IR17-21C/TR8 Infrarot-LED Datenblatt - 0805 Gehäuse - 1,2V - 940nm - 130mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die IR17-21C/TR8 ist eine leistungsstarke Infrarot (IR)-Emissionsdiode für moderne Oberflächenmontage (SMT)-Anwendungen. In einem kompakten 0805-Gehäuse untergebracht, ist dieses Bauteil darauf ausgelegt, eine zuverlässige Infrarot-Emission zu liefern, die speziell auf siliziumbasierte Fotodetektoren abgestimmt ist. Ihre Hauptfunktion ist es, als effiziente Infrarotquelle in verschiedenen Sensor- und Schaltkreisen zu dienen.

Der Kernvorteil dieser Komponente liegt in ihrer miniaturisierten Bauform, die hochdichte Leiterplatten-Designs ermöglicht, und ihrer exzellenten spektralen Abstimmung auf Silizium-Fotodioden und Fototransistoren, was eine optimale Systemempfindlichkeit gewährleistet. Das Bauteil ist mit einer wasserklaren Kunststofflinse konstruiert, die eine flache Oberseite bietet und zu ihrem weiten Abstrahlwinkel von 120 Grad beiträgt. Es entspricht wichtigen Umwelt- und Sicherheitsstandards, einschließlich RoHS, EU REACH, und wird als halogenfreie Komponente hergestellt.

2. Technische Spezifikationen und objektive Interpretation

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen wird nicht garantiert.

• Dauer-Vorwärtsstrom (I_F): 65 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich durch die LED fließen kann.
• Sperrspannung (V_R): 5 V. Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann den PN-Übergang der LED durchschlagen.
• Betriebs- & Lagertemperatur (T_opr, T_stg): -40°C bis +85°C. Das Bauteil ist für industrielle Temperaturbereiche ausgelegt.
• Verlustleistung (P_d): 130 mW bei 25°C. Dies ist die maximale Leistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann. Bei höheren Umgebungstemperaturen ist eine Entlastung (Derating) erforderlich.
• Löttemperatur (T_sol): 260°C für ≤5 Sekunden. Dies definiert die Toleranz des Spitzenwertes im Reflow-Profil.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter werden unter Standardtestbedingungen von 25°C Umgebungstemperatur und einem Vorwärtsstrom von 20 mA gemessen, was typischen Betriebsbedingungen entspricht.

• Strahlungsstärke (I_e): 0,2 mW/sr (Min), 0,8 mW/sr (Typ). Dies misst die optische Leistung pro Raumwinkeleinheit. Der typische Wert gibt die erwartete Ausgangsleistung an.
• Spitzenwellenlänge (λ_p): 940 nm (Typ). Das emittierte Infrarotlicht ist auf diese Wellenlänge zentriert, was ideal für Siliziumdetektoren ist, die im nahen Infrarotbereich eine hohe Empfindlichkeit aufweisen.
• Spektrale Bandbreite (Δλ): 45 nm (Typ). Dies definiert den Bereich der emittierten Wellenlängen, typischerweise die Halbwertsbreite (FWHM).
• Flussspannung (V_F): 1,2 V (Typ), 1,5 V (Max) bei 20mA. Die niedrige Flussspannung reduziert den Stromverbrauch und die thermische Belastung.
• Sperrstrom (I_R): 10 µA (Max) bei 5V. Dies ist der Leckstrom, wenn das Bauteil in Sperrrichtung betrieben wird.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2): 120° (Typ). Definiert als der volle Winkel, bei dem die Intensität auf die Hälfte des Wertes auf der Achse abfällt, was ein sehr breites Abstrahlmuster bietet.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für Entwicklungsingenieure entscheidend sind.

