Infrarot-LED-Emitter LTE-3271T-A Datenblatt - 940nm Wellenlänge - Hochstrom & Niedrige Vf - Wasserklares Gehäuse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die LTE-3271T-A ist eine hochleistungsfähige Infrarot-LED, die für Anwendungen konzipiert ist, die eine robuste optische Ausgangsleistung und zuverlässigen Betrieb unter anspruchsvollen elektrischen Bedingungen erfordern. Ihr Kernkonzept zielt darauf ab, eine hohe Strahlungsleistung bei relativ niedriger Durchlassspannung zu liefern, was sie für Systeme effizient macht, bei denen der Stromverbrauch eine Rolle spielt. Das Bauteil ist in einem wasserklaren Harzgehäuse untergebracht, das die Absorption des emittierten Infrarotlichts minimiert und somit den externen Strahlungswirkungsgrad maximiert. Es ist für den Dauer- und Pulsbetrieb ausgelegt und bietet damit Flexibilität für verschiedene Sensor-, Kommunikations- und Beleuchtungsanwendungen im nahen Infrarotbereich.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Betrieb an oder über diesen Grenzen ist nicht garantiert.

• Verlustleistung (P_D):150 mW. Dies ist die maximal zulässige Verlustleistung innerhalb des Bauteils, hauptsächlich als Wärme, berechnet als Produkt aus Durchlassstrom und Durchlassspannung.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):2 A. Dieser außergewöhnlich hohe Strom ist nur unter spezifischen Pulsbedingungen zulässig: einer Pulsbreite von 10 Mikrosekunden und einer Pulsfolgefrequenz von maximal 300 Pulsen pro Sekunde (pps). Dies ermöglicht eine sehr hohe momentane optische Ausgangsleistung für Kurzstrecken-Entfernungsmessung oder Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung.
• Dauer-Durchlassstrom (I_F):100 mA. Der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich angelegt werden kann, ohne die Verlustleistungs- oder thermischen Grenzen zu überschreiten.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Durchbruch des Übergangs führen.
• Betriebs- & Lagertemperatur:Das Bauteil ist für einen Umgebungsbetriebstemperaturbereich (T_A) von -40°C bis +85°C ausgelegt und kann in Umgebungen von -55°C bis +100°C gelagert werden.
• Lötkolbentemperatur an den Anschlüssen:320°C für 3 Sekunden, gemessen in einem Abstand von 4,0 mm vom Gehäuse. Diese Richtlinie ist entscheidend, um thermische Schäden während der Leiterplattenbestückung zu verhindern.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

Diese Parameter sind bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C spezifiziert und definieren die typische Leistung des Bauteils.

• Strahlungsintensität (I_E):Eine wichtige optische Ausgangsgröße. Bei einem Durchlassstrom (I_F) von 100 mA beträgt die typische Strahlungsintensität 30 mW/sr. Bei dem niedrigeren Prüfstrom von 20 mA liegt sie zwischen 6 mW/sr (Min) und 10,5 mW/sr (Typ). Die Strahlungsintensität beschreibt die pro Raumwinkeleinheit abgegebene optische Leistung.
• Aperturbestrahlungsstärke (E_e):0,80 bis 1,4 mW/cm² bei I_F=20mA. Dieser Parameter, manchmal auch Bestrahlungsstärke genannt, ist nützlich, um die optische Leistungsdichte auf einer Oberfläche in einem bestimmten Abstand vom Emitter zu berechnen.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_P):940 nm. Dies ist die Nennwellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung maximal ist. Sie liegt im nahen Infrarotbereich (NIR), der für das menschliche Auge unsichtbar, aber für Silizium-Fotodioden und viele CMOS/CCD-Sensoren detektierbar ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (Typ). Dies gibt die spektrale Bandbreite an, bei der die Strahlungsintensität mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Ein Wert von 50 nm ist charakteristisch für Standard-GaAlAs-Infrarot-LED-Material.
• Durchlassspannung (V_F):Dies ist ein kritischer elektrischer Parameter, der mit dem Strom variiert.
  • Bei I_F= 50 mA: V_F(Typ) = 1,25V, (Max) = 1,6V.
  • Bei I_F= 250 mA: V_F(Typ) = 1,65V, (Max) = 2,1V.
  • Bei I_F= 450 mA: V_F(Typ) = 2,0V, (Max) = 2,4V.
  • Bei I_F= 1 A: V_F(Typ) = 2,4V, (Max) = 3,0V. Das Datenblatt hebt "niedrige Durchlassspannung" als Merkmal hervor, was an diesen Werten, insbesondere bei mittleren Strömen, deutlich wird und zu einem höheren elektrisch-optischen Wirkungsgrad beiträgt.
• Sperrstrom (I_R):100 µA (Max) bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dies ist der Leckstrom, wenn das Bauteil in Sperrrichtung betrieben wird.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):50° (Typ). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte ihres Wertes bei 0° (auf der Achse) abfällt. Ein Winkel von 50° bietet ein breites Abstrahlverhalten, was für Flächenbeleuchtung oder Sensorik nützlich ist, bei der die Ausrichtung weniger kritisch ist.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Diagramme, die für den Schaltungsentwurf und das Verständnis der Leistung unter nicht standardmäßigen Bedingungen wesentlich sind.

