Technisches Datenblatt für Hochleistungs-Infrarot-LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR - 5.0x5.0x1.9mm - 850nm - 3.1V - 3W

1. Produktübersicht

Die HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR ist eine Hochleistungs-Infrarot-Emissionsdiode für anspruchsvolle Beleuchtungsanwendungen. Sie verfügt über ein oberflächenmontierbares (SMD) Miniaturgehäuse mit einer wasserklaren Silikonverkapselung und einer sphärischen Toplinse, die den Lichtaustritt und das Abstrahlverhalten optimieren. Die spektrale Ausgangsleistung ist auf 850nm zentriert, was sie ideal für Silizium-Fotodioden und Fototransistoren in Sensor- und Bildgebungssystemen macht. Ihre Kernvorteile umfassen eine hohe Strahlungsleistung bei kompakter Bauform, exzellente Wärmemanagement-Eigenschaften und die Einhaltung moderner Umwelt- und Sicherheitsstandards wie RoHS, REACH und halogenfreie Anforderungen.

1.1 Zielanwendungen

Diese Infrarot-LED ist primär für Anwendungen ausgelegt, die robuste, unsichtbare Beleuchtung erfordern. Zu den Hauptanwendungsgebieten zählen Überwachungs- und Sicherheitssysteme, wo sie zur Nachtbeleuchtung für CCD-Kameras eingesetzt wird. Sie eignet sich auch für verschiedene infrarotbasierte Systeme wie Annäherungssensoren, Gestenerkennungsmodule und industrielle Bildverarbeitung. Die hohe Strahlungsleistung ermöglicht im Vergleich zu Standard-Infrarot-LEDs eine größere Reichweite oder die Ausleuchtung breiterer Bereiche.

2. Technische Spezifikationen und objektive Interpretation

Die Leistung des Bauteils ist unter Standardtestbedingungen (T_A=25°C) definiert. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte, objektive Analyse seiner Schlüsselparameter.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Dauer-Durchlassstrom (I_F): 1500 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der dauerhaft angelegt werden kann, ohne die Sperrschichttemperaturgrenze zu überschreiten.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP): 5000 mA. Dieser hohe Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen zulässig (Pulsbreite ≤100μs, Tastverhältnis ≤1%), was für kurze, hochintensive Beleuchtungsimpulse nützlich ist.
• Sperrspannung (V_R): 5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Sperrschichtdurchbruch führen.
• Sperrschichttemperatur (T_j): 115 °C. Die maximal zulässige Temperatur an der Halbleitersperrschicht.
• Verlustleistung (P_d): 3 W bei I_F=700mA. Dies zeigt die Fähigkeit des Bauteils, die Wärmeentwicklung an einem bestimmten Arbeitspunkt zu bewältigen.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter definieren die Lichtausgabe und das elektrische Verhalten unter typischen Betriebsbedingungen.

• Gesamte Strahlungsleistung (P_o): Die in alle Richtungen abgegebene optische Leistung. Bei einem Treiberstrom von 1A liegt der typische Wert zwischen 900mW und 1100mW, was auf einen hohen Wirkungsgrad hindeutet.
• Strahlungsintensität (I_E): Die optische Leistung pro Raumwinkel, gemessen in mW/sr. Bei 1A liegt sie typischerweise zwischen 230 und 270 mW/sr. Diese Metrik ist für gerichtete Strahlungsanwendungen relevant.
• Spitzenwellenlänge (λ_P): 850 nm. Dies ist die Wellenlänge, bei der die spektrale Ausgangsleistung am stärksten ist und perfekt mit der Spitzenempfindlichkeit von siliziumbasierten Detektoren übereinstimmt.
• Spektrale Bandbreite (Δλ): 25 nm. Dies definiert den Bereich der emittierten Wellenlängen, typischerweise die Halbwertsbreite (FWHM).
• Durchlassspannung (V_F): Typischerweise 3,10V bei 1A. Dies ist der Spannungsabfall über der LED im Betrieb, entscheidend für das Treiberdesign und die Berechnung der Verlustleistung.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2): 150 Grad. Dieser sehr breite Abstrahlwinkel bietet eine breite, diffuse Ausleuchtung anstelle eines schmalen Spotlights und ist ideal für die Flächenabdeckung.

2.3 Thermische Eigenschaften

Effektives Wärmemanagement ist für Hochleistungs-LEDs entscheidend, um Leistung und Lebensdauer zu erhalten.

• Thermischer Widerstand (R_th(j-L)): 18 K/W (Sperrschicht zu Anschlussrahmen). Dieser niedrige Wert zeigt eine gute interne Wärmeübertragung vom Chip zu den Gehäuseanschlüssen, jedoch wird für den Betrieb bei hohen Strömen dringend eine externe Kühlung empfohlen.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Bauteil wird basierend auf seiner Strahlungsleistung bei einem Standardteststrom von 1000mA sortiert (gebinned). Dies gewährleistet Konsistenz in der Anwendungsleistung.