• Vorwärtsstrom vs. Umgebungstemperatur: Dieses Diagramm zeigt, wie der maximal zulässige Vorwärtsstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt, bedingt durch die Verlustleistungsgrenze des Gehäuses. Es ist für das thermische Management unerlässlich.
• Spektrale Verteilung: Zeigt die relative Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Wellenlänge und bestätigt das Maximum bei 940nm sowie die spektrale Bandbreite.
• Vorwärtsstrom vs. Flussspannung (I-V-Kurve): Zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Die Kurve hilft bei der Auswahl des passenden Vorwiderstands für eine gegebene Versorgungsspannung.
• Relative Strahlungsstärke vs. Winkelabweichung: Ein Polardiagramm, das das Abstrahlmuster zeigt. Der 120-Grad-Abstrahlwinkel wird hier visuell bestätigt und zeigt eine Lambert'sche oder nahezu Lambert'sche Verteilung, wie sie für Flachtop-LEDs üblich ist.

4. Mechanische und Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die IR17-21C/TR8 entspricht dem Standard-Fußabdruck 0805 (imperial) oder 2012 (metrisch). Wichtige Abmessungen sind eine Bauteillänge von ca. 2,0 mm, eine Breite von 1,25 mm und eine Höhe von typisch 0,8 bis 1,0 mm (genauer Wert aus der Zeichnung). Anode und Kathode sind auf dem Gehäuse klar gekennzeichnet. Das vorgeschlagene Lötflächenlayout für das Leiterplatten-Design wird bereitgestellt, mit Empfehlungen zur Anpassung basierend auf spezifischen Fertigungsprozessen.

4.2 Trägerbandabmessungen

Die Bauteile werden auf Standard-8mm-Bandspulen für die automatisierte Bestückung geliefert. Jede Spule enthält 3000 Stück. Die Bandabmessungen, einschließlich Taschengröße, Teilung und Spulendurchmesser, sind spezifiziert, um die Kompatibilität mit SMT-Bestückungsautomaten zu gewährleisten.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

5.1 Feuchtigkeitssensitivität und Lagerung

Das Bauteil ist feuchtigkeitssensitiv (MSL-Level auf dem Etikett angegeben). Ungeöffnete Feuchtigkeitsschutzbeutel müssen unter 30°C und 90% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden. Nach dem Öffnen haben die Bauteile eine Standzeit von 168 Stunden (7 Tagen) bei Lagerung bei ≤60% relativer Luftfeuchtigkeit. Eine Überschreitung erfordert ein Trocknungsverfahren (z.B. 96 Stunden bei 60°C) vor dem Reflow-Löten, um \"Popcorning\"-Schäden während des Lötens zu verhindern.

5.2 Reflow-Lötprofil

Ein bleifreies (Pb-free) Reflow-Temperaturprofil wird empfohlen. Wichtige Parameter sind eine Aufwärmphase, eine definierte Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (z.B. 217°C), eine Spitzentemperatur von maximal 260°C und eine Gesamtzeit innerhalb der kritischen Temperaturzone. Der Reflow-Vorgang sollte nicht öfter als zweimal durchgeführt werden.

5.3 Handlöten und Nacharbeit

Falls Handlöten notwendig ist, sollte ein Lötkolben mit einer Spitzentemperatur unter 350°C und einer Leistung unter 25W verwendet werden. Die Kontaktzeit pro Anschluss sollte auf 3 Sekunden begrenzt sein, mit ausreichender Abkühlung zwischen den Anschlüssen. Für Nacharbeiten wird ein Zweispitzen-Lötkolben empfohlen, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und mechanische Belastungen der Lötstellen zu vermeiden. Die Auswirkung der Nacharbeit auf die Bauteilzuverlässigkeit sollte vorab bewertet werden.

6. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsszenarien

• Leiterplattenmontierte Infrarotsensoren: Wird als Emitter in Näherungssensoren, Objekterkennung und berührungslosen Schaltern verwendet.
• Miniatur-Lichtschranken / Optische Unterbrecher: Kombiniert mit einem Fotodetektor, um Objekte zu erkennen, die einen Lichtstrahl unterbrechen; verwendet in Encodern, Schlitzsensoren und Sicherheitssystemen.
• Optoelektronische Schalter: In Reflexionssensoren, bei denen das LED-Licht von einer Oberfläche zurück zu einem Detektor reflektiert wird.
• Rauchmelder: Eingesetzt in einigen optischen Kammerdesigns, um Rauchpartikel zu erkennen, die Licht streuen.

