HSDL-4261 IR-Emitter Datenblatt - 870nm Wellenlänge - 1,4V Durchlassspannung - 190mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der HSDL-4261 ist ein diskreter Infrarot-Emitter, der für Anwendungen konzipiert ist, die eine schnelle optische Datenübertragung erfordern. Er nutzt AlGaAs (Aluminiumgalliumarsenid) LED-Technologie, um Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 870 Nanometern zu erzeugen. Dieses Bauteil zeichnet sich durch seine schnellen Schaltzeiten aus, was es für digitale Kommunikationsschnittstellen geeignet macht.

1.1 Kernvorteile

• Hochgeschwindigkeitsbetrieb:Bietet typische optische Anstiegs- und Abfallzeiten von 15 Nanosekunden, was Datenübertragung in Hochbandbreiten-Anwendungen ermöglicht.
• Hohe optische Leistung:Liefert eine hohe Strahlungsintensität für ein starkes Signal und zuverlässige Infrarotkommunikation.
• RoHS-konform:Wird als bleifreies Produkt gefertigt und entspricht damit Umweltvorschriften.
• Klares Gehäuse:Ist in einem transparenten Gehäuse untergebracht, das das emittierte Infrarotlicht nicht filtert.

1.2 Zielanwendungen

• Industrielle Infrarotgeräte
• Infrarot-Tragbare Geräte
• Unterhaltungselektronik (z.B. optische Mäuse)
• Hochgeschwindigkeits-Infrarotkommunikation (z.B. IR LANs, Modems, Dongles)

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Alle Spezifikationen gelten bei einer Umgebungstemperatur (TA) von 25°C, sofern nicht anders angegeben.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Limits, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Dauer-Durchlassstrom (IFDC):Maximal 100 mA.
• Spitzen-Durchlassstrom (IFPK):Maximal 500 mA unter gepulsten Bedingungen (Tastverhältnis=20%, Pulsbreite=100µs).
• Verlustleistung (PDISS):Maximal 190 mW. Muss mit steigender Umgebungstemperatur gemäß den Kennlinienkurven reduziert werden.
• Sperrspannung (VR):Maximal 5 V.
• Lagertemperaturbereich (TS):-40°C bis +100°C.
• Betriebstemperaturbereich (TO):-40°C bis +85°C.
• Sperrschichttemperatur (TJ):Maximal 110°C.
• Löt-Temperatur der Anschlüsse:260°C für maximal 5 Sekunden, wobei die Lötspitze mindestens 1,6mm vom Gehäuse entfernt sein muss.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Leistungsparameter unter definierten Testbedingungen.

• Strahlungsleistung (Po):Typisch 9 mW bei IF=20mA und 45 mW bei IF=100mA.
• Strahlungsintensität auf der Achse (IE):Typisch 36 mW/sr bei IF=20mA und 180 mW/sr bei IF=100mA.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λPeak):Typisch 870 nm (Bereich: 850 nm bis 890 nm) bei IF=20mA.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):Etwa 47 nm bei IF=20mA.
• Durchlassspannung (Vf):Typisch 1,4 V bei IF=20mA und 1,7 V bei IF=100mA.
• Temperaturkoeffizient der Durchlassspannung (△V/△T):Etwa -1,5 mV/°C bei IF=20mA.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):Typisch 26 Grad, definiert die Winkelverteilung der abgegebenen Strahlung.
• Temperaturkoeffizient der Intensität (△IE/△T):Etwa -0,22 %/°C bei IF=100mA, was eine Abnahme der Ausgangsleistung mit steigender Temperatur anzeigt.
• Temperaturkoeffizient der Wellenlänge (△λ/△T):Etwa +0,18 nm/°C bei IF=20mA.
• Optische Anstiegs-/Abfallzeit (Tr/Tf):Typisch 15 ns, gemessen von 10% bis 90% des optischen Ausgangssignals.
• Serienwiderstand (RS):Typisch 4,1 Ohm bei IF=100mA.
• Diodenkapazität (CO):Typisch 80 pF bei 0V Vorspannung und 1 MHz.
• Thermischer Widerstand (RθJA):Typisch 280 °C/W vom Chip zur Umgebung über die Anschlüsse.

3. Analyse der Kennlinienkurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die wichtige Zusammenhänge veranschaulichen.

3.1 Durchlassstrom vs. Relative Strahlungsintensität

Diese Kurve zeigt, dass die optische Ausgangsintensität überlinear mit dem Durchlassstrom ansteigt, insbesondere bei höheren Strömen. Sie unterstreicht die Bedeutung der Stromansteuerung, um die gewünschte Helligkeit zu erreichen.

