Technisches Datenblatt für die 5mm Infrarot-LED HIR323C - 5mm Durchmesser - 1,45V Durchlassspannung - 850nm Wellenlänge - 150mW Verlustleistung

1. Produktübersicht

Die HIR323C ist eine hochintensive Infrarot-Emissionsdiode in einem standardmäßigen T-1 (5mm) Gehäuse mit einer wasserklaren Kunststofflinse. Diese Komponente ist für zuverlässige Leistung in Infrarot-Erfassungs- und Kommunikationssystemen ausgelegt. Ihre spektrale Ausgabe ist speziell auf die Kompatibilität mit gängigen Silizium-Fototransistoren, Fotodioden und Infrarot-Empfängermodulen abgestimmt, um eine optimale Systemeffizienz zu gewährleisten. Das primäre Anwendungsgebiet dieser Komponente liegt in Infrarot-Anwendungssystemen, zu denen Fernbedienungen, Objekterkennung, Annäherungssensoren und optische Schalter gehören können.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die wesentlichen Vorteile dieser Infrarot-LED ergeben sich aus ihrem Design und der Materialauswahl. Sie nutzt einen GaAlAs (Gallium-Aluminium-Arsenid) Chip, der für effiziente Infrarot-Emission bekannt ist. Das Gehäuse bietet eine hohe Strahlungsintensität, was eine starke Signalübertragung ermöglicht. Ein bedeutendes Merkmal ist ihre niedrige Durchlassspannung, die zu einem geringeren Stromverbrauch in der Endanwendung beiträgt. Das Produkt ist so konzipiert, dass es modernen Umwelt- und Sicherheitsstandards entspricht: bleifrei, RoHS-konform, EU REACH-konform und halogenfrei. Dies macht es für den globalen Markt geeignet, insbesondere für Unterhaltungselektronik, Industrieautomatisierung und Sicherheitssysteme, in denen zuverlässige, langlebige Infrarotquellen benötigt werden.

2. Vertiefung der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt aufgeführten Schlüsselparameter und erläutert deren Bedeutung für Entwicklungsingenieure.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Dauer-Durchlassstrom (IF):100 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der unter spezifizierten Bedingungen dauerhaft durch die LED fließen darf.
• Spitzen-Durchlassstrom (IFP):1,0 A. Dieser hohe Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen zulässig (Pulsbreite ≤ 100μs, Tastverhältnis ≤ 1%). Er ist nützlich für Anwendungen, die sehr kurze, hochintensive Pulse erfordern.
• Sperrspannung (VR):5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Durchbruch des Übergangs führen.
• Betriebs- & Lagertemperatur:Bereich von -40°C bis +85°C (Betrieb) und -40°C bis +100°C (Lagerung). Dieser weite Bereich gewährleistet Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.
• Verlustleistung (Pd):150 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur. Dies ist die maximale Leistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann. Der tatsächlich zulässige Durchlassstrom verringert sich bei höheren Umgebungstemperaturen (Derating).

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter werden unter Standard-Testbedingungen (Ta=25°C) gemessen und definieren die Leistungsfähigkeit des Bauteils.

• Strahlungsstärke (Ie):Dies ist die pro Raumwinkeleinheit abgegebene optische Leistung, gemessen in mW/sr. Der typische Wert beträgt 30 mW/sr bei IF=20mA. Unter gepulstem Betrieb bei 100mA kann sie 130 mW/sr erreichen. Eine höhere Strahlungsstärke bedeutet eine größere Reichweite oder ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis.
• Spitzenwellenlänge (λp):850 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung maximal ist. 850nm liegt im nahen Infrarotspektrum, ist für das menschliche Auge unsichtbar, wird aber von siliziumbasierten Sensoren effizient erfasst.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):45 nm (typisch). Dies definiert den Bereich der emittierten Wellenlängen, der um die Spitzenwellenlänge zentriert ist. Eine schmalere Bandbreite kann vorteilhaft sein, um Umgebungslichtrauschen herauszufiltern.
• Durchlassspannung (VF):1,45V (typisch) bei 20mA, maximal 1,65V. Bei 100mA (gepulst) beträgt das Maximum 2,40V. Die niedrige VF ist ein Schlüsselparameter für die Effizienz.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):15 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsstärke auf die Hälfte ihres Maximalwerts (auf der Achse) abfällt. Ein enger Abstrahlwinkel erzeugt einen stärker fokussierten Strahl.