3.1 Spektrale Verteilung (Abb. 1)

Die Kurve zeigt die relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt die Spitzenwellenlänge bei etwa 940 nm mit einer breiten spektralen Halbwertsbreite. Die Form ist typisch für eine Infrarot-LED, wobei die Ausgangsleistung beidseitig des Maximums abfällt. Entwickler optischer Systeme müssen dieses Spektrum berücksichtigen, um die Kompatibilität mit der spektralen Empfindlichkeit des vorgesehenen Detektors (z.B. eines Fototransistors oder einer Silizium-Fotodiode mit Filter) sicherzustellen.

3.2 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb. 2)

Dieses Diagramm veranschaulicht die Reduzierung des maximal zulässigen Dauer-Durchlassstroms mit steigender Umgebungstemperatur. Bei 25°C sind die vollen 100 mA zulässig. Mit steigender Temperatur muss der Maximalstrom linear reduziert werden, um die 150 mW Verlustleistungsgrenze nicht zu überschreiten und die Sperrschichttemperatur zu kontrollieren. Dies ist ein entscheidendes Diagramm, um die Langzeitzuverlässigkeit in Hochtemperaturumgebungen sicherzustellen.

3.3 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abb. 3)

Dies ist die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V-Kennlinie). Sie zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Die Kurve ist für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung wesentlich. Die Steigung der Kurve im Arbeitsbereich hilft, den dynamischen Widerstand der LED zu bestimmen. Das Diagramm bestätigt visuell die niedrige V_F-Charakteristik über einen weiten Strombereich.

3.4 Relative Strahlungsintensität vs. Durchlassstrom (Abb. 4)

Diese Darstellung zeigt, wie die optische Ausgangsleistung (normiert auf ihren Wert bei 20 mA) mit dem Durchlassstrom zunimmt. Die Beziehung ist bei niedrigeren Strömen im Allgemeinen linear, kann aber bei sehr hohen Strömen aufgrund zunehmender thermischer Effekte und eines Abfalls der internen Quanteneffizienz Anzeichen von Sättigung oder reduzierter Effizienz zeigen. Diese Kurve hilft Entwicklern, einen Arbeitspunkt zu wählen, der Ausgangsleistung mit Effizienz und Bauteilbelastung in Einklang bringt.

3.5 Relative Strahlungsintensität vs. Umgebungstemperatur (Abb. 5)

Dieses Diagramm zeigt die Temperaturabhängigkeit der optischen Ausgangsleistung. Typischerweise nimmt die Strahlungsintensität einer LED mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Diese Kurve quantifiziert diesen Abfall und zeigt die normierte Ausgangsleistung relativ zu ihrem Wert bei 20 mA über einen Temperaturbereich von -20°C bis 80°C. Diese Information ist entscheidend für Anwendungen, die eine stabile optische Ausgangsleistung über variierende Umgebungsbedingungen erfordern.

