektronik. Die 940nm-Wellenlänge ist ideal, da sie für das menschliche Auge unsichtbar ist, aber von Siliziumempfängern effizient erkannt wird.
• Näherungs- und Objekterkennungssensoren:Verwendet in automatischen Wasserhähnen, Händetrocknern, Sicherheitssystemen und industriellen Zähleinrichtungen. Eine IR-LED gepaart mit einem Fotodetektor kann die Unterbrechung oder Reflexion ihres Strahls erfassen.
• Optische Schalter und Encoder:Zur Erfassung von Bewegung oder Position in Druckern, Motorsteuerungen und Drehgebern.
• Nachtsichtbeleuchtung:Bereitstellung verdeckter Beleuchtung für Sicherheitskameras mit IR-empfindlichen Sensoren.
• Datenübertragung:In kurzen Sichtverbindungs-Datenlinks (z.B. veraltete IrDA-Systeme).

8.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung:Verwenden Sie immer einen Reihen-Strombegrenzungswiderstand, wenn Sie die LED von einer Spannungsquelle ansteuern. Berechnen Sie den Widerstandswert mit R = (V_versorgung- V_F) / I_F. Schließen Sie sie nicht direkt an eine Spannungsquelle an.
• Wärmemanagement:Beim Betrieb nahe dem Maximalstrom oder bei hohen Umgebungstemperaturen berücksichtigen Sie die Reduktionskurve. Sorgen Sie bei Bedarf für ausreichende Belüftung oder Kühlkörper, insbesondere für dicht gepackte Arrays.
• Optisches Design:Der 30-Grad-Abstrahlwinkel liefert einen fokussierten Strahl. Für eine breitere Abdeckung verwenden Sie mehrere LEDs oder Sekundäroptik wie Diffusoren. Für größere Reichweiten können Linsen verwendet werden, um den Strahl weiter zu kollimieren.
• Störfestigkeit:Modulieren Sie in Sensoranwendungen das IR-Signal (z.B. mit einem 38kHz-Träger), um es von Umgebungsinfrarotlicht (Sonnenlicht, Glühlampen) zu unterscheiden. Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich.
• Empfängerabgleich:Stellen Sie sicher, dass der ausgewählte Fotodetektor oder Empfängermodul (z.B. ein integrierter 38kHz-Empfänger) spektral um 940nm empfindlich ist, um optimale Leistung zu erzielen.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Während es viele 5mm IR-LEDs gibt, bietet die Kombination der Parameter dieses Bauteils spezifische Vorteile:

• Verglichen mit IR-LEDs höherer Wellenlänge (z.B. 850nm):Die 940nm-Emission ist als schwaches rotes Leuchten weniger sichtbar, was sie für verdeckte Anwendungen besser geeignet macht. Allerdings sind Silizium-Fotodetektoren bei 940nm etwas weniger empfindlich als bei 850nm, was durch die hohe Strahlungsintensität dieser LED ausgeglichen wird.
• Verglichen mit Standardhelligkeits-IR-LEDs:Die Verfügbarkeit von Bins mit höherer Ausgangsleistung (z.B. Bin N, P) ermöglicht Designs, die für die gleiche Signalstärke eine größere Reichweite oder niedrigere Treiberströme erfordern, was die Energieeffizienz verbessert.
• Verglichen mit oberflächenmontierbaren IR-LEDs:Das Durchsteckgehäuse ist einfacher für Prototypen, Hobbyanwendungen und Anwendungen, bei denen die mechanische Robustheit der Verbindung gegenüber der Leiterplattenfläche priorisiert wird.
• Wesentliche Unterscheidungsmerkmale:Die klar definierte und relativ enge Binning-Struktur für die Intensität, kombiniert mit umfassender Umweltkonformität (RoHS, REACH, halogenfrei), macht dieses Bauteil für moderne, regulierte Elektronikprodukte geeignet.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

10.1 Was ist der Unterschied zwischen "Strahlungsintensität" und "Lichtstärke"?

Strahlungsintensität (gemessen in mW/sr) ist die pro Raumwinkel abgegebene optische Leistung, relevant für alle Wellenlängen. Lichtstärke (gemessen in Candela, mcd) gewichtet die optische Leistung mit der Empfindlichkeit des menschlichen Auges (photopische Kurve). Da das menschliche Auge für 940nm-Infrarotlicht nahezu unempfindlich ist, ist die Lichtstärke für diese LED im Wesentlichen null. Strahlungsintensität ist die korrekte Metrik für IR-Komponenten, die mit elektronischen Sensoren verwendet werden.

10.2 Kann ich diese LED dauerhaft mit 100mA betreiben?

Ja, aber nur, wenn die Umgebungstemperatur (Ta) bei oder unter 25°C liegt, gemäß den absoluten Maximalwerten. Ist die Umgebungstemperatur höher, müssen Sie die Reduktionskurve "Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur" konsultieren, um den neuen maximal zulässigen Dauerstrom zu ermitteln. Bei 85°C wird der maximale Dauerstrom beispielsweise deutlich unter 100mA liegen.

