IR333C 5mm Infrarot-LED Datenblatt - 5mm T-1 Gehäuse - 940nm Spitzenwellenlänge - 1,5V Durchlassspannung - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Die IR333C ist eine hochintensive Infrarot-Emissionsdiode in einem standardmäßigen 5mm (T-1) wasserklaren Kunststoffgehäuse. Sie ist darauf ausgelegt, Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 940nm zu emittieren, was ideal für Anwendungen ist, die nicht sichtbare Lichtquellen erfordern. Das Bauteil ist spektral auf gängige Silizium-Fototransistoren, Fotodioden und Infrarot-Empfängermodule abgestimmt, was eine optimale Leistung in Signalübertragungssystemen gewährleistet.

Zu den Hauptvorteilen dieser Komponente zählen ihre hohe Zuverlässigkeit, hohe Strahlungsintensität und niedrige erforderliche Durchlassspannung. Der Anschlussabstand von 2,54mm macht sie kompatibel mit Standard-Steckbrettern und Leiterplatten. Sie wird zudem als bleifreies und RoHS-konformes Produkt hergestellt und entspricht damit modernen Umweltstandards.

1.1 Kernmerkmale und Zielmarkt

Die primären Merkmale, die die IR333C definieren, sind ihre auf Infrarotanwendungen zugeschnittenen optischen und elektrischen Eigenschaften. Ihre hohe Strahlungsintensität mit einem Maximum bei 940nm macht sie hocheffizient für optische Freiraumkommunikation. Die niedrige Durchlassspannung reduziert den Stromverbrauch, was für batteriebetriebene Geräte entscheidend ist.

Die Zielanwendungen sind vielfältig und umfassen:

• Freiraum-Übertragungssysteme:Verwendung für drahtlose Datenverbindungen über kurze Distanzen.
• Infrarot-Fernbedienungseinheiten:Insbesondere solche mit hohem Leistungsbedarf für größere Reichweite oder Betrieb durch Hindernisse.
• Rauchmelder:Eingesetzt in optischen Kammerdesigns zur Erkennung von Rauchpartikeln.
• Allgemeine Infrarot-Anwendungssysteme:Dies umfasst Objekterkennung, Annäherungserkennung und industrielle Automatisierung.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Ein gründliches Verständnis der Bauteilspezifikationen ist für einen zuverlässigen Schaltungsentwurf und Systemintegration entscheidend.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie dürfen niemals, auch nicht kurzzeitig, überschritten werden.

• Dauer-Durchlassstrom (I_F):100 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der unter festgelegten Bedingungen dauerhaft durch die LED fließen darf.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):1,0 A. Dieser hohe Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen zulässig (Pulsbreite ≤ 100μs, Tastverhältnis ≤ 1%). Dies ist nützlich, um eine sehr hohe momentane Strahlungsleistung zu erreichen.
• 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. Dieser Wert berücksichtigt sowohl den Durchlassspannungsabfall als auch den Strom. Ein Betrieb über diesem Limit führt zu übermäßiger Erwärmung und Leistungsverschlechterung oder Ausfall.
• Temperaturbereiche:Betriebs- und Lagertemperaturen sind von -40°C bis +85°C spezifiziert, was die Eignung für industrielle und automotiv Umgebungen anzeigt.
• Löttemperatur (T_sol):260°C für maximal 5 Sekunden. Dies ist kritisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse, um Gehäuseschäden zu vermeiden.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

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

• Strahlungsintensität (E_e):Dies ist die abgegebene optische Leistung pro Raumwinkeleinheit (mW/sr). Der typische Wert beträgt 15 mW/sr bei I_F=20mA. Unter gepulsten Bedingungen von I_F=100mA steigt er auf 60 mW/sr, und bei I_F=1A erreicht er 450 mW/sr. Dies zeigt den signifikanten Gewinn an Ausgangsleistung bei gepulster Ansteuerung.
• Spitzenwellenlänge (λ_p):940 nm (typisch). Dies liegt im nahen Infrarotspektrum, für das menschliche Auge unsichtbar, aber von siliziumbasierten Sensoren effizient detektierbar.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):45 nm (typisch). Dies definiert den Bereich der emittierten Wellenlängen, zentriert um das Maximum. Eine schmalere Bandbreite kann vorteilhaft sein, um Umgebungslichtrauschen herauszufiltern.
• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,5V bei I_F=20mA, maximal 1,85V bei I_F=100mA (gepulst). Die niedrige V_Fist ein Hauptvorteil für Niederspannungsschaltungsentwürfe.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 10 μA bei V_R=5V. Dieser Leckstrom ist sehr gering.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):20 Grad (typisch). Dieser schmale Strahlwinkel bündelt die Strahlungsintensität zu einem gerichteten Strahl und erhöht so die effektive Reichweite für Anwendungen wie Fernbedienungen.