6.2 Kritische Designüberlegungen

• Strombegrenzung ist zwingend erforderlich: Ein externer Vorwiderstand muss immer verwendet werden, um den Vorwärtsstrom einzustellen. Die niedrige Flussspannung der LED bedeutet, dass selbst kleine Erhöhungen der Versorgungsspannung einen großen, zerstörerischen Stromanstieg verursachen können.
• Thermisches Management: Obwohl das Gehäuse klein ist, muss die Verlustleistung berücksichtigt werden, insbesondere in Umgebungen mit hoher Umgebungstemperatur oder bei Betrieb nahe dem Maximalstrom. Eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte kann bei der Wärmeableitung helfen.
• Optische Ausrichtung: Der weite 120-Grad-Abstrahlwinkel ist vorteilhaft für eine breite Abdeckung, reduziert aber die Intensität an einem bestimmten Punkt. Für Anwendungen mit größerer Reichweite oder Fokussierung können externe Linsen erforderlich sein.
• Störfestigkeit: In elektrisch verrauschten Umgebungen sollten Abschirmungen oder eine Modulation des LED-Treiberstroms in Betracht gezogen werden, um das Signal von Umgebungs-IR-Störungen (z.B. von Sonnenlicht oder anderen Quellen) zu unterscheiden.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu anderen Infrarot-LEDs sind die Hauptunterscheidungsmerkmale der IR17-21C/TR8 ihre Kombination aus einem sehr kompakten 0805-Fußabdruck mit einer relativ hohen Strahlungsstärke (typ. 0,8 mW/sr) und einem weiten 120-Grad-Abstrahlwinkel. Viele konkurrierende IR-LEDs in ähnlichen Gehäusen bieten oft engere Abstrahlwinkel oder eine geringere Ausgangsleistung. Ihre niedrige Flussspannung von 1,2V ist ebenfalls ein Vorteil für batteriebetriebene Niederspannungsschaltungen und verbessert die Effizienz. Die ausdrückliche Konformität mit halogenfreien und REACH-Standards macht sie geeignet für umweltbewusste Designs mit strengen Materialbeschränkungen.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

8.1 Welchen Widerstandswert sollte ich verwenden, um diese LED mit 20mA aus einer 5V-Versorgung zu betreiben?

Mit dem Ohmschen Gesetz: R = (V_supply- V_F) / I_F. Mit V_supply=5V, V_F=1,2V (typisch) und I_F=0,020A, R = (5 - 1,2) / 0,02 = 190 Ohm. Ein Standard-200-Ohm-Widerstand würde einen Strom von etwa (5-1,2)/200 = 19mA ergeben, was akzeptabel ist. Berechnen Sie stets mit dem maximalen V_F(1,5V), um sicherzustellen, dass der Mindeststrom für Ihre Anwendung ausreicht.

8.2 Kann ich diese LED mit Strömen über 65mA pulsieren?

Der absolute Maximalwert für den Dauer-Vorwärtsstrom beträgt 65mA. Ein Pulsbetrieb mit höheren Spitzenströmen kann möglich sein, wenn das Tastverhältnis niedrig genug ist, um den Durchschnittsstrom und die daraus resultierende Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen zu halten. Das Datenblatt enthält jedoch keine Pulsstromwerte oder Entlastungskurven. Ein Betrieb oberhalb der absoluten Maximalwerte wird ohne spezifische Charakterisierungsdaten des Herstellers nicht empfohlen, da dies die Zuverlässigkeit und Lebensdauer verringern kann.

