Infrarot-Emitter LTE-3276 Datenblatt - 850nm Wellenlänge - 50mA Durchlassstrom - 1,8V Durchlassspannung - Hochleistung & Hochgeschwindigkeit - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTE-3276 ist ein Hochleistungs-Infrarot (IR)-Emitter, der für Anwendungen konzipiert ist, die schnelle Ansprechzeiten und eine signifikante Strahlungsleistung erfordern. Seine Kernvorteile liegen in der Kombination aus hoher Geschwindigkeit und hoher Leistungsfähigkeit, was ihn für den Pulsbetrieb in anspruchsvollen Umgebungen geeignet macht. Das Bauteil ist in einem klaren, transparenten Gehäuse untergebracht, was typisch für IR-Emitter ist, um eine maximale Transmission des Infrarotlichts zu ermöglichen. Der Zielmarkt umfasst Industrieautomation, Kommunikationssysteme (wie IrDA), Fernbedienungen, optische Schalter und Sensorsysteme, bei denen eine zuverlässige, hochintensive Infrarotsignalisierung erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb an oder nahe diesen Grenzen wird für längere Zeit nicht empfohlen.

• Verlustleistung (P_D):200 mW. Dies ist die maximale Gesamtleistung, die das Bauteil unter allen Betriebsbedingungen als Wärme abführen kann.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):1 A. Dieser hohe Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen zulässig (300 Pulse pro Sekunde, 10 μs Pulsbreite). Er unterstreicht die Fähigkeit des Bauteils zu kurzen, intensiven Lichtblitzen.
• Dauer-Durchlassstrom (I_F):100 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich angelegt werden kann.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann den Halbleiterübergang zerstören.
• Betriebs- & Lagertemperaturbereich:-40°C bis +85°C. Dieser weite Bereich gewährleistet Zuverlässigkeit unter rauen Umgebungsbedingungen.
• Löt-Temperatur der Anschlüsse:260°C für 6 Sekunden in 1,6mm Abstand vom Gehäuse. Dies ist kritisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse, um thermische Schäden zu vermeiden.

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):Ein Schlüsselmaß für die optische Ausgangsleistung pro Raumwinkel. Bei I_F= 20mA beträgt sie typisch 12,75 mW/sr. Bei I_F= 50mA steigt sie signifikant auf typisch 32 mW/sr an, was einen nichtlinearen, effizienten Anstieg mit dem Strom demonstriert.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_P):850 nm (typisch). Dies liegt im nahen Infrarotspektrum, für das menschliche Auge unsichtbar, aber leicht durch Silizium-Fotodioden und Kameras mit IR-Empfindlichkeit detektierbar.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):40 nm (typisch). Dies gibt die spektrale Bandbreite an; eine schmalere Breite würde eine monochromatischere Quelle bedeuten.
• Durchlassspannung (V_F):Bei I_F= 50mA beträgt V_Ftypisch 1,49V, maximal 1,80V. Bei I_F= 200mA steigt V_Fauf typisch 1,83V, max. 2,3V. Dieser positive Temperaturkoeffizient muss im Treiberdesign berücksichtigt werden.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):50 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte ihres Spitzenwertes abfällt. Ein 50°-Winkel bietet eine gute Balance zwischen Strahlbündelung und Abdeckung.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere typische Kennlinien, die für den Schaltungsentwurf und das Verständnis des Bauteilverhaltens unter variierenden Bedingungen wesentlich sind.

3.1 Spektrale Verteilung (Abb. 1)

Diese Kurve stellt die relative Strahlungsintensität über der Wellenlänge dar. Sie bestätigt die Spitzenwellenlänge bei etwa 850 nm und zeigt die Form und Breite (40 nm Halbwertsbreite) des Emissionsspektrums. Dies ist entscheidend für die Abstimmung des Emitters auf die spektrale Empfindlichkeit eines Detektors.

3.2 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abb. 3)

Diese I-V-Kennlinie zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Die Kurve ermöglicht es Entwicklern, die notwendige Treiberspannung für einen gewünschten Betriebsstrom zu bestimmen, was für den Entwurf von Konstantstrom-Treibern kritisch ist.