• Bin F: Strahlungsleistung von 640 mW bis 1000 mW.
• Bin G: Strahlungsleistung von 800 mW bis 1260 mW.
• Bin H: Strahlungsleistung von 1000 mW bis 1600 mW.

Der Bin-Code ermöglicht es Designern, LEDs mit einer garantierten Mindestausgangsleistung für ihre spezifischen Anwendungsanforderungen auszuwählen. Alle Messungen beinhalten eine Testtoleranz von ±10%.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter variierenden Bedingungen wesentlich sind.

4.1 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (IV-Kurve)

Diese Kurve zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung. Sie ist für den Entwurf der strombegrenzenden Schaltung essenziell. Die Kurve zeigt eine Schwellenspannung (ca. 1,2V für GaAlAs), nach der der Strom bei einer kleinen Spannungserhöhung schnell ansteigt.

4.2 Durchlassstrom vs. Strahlungsintensität/Leistung

Diese Kurven zeigen die Abhängigkeit der Lichtausgabe vom Treiberstrom. Typischerweise steigt die Ausgabe bei niedrigeren Strömen überlinear und tendiert dann bei höheren Strömen aufgrund thermischer Effekte und des Efficiency Droop zur Sättigung. Die für dieses Bauteil bei 350mA, 700mA und 1A bereitgestellten Kurven veranschaulichen diesen Trend.

4.3 Relative Strahlungsintensität vs. Winkelabweichung

Dieses Polardiagramm visualisiert den 150-Grad-Abstrahlwinkel. Es zeigt das Abstrahlverhalten, das aufgrund der sphärischen Linse nahezu lambertisch (Kosinusverteilung) ist und eine gleichmäßige Ausleuchtung über einen großen Bereich bietet.

4.4 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Dieses Diagramm ist für die Entlastung (Derating) entscheidend. Es zeigt, wie der maximal zulässige Durchlassstrom reduziert werden muss, wenn die Umgebungstemperatur steigt, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur ihren Grenzwert von 115°C überschreitet. Diese Kurve liefert direkt die Daten für das thermische Design und die Kühlkörperanforderungen.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist in einem kompakten 5,0mm x 5,0mm SMD-Gehäuse mit einer Höhe von 1,9mm untergebracht. Die Linse ist eine markante sphärische Kuppel. Kritische Maßtoleranzen betragen ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben. Es wird ausdrücklich davor gewarnt, das Bauteil an der Linse zu handhaben, da mechanische Belastung zu einem Ausfall führen kann.

5.2 Pad-Konfiguration und Polaritätskennzeichnung

Das Gehäuse verfügt über drei Pads: Pad 1 (Anode), Pad 2 (Kathode) und ein großes zentrales thermisches Pad (P). Das thermische Pad ist entscheidend für die Wärmeableitung vom LED-Chip zur Leiterplatte (PCB). Das Pad-Layout-Diagramm zeigt deutlich die Positionen von Anode und Kathode für den korrekten elektrischen Anschluss.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Das Bauteil ist für Standard-Blei-freie SMT-Reflow-Prozesse geeignet. Das empfohlene Profil lautet wie folgt:

• Aufheizrate: 2–3 °C/sec
• Vorwärmen: 150–200 °C für 60–120 Sekunden
• Zeit oberhalb Liquidus (T_L=217°C): 60–90 Sekunden
• Spitzentemperatur (T_P): 240 ±5 °C
• Zeit innerhalb 5°C der Spitze: Maximal 20 Sekunden
• Abkühlrate: 3–5 °C/sec

6.2 Kritische Montagehinweise

• Reflow-Löten sollte nicht öfter als zweimal durchgeführt werden, um übermäßige thermische Belastung des Gehäuses und der Bonddrähte zu vermeiden.
• Mechanische Belastung der LED während des Erhitzens (z.B. durch Leiterplattenverbiegung) muss vermieden werden.
• Die Leiterplatte sollte nach dem Löten nicht gebogen werden, da dies die Lötstellen oder das LED-Gehäuse selbst beschädigen kann.
• Eine ausreichende Kühlung, wie in den Hinweisen vorgeschlagen, ist für einen zuverlässigen Betrieb bei hohen Strömen zwingend erforderlich.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Tape-and-Reel-Spezifikationen

Die Bauteile werden auf Trägerband und Rolle für die automatisierte Montage geliefert. Jede Rolle enthält 400 Stück. Detaillierte Abmessungen von Trägerband und Rolle werden bereitgestellt, um die Kompatibilität mit Bestückungsautomaten sicherzustellen.

