Infrarot-Emitter LED LTE-7377LM1-TA Datenblatt - Hochgeschwindigkeit, Hochleistung, Blaues Gehäuse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt detailliert die Spezifikationen einer Hochleistungs-Infrarot (IR)-Emitter-Komponente. Das Bauteil ist für Anwendungen konzipiert, die schnelle Ansprechzeiten und eine signifikante optische Ausgangsleistung erfordern. Sein Kernentwurf zielt auf Zuverlässigkeit und Effizienz in gepulsten Betriebsumgebungen ab, was es für eine Reihe von Sensor- und Kommunikationssystemen geeignet macht. Die Komponente ist in einem markanten blau-transparenten Gehäuse untergebracht, was die visuelle Identifikation während der Montage erleichtern kann und spezifische Filter- oder Transmissionseigenschaften für die emittierte Wellenlänge bieten kann.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Diese Werte gelten nicht für den Dauerbetrieb, sondern stellen Schwellen dar, die unter keinen Umständen überschritten werden dürfen.

• Verlustleistung (P_D):200 mW. Dies ist die maximale Leistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann. Das Überschreiten dieses Limits birgt das Risiko von thermischem Durchgehen und Ausfall.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):2 A. Diese Bewertung gilt unter spezifischen gepulsten Bedingungen (100 Pulse pro Sekunde, 10 µs Pulsbreite). Sie zeigt die Fähigkeit des Bauteils, sehr hohe Momentanströme für kurze Dauer zu verarbeiten, was für die Erzeugung hochintensiver optischer Pulse entscheidend ist.
• Dauer-Durchlassstrom (I_F):100 mA. Der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich durch das Bauteil fließen kann, ohne dessen Leistung oder Lebensdauer zu beeinträchtigen.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung angelegt werden kann. Ein Überschreiten kann zum Durchbruch der Sperrschicht führen.
• Betriebstemperaturbereich (T_A):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, in dem garantiert wird, dass das Bauteil die veröffentlichten Spezifikationen erfüllt.
• Lagertemperaturbereich (T_stg):-55°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die nicht betriebsfähige Lagerung ohne Degradation.
• Löten der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt. Dies definiert die Toleranz des Temperaturprofils für Wellen- oder Handlötprozesse.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei einer Standard-Umgebungstemperatur von 25°C gemessen und definieren die typische Leistung des Bauteils unter festgelegten Testbedingungen.

• Strahlstärke (I_E):35 mW/sr (Minimum). Gemessen mit einem Durchlassstrom (I_F) von 50mA. Die Strahlstärke beschreibt die pro Raumwinkeleinheit (Steradiant) emittierte optische Leistung und gibt die Helligkeit der Quelle aus einer bestimmten Richtung an.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_P):880 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung maximal ist. 880 nm liegt im nahen Infrarotspektrum, für das menschliche Auge unsichtbar, aber von Silizium-Photodioden und vielen Sensoren detektierbar.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (Maximum). Dieser Parameter, auch als Full Width at Half Maximum (FWHM) bekannt, gibt die spektrale Bandbreite des emittierten Lichts an. Ein Wert von 50 nm zeigt, dass es sich nicht um eine monochromatische Quelle handelt, sondern dass sie über einen Bereich von Wellenlängen um 880 nm zentriert emittiert.
• Durchlassspannung (V_F):1,5 V (Min), 1,75 V (Typ), 2,1 V (Max). Gemessen bei einem hohen gepulsten Strom von 350 mA (100 pps, 10 µs Puls). Dies ist der Spannungsabfall über der Diode im Durchlassbetrieb. Er ist entscheidend für den Entwurf der Treiberschaltung und die Berechnung der Verlustleistung.
• Sperrstrom (I_R):100 µA (Maximum). Der Leckstrom bei einer Sperrvorspannung von 5 V. Ein niedriger Wert ist wünschenswert.
• Anstiegs-/Abfallzeit (T_r/T_f):40 ns (Maximum). Dies definiert die Schaltgeschwindigkeit des Bauteils, gemessen als die Zeit, die der optische Ausgang benötigt, um von 10 % auf 90 % seines Endwerts anzusteigen (Anstieg) und umgekehrt (Abfall). Die 40-ns-Spezifikation bestätigt seine Eignung für Hochgeschwindigkeitsmodulation und gepulste Anwendungen.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):16 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte ihres Maximalwerts (auf der Achse) abfällt. Ein Winkel von 16° deutet auf einen relativ schmalen Strahl hin, was für gerichtete Beleuchtung oder Erfassung entlang eines bestimmten Pfads nützlich ist.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische Kennlinien, die für die detaillierte Designanalyse wesentlich sind. Während die spezifischen Grafiken im bereitgestellten Text nicht reproduziert sind, werden ihr typischer Inhalt und ihre Bedeutung im Folgenden erläutert.