3. Erklärung des Binning-Systems

Die IR333C wird basierend auf ihrer Strahlungsintensität bei einem Standard-Teststrom von 20mA in verschiedene Bins sortiert. Dies ermöglicht es Entwicklern, Bauteile mit garantierten Mindestleistungsniveaus für ihre Anwendung auszuwählen.

Die Binning-Struktur ist wie folgt:

• Bin M:Strahlungsintensität zwischen 7,8 mW/sr (Min) und 12,5 mW/sr (Max).
• Bin N:Strahlungsintensität zwischen 11,0 mW/sr (Min) und 17,6 mW/sr (Max).
• Bin P:Strahlungsintensität zwischen 15,0 mW/sr (Min) und 24,0 mW/sr (Max).
• Bin Q:Strahlungsintensität zwischen 21,0 mW/sr (Min) und 34,0 mW/sr (Max).

Für Anwendungen, die gleichmäßige Helligkeit oder größere Reichweite erfordern, wird die Spezifikation eines höheren Bins (z.B. P oder Q) empfohlen. Das Produktetikett enthält ein \"CAT\"-Feld zur Angabe der Rangstufe.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die zeigen, wie sich Parameter mit den Betriebsbedingungen ändern.

4.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb. 1 & 8)

Diese Kurven zeigen den Zusammenhang zwischen dem maximal zulässigen Durchlassstrom und der Umgebungstemperatur. Mit steigender Temperatur nimmt der maximal zulässige Dauerstrom linear ab. Dies liegt an der reduzierten Verlustleistungsfähigkeit bei höheren Temperaturen. Entwickler müssen den Betriebsstrom basierend auf der erwarteten maximalen Umgebungstemperatur reduzieren, um die Zuverlässigkeit sicherzustellen.

4.2 Spektrale Verteilung (Abb. 2)

Dieses Diagramm stellt die relative Intensität über der Wellenlänge dar. Es bestätigt die Spitzenemission bei 940nm und zeigt die Form und Breite (ca. 45nm) des Emissionsspektrums. Dies ist wichtig für die Auswahl geeigneter optischer Filter im Empfänger.

4.3 Spitzenwellenlänge vs. Temperatur (Abb. 3)

Die Spitzenemissionswellenlänge hat einen leichten Temperaturkoeffizienten und verschiebt sich typischerweise zu längeren Wellenlängen (Rotverschiebung), wenn die Sperrschichttemperatur steigt. Diese Verschiebung ist für Infrarot-LEDs normalerweise gering, sollte aber bei Präzisionssensoranwendungen berücksichtigt werden.

4.4 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abb. 4)

Dies ist die Standard-I-V-Kennlinie einer Diode. Sie zeigt den exponentiellen Zusammenhang. Die Kurve ermöglicht es Entwicklern, den Spannungsabfall für einen gegebenen Treiberstrom zu bestimmen, was für die Berechnung von Vorwiderstandswerten oder Treiberschaltungsanforderungen wesentlich ist.

4.5 Relative Intensität vs. Durchlassstrom (Abb. 5)

Diese Kurve zeigt, dass die Strahlungsleistung im typischen Betriebsbereich annähernd linear mit dem Durchlassstrom zunimmt. Bei sehr hohen Strömen kann die Effizienz jedoch aufgrund von Erwärmung und anderen Effekten abnehmen.

4.6 Relative Strahlungsintensität vs. Winkelabweichung (Abb. 6)

Dieses Polardiagramm definiert visuell den Abstrahlwinkel. Die Intensität ist bei 0 Grad (auf der Achse) am höchsten und nimmt mit zunehmendem Winkel ab, erreicht etwa bei ±10 Grad die Hälfte ihres Maximalwerts (daher der volle Abstrahlwinkel von 20 Grad).