7.2 Feuchtigkeitssensitive Verpackung

Das Produkt ist in einer feuchtigkeitsbeständigen Aluminiumfolie mit einem Trockenmittel verpackt, um es während Lagerung und Transport vor Umgebungsfeuchtigkeit zu schützen, was bei SMD-Bauteilen Standard ist.

8. Anwendungsempfehlungen und Designüberlegungen

8.1 Treiberschaltungs-Design

Aufgrund des hohen Durchlassstroms (bis zu 1,5A Dauerbetrieb) ist ein Konstantstromtreiber unerlässlich. Der Treiber muss den erforderlichen Strom liefern können und dabei den Durchlassspannungsabfall (ca. 3,1V bei 1A) verkraften. Schaltregler werden bei diesen Leistungspegeln oft gegenüber Linearreglern aufgrund ihres höheren Wirkungsgrads bevorzugt. Das Treiberdesign muss auch einen thermischen Schutz oder eine Stromentlastung basierend auf der Umgebungstemperaturkurve beinhalten.

8.2 Wärmemanagement-Design

Dies ist der kritischste Aspekt bei der Verwendung dieser Hochleistungs-LED. Der niedrige thermische Widerstand von Sperrschicht zu Anschluss (18K/W) ist nur ein Teil des Systems. Der gesamte thermische Pfad von der Sperrschicht zur Umgebung (R_th(j-A)) muss minimiert werden. Dies beinhaltet:

• Verwendung einer Leiterplatte mit einem Array von Wärmeleitungen (Thermal Vias) unter dem thermischen Pad, das mit großen Kupferflächen oder einer internen Masseebene verbunden ist.
• Möglicherweise Anbringen eines externen Kühlkörpers an der Leiterplatte.
• Sicherstellung einer guten Luftzirkulation in der Endanwendung.
• Verwendung von Wärmeleitmaterial bei Bedarf.

Die maximale Sperrschichttemperatur von 115°C darf niemals überschritten werden. Die Entlastungskurve (Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur) liefert die notwendigen Daten zur Berechnung der erforderlichen Kühlkörperleistung.

8.3 Optisches Design

Der 150-Grad-Abstrahlwinkel bietet eine breite Abdeckung. Für Anwendungen, die einen stärker fokussierten Strahl benötigen, können Sekundäroptiken (Linsen oder Reflektoren) verwendet werden. Die 850nm-Wellenlänge ist für das menschliche Auge unsichtbar, aber leicht von Siliziumsensoren und den meisten CCD/CMOS-Kameras zu erfassen, die oft einen Infrarot-Sperrfilter haben, der entfernt oder durch einen ersetzt werden muss, der 850nm durchlässt, um effektiv genutzt zu werden.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-5mm- oder 3mm-Durchsteck-Infrarot-LEDs bietet dieses Bauteil eine deutlich höhere Strahlungsleistung (um eine Größenordnung oder mehr) in einem oberflächenmontierbaren Gehäuse und ermöglicht so kompaktere und robustere Designs. Seine wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind die Kombination aus hoher Leistung (bis zu 3W Verlustleistung), breitem Abstrahlwinkel und dem integrierten thermischen Pad für effektive Wärmeableitung – ein Merkmal, das bei leistungsschwächeren SMD-LEDs oft fehlt. Die Verwendung von GaAlAs-Chipmaterial ist für hocheffiziente Infrarot-Emitter in diesem Wellenlängenbereich Standard.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

10.1 Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsleistung und Strahlungsintensität?

Strahlungsleistung (P_o, in mW) ist die gesamte in alle Richtungen abgegebene optische Leistung. Strahlungsintensität (I_E, in mW/sr) ist die Leistung pro Raumwinkel in einer bestimmten Richtung. Für eine Weitwinkel-LED wie diese ist die Gesamtleistung hoch, aber die Intensität in eine einzelne Richtung ist geringer als bei einer engstrahlenden LED mit derselben Gesamtleistung.

10.2 Kann ich diese LED direkt an eine Spannungsquelle anschließen?

Nein. LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Ihre Durchlassspannung hat eine Toleranz und variiert mit der Temperatur. Ein direkter Anschluss an eine Spannungsquelle führt zu einem unkontrollierten Stromfluss, der wahrscheinlich den Maximalwert überschreitet und die LED zerstört. Ein Konstantstromtreiber oder eine strombegrenzende Schaltung ist zwingend erforderlich.

10.3 Warum wird die Kühlung so stark betont?

Hochleistungs-LEDs wandeln einen erheblichen Teil der elektrischen Eingangsleistung in Wärme um. Wenn diese Wärme nicht effektiv abgeführt wird, steigt die Sperrschichttemperatur. Hohe Sperrschichttemperaturen führen zu reduzierter Lichtausgabe (Efficiency Droop), beschleunigtem Abbau der Halbleitermaterialien und letztendlich zum katastrophalen Ausfall. Ein korrektes thermisches Design gewährleistet Leistung, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.