3.1 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kennlinie)

Diese Grafik zeigt die Beziehung zwischen dem durch die Diode fließenden Strom und der daran anliegenden Spannung. Sie ist nichtlinear und zeigt eine Schwellspannung (etwa 1,2-1,4 V für GaAs-IR-LEDs), nach der der Strom bei einer kleinen Spannungserhöhung schnell ansteigt. Entwickler nutzen diese Kurve, um geeignete strombegrenzende Widerstände auszuwählen oder Konstantstromtreiber zu entwerfen.

3.2 Strahlstärke vs. Durchlassstrom

Diese Darstellung zeigt, wie die optische Ausgangsleistung mit dem Treiberstrom zunimmt. Sie ist typischerweise über einen weiten Bereich linear, kann aber bei sehr hohen Strömen aufgrund thermischer Effekte und internem Efficiency Droop sättigen. Die Steigung dieser Linie steht in Beziehung zur externen Quanteneffizienz des Bauteils.

3.3 Strahlstärke vs. Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt die Temperaturabhängigkeit der optischen Ausgangsleistung. Bei LEDs nimmt die Strahlstärke im Allgemeinen mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Dieser Derating-Faktor ist entscheidend für den Entwurf von Systemen, die über den gesamten Temperaturbereich (-40°C bis +85°C) arbeiten, um eine konsistente Leistung zu gewährleisten.

3.4 Spektrale Verteilung

Eine Grafik, die die relative optische Leistung als Funktion der Wellenlänge zeigt. Sie würde bei den typischen 880 nm ihren Peak haben und eine Breite aufweisen, die durch die 50-nm-FWHM-Spezifikation definiert ist. Dies ist wichtig, um den Emitter an die spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Detektors anzupassen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

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

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, Zollwerte stehen in Klammern.
• Es gilt eine allgemeine Toleranz von ±0,25 mm (±0,010"), sofern nicht für ein bestimmtes Merkmal eine andere Angabe gemacht wird.
• Das Harz unter dem Flansch kann maximal um 1,5 mm (0,059") hervorstehen.
• Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse den Gehäusekörper verlassen, was für das PCB-Footprint-Design entscheidend ist.

Die spezifische Zeichnung der Abmessungen würde genaue Werte für Gehäuselänge, -breite, -höhe, Anschlussdurchmesser und -abstand liefern.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Infrarot-LEDs sind polarisierte Bauteile. Das Gehäuse hat typischerweise eine flache Seite oder eine Kerbe am Rand, um die Kathode (negativer Anschluss) zu kennzeichnen. Der längere Anschluss kann auch die Anode (positiver Anschluss) anzeigen, aber die Gehäusemarkierung ist die definitive Referenz. Die korrekte Polarität ist für den Betrieb unerlässlich.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Die Einhaltung der Lötvorschriften ist entscheidend, um mechanische oder thermische Schäden zu vermeiden.