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil verwendet das industrieübliche 5mm T-1 Gehäuse. Der Anschlussabstand beträgt 2,54mm (0,1 Zoll), was der Standardrastermaß für viele Prototypenplatinen und Leiterplattenlayouts ist. Das Gehäuse ist aus wasserklarem Kunststoff geformt, der für das 940nm Infrarotlicht durchlässig ist und optische Verluste minimiert. Die Kathode ist typischerweise durch eine abgeflachte Stelle am Kunststofflinsenrand und/oder einen kürzeren Anschluss identifizierbar. Die detaillierte mechanische Zeichnung im Datenblatt liefert alle kritischen Abmessungen mit Toleranzen, die für das Leiterplatten-Footprint-Design und den korrekten Sitz in Gehäusen oder Linsen wesentlich sind.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Um Schäden während der Montage zu vermeiden, müssen spezifische Lötbedingungen eingehalten werden. Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 260°C, und die Lötzeit darf 5 Sekunden nicht überschreiten. Dies gilt sowohl für Handlöt- als auch für Wellenlötprozesse. Für Reflow-Löten ist ein Profil erforderlich, das bei oder unter 260°C seinen Höhepunkt erreicht. Längere Exposition gegenüber hoher Temperatur kann das Epoxidgehäuse zum Reißen bringen oder die internen Bonddrähte beschädigen. Es wird auch empfohlen, die Bauteile in einer trockenen Umgebung zu lagern, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die während des Reflow-Lötens zu \"Popcorning\" führen kann.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackung für die IR333C ist wie folgt: 500 Stück sind in einem Beutel verpackt, 5 Beutel werden in einer Box platziert, und 10 Boxen bilden einen Karton. Dies ergibt insgesamt 25.000 Stück pro Karton. Das Produktetikett enthält mehrere Schlüsselfelder für Rückverfolgbarkeit und Identifikation: CPN (Kundenteilenummer), P/N (Herstellertypennummer), QTY (Menge), CAT (Intensitätsrang/Bin), HUE (Spitzenwellenlänge), REF (Referenz) und LOT No (Losnummer).

8. Anwendungsentwurfsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die gebräuchlichste Treiberschaltung ist ein einfacher Vorwiderstand. Der Widerstandswert (R_s) wird mit dem Ohmschen Gesetz berechnet: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. Um beispielsweise die LED mit 20mA aus einer 5V-Versorgung und einer typischen V_Fvon 1,5V zu betreiben: R_s= (5V - 1,5V) / 0,02A = 175Ω. Ein Standard-180Ω-Widerstand wäre geeignet. Für gepulsten Betrieb bei hohen Strömen (z.B. 1A) ist ein Transistor- oder MOSFET-Schalter erforderlich, oft angesteuert von einem Mikrocontroller.

8.2 Entwurfsüberlegungen

• Wärmemanagement:Obwohl das Gehäuse klein ist, kann die Verlustleistung (P_d= V_F* I_F) bei hohen Dauerströmen an das 150mW-Limit heranreichen. Sorgen Sie für ausreichende Belüftung oder erwägen Sie eine gepulste Ansteuerung, um die Durchschnittsleistung zu reduzieren.
• Optisches Design:Der 20-Grad-Abstrahlwinkel liefert einen fokussierten Strahl. Für eine breitere Abdeckung kann eine Streulinse erforderlich sein. Umgekehrt kann für Reichweitenanwendungen eine sekundäre Kollimatorlinse verwendet werden, um den Strahl weiter zu verengen.
• Empfängerabstimmung:Kombinieren Sie die IR333C immer mit einem Empfänger (Fototransistor, Fotodiode oder IC), der im 940nm-Bereich empfindlich ist. Die Verwendung eines optischen Filters, der sichtbares Licht blockiert, kann das Signal-Rausch-Verhältnis bei Umgebungslicht erheblich verbessern.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-sichtbaren LEDs oder anderen Infrarot-LEDs sind die Hauptunterscheidungsmerkmale der IR333C ihre Kombination aus hoher gepulster Ausgangsleistung (450 mW/sr bei 1A), niedriger Durchlassspannung und schmalem 20-Grad-Strahlwinkel. Einige konkurrierende Bauteile bieten möglicherweise breitere Abstrahlwinkel für größere Abdeckung, jedoch auf Kosten der Intensität auf der Achse. Die 940nm-Wellenlänge ist eine der gebräuchlichsten und kosteneffektivsten, mit guter atmosphärischer Transmission und vielen Empfängeroptionen, verglichen mit z.B. 850nm-LEDs, die einen sichtbaren roten Schimmer aufweisen.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Kann ich diese LED direkt von einem Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Für Dauerbetrieb bei 20mA prüfen Sie, ob der GPIO-Pin Ihres Mikrocontrollers diesen Strom liefern oder aufnehmen kann. Viele können nur 10-25mA verarbeiten. Es ist oft sicherer, einen Transistor als Schalter zu verwenden.