8.3 Wie beeinflusst die Umgebungstemperatur die Ausgangsleistung?

Die Strahlungsstärke von LEDs nimmt typischerweise mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Das Diagramm \"Vorwärtsstrom vs. Umgebungstemperatur\" bezieht sich indirekt darauf, da höhere Temperaturen eine Reduzierung des zulässigen Stroms erzwingen, um Überhitzung zu vermeiden. Für eine präzise Ausgangsstabilität über den Temperaturbereich kann eine Rückkopplungsschaltung mit dem gepaarten Fotodetektor oder eine Temperaturkompensation erforderlich sein.

9. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Fall: Entwurf eines Papiererkennungssensors in einem Drucker

Ein Ingenieur muss das Vorhandensein von Papier im Eingabefach eines kleinen Druckers erkennen. Der Platz ist extrem begrenzt. Er wählt die IR17-21C/TR8 und einen passenden Fototransistor in einem ähnlichen Gehäuse. Die Komponenten werden auf gegenüberliegenden Seiten eines schmalen Kanals platziert, durch den das Papier läuft. Die LED wird mit 15mA betrieben (unter Verwendung eines geeigneten Widerstands aus der 3,3V-Logikversorgung des Druckers), um Strom zu sparen und gleichzeitig ein ausreichendes Signal zu liefern. Der weite 120-Grad-Abstrahlwinkel der LED stellt sicher, dass der Strahl den Kanal auch bei geringen mechanischen Fehlausrichtungen ausreichend ausfüllt. Wenn Papier vorhanden ist, blockiert es das Infrarotlicht, was eine Änderung des Ausgangssignals des Fototransistors verursacht, die von einem Mikrocontroller ausgelesen wird. Die geringe Bauhöhe des 0805-Gehäuses ermöglicht die Integration des Sensors in den schlanken Mechanismus. Der Entwickler befolgt die Richtlinien für das Reflow-Profil und stellt sicher, dass das Leiterplattenlayout thermische Entlastungspads für das Löten enthält.

10. Funktionsprinzip Einführung

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiterdiode. Wenn eine Flussspannung an ihren Anschlüssen angelegt wird (Anode positiv gegenüber Kathode), werden Elektronen über den PN-Übergang injiziert. Wenn sich diese Elektronen mit Löchern im aktiven Bereich des Halbleitermaterials (in diesem Fall Gallium-Aluminium-Arsenid - GaAlAs) rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen (Lichtteilchen) freigesetzt. Die spezifische Zusammensetzung des GaAlAs-Materials bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen, die bei diesem Bauteil im Infrarotspektrum (940nm) liegt. Diese Wellenlänge ist für das menschliche Auge unsichtbar, kann aber effizient von siliziumbasierten Fotodioden und Fototransistoren erkannt werden, die einen Strom erzeugen, wenn sie von Photonen mit ausreichender Energie getroffen werden.

11. Branchentrends und Entwicklungen

Der Trend in der Optoelektronik, einschließlich IR-Komponenten, geht weiterhin in Richtung Miniaturisierung, höherer Effizienz und Integration. Gehäuse kleiner als 0805 (z.B. 0603, 0402) werden für platzbeschränkte Anwendungen immer häufiger. Es gibt auch Bestrebungen, die Strahlungsstärke und Leistungsabgabe aus kleineren Gehäusen durch verbessertes Chipdesign und Verpackungsmaterialien zu erhöhen. Integration ist ein weiterer Schlüsseltrend, wobei kombinierte Emitter-Detektor-Paare in einzelnen Gehäusen (Optokoppler, Reflexionssensoren) die Montage vereinfachen und die Ausrichtung verbessern. Darüber hinaus ist die Nachfrage nach Bauteilen, die strengen Umweltvorschriften (RoHS, REACH, halogenfrei) entsprechen, mittlerweile eine Standardanforderung in der gesamten Branche, was Innovationen in der Materialwissenschaft bei bleifreien Loten und Vergussmassen vorantreibt.