3.3 Relative Strahlungsintensität vs. Durchlassstrom (Abb. 5)

Dieses Diagramm zeigt, wie die Lichtausgabe mit dem Treiberstrom zunimmt. Es ist bei niedrigeren Strömen im Allgemeinen linear, kann aber bei sehr hohen Strömen aufgrund thermischer und Effizienzgrenzen Sättigungseffekte zeigen. Diese Daten sind entscheidend für die Einstellung des Arbeitspunktes, um die erforderliche optische Leistung zu erreichen.

3.4 Relative Strahlungsintensität vs. Umgebungstemperatur (Abb. 4)

Diese Kurve demonstriert den negativen Temperaturkoeffizienten der LED-Ausgangsleistung. Mit steigender Umgebungstemperatur nimmt die Strahlungsintensität ab. Diese thermische Entlastung muss in Designs für Hochtemperaturumgebungen berücksichtigt werden, um eine ausreichende Signalreserve sicherzustellen.

3.5 Strahlungsdiagramm (Abb. 6)

Dieses Polardiagramm stellt die räumliche Verteilung des emittierten Lichts visuell dar und veranschaulicht klar den 50-Grad-Abstrahlwinkel. Es hilft beim Entwurf optischer Systeme zum Fokussieren oder Kollimieren des IR-Strahls.

4. Mechanische & Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein Standard-Durchsteckgehäuse, wahrscheinlich vom Typ T-1 3/4 (5mm), der für IR-Emitter üblich ist. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern (Zoll) angegeben.
• Die Toleranz beträgt ±0,25mm(.010"), sofern nicht anders angegeben.
• Das Harzprofil unter dem Flansch beträgt maximal 1,5mm(.059").
• Der Anschlussabstand wird dort gemessen, wo die Anschlüsse aus dem Gehäuse austreten.

Das klare, transparente Gehäusematerial ist typischerweise Epoxidharz, optimiert für hohe Transmission bei 850 nm.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Bei einem Standard-LED-Gehäuse ist der längere Anschluss typischerweise die Anode (Pluspol) und der kürzere die Kathode (Minuspol). Das Gehäuse kann auch eine abgeflachte Seite in der Nähe der Kathode aufweisen. Die Beachtung der korrekten Polarität ist wesentlich, um Schäden durch Sperrspannung zu verhindern.

5. Löt- & Montagerichtlinien

Der absolute Maximalwert für das Löten der Anschlüsse ist explizit angegeben:260°C für 6 Sekunden, gemessen 1,6mm (.063") vom Gehäuse entfernt. Dies ist ein kritischer Parameter für die Montage.

• Wellen-/Handlöten:Halten Sie sich strikt an das 260°C/6s-Limit. Vorheizen wird empfohlen, um thermischen Schock zu minimieren.
• Reflow-Löten:Obwohl für SMD nicht explizit erwähnt, sollte das Temperaturprofil sicherstellen, dass die Gehäusetemperatur nicht über längere Zeit das Lagermaximum von 85°C überschreitet und die Anschlusstemperatur am spezifizierten Punkt 260°C nicht überschreiten darf.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs (-40°C bis +85°C), um Feuchtigkeitsaufnahme und Degradation zu verhindern.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarot-Datenübertragung (IrDA):Seine hohe Geschwindigkeit macht ihn für serielle Datenverbindungen geeignet.
• Fernbedienungen:Hohe Leistung gewährleistet große Reichweite und zuverlässigen Betrieb.
• Optische Schalter & Objekterkennung:In Verbindung mit einem Fotodetektor zur Erfassung von Präsenz, Position oder zum Zählen.
• Industrielle Lichtschranken:Erzeugung einer unsichtbaren Strahlensperre für den Maschinenschutz.
• Nachtbeleuchtung:Für Überwachungskameras mit IR-Empfindlichkeit.