F: Warum ist die Strahlungsintensität unter gepulsten Bedingungen so viel höher?

A: Das Pulsieren des Stroms ermöglicht es, die LED mit Strömen weit über ihrer DC-Bewertung zu betreiben, ohne die Sperrschicht zu überhitzen. Die Lichtausgabe ist hauptsächlich eine Funktion des Momentanstroms, daher erzeugen kurze, hochstromige Pulse sehr helle Blitze.

F: Wie identifiziere ich die Kathode?

A: Suchen Sie nach der abgeflachten Kante an der runden Kunststofflinse. Der Anschluss neben dieser Abflachung ist die Kathode. Außerdem ist der Kathodenanschluss normalerweise kürzer als der Anodenanschluss.

F: Ist eine solche Infrarot-LED sicher für die Augen?

A: Obwohl unsichtbar, kann Infrarotstrahlung noch von der Augenlinse auf die Netzhaut fokussiert werden. Für Hochleistungsanwendungen, insbesondere mit Linsen, ist es ratsam, direkten Blickkontakt zu vermeiden. Die meisten Verbraucher-Fernbedienungen verwenden eine sehr niedrige Durchschnittsleistung und gelten als augensicher.

11. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Infrarot-Fernbedienung mit großer Reichweite für einen Toröffner.

Ein Entwickler benötigt eine Fernbedienung mit einer Reichweite von 50 Metern bei Tageslicht. Er wählt die IR333C in Bin Q für maximale Intensität. Die Schaltung verwendet einen Mikrocontroller, um ein 38kHz Trägersignal zu erzeugen, das mit dem Datencode amplitudenmoduliert wird. Ein NPN-Transistor wird verwendet, um die LED mit 1A und einem sehr niedrigen Tastverhältnis (z.B. 1%) zu pulsieren. Vor der LED wird eine einfache Kunststofflinse angebracht, um den Strahl leicht zu kollimieren. Auf der Empfängerseite wird ein Standard-38kHz-IR-Empfängermodul mit einem 940nm-Filter verwendet. Dieser Entwurf nutzt die hohe gepulste Ausgangsleistung und den schmalen Strahl der LED, um die erforderliche Reichweite zu erreichen, während der durchschnittliche Stromverbrauch für lange Batterielebensdauer niedrig gehalten wird.

12. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiter-p-n-Sperrschichtdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen aus dem n-Bereich und Löcher aus dem p-Bereich über die Sperrschicht injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, setzen sie Energie frei. Bei einer IR-LED wird das Halbleitermaterial (GaAlAs für die IR333C) so gewählt, dass diese Energie hauptsächlich als Photonen im infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums (um 940nm) freigesetzt wird. Das wasserklare Epoxidgehäuse wirkt als Linse und formt das emittierte Licht in sein charakteristisches Strahlprofil.

13. Technologietrends

Der Trend bei Infrarot-LEDs geht weiterhin in Richtung höherer Effizienz (mehr Strahlungsleistung pro elektrischem Watt Eingang) und höherer Leistungsdichte. Dies ermöglicht längere Batterielaufzeiten und größere Betriebsreichweiten in tragbaren Geräten. Es gibt auch Entwicklungen bei Mehrwellenlängen- und abstimmbaren IR-Quellen für fortschrittliche Sensoranwendungen wie Gasanalyse und spektroskopische Messung. Die Integration der LED-Treiberschaltung und sogar des Sensors in kompakte Module ist ein weiterer verbreiteter Trend, der den Entwurf für Endanwender vereinfacht. Der grundlegende Antrieb für RoHS- und grüne Fertigungsstandards bleibt in der gesamten Branche stark.