• Löttemperatur:Die Anschlüsse halten 260°C für bis zu 5 Sekunden stand, vorausgesetzt, die Wärme wird mindestens 1,6 mm (0,063") vom Kunststoffgehäuse entfernt aufgebracht. Dies verhindert, dass das Harz schmilzt oder thermisch belastet wird.
• Prozessempfehlung:Für Reflow-Löten ist ein Standard-Bleifrei-Profil mit einer Spitzentemperatur von maximal 260°C geeignet. Die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur sollte kontrolliert werden, um den gesamten thermischen Input zu minimieren.
• Reinigung:Falls Reinigung erforderlich ist, sollten Prozesse verwendet werden, die mit dem blau-transparenten Epoxidharz kompatibel sind. Aggressive Lösungsmittel sollten vermieden werden.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs (-55°C bis +100°C). Informationen zur Feuchtesensitivitätsstufe (MSL), falls zutreffend, wären in einer separaten Verpackungsspezifikation zu finden.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die letzte Seite des Datenblatts ist den Verpackungsdetails gewidmet. Dies umfasst typischerweise:

• Verpackungsformat:Die Bauteile werden wahrscheinlich auf Band und Rolle für die automatisierte Bestückung geliefert, was für oberflächenmontierbare Bauteile Standard ist. Die Rollengröße, Bandbreite, Taschenabmessungen und Ausrichtung sind hier definiert.
• Stückzahl pro Rolle:Die Standardanzahl von Teilen pro Rolle (z.B. 1000, 2000, 4000).
• Modellnummer:Die ArtikelnummerLTE-7377LM1-TAist der vollständige Bestellcode. Suffixe wie "-TA" können auf Band-und-Rolle-Verpackung oder spezifische Binning-Optionen hinweisen.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarotsensorik:Näherungssensoren, Objekterkennung, Linienfolgeroboter und optische Unterbrecherschalter (z.B. Papiererkennung in Druckern). Der schmale Abstrahlwinkel und die hohe Geschwindigkeit sind vorteilhaft.
• Optische Kommunikation:Kurzstrecken-Datenverbindungen, Fernbedienungssender (für Fernseher usw.) und industrielle IR-Datenübertragung, wo Immunität gegen EMI benötigt wird. Die 40-ns-Anstiegs-/Abfallzeit unterstützt moderate Datenraten.
• Maschinelles Sehen & Beleuchtung:Bereitstellung unsichtbarer Beleuchtung für CCTV-Kameras mit Nachtsichtfähigkeit oder für spezialisierte Machine-Vision-Systeme.

7.2 Designüberlegungen

• Treiberschaltung:Aufgrund des hohen zulässigen Pulsstroms (2 A) ist fast immer ein dedizierter Treibertransistor (BJT oder MOSFET) erforderlich. Ein einfacher Vorwiderstand ist für solche Hochstrompulse unzureichend und würde übermäßig viel Leistung vergeuden.
• Strombegrenzung:Für Gleichstrom- oder Pulsbetrieb muss der Strom aktiv begrenzt werden, um ein Überschreiten der absoluten Maximalwerte zu verhindern. Verwenden Sie einen Konstantstromtreiber für eine stabile optische Ausgangsleistung.
• Wärmemanagement:Obwohl das Gehäuse einen Flansch hat, sollte für den Dauerbetrieb bei hohen Strömen (annähernd 100 mA) die PCB-Layoutgestaltung als Kühlkörper in Betracht gezogen werden, insbesondere bei Betrieb in hohen Umgebungstemperaturen.
• Optisches Design:Der 16-Grad-Abstrahlwinkel kann Linsen oder Diffusoren erfordern, wenn ein anderes Strahlprofil benötigt wird. Die 880-nm-Wellenlänge erfordert einen Detektor, der in diesem Bereich empfindlich ist (z.B. Silizium-Photodiode, Phototransistor).
• Elektrischer Schutz:Ein kleiner Vorwiderstand oder ein Überspannungsschutz (TVS) kann ratsam sein, um vor Spannungsspitzen zu schützen, insbesondere in industriellen Umgebungen, trotz der 5-V-Sperrspannungsbewertung.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Basierend auf seinen Spezifikationen differenziert sich dieser IR-Emitter auf dem Markt durch eine Kombination von Schlüsselattributen:

• Kombination aus hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung:Die 40-ns-Schaltgeschwindigkeit kombiniert mit einer hohen Strahlstärke (35 mW/sr min) und einer sehr hohen Pulsstromfähigkeit (2 A) ist ein bedeutender Vorteil für Anwendungen, die sowohl helle Pulse als auch schnelle Datenraten oder präzises Timing erfordern.
• Für Pulsbetrieb optimiert:Die expliziten Bewertungen für den Spitzenpulsstrom und die unter Pulsbedingungen spezifizierte Durchlassspannung zeigen, dass das Bauteil für diesen anspruchsvollen Modus entwickelt wurde und eine bessere Leistung und Zuverlässigkeit bietet als LEDs, die nur für Gleichstrom bewertet sind.
• Schmaler Abstrahlwinkel:Der 16-Grad-Strahl ist schmaler als bei vielen Standard-IR-LEDs (die 30-60 Grad haben können), was gerichteteres Licht und eine höhere Intensität auf der Achse bietet, was das Signal-Rausch-Verhältnis in gerichteten Sensoranwendungen verbessert.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F1: Kann ich diese LED mit einem 5-V-Mikrocontroller-Pin nur über einen Vorwiderstand ansteuern?

A: Für kurze Pulse bei niedrigem Strom (z.B. 20-50 mA) ist eine Berechnung mit einem Vorwiderstand möglich (R = (V_CC- V_F) / I_F). Für den Hochstrom-Pulsbetrieb (350 mA oder 2 A), für den das Bauteil ausgelegt ist, kann ein Mikrocontroller-Pin jedoch nicht genug Strom liefern. Ein durch den MCU gesteuerter Transistorschalter (wie ein MOSFET) ist zwingend erforderlich, um den benötigten Strom aus einer separaten Stromversorgung zu liefern.

F2: Was ist der Zweck des blauen Gehäuses? Ist es nur für die Farbe?

A: Das blau-transparente Epoxidharz wirkt als Kurzwellenpassfilter. Es ist für das emittierte 880-nm-Infrarotlicht durchlässig, blockiert oder dämpft aber sichtbares Licht. Dies kann helfen, Störungen durch Umgebungslicht im Detektor zu reduzieren und das Signal-Rausch-Verhältnis des IR-Systems zu verbessern. Es dient auch als visueller Identifikator.

F3: Wie interpretiere ich den "Strahlstärke"-Wert für mein Design?

A: Strahlstärke (mW/sr) ist ein Maß dafür, wie viel optische Leistung in einen gegebenen Raumwinkel emittiert wird. Um die Bestrahlungsstärke (Leistung pro Flächeneinheit) in einem Abstand (d) auf der optischen Achse abzuschätzen, können Sie die Näherung verwenden: E ≈ I_E/ d²für kleine Winkel, wobei E in mW/cm² ist, wenn d in cm angegeben ist. Dies hilft zu bestimmen, ob genug Licht Ihren Detektor erreicht.

F4: Die maximale Lagertemperatur beträgt 100°C, aber die Löttemperatur ist 260°C. Ist das nicht widersprüchlich?

A: Nein. Die Lagertemperatur gilt für langfristige, nicht betriebsfähige Bedingungen, bei denen das gesamte Gehäuse gleichmäßig auf dieser Temperatur ist. Die Lötbewertung gilt für eine sehr kurze, lokalisierte thermische Belastung (5 Sekunden), die nur auf die Metallanschlüsse aufgebracht wird, die die Wärme von der empfindlichen Halbleitersperrschicht und dem Gehäusekörper ableiten.