3.6 Abstrahlcharakteristik (Abb. 6)

Dieses Polardiagramm bietet eine detaillierte Visualisierung des räumlichen Abstrahlmusters. Die konzentrischen Kreise stellen relative Strahlungsintensitätsniveaus dar (z.B. 1,0; 0,9; 0,7). Die Darstellung bestätigt den großen Abstrahlwinkel und zeigt, wie sich die Intensität über verschiedene Winkel von 0° bis 90° verteilt. Dieses Diagramm ist für das optische Design unverzichtbar, da es Ingenieuren ermöglicht, das Beleuchtungsprofil auf einer Zieloberfläche zu modellieren.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein Standard-LED-Gehäuseformat mit einem Flansch für mechanische Stabilität und Wärmeableitung. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, mit Toleranzen von typischerweise ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben.
• Ein kleiner Harzvorsprung unter dem Flansch ist zulässig, mit einer maximalen Höhe von 1,5 mm.
• Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse das Gehäuse verlassen, was für das Leiterplatten-Layout entscheidend ist.
• Die Anschlüsse sind verlötet, um eine gute Lötbarkeit sicherzustellen.

Das wasserklare Gehäusematerial wird speziell für Infrarot-Emitter gewählt, da es im 940 nm-Bereich eine minimale Absorption aufweist, im Gegensatz zu gefärbten Epoxidgehäusen für sichtbare LEDs, die das IR-Licht blockieren würden.

5. Löt- & Montagehinweise

Um die Bauteilintegrität während der Leiterplattenbestückung sicherzustellen, müssen folgende Richtlinien beachtet werden:

• Handlöten:Falls Handlöten erforderlich ist, sollte es schnell durchgeführt werden, wobei die Wärme auf den Anschluss und nicht auf das Gehäuse aufgebracht wird.
• Wellenlöten:Standard-Wellenlötprofile können verwendet werden, aber die Gesamtexpositionszeit gegenüber der Löt Hitze sollte minimiert werden.
• Reflow-Löten:Das Bauteil kann, wie spezifiziert, eine Anschlusstemperatur von 320°C für maximal 3 Sekunden aushalten. Standard-Infrarot- oder Konvektions-Reflow-Profile mit einer Spitzentemperatur unterhalb dieser Grenze sind geeignet. Die 4,0 mm-Abstandsspezifikation stellt sicher, dass die thermische Masse des Anschlusses den empfindlichen Halbleiterübergang im Gehäuse schützt.
• Reinigung:Nach dem Löten können Standard-Leiterplattenreinigungsprozesse verwendet werden, jedoch sollte die Kompatibilität mit dem klaren Harz überprüft werden.
• Lagerung:Bauteile sollten in ihrer original Feuchtigkeitssperrbeutel in einer Umgebung innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs (-55°C bis +100°C) und bei niedriger Luftfeuchtigkeit gelagert werden, um Anschluss-Oxidation zu verhindern.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarot-Beleuchtung:Für Überwachungskameras, Nachtsichtsysteme und Beleuchtung für die industrielle Bildverarbeitung, wo unsichtbare Beleuchtung erforderlich ist.
• Näherungs- & Präsenzerkennung:In automatischen Wasserhähnen, Seifenspendern, Händetrocknern und berührungslosen Schaltern. Der große Abstrahlwinkel ist hier von Vorteil.
• Optische Schalter & Encoder:Zur Erkennung von Position, Drehung oder Bewegung durch Unterbrechung oder Reflexion des IR-Strahls.
• Kurzstrecken-Datenkommunikation:In IrDA-kompatiblen Geräten oder einfachen seriellen Datenverbindungen (z.B. Fernbedienungen, Gerätekommunikation). Die hohe Pulsstromfähigkeit unterstützt modulierte Datenübertragung.
• Industrielle Sensorik:Objekterkennung, Füllstandserkennung und Lichtschranken.