6.2 Designüberlegungen

• Treiber-Schaltung:Verwenden Sie stets einen Reihen-Vorwiderstand oder einen Konstantstrom-Treiber. Berechnen Sie diesen basierend auf der Durchlassspannung (V_F) beim gewünschten Betriebsstrom (I_F).
• Wärmemanagement:Für Dauerbetrieb nahe dem Maximalstrom berücksichtigen Sie die Verlustleistung (P_D= V_F* I_F) und sorgen Sie bei Bedarf für ausreichende Kühlung, um die Sperrschichttemperatur innerhalb der Grenzen zu halten.
• Pulsbetrieb:Für den 1A-Spitzenpulsstrom stellen Sie sicher, dass der Treiber den erforderlichen hohen Strompuls mit schneller Anstiegs-/Abfallzeit liefern kann, um die Hochgeschwindigkeitsfähigkeit zu nutzen.
• Optisches Design:Verwenden Sie Linsen oder Reflektoren, um den 50°-Strahl gemäß den Anwendungsanforderungen zu formen (z.B. schmal für große Reichweite, breit für Flächenabdeckung).
• Detektor-Abstimmung:Kombinieren Sie ihn mit einem Fotodetektor (z.B. Fototransistor, Fotodiode), dessen spektrale Spitzenempfindlichkeit bei etwa 850 nm liegt, für optimale Leistung.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Der LTE-3276 differenziert sich auf dem Markt durch seine spezifische Parameterkombination:

• Hohe Leistung bei moderatem Strom:32 mW/sr bei 50mA ist eine starke Ausgangsleistung, vorteilhaft für Anwendungen, die ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis erfordern.
• Hochgeschwindigkeitsfähigkeit:Die Spezifikation für den Pulsbetrieb impliziert eine schnelle intrinsische Ansprechzeit, geeignet für modulierte Signale.
• Robuste Konstruktion:Der weite Betriebstemperaturbereich und das klare Gehäuse deuten auf ein Design für Zuverlässigkeit hin.
• Im Vergleich zu Standard-Niedrigleistungs-IR-LEDs bietet dieses Bauteil eine deutlich höhere Strahlungsintensität. Im Vergleich zu Laserdioden ist es sicherer (augensicher in dieser Leistungsklasse), hat einen breiteren Strahl und ist im Allgemeinen robuster und einfacher anzusteuern.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

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

A: Nein. Sie müssen einen strombegrenzenden Widerstand verwenden. Zum Beispiel, um bei I_F=50mA mit einer V_F von ~1,5V aus einer 5V-Versorgung zu betreiben: R = (5V - 1,5V) / 0,05A = 70 Ohm. Verwenden Sie einen 68- oder 75-Ohm-Widerstand und prüfen Sie die Belastbarkeit (P = I²R = 0,175W, also ist ein 1/4W-Widerstand ausreichend).

F: Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsintensität (mW/sr) und Aperturbestrahlungsstärke (mW/cm²)?

A: Strahlungsintensität ist die pro Raumwinkel (Steradiant) abgegebene Leistung und beschreibt die Richtstärke der Quelle. Aperturbestrahlungsstärke ist die Leistungsdichte (mW pro cm²), die bei einer bestimmten Entfernung und Ausrichtung auf die Detektoroberfläche trifft. Letztere hängt von ersterer und dem Abstand/Entfernungsgesetz ab.

F: Wie verwende ich ihn im Pulsbetrieb?

A: Verwenden Sie einen Transistor (BJT oder MOSFET) als Schalter, der von Ihrem Logiksignal gesteuert wird, um die LED zu pulsieren. Stellen Sie sicher, dass der Treiber den hohen Spitzenstrom (bis zu 1A) mit schnellem Schalten liefern kann. Der mittlere Strom muss unter Berücksichtigung des Tastverhältnisses weiterhin den Dauerstromwert (100mA) einhalten.

F: Warum nimmt die Ausgangsleistung mit der Temperatur ab?

A: Dies ist eine grundlegende Eigenschaft von Halbleiter-LEDs. Erhöhte Temperatur verstärkt nichtstrahlende Rekombinationsprozesse im Halbleitermaterial, was den internen Quantenwirkungsgrad und somit die Lichtausgabe reduziert.