10. Praktische Design-Fallstudie

Szenario: Entwurf eines Hochgeschwindigkeits-Optikencoders.

Ein optischer Drehgeber benötigt eine Lichtquelle, die durch eine kodierte Scheibe auf ein Fotodetektor-Array fällt. Der Encoder muss bei hohen Drehzahlen arbeiten, was ein schnelles Schalten der Lichtquelle erfordert, um Verwischung zu vermeiden und eine präzise Flankenerkennung zu ermöglichen.

• Komponentenauswahl-Begründung:Der LTE-7377LM1-TA wird gewählt, weil seine 40-ns-Anstiegs-/Abfallzeit sehr scharfe optische Pulse ermöglicht, was es dem System erlaubt, feine Positionsänderungen bei hoher Geschwindigkeit aufzulösen. Der schmale 16-Grad-Abstrahlwinkel hilft, das Licht durch die schmalen Schlitze der Encoderscheibe zu konzentrieren und verbessert so den Kontrast.
• Schaltungsentwurf:Es wird eine Konstantstrom-Treiberschaltung mit einem Hochgeschwindigkeits-MOSFET implementiert. Der MOSFET wird durch einen Timer- oder FPGA-Ausgang geschaltet. Der Strom wird auf 100 mA (Dauermaximum) oder einen gepulsten Wert wie 350 mA für höhere Intensitätspulse eingestellt, wobei die Grenzwerte des Datenblatts eingehalten werden. Die Durchlassspannung bei diesem Strom wird zur Berechnung der Verlustleistung im Treiber verwendet.
• Layout & Wärme:Der PCB-Footprint entspricht dem Anschlussabstand der Gehäusezeichnung. Unter dem Flansch wird eine kleine thermische Entlastungsfläche platziert, die mit einer Massefläche verbunden ist, um die Wärmeableitung während des Dauerbetriebs zu unterstützen.
• Optische Ausrichtung:Emitter und Detektor sind auf gegenüberliegenden Seiten der Encoderscheibe ausgerichtet. Der schmale Strahl gewährleistet minimale Übersprechen zwischen benachbarten Spuren auf der Scheibe.

11. Funktionsprinzip

Dieses Bauteil ist eine Leuchtdiode (LED) basierend auf einem Halbleiter-p-n-Übergang, typischerweise unter Verwendung von Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) oder Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) zur Erzeugung von Infrarotlicht. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die die Schwellspannung des Übergangs überschreitet, werden Elektronen und Löcher über den Übergang injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen freigesetzt. Die spezifische Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen, die in diesem Fall um 880 Nanometer zentriert ist. Das blaue Epoxidharzgehäuse verkapselt den Halbleiterchip, bietet mechanischen Schutz und wirkt als Primärlinse, die den Ausgangsstrahl formt, während es kürzere Wellenlängen filtert.

12. Technologietrends

Die Infrarot-Emitter-Technologie entwickelt sich weiter, parallel zu breiteren optoelektronischen Trends. Es gibt einen ständigen Drang zu höherer Effizienz (mehr Lichtausbeute pro elektrischem Watt Eingang), um den Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Dies ermöglicht hellere Quellen oder längere Batterielaufzeit in tragbaren Geräten. Ein weiterer Trend ist die Integration von Emittern mit Treibern und Kontrolllogik in intelligente Module, was das Systemdesign vereinfacht. Darüber hinaus gibt es Entwicklungen hin zu noch schnelleren Schaltgeschwindigkeiten, um höhere Datenraten in der optischen Kommunikation (z.B. für Li-Fi) und präzisere Time-of-Flight (ToF)-Erfassung für 3D-Bildgebung und LiDAR-Anwendungen zu unterstützen. Der Drang zur Miniaturisierung setzt sich ebenfalls fort, was zu kleineren Gehäusegrundflächen bei gleichbleibenden oder verbesserten Leistungsmerkmalen führt.