3. Erklärung des Binning-Systems

Die HIR323C verwendet ein Binning-System, um Bauteile basierend auf ihrer gemessenen Strahlungsstärke beim Standard-Teststrom von 20mA zu kategorisieren. Dies ermöglicht es Entwicklern, Teile auszuwählen, die spezifische Mindestausgangsanforderungen für ihre Anwendung erfüllen.

• Bin P:Strahlungsstärke-Bereich von 15,0 mW/sr (min) bis 24,0 mW/sr (max).
• Bin Q:Strahlungsstärke-Bereich von 21,0 mW/sr (min) bis 34,0 mW/sr (max).
• Bin R:Strahlungsstärke-Bereich von 30,0 mW/sr (min) bis 48,0 mW/sr (max).

Die Auswahl einer höheren Bin-Klasse (z.B. R) garantiert eine höhere Mindestausgangsleistung, was entscheidend für eine konsistente Systemleistung sein kann, insbesondere über Temperaturschwankungen und die Produktlebensdauer hinweg.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen. Das Verständnis dieser Kurven ist entscheidend für ein robustes Schaltungsdesign.

4.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt die Reduzierung (Derating) des maximal zulässigen Dauer-Durchlassstroms mit steigender Umgebungstemperatur. Mit steigender Temperatur nimmt die Fähigkeit des Gehäuses, Wärme abzuführen, ab, daher muss der Strom reduziert werden, um innerhalb des sicheren Betriebsbereichs (SOA) zu bleiben, der durch die maximale Verlustleistung definiert ist. Entwickler müssen dieses Diagramm nutzen, um geeignete strombegrenzende Widerstände oder Treiber für ihre erwartete Betriebsumgebung auszuwählen.

4.2 Strahlungsstärke vs. Durchlassstrom

Dieses Diagramm zeigt die Beziehung zwischen dem Treiberstrom (IF) und der optischen Ausgangsleistung (Ie). Sie ist im Allgemeinen nichtlinear. Die Ausgangsleistung steigt mit dem Strom, kann aber bei sehr hohen Strömen aufgrund thermischer und Effizienzeffekte sättigen. Die Kurve hilft bei der Bestimmung des benötigten Treiberstroms, um ein gewünschtes Ausgangsniveau zu erreichen.

4.3 Spektrale Verteilung

Diese Darstellung zeigt die relative Strahlungsstärke als Funktion der Wellenlänge. Sie bestätigt die Spitzenwellenlänge (λp ~850nm) und die spektrale Bandbreite (Δλ). Die Form dieser Kurve ist wichtig, um die Kompatibilität mit der spektralen Empfindlichkeitskurve des empfangenden Sensors (Fototransistor/Fotodiode) sicherzustellen.

4.4 Relative Strahlungsstärke vs. Winkelabweichung

Dieses Polardiagramm veranschaulicht das Abstrahlverhalten der LED. Die Intensität ist entlang der Mittelachse (0°) am höchsten und nimmt mit zunehmendem Winkel ab. Der 15-Grad-Abstrahlwinkel ist dort definiert, wo die Intensität auf 50% ihres Spitzenwerts fällt. Diese Information ist für das optische Design von entscheidender Bedeutung, um die Strahlaufweitung und Ausrichtungstoleranzen in einem System zu bestimmen.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Gehäuseabmessungszeichnung