10.4 Was bedeutet der Bin-Code für mein Design?

Die Auswahl einer höheren Bin-Klasse (z.B. Bin H gegenüber Bin F) garantiert eine höhere minimale Strahlungsleistung. Dies ermöglicht es Ihnen, Ihr System mit einem bekannten, garantierten Beleuchtungsniveau zu entwerfen. Wenn Ihr Design ausreichend Spielraum hat, kann eine niedrigere Bin-Klasse kosteneffektiver sein. Wenn Sie die Grenzen der Beleuchtungsreichweite oder der Kamerasensitivität ausschöpfen, ist eine höhere Bin-Klasse notwendig.

11. Praktische Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf eines IR-Strahlers für eine Überwachungskamera

Ein Designer muss einen kompakten, wandmontierten IR-Strahler entwickeln, um die Nachtsichtreichweite einer Überwachungskamera von 10 Metern auf 25 Meter zu erweitern. Der Sensor der Kamera ist für 850nm empfindlich. Der Designer wählt die HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR LED in Bin H für maximale Ausgangsleistung.

Entwurfsschritte:

1. Elektrisches Design: Ein schaltender Konstantstromtreiber wird entworfen, um der LED aus einer 12V-Gleichstromversorgung 1000mA bereitzustellen. Der Treiber beinhaltet Überstrom- und thermische Abschaltung.
2. Thermisches Design: Eine 2-lagige Leiterplatte mit 2oz Kupfer wird verwendet. Ein Array von Wärmeleitungen verbindet das thermische Pad der LED mit einer großen Bodenkupferfläche, die als Kühlkörper dient. Das Gehäuse besteht aus Aluminium, wobei die Leiterplatte direkt mit Wärmeleitpaste darauf montiert wird, um die Wärme weiter abzuleiten.
3. Optisches/mechanisches Design: Vier LEDs sind in einem quadratischen Muster auf der Leiterplatte angeordnet. Ein flaches, klares Polycarbonat-Fenster schützt die LEDs. Der breite 150-Grad-Strahl jeder LED überlappt sich, um einen gleichmäßigen Flut von Infrarotlicht zu erzeugen, der das Sichtfeld der Kamera in der gewünschten Reichweite abdeckt.
4. Validierung: Der Prototyp wird in einem dunklen Raum getestet. Eine Wärmebildkamera bestätigt, dass die Sperrschichttemperaturen der LEDs unter 100°C bleiben. Die Überwachungskamera erkennt erfolgreich Objekte in 25 Metern Entfernung mit klarem Kontrast.

Dieser Fall verdeutlicht die gegenseitige Abhängigkeit von Treiberdesign, Wärmemanagement und optischem Layout bei der Verwendung dieser Hochleistungskomponente.

12. Funktionsprinzip

Die HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR ist eine Halbleiterlichtquelle basierend auf einer Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs)-Heterostruktur. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die die Bandlückenenergie der Diode übersteigt, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich injiziert, wo sie rekombinieren. Dieser Rekombinationsprozess setzt Energie in Form von Photonen frei. Die spezifische Zusammensetzung der GaAlAs-Schichten bestimmt die Bandlückenenergie, die wiederum die Spitzenwellenlänge der emittierten Photonen definiert – in diesem Fall 850 Nanometer, was im nahen Infrarotspektrum liegt. Die wasserklare Silikonverkapselung schützt den Halbleiterchip und dient als primäres optisches Element, wobei ihre sphärische Form hilft, Licht effizient zu extrahieren und das Abstrahlverhalten zu formen.

13. Technologietrends

Das Feld der Hochleistungs-Infrarot-LEDs entwickelt sich weiter, mit mehreren klaren Trends. Es gibt einen ständigen Drang zu höherer Gesamtwandlungseffizienz (Wall-Plug Efficiency, optische Leistung aus / elektrische Leistung ein), um bei gleicher Lichtausgabe die Wärmeentwicklung und den Energieverbrauch zu reduzieren. Dies beinhaltet Fortschritte in der epitaktischen Wachstumstechnik und im Chipdesign. Auch die Gehäusetechnologie verbessert sich, um einen niedrigeren thermischen Widerstand zu bieten und mehr Wärme vom Chip abzuführen. Darüber hinaus wächst die Integration, wobei Treiber und manchmal sogar einfache Steuerlogik zusammen mit dem LED-Chip verpackt werden, um intelligentere, einfacher zu verwendende Beleuchtungsmodule zu schaffen. Die Nachfrage nach zuverlässigen, hochleistungsfähigen Infrarotquellen wird durch expandierende Anwendungen in der Automobil-LiDAR-Technologie, Gesichtserkennung und fortschrittlichen Industrieautomatisierung aufrechterhalten.