3.2 Durchlassspannung vs. Durchlassstrom

Die I-V-Kennlinie zeigt den typischen exponentiellen Zusammenhang einer Diode. Die Durchlassspannung steigt mit dem Strom und ist ebenfalls temperaturabhängig.

3.3 Durchlassspannung vs. Umgebungstemperatur

Dieses Diagramm zeigt den negativen Temperaturkoeffizienten der Durchlassspannung. Bei konstantem Strom sinkt Vf mit steigender Temperatur, was ein kritischer Aspekt für Konstantspannungs-Treiber ist.

3.4 Reduzierung des DC-Durchlassstroms vs. Umgebungstemperatur

Dies ist eine entscheidende Kurve für die Zuverlässigkeit. Sie definiert den maximal zulässigen Dauer-Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Bei steigender Temperatur muss der maximal erlaubte Strom reduziert werden, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur ihren Grenzwert von 110°C überschreitet. Beispielsweise ist bei 85°C der maximale DC-Strom deutlich niedriger als bei 25°C.

3.5 Abstrahlcharakteristik

Das Polardiagramm veranschaulicht die räumliche Verteilung des emittierten Infrarotlichts. Der HSDL-4261 hat einen typischen Abstrahlwinkel von 26 Grad (Halbwertsbreite), was einen mäßig gebündelten Strahl ergibt, der für gerichtete Kommunikationsverbindungen geeignet ist.

4. Mechanische & Verpackungsinformationen

4.1 Abmessungen

Das Bauteil ist ein Standard-Durchsteck-LED-Gehäuse. Wichtige Abmessungen sind der Anschlussabstand, der Gehäusedurchmesser und die Gesamthöhe. Die Anschlüsse sind so gestaltet, dass sie mindestens 3mm von der Linsenbasis entfernt gebogen werden können. Ein minimaler Harzüberstand unter dem Flansch ist spezifiziert. Alle Maßtoleranzen betragen typischerweise ±0,25mm, sofern nicht anders angegeben.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Das Bauteil verwendet die Standard-LED-Polaritätskennzeichnung. Der längere Anschluss kennzeichnet typischerweise die Anode (Pluspol), während der kürzere Anschluss die Kathode (Minuspol) ist. Dies muss während der Montage überprüft werden, um einen korrekten Betrieb sicherzustellen.

5. Löt- & Montagerichtlinien

5.1 Lagerbedingungen

Für die Langzeitlagerung sollte die Umgebung 30°C oder 70% relative Luftfeuchtigkeit nicht überschreiten. Wenn die Bauteile aus der original Feuchtigkeitsschutzverpackung entnommen wurden, sollten sie innerhalb von drei Monaten verbaut werden. Für eine längere Lagerung außerhalb der Originalverpackung sollte ein versiegelter Behälter mit Trockenmittel oder ein Stickstoff-Desikkator verwendet werden.

5.2 Reinigung

Falls eine Reinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Aggressive Chemikalien sind zu vermeiden.

5.3 Anschlussbiegung

Das Biegen muss bei Raumtemperatur und vor dem Löten erfolgen. Die Biegung sollte mindestens 3mm von der Basis der LED-Linse entfernt vorgenommen werden. Das Gehäuse sollte während des Biegens nicht als Drehpunkt verwendet werden, um Schäden an der internen Chip-Befestigung oder Bonddrähten zu vermeiden.

5.4 Lötparameter

Handlöten (Lötkolben):Maximale Temperatur 260°C für maximal 5 Sekunden pro Anschluss. Die Lötspitze muss mindestens 1,6mm von der Basis der Epoxidlinse entfernt sein.

Wellenlöten:Vorwärmen auf maximal 100°C für bis zu 60 Sekunden. Die Temperatur der Lötwellen sollte maximal 260°C bei einer Kontaktzeit von 5 Sekunden betragen. Das Bauteil sollte nicht tiefer als 2mm von der Basis der Epoxidkugel eingetaucht werden.

Wichtig:Das Eintauchen der Linse in das Lot muss vermieden werden. IR-Reflow-Löten ist für diesen Durchsteckgehäusetyp nicht geeignet. Übermäßige Temperatur oder Zeit kann zu Linsenverformung oder katastrophalem Ausfall führen.

6. Anwendungsdesign-Überlegungen

6.1 Treiberschaltungsdesign

LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Um eine gleichmäßige Helligkeit beim parallelen Betrieb mehrerer LEDs sicherzustellen, wird dringend empfohlen, für jede LED einen eigenen strombegrenzenden Widerstand in Reihe zu schalten. Ein direktes Parallelschalten von LEDs ohne Einzelwiderstände wird aufgrund von Schwankungen in ihren Durchlassspannungs-Kennwerten (Vf) nicht empfohlen, da dies zu erheblichen Stromungleichgewichten und ungleichmäßiger Helligkeit führen kann.