Das Bauteil entspricht dem standardmäßigen T-1 (5mm) runden LED-Gehäuse. Wichtige Abmessungen sind der Gesamtdurchmesser (5,0mm typisch), die Linsenhöhe und der Anschlussabstand (2,54mm oder 0,1 Zoll, was ein standardmäßiger Leiterplattenlochabstand ist). Die Zeichnung spezifiziert die Anoden- und Kathodenanschlüsse, wobei der längere Anschluss typischerweise die Anode ist. Alle nicht spezifizierten Toleranzen betragen ±0,25mm. Ingenieure müssen sich auf diese Zeichnung für das Leiterplatten-Footprint-Design und mechanische Freigabeprüfungen beziehen.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Die Komponente verwendet die Standard-LED-Polaritätskonvention: Der längere Anschluss ist die Anode (+), und der kürzere Anschluss ist die Kathode (-). Das Gehäuse kann auch eine abgeflachte Seite am Rand in der Nähe des Kathodenanschlusses haben. Die korrekte Polarität ist für den Betrieb unerlässlich; eine Sperrvorspannung über 5V kann das Bauteil beschädigen.

6. Löt- und Montagerichtlinien

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

6.1 Anschlussformung

• Das Biegen muss mindestens 3mm von der Basis des Epoxid-Glaskörpers entfernt erfolgen, um Belastungen des internen Chips und der Bonddrähte zu vermeiden.
• Die Formung sollte immer vor dem Lötprozess durchgeführt werden.
• Mechanische Belastung des Gehäuses während der Formung muss minimiert werden, um Risse oder interne Schäden zu verhindern.
• Die Ausrichtung der Leiterplattenlöcher muss präzise sein, um Montagespannungen zu vermeiden.

6.2 Lagerbedingungen

Die empfohlene Lagerumgebung liegt bei oder unter 30°C und 70% relativer Luftfeuchtigkeit (RH). Die Haltbarkeit unter diesen Bedingungen beträgt 3 Monate ab Versand. Für eine längere Lagerung (bis zu einem Jahr) sollten die Bauteile in einem versiegelten Behälter mit Stickstoffatmosphäre und Trockenmittel aufbewahrt werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die die Lötbarkeit und Zuverlässigkeit beeinträchtigen kann.

6.3 Lötparameter

Ein Mindestabstand von 3mm muss zwischen der Lötstelle und dem Epoxid-Glaskörper eingehalten werden, um thermische Schäden zu verhindern.

• Handlöten:Lötspitzentemperatur maximal 300°C (für einen 30W-Lötkolben), Lötzeit maximal 3 Sekunden pro Anschluss.
• Wellen-/Tauchlöten:Vorwärmtemperatur maximal 100°C für bis zu 60 Sekunden. Lötbad-Temperatur maximal 260°C, mit einer Tauchzeit von nicht mehr als 5 Sekunden.

Das Datenblatt enthält ein empfohlenes Löttemperaturprofil und betont die Bedeutung kontrollierter Aufheiz-, Spitzentemperatur- und Abkühlraten, um thermischen Schock zu verhindern. Das Löten (Tauch- oder Handlöten) sollte nicht mehr als einmal durchgeführt werden. Nach dem Löten sollte das Bauteil vor Vibrationen geschützt werden, bis es auf Raumtemperatur abgekühlt ist.

6.4 Reinigung

Falls eine Reinigung notwendig ist, sollte nur Isopropylalkohol bei Raumtemperatur verwendet werden, für eine Dauer von nicht mehr als einer Minute. Ultraschallreinigung wird dringend abgeraten, da die hochfrequenten Vibrationen die interne Struktur der LED beschädigen können. Falls unbedingt erforderlich, muss der Prozess vorab sorgfältig qualifiziert werden.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Verpackungsspezifikation

Die Bauteile werden typischerweise in antistatischen Beuteln verpackt, um Schäden durch elektrostatische Entladung (ESD) zu verhindern. Eine gängige Verpackungskonfiguration ist: 200-500 Stück pro Beutel, 5 Beutel in einem Innenkarton und 10 Innenkartons in einem Außenkarton.