10.3 Warum ist der Spitzen-Durchlassstrom (1A) so viel höher als der Dauerstrom (100mA)?

Der 1A-Wert gilt für sehr kurze Pulse (≤100μs) mit einem niedrigen Tastverhältnis (≤1%). Während eines solchen kurzen Pulses hat die Halbleitersperrschicht keine Zeit, sich signifikant zu erwärmen. Der 100mA-Dauerwert ist durch die stationäre Wärmeableitfähigkeit des Gehäuses begrenzt. Der hohe Pulsstrom ermöglicht Anwendungen wie Reichweiten-Signalisierung mit kurzen Bursts.

10.4 Wie identifiziere ich Anode und Kathode?

In einem Standard-Radial-LED-Gehäuse ist der längere Anschluss typischerweise die Anode (Pluspol). Zusätzlich ist bei Betrachtung der LED von unten der Anschluss auf der Seite mit einer flachen Stelle am Kunststofflinsenrand normalerweise die Kathode (Minuspol). Überprüfen Sie im Zweifelsfall immer mit einem Multimeter im Diodentestmodus.

11. Praktische Design- und Anwendungsbeispiele

11.1 Einfache Näherungssensor-Schaltung

Ein einfacher Reflexionssensor kann gebaut werden, indem diese IR-LED und ein Fototransistor nebeneinander platziert werden und in die gleiche Richtung zeigen. Die LED wird von einem Mikrocontroller-Pin über einen 20-30Ω Widerstand angesteuert (für ~50mA aus einer 3,3V-Versorgung: R = (3,3V - 1,2V)/0,05A ≈ 42Ω). Der Kollektor des Fototransistors ist über einen Pull-up-Widerstand (z.B. 10kΩ) mit der Versorgung verbunden, und der Emitter ist geerdet. Der Kollektorknoten ist mit einem Mikrocontroller-ADC oder digitalen Eingang verbunden. Wenn sich ein Objekt nähert, reflektiert es IR-Licht auf den Fototransistor, wodurch seine Kollektorspannung sinkt, was vom Mikrocontroller erkannt wird.

11.2 Ansteuerung eines IR-Empfängermoduls

Für Fernbedienungsanwendungen koppeln Sie diese LED mit einem 3-poligen IR-Empfängermodul (z.B. abgestimmt auf 38kHz). Die LED ist in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand und einem NPN-Transistor geschaltet. Die Basis des Transistors wird von einem modulierten Signal eines Mikrocontrollers angesteuert, das den Fernbedienungsbefehl mit einem Protokoll wie NEC oder RC5 codiert. Die 38kHz-Trägerfrequenz liegt innerhalb der Bandbreite der Anstiegs-/Abfallzeit der LED. Das Empfängermodul demoduliert dieses Signal und gibt einen sauberen digitalen Datenstrom an den Mikrocontroller aus.

12. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiter-pn-Übergangsdiode. Bei Flusspolung (positive Spannung an der Anode relativ zur Kathode) werden Elektronen aus dem n-dotierten Bereich und Löcher aus dem p-dotierten Bereich über den Übergang injiziert. Wenn diese Ladungsträger im aktiven Bereich des Übergangs rekombinieren, setzen sie Energie frei. Bei diesem spezifischen Bauteil ist das Halbleitermaterial Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs). Die Bandlücke dieses Materials bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen. Für GaAlAs, das auf 940nm-Emission abgestimmt ist, entspricht die Rekombinationsenergie Photonen im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums. Das blaue transparente Epoxidgehäuse wirkt als Linse, formt das emittierte Licht in den spezifizierten Abstrahlwinkel und ist für die Infrarotwellenlänge durchlässig.

13. Technologietrends

Während Durchsteckbauteile wie diese 5mm-LED für Prototypen, Ausbildung und bestimmte Industrieanwendungen beliebt bleiben, tendiert die breitere Industrie zu oberflächenmontierbaren (SMD) Gehäusen (z.B. 0805, 1206 oder Chip-Scale-Packages). SMDs bieten kleinere Größe, bessere Eignung für automatisierte Bestückung und oft verbesserte thermische Leistung aufgrund einer größeren thermischen Anschlussfläche zur Leiterplatte. Speziell für Infrarot-LEDs umfassen Trends die Entwicklung von Bauteilen mit höherer Wandsteckdosen-Effizienz (mehr Lichtausbeute pro elektrischem Watt), engeren Wellenlängentoleranzen für spezifische Sensoranwendungen (wie Gassensorik) und die Integration von Treibern oder Sensoren in Multi-Chip-Module. Die zugrundeliegende Physik und Materialwissenschaft hinter GaAlAs und ähnlichen III-V-Halbleiter-IR-Emittern wird weiterhin für Leistung und Kosten optimiert.