6.2 Thermomanagement

Angesichts des thermischen Widerstands (RθJA) von 280°C/W muss die Verlustleistung sorgfältig verwaltet werden. Betrieb mit dem maximalen Dauerstrom (100mA) und einer typischen Vf von 1,7V führt zu einer Verlustleistung von 170mW. Dies würde einen Sperrschichttemperaturanstieg von etwa 47,6°C über der Umgebungstemperatur verursachen (170mW * 280°C/W). Bei einer Umgebungstemperatur von 85°C würde die Sperrschicht 132,6°C erreichen und damit den Maximalwert von 110°C überschreiten. Daher muss die Reduktionskurve in Abbildung 6 strikt befolgt werden.

6.3 Elektrostatische Entladung (ESD) Schutz

Dieses Bauteil ist anfällig für Schäden durch elektrostatische Entladung. Empfohlene Handhabungsvorkehrungen umfassen:

- Verwendung eines geerdeten Handgelenkbands oder antistatischer Handschuhe.

- Sicherstellen, dass alle Geräte, Arbeitsplätze und Lagerregale ordnungsgemäß geerdet sind.

- Verwendung eines Ionisators, um statische Aufladungen zu neutralisieren, die sich während der Handhabung auf der Kunststofflinse aufbauen können.

6.4 Optisches Design

Der 26-Grad-Abstrahlwinkel und die 870nm Wellenlänge sollten mit einem geeigneten Fotodetektor (z.B. einer PIN-Fotodiode mit passender spektraler Empfindlichkeit) abgestimmt werden. Für optimale Reichweite und Signalintegrität sollte die Verwendung von Linsen oder Blenden zur Kollimation oder Fokussierung des Strahls in Betracht gezogen werden, insbesondere bei gerichteten Kommunikationsverbindungen. Das klare Gehäuse ermöglicht externe optische Elemente ohne intrinsische Filterung.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Der HSDL-4261 positioniert sich im Markt für Infrarot-Emitter durch spezifische Parameterkombinationen:

Geschwindigkeit vs. Leistung:Er bietet einen Kompromiss zwischen Hochgeschwindigkeitsschaltung (15ns) und relativ hoher optischer Ausgangsleistung (45mW typ. bei 100mA). Einige Emitter können schneller bei geringerer Leistung oder leistungsstärker bei langsamerer Ansprechzeit sein.

Wellenlänge:Die Spitzenwellenlänge von 870nm ist ein gängiger Standard für viele Infrarot-Datenverbindungen und Fernbedienungssysteme und bietet einen guten Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit von Silizium-Fotodetektoren und geringerem Umgebungslichtrauschen im Vergleich zu sichtbaren oder nahezu sichtbaren Wellenlängen.

Gehäuse:Das Standard-Durchsteckgehäuse macht es sowohl für Prototypen als auch für Anwendungen geeignet, bei denen Wellenlöten verwendet wird, und unterscheidet es von oberflächenmontierbaren Alternativen, die Reflow-Prozesse erfordern.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

8.1 Kann ich diese LED mit einer Konstantspannungsquelle betreiben?

Es wird nicht empfohlen. Die exponentielle I-V-Kennlinie einer LED bedeutet, dass eine kleine Änderung der Spannung eine große Änderung des Stroms verursacht, was bei direkter Ansteuerung von einer Spannungsquelle leicht den Maximalwert überschreiten kann. Verwenden Sie immer einen Reihenwiderstand oder einen Konstantstromtreiber, um den Arbeitspunkt einzustellen.

8.2 Warum nimmt die Ausgangsintensität mit der Temperatur ab?

Der negative Temperaturkoeffizient der Strahlungsintensität (-0,22%/°C) ist eine grundlegende Eigenschaft des Halbleitermaterials. Mit steigender Temperatur werden nichtstrahlende Rekombinationsprozesse im Halbleiter dominanter, was die Effizienz der Lichterzeugung verringert.

8.3 Was ist der Zweck der Reduktionskurve?

Die Reduktionskurve (Abb. 6) ist entscheidend für die langfristige Zuverlässigkeit. Sie verhindert, dass die Sperrschichttemperatur der LED ihren maximalen Nennwert (110°C) überschreitet, indem sie die Verlustleistung (und damit den Durchlassstrom) mit steigender Umgebungstemperatur begrenzt. Das Ignorieren dieser Kurve kann zu schnellem Leistungsabfall und Ausfall führen.