9. Praktisches Designbeispiel

Fall: Entwurf eines Infrarot-Objekterkennungssensors mit großer Reichweite.

Ziel: Erkennung eines Objekts in 5 Metern Entfernung.

Designschritte:

1. Emitter-Ansteuerung:Betreiben Sie den LTE-3276 bei I_F=50mA (gepulst mit 1kHz, 50% Tastverhältnis), um eine hohe Spitzenintensität (32 mW/sr) zu erreichen, während die mittlere Leistung handhabbar bleibt.

2. Optik:Fügen Sie vor dem Emitter eine einfache Kollimatorlinse hinzu, um den 50°-Strahl auf einen stärker fokussierten ~10°-Strahl zu verengen, was die Intensität in der Entfernung signifikant erhöht.

3. Detektor:Verwenden Sie einen abgestimmten Silizium-Fototransistor mit einer Spitzenempfindlichkeit bei 850nm. Bringen Sie davor einen schmalbandigen optischen Filter (zentriert auf 850nm) an, um Umgebungslicht zu unterdrücken.

4. Schaltung:Die Empfängerschaltung verstärkt den kleinen Fotostrom. Verwenden Sie synchrone Detektion (Modulation des Emitters und Abstimmung des Empfängers auf die gleiche Frequenz), um Gleichlicht und niederfrequentes Rauschen zu unterdrücken, was Reichweite und Zuverlässigkeit erheblich verbessert.

Dieser Aufbau nutzt die hohe Leistung und Geschwindigkeit des LTE-3276 für ein robustes, störungsunempfindliches Erkennungssystem.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Ein Infrarot-Emitter wie der LTE-3276 ist eine Leuchtdiode (LED) basierend auf Halbleiterphysik. Wenn eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in die aktive Zone injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, setzen sie Energie frei. In diesem spezifischen Bauteil ist das Halbleitermaterial (typischerweise basierend auf Aluminiumgalliumarsenid - AlGaAs) so ausgelegt, dass diese Energie als Photonen im Infrarotspektrum mit einer Spitzenwellenlänge von 850 Nanometern freigesetzt wird. Das "klare transparente" Epoxidharzgehäuse ist für diese Wellenlänge transparent dotiert, sodass die Photonen effizient entweichen können. Das "Hochgeschwindigkeits"-Merkmal bezieht sich auf die schnellen Ein- und Ausschaltzeiten dieses Rekombinationsprozesses, die es der LED ermöglichen, mit hohen Frequenzen für die Datenübertragung moduliert zu werden.

11. Technologietrends

Die Infrarot-Emitter-Technologie entwickelt sich weiter, parallel zu breiteren optoelektronischen Trends. Wichtige Entwicklungen umfassen:

Erhöhte Leistungseffizienz:Die Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung des internen Quantenwirkungsgrades (mehr Photonen pro Elektron) und der Lichteinkopplungseffizienz aus dem Gehäuse, was zu höherer Strahlungsintensität bei gleicher elektrischer Eingangsleistung führt.

Kleinere Bauformen:Der Trend zur Miniaturisierung treibt die Entwicklung von Oberflächenmontage-Bauteilen (SMD) mit ähnlicher oder besserer Leistung als traditionelle Durchstecktypen voran.

Erhöhte Geschwindigkeit:Für Kommunikationsanwendungen werden Bauteile mit noch schnelleren Modulationsbandbreiten entwickelt, um höhere Datenraten zu unterstützen.

Wellenlängendiversifizierung:Während 850nm und 940nm verbreitet sind, werden andere Wellenlängen für spezifische Anwendungen optimiert, wie z.B. augensichere längere Wellenlängen oder spezifische Absorptionslinien für die Gasdetektion.

Integration:Es gibt einen Trend zur Integration des Emitters mit einer Treiber-IC oder sogar mit einem Detektor in einem einzigen Modul, was das Systemdesign für Endanwender vereinfacht.