6.2 Designüberlegungen

• Stromtreibung:Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Verwenden Sie stets einen Reihen-Strombegrenzungswiderstand oder eine Konstantstrom-Treiberschaltung. Der Widerstandswert wird mit R = (V_versorgung- V_F) / I_F berechnet, wobei der maximale V_F-Wert aus dem Datenblatt verwendet wird, um sicherzustellen, dass der Strom den gewünschten Wert nicht überschreitet.
• Thermisches Management:Für Dauerbetrieb bei hohen Strömen (z.B. nahe 100 mA) ist die Verlustleistung (P_D= V_F* I_F) zu berücksichtigen. Sorgen Sie für ausreichende Leiterplatten-Kupferfläche oder Kühlkörper, um die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen zu halten, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen.
• Pulsbetrieb:Um eine sehr hohe optische Spitzenleistung zu erreichen, verwenden Sie die Pulsbetriebsspezifikation (2A, 10µs, 300pps). Dies erfordert eine Treiberschaltung, die Hochstrompulse liefern kann, wie z.B. einen MOSFET, der von einem Impulsgenerator geschaltet wird.
• Optisches Design:Berücksichtigen Sie die Abstrahlcharakteristik (Abb. 6) beim Entwurf von Linsen, Reflektoren oder Blenden, um den Strahl für die spezifische Anwendung zu formen. Die wasserklare Linse ist halbkugelförmig und beeinflusst die anfängliche Divergenz.
• Detektorabgleich:Kombinieren Sie den Emitter mit einem Fotodetektor (Fotodiode, Fototransistor), der eine maximale Empfindlichkeit um 940 nm aufweist. Die Verwendung eines IR-Filters am Detektor kann helfen, Umgebungslicht im sichtbaren Bereich zu unterdrücken.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Während das Datenblatt keine spezifischen Konkurrenzbauteile vergleicht, lassen sich die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale der LTE-3271T-A ableiten:

• Hohe Stromfähigkeit:Die Kombination aus einer 2A-Pulsbelastbarkeit und einer 100mA-Dauerbelastbarkeit ist für ein Standard-LED-Gehäuse bemerkenswert und bietet hohe Ausgangsflexibilität.
• Niedrige Durchlassspannung:Eine V_F von etwa 1,25V bei 50mA ist für einen leistungsstarken IR-Emitter relativ niedrig und führt im Vergleich zu Bauteilen mit höherer V_F.
• zu besserer Leistungseffizienz und reduzierter Wärmeentwicklung.Wasserklares Gehäuse:
• Im Gegensatz zu getönten Gehäusen, die die Ausgangsleistung dämpfen, maximiert dies den externen Quantenwirkungsgrad für IR-Licht.Großer Abstrahlwinkel:

Der 50°-Halbstreuwinkel bietet eine breite Abdeckung, was ein Vorteil für die Flächenbeleuchtung gegenüber Alternativen mit engerem Strahl ist.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

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

A: Nein. Ein Mikrocontroller-GPIO-Pin kann typischerweise nicht mehr als 20-50mA liefern und hat eine feste Spannung nahe 5V oder 3,3V. Sie müssen einen Strombegrenzungswiderstand und wahrscheinlich einen Transistor (BJT oder MOSFET) als Schalter verwenden, um die LED anzusteuern, insbesondere bei Strömen über 20mA.

F2: Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsintensität (mW/sr) und Aperturbestrahlungsstärke (mW/cm²)?A: Strahlungsintensität ist ein Maß dafür, wie viel Leistung die Quellepro Raumwinkeleinheit(Steradiant) abgibt. Sie beschreibt die Richtwirkung der Quelle. Aperturbestrahlungsstärke (oder Bestrahlungsstärke) ist die Leistungpro Flächeneinheit

, die auf eine Oberfläche in einem bestimmten Abstand einfällt. Sie sind über das Entfernungsgesetz (für eine Punktquelle) und den Abstrahlwinkel miteinander verknüpft.

F3: Warum ist die Spitzenwellenlänge von 940nm bedeutsam?

A: 940nm ist eine sehr gebräuchliche Wellenlänge für IR-Systeme, da sie außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt (unsichtbar) und siliziumbasierte Detektoren (Fotodioden, Kamerachips) bei dieser Wellenlänge noch eine recht gute Empfindlichkeit aufweisen. Sie vermeidet auch die 850nm-Wellenlänge, die ein schwaches rotes Glimmen aufweist, das in der Dunkelheit sichtbar sein kann.

F4: Wie interpretiere ich die Diagramme zur "Relativen Strahlungsintensität"?A: Diese Diagramme zeigen, wie sich die Lichtausgangsleistungrelativ zu einer Referenzbedingung (üblicherweise bei I_F=20mA und T_A=25°C) verändert. Sie geben keine absoluten Ausgangswerte an. Um den absoluten Ausgang bei einem anderen Strom zu ermitteln, multiplizieren Sie den relativen Faktor aus Abb. 4 mit dem in der Tabelle für 20mA angegebenen absoluten Strahlungsintensitätswert.