8.4 Ist diese LED für Dauerbetrieb geeignet?

Ja, aber innerhalb der durch die absoluten Grenzwerte und die Reduktionskurve definierten Grenzen. Für den kontinuierlichen DC-Betrieb darf der Durchlassstrom bei 25°C Umgebungstemperatur 100mA nicht überschreiten und muss bei höheren Umgebungstemperaturen gemäß Abb. 6 reduziert werden. Für gepulsten Betrieb mit hohen Spitzenströmen müssen die Tastverhältnis- und Pulsbreitenspezifikationen eingehalten werden.

9. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwurf eines einfachen IR-Datensenders für die Kurzstrecken-Serienkommunikation.

1. Schaltungsentwurf:Verwenden Sie einen Mikrocontroller-GPIO-Pin zur Ansteuerung der LED. Platzieren Sie einen strombegrenzenden Widerstand in Reihe mit der Anode der LED. Berechnen Sie den Widerstandswert mit R = (Vcc - Vf_LED) / I_gewünscht. Für eine 3,3V Versorgung, einen gewünschten Strom von 50mA und eine typische Vf von 1,5V: R = (3,3V - 1,5V) / 0,05A = 36 Ohm. Verwenden Sie den nächsthöheren Standardwert (z.B. 39 Ohm).

2. Thermische Überprüfung:Verlustleistung in der LED: P = Vf * I = 1,5V * 0,05A = 75mW. Sperrschichttemperaturanstieg: ΔTj = P * RθJA = 0,075W * 280°C/W = 21°C. Bei einer maximalen Umgebungstemperatur von 85°C beträgt Tj = 106°C, was unterhalb des Grenzwerts von 110°C liegt.

3. Software:Konfigurieren Sie den Mikrocontroller so, dass er die gewünschte digitale Modulation (z.B. On-Off Keying) auf dem GPIO-Pin erzeugt. Die Anstiegs-/Abfallzeit von 15ns der LED ermöglicht hohe Datenraten.

4. Layout:Halten Sie die LED und ihren Reihenwiderstand nahe am Treiberpin, um parasitäre Induktivität zu minimieren. Stellen Sie sicher, dass der Empfänger (Fotodiode) innerhalb des 26-Grad-Abstrahlwinkels des Emitters ausgerichtet ist.

10. Funktionsprinzip

Der HSDL-4261 ist eine Halbleiter-p-n-Übergangsdiode auf Basis von AlGaAs-Materialien. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen aus dem n-Bereich und Löcher aus dem p-Bereich über den Übergang in die entgegengesetzten Bereiche injiziert. Diese injizierten Minoritätsträger rekombinieren mit Majoritätsträgern. In einem direkten Bandlückenhalbleiter wie AlGaAs ist ein erheblicher Teil dieser Rekombinationen strahlend, was bedeutet, dass sie Energie in Form von Photonen abgeben. Die spezifische Bandlücke der verwendeten AlGaAs-Legierung bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen, die in diesem Fall im Infrarotspektrum bei etwa 870nm zentriert ist. Das klare Epoxidgehäuse umschließt den Halbleiterchip, bietet mechanischen Schutz und fungiert als Linse zur Formung des Ausgangsstrahls.

11. Branchentrends

Infrarot-Emitter entwickeln sich in mehreren für Bauteile wie den HSDL-4261 relevanten Schlüsselbereichen weiter:

Erhöhte Geschwindigkeit:Die Nachfrage nach höheren Datenraten in der optischen drahtlosen Kommunikation (Li-Fi, High-Speed IRDA) treibt die Entwicklung von Emittern mit noch schnelleren Anstiegs-/Abfallzeiten voran.

Verbesserte Effizienz:Verbesserungen in der epitaktischen Schichtabscheidung und im Chipdesign zielen darauf ab, mehr optische Leistung (Lumen oder Strahlungsfluss) pro Einheit elektrischer Eingangsleistung (Watt) zu erzeugen, wodurch die Wärmeentwicklung verringert und die Systemeffizienz verbessert wird.

Integration:Es gibt einen Trend zur Integration des Emitters mit Treiberschaltungen oder sogar mit einem Fotodetektor in einem einzigen Gehäuse, um komplette optische Transceiver-Module zu schaffen und das Endkunden-Design zu vereinfachen.

Neue Wellenlängen:Während 870-940nm für siliziumbasierte Empfänger Standard bleiben, gibt es Forschung zu anderen Wellenlängen für spezifische Anwendungen wie Gassensorik oder augensichere LiDAR.