7.2 Etikettenspezifikation

Das Etikett auf der Verpackung enthält wichtige Informationen für die Rückverfolgbarkeit und korrekte Anwendung:

• P/N:Produktnummer (HIR323C).
• CAT:Strahlungsstärke-Klasse (d.h. der Bin-Code: P, Q oder R).
• LOT No:Losnummer für die Fertigungsrückverfolgbarkeit.
• Andere Codes können Kundenteilenummer (CPN), Menge (QTY) und Datumscodes enthalten.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarot-Fernbedienungen:Für Fernseher, Audiosysteme und andere Unterhaltungselektronik.
• Objekt-/Annäherungserfassung:In Haushaltsgeräten, Verkaufsautomaten und Industrieanlagen, um das Vorhandensein oder Fehlen eines Objekts zu erkennen.
• Optische Schalter und Encoder:Wo das Unterbrechen oder Reflektieren eines Infrarotstrahls eine Position oder Bewegung anzeigt.
• Sicherheitssysteme:Als Teil von Infrarot-Einbruchserkennungsstrahlen.
• Datenübertragung:Für kurze, simplex serielle Datenverbindungen (IrDA-kompatible Systeme können spezifische Bauteile erfordern).

8.2 Design-Überlegungen

• Strombegrenzung:Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Verwenden Sie immer einen Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle, um den Durchlassstrom (IF) auf den gewünschten Wert einzustellen, berechnet aus der Versorgungsspannung (Vcc), der LED-Durchlassspannung (VF) und dem gewünschten Strom: R = (Vcc - VF) / IF.
• Wärmemanagement:Für Dauerbetrieb bei höheren Strömen oder erhöhten Umgebungstemperaturen berücksichtigen Sie die Derating-Kurve. Stellen Sie ausreichende Leiterplatten-Kupferfläche oder andere Mittel sicher, um Wärme von den LED-Anschlüssen abzuleiten.
• Optische Ausrichtung:Der enge 15-Grad-Abstrahlwinkel erfordert eine sorgfältige mechanische Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger für optimale Signalstärke.
• Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht:Für Systeme, die in Umgebungen mit variablem Umgebungslicht (z.B. Sonnenlicht) arbeiten, erwägen Sie, das Infrarotsignal mit einer spezifischen Frequenz zu modulieren und einen Empfänger zu verwenden, der auf diese Frequenz abgestimmt ist, um Hintergrundrauschen zu unterdrücken.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Während es viele 5mm Infrarot-LEDs gibt, unterscheidet sich die HIR323C durch eine Kombination von Parametern. Ihre hohe typische Strahlungsstärke (30 mW/sr bei 20mA) platziert sie in der höheren Leistungsklasse für ihre Gehäusegröße. Die sehr niedrige typische Durchlassspannung (1,45V) verbessert die Energieeffizienz, was besonders in batteriebetriebenen Anwendungen wertvoll ist. Die spezifische Abstimmung auf Silizium-Fotodetektoren und die Einhaltung strenger Umweltstandards (Halogenfrei, REACH) machen sie zu einer geeigneten Wahl für moderne, umweltbewusste Designs, die zuverlässige, langfristige Leistung erfordern.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F1: Kann ich diese LED direkt von einem 3,3V- oder 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Nein. Der Strom einer LED muss begrenzt werden. Ein direkter Anschluss an eine niederohmige Spannungsquelle wie einen MCU-Pin würde einen übermäßigen Stromfluss verursachen, der sowohl die LED als auch den MCU-Ausgang zerstören könnte. Verwenden Sie immer einen strombegrenzenden Widerstand oder eine Treiberschaltung.

F2: Was ist der Unterschied zwischen den P-, Q- und R-Bins?

A: Sie repräsentieren unterschiedliche garantierte Mindestniveaus der Strahlungsleistung. Bin R hat die höchste Mindestausgangsleistung (30 mW/sr), gefolgt von Q (21 mW/sr) und dann P (15 mW/sr). Wählen Sie basierend auf der erforderlichen Signalstärke und dem Link-Budget in Ihrer Anwendung.

F3: Das Datenblatt zeigt einen Spitzen-Durchlassstrom von 1A. Kann ich dies für Hochleistungs-Pulsanwendungen nutzen?

A: Ja, aber nur unter den angegebenen strengen Bedingungen: Die Pulsbreite muss 100 Mikrosekunden oder weniger betragen, und das Tastverhältnis muss 1% oder weniger sein (z.B. ein 100μs-Puls alle 10ms). Dies ermöglicht es der LED, hohe momentane Leistung zu verarbeiten, ohne zu überhitzen.