9. Praktische Design-Fallstudie

Szenario: Entwurf eines Näherungssensors für einen berührungslosen Schalter.

1. Ziel:Erkennung einer Hand innerhalb von 10 cm vom Sensor.
2. Design-Entscheidungen:
   • Betreiben Sie die LTE-3271T-A im Dauerbetrieb bei I_F= 50mA für gleichmäßige Beleuchtung. Aus dem Datenblatt: V_F≈ 1,4V (typisch).
   • Die Versorgungsspannung beträgt 5V. Reihenwiderstand R = (5V - 1,4V) / 0,05A = 72Ω. Verwenden Sie einen Standard-75Ω-Widerstand.
   • Platzieren Sie einen passenden Silizium-Fototransistor gegenüber dem Emitter mit einem kleinen Spalt dazwischen (eine "Lichtschranken"-Konfiguration). Wenn eine Hand den Strahl unterbricht, sinkt das Detektorsignal.
   • Alternativ verwenden Sie eine reflektierende Konfiguration, bei der sowohl Emitter als auch Detektor in die gleiche Richtung zeigen. Der große 50°-Abstrahlwinkel der LTE-3271T-A hilft, einen größeren Erfassungsbereich abzudecken. Das Signal am Detektor steigt, wenn eine Hand Licht zurückreflektiert.
   • Verwenden Sie eine Operationsverstärkerschaltung, um den kleinen Fotostrom vom Detektor zu verstärken und mit einem durch ein Potentiometer eingestellten Schwellenwert zu vergleichen, um Umgebungslichtschwankungen auszugleichen.
   • Thermische Betrachtung: Verlustleistung P_D= 1,4V * 0,05A = 70mW, was deutlich unter dem Maximum von 150mW liegt. Kein spezieller Kühlkörper ist erforderlich.

10. Einführung in das technische Prinzip

Infrarot-LEDs wie die LTE-3271T-A sind Halbleiterbauelemente auf Basis von Materialien wie Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs). Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Halbleiterübergangs. Die bei dieser Rekombination freigesetzte Energie wird als Photonen (Licht) emittiert. Die spezifische Wellenlänge von 940 nm wird durch die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt, die während des Kristallwachstumsprozesses eingestellt wird. Das wasserklare Epoxidharzgehäuse fungiert als Linse, formt das Abstrahlverhalten des emittierten Lichts und bietet Umweltschutz. Das Merkmal "niedrige Durchlassspannung" wird durch optimierte Dotierungsprofile und Materialqualität erreicht, wodurch der Spannungsabfall über den Übergang bei einem gegebenen Strom reduziert wird, was direkt den elektrisch-optischen Wandlungswirkungsgrad verbessert.

11. Branchentrends & Entwicklungen

Das Gebiet der Infrarot-Optoelektronik entwickelt sich ständig weiter. Trends, die für Bauteile wie die LTE-3271T-A relevant sind, umfassen:

• Erhöhte Leistungsdichte:Laufende Forschung zielt darauf ab, mehr optische Leistung in die gleiche oder kleinere Gehäusegrößen zu packen und gleichzeitig die Wärmeableitung zu managen, angetrieben durch die Nachfrage nach Sensorik und Beleuchtung mit größerer Reichweite.
• Verbesserte Effizienz:Die Entwicklung neuer Halbleitermaterialien und -strukturen (z.B. Multi-Quantentöpfe) zielt darauf ab, den Wall-Plug-Efficiency (WPE) zu erhöhen, das ist das Verhältnis von optischer Ausgangsleistung zu elektrischer Eingangsleistung.
• Integration:Es gibt einen Trend zur Integration des IR-Emitters mit einer Treiber-IC oder sogar mit einem Fotodetektor in einem einzigen Modul, was das Systemdesign für Endanwender vereinfacht.
• Wellenlängenspezifität:Während 940nm dominant bleibt, wächst der Einsatz anderer IR-Wellenlängen (z.B. 850nm, 1050nm) für spezifische Anwendungen wie augensichere LiDAR oder Kompatibilität mit verschiedenen Sensortypen.
• Gehäuseinnovationen:Fortschritte bei Gehäusematerialien und Linsendesign zielen darauf ab, präzisere und anpassbarere Abstrahlcharakteristiken (z.B. Batwing, seitlich abstrahlend) für spezialisierte Anwendungen bereitzustellen.