F4: Warum sind die Lagerbedingungen und die Haltbarkeit wichtig?

A: Kunststoffgehäusete elektronische Bauteile können Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufnehmen. Während des Hochtemperatur-Lötprozesses kann diese eingeschlossene Feuchtigkeit sich schnell ausdehnen und zu innerer Delamination oder \"Popcorning\" führen, was das Gehäuse zum Reißen bringt und das Bauteil zerstört. Die Einhaltung der Lagerrichtlinien und gegebenenfalls das Trocknen der Bauteile ist entscheidend für eine Fertigung mit hoher Ausbeute.

11. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Beispiel: Entwurf eines einfachen Objekterkennungssensors.

Eine häufige Anwendung ist ein Lichtschranken-Sensor. Die HIR323C wird auf einer Seite eines Weges platziert, und ein Fototransistor (abgestimmt auf 850nm) wird direkt gegenüber platziert. Ein Mikrocontroller steuert die LED über einen 100Ω-Widerstand von einer 5V-Versorgung an, was zu einem Durchlassstrom von etwa (5V - 1,45V)/100Ω = 35,5mA führt. Die LED wird mit 1kHz und einem Tastverhältnis von 50% gepulst, um Strom zu sparen und eine Umgebungslichtunterdrückung durch synchrone Detektion im Mikrocontroller zu ermöglichen. Die Ausgabe des Fototransistors wird vom ADC des MCU ausgelesen. Wenn ein Objekt den Strahl unterbricht, fällt der ADC-Wert und löst eine Aktion aus. Der enge 15-Grad-Abstrahlwinkel der HIR323C hilft, eine klar definierte Erfassungszone zu schaffen und Fehlauslösungen durch Objekte zu reduzieren, die in der Nähe, aber nicht im Strahl vorbeigehen.

12. Prinzipielle Einführung

Eine Infrarot-Licht emittierende Diode (IR-LED) ist eine Halbleiter-pn-Übergangsdiode, die Licht emittiert, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben wird. Wenn elektrischer Strom von der Anode (p-Typ-Material) zur Kathode (n-Typ-Material) fließt, rekombinieren Elektronen mit Löchern im Übergangsbereich und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die Wellenlänge des emittierten Lichts wird durch die Bandlücke des Halbleitermaterials bestimmt. Für die HIR323C hat das GaAlAs-Materialsystem eine Bandlücke, die Photonen im nahen Infrarotbereich um 850 Nanometer entspricht. Die wasserklare Epoxidlinse ist für diese Wellenlänge transparent und ist geformt, um das gewünschte Abstrahlverhalten (Abstrahlwinkel) zu erzeugen.

13. Entwicklungstrends

Der Trend in der Infrarot-Emitter-Technologie geht weiterhin in Richtung höherer Effizienz (mehr optische Ausgangsleistung pro elektrischem Eingangswatt), was entweder größere Reichweite, geringeren Stromverbrauch oder beides ermöglicht. Es gibt auch einen Trend zur Miniaturisierung, wobei oberflächenmontierbare (SMD) Gehäuse für die automatisierte Montage verbreiteter werden als Durchsteckmontage-Typen wie der T-1. Integration ist ein weiterer Trend, wobei kombinierte Sender-Sensor-Module und intelligente Sensoren mit integrierter Signalverarbeitung üblich werden. Darüber hinaus bleibt die Einhaltung und das Übertreffen von Umweltvorschriften (wie halogenfreie Anforderungen) ein zentraler Fokus für Bauteilehersteller, die globale Märkte bedienen. Während die Standard-850nm-Wellenlänge aufgrund der guten Siliziumsensor-Reaktion und der niedrigen Kosten beliebt bleibt, gewinnen andere Wellenlängen wie 940nm an Bedeutung für Anwendungen, bei denen die Sichtbarkeit des schwachen roten Glühens (bei einigen 850nm-LEDs vorhanden) unerwünscht ist.