HSDL-4251 IR-Emitter Datenblatt - 870nm Wellenlänge - 100mA Durchlassstrom - 190mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der HSDL-4251 ist ein diskreter Infrarot-Emitter für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Er nutzt AlGaAs (Aluminiumgalliumarsenid) LED-Technologie, um Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 870 Nanometern (nm) zu erzeugen. Das Bauteil zeichnet sich durch seine schnelle Schaltfähigkeit mit einer typischen Anstiegs- und Abfallzeit von 40 Nanosekunden (ns) aus, was es für Datenübertragungs- und Kommunikationssysteme geeignet macht. Das Gehäuse ist klar und transparent für eine effiziente Lichtemission. Es handelt sich um ein bleifreies Produkt, das der RoHS-Richtlinie (Beschränkung gefährlicher Stoffe) entspricht.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die Hauptvorteile des HSDL-4251 sind seine Hochgeschwindigkeitsleistung, die zuverlässige AlGaAs-Bauweise und das klare Gehäusedesign. Seine Kernmerkmale prädestinieren ihn für Märkte, die präzise und schnelle Infrarotsignale benötigen. Die Zielanwendungen sind vielfältig und umfassen sowohl Consumer- als auch Industrie-Elektronik, bei denen Infrarotfunktionalität entscheidend ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der wesentlichen elektrischen, optischen und thermischen Parameter, die für den HSDL-4251 Infrarot-Emitter spezifiziert sind.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Diese Werte gelten bei einer Umgebungstemperatur (TA) von 25°C.

• Dauer-Durchlassstrom (IFDC):Maximal 100 mA. Dies ist der höchste Gleichstrom, der kontinuierlich angelegt werden darf.
• Spitzen-Durchlassstrom (IFPK):Maximal 500 mA. Dieser höhere Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen mit einem Tastverhältnis von 20% und einer Pulsbreite von 100 Mikrosekunden (µs) zulässig.
• Verlustleistung (PDISS):Maximal 190 mW. Dies ist die Gesamtleistung, die das Bauteil dissipieren kann, berechnet als Durchlassspannung multipliziert mit dem Durchlassstrom plus eventueller zusätzlicher Verluste.
• Sperrspannung (VR):Maximal 5 V. Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann den LED-Übergang zerstören.
• Betriebstemperatur (TO):-40°C bis +85°C. Der Betrieb des Bauteils ist innerhalb dieses Umgebungstemperaturbereichs garantiert.
• Lagertemperatur (TS):-40°C bis +100°C.
• Sperrschichttemperatur (TJ):Maximal 110°C. Die Temperatur des Halbleiterchips selbst darf diesen Grenzwert nicht überschreiten.
• Lötemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6mm vom Gehäusekörper entfernt.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Die elektrischen und optischen Kenngrößen sind typische oder garantierte Leistungsparameter, gemessen bei TA=25°C unter den spezifizierten Testbedingungen.

• Strahlungsstärke auf der Achse (IE):56 bis 168 mW/sr, mit einem typischen Wert von 100 mW/sr bei einem Treiberstrom von IF=100mA. Dies misst die optische Leistung pro Raumwinkeleinheit entlang der Strahlachse.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λPeak):Typisch 870 nm bei IF=50mA. Dies ist die Wellenlänge, bei der die emittierte optische Leistung am größten ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):Typisch 45 nm. Dies gibt die spektrale Bandbreite an, konkret die Breite des Emissionsspektrums bei halber Maximalleistung.
• Durchlassspannung (Vf):Liegt zwischen 1,4V und 1,9V, abhängig vom Durchlassstrom. Bei IF=20mA beträgt Vf 1,4V bis 1,6V. Bei IF=100mA beträgt Vf 1,5V bis 1,9V.
• Temperaturkoeffizient der Durchlassspannung (△V/△T):Typisch -1,44 mV/°C. Die Durchlassspannung nimmt mit steigender Temperatur ab.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):Typisch 30 Grad. Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsstärke auf die Hälfte ihres Achswerts abfällt.
• Temperaturkoeffizient der Strahlungsstärke (△IE/△T):Typisch -0,43 %/°C. Die optische Ausgangsleistung nimmt mit steigender Temperatur ab.
• Temperaturkoeffizient der Spitzenwellenlänge (△λ/△T):Typisch +0,22 nm/°C. Die Spitzen-Emissionswellenlänge nimmt leicht mit der Temperatur zu.
• Optische Anstiegs-/Abfallzeit (Tr/Tf):Typisch 40 ns. Gemessen von 10% bis 90% des optischen Ausgangs unter gepulsten Bedingungen (IFDC=500mA, Tastverhältnis=20%, Pulsbreite=125ns).
• Serienwiderstand (RS):Typisch 2,5 Ohm. Der inhärente Widerstand des LED-Chips und der Bonddrähte.
• Diodenkapazität (CO):Typisch 75 pF. Gemessen bei 0V Sperrspannung und 1 MHz Frequenz.
• Thermischer Widerstand (RθJA):Typisch 300 °C/W. Dies ist der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung und gibt an, wie effektiv Wärme vom Halbleiterübergang an die Umgebung abgeführt wird.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische Kennlinien, die für das Design essenziell sind. Obwohl die spezifischen Grafiken hier nicht reproduziert werden, werden ihre Aussagen nachfolgend analysiert.

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

Die I-V-Kennlinie eines Infrarot-Emitters wie dem HSDL-4251 ist nichtlinear, ähnlich einer Standarddiode. Die Durchlassspannung zeigt bei niedrigen Strömen einen logarithmischen Zusammenhang und wird bei höheren Strömen aufgrund des Serienwiderstands (RS) linearer. Entwickler nutzen diese Kurve, um geeignete strombegrenzende Widerstände auszuwählen, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten und thermisches Durchgehen zu verhindern.

3.2 Strahlungsstärke vs. Durchlassstrom

Diese Kurve zeigt, dass die optische Ausgangsleistung (Strahlungsstärke) im typischen Arbeitsbereich etwa proportional zum Durchlassstrom ist. Bei sehr hohen Strömen kann die Effizienz jedoch aufgrund erhöhter Wärmeentwicklung sinken. Das im Abschnitt zu den absoluten Maximalwerten referenzierte Derating-Diagramm ist entscheidend, um den maximal zulässigen Strom bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu bestimmen und die Sperrschichttemperatur unter 110°C zu halten.

3.3 Temperaturabhängigkeit

Die spezifizierten Temperaturkoeffizienten (für Vf, IE und λPeak) ermöglichen es Entwicklern, Leistungsverschiebungen über den Betriebstemperaturbereich vorherzusagen und zu kompensieren. Beispielsweise muss die Abnahme der Strahlungsstärke mit der Temperatur in Systemen berücksichtigt werden, die für den Betrieb in heißen Umgebungen ausgelegt sind.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Abmessungen und Toleranzen

Das Bauteil ist ein Standard-Durchsteck-LED-Gehäuse. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt sind:

• Alle Maße sind in Millimetern angegeben (mit Zoll in Klammern).
• Es gilt eine Standardtoleranz von ±0,25mm (±0,010\"), sofern nicht anders angegeben.
• Der maximale Harzüberstand unter dem Flansch beträgt 1,5mm (0,059\").
• Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse den Gehäusekörper verlassen.

Entwickler müssen für die genaue Platzierung und Footprint-Gestaltung auf einer Leiterplatte auf die detaillierte mechanische Zeichnung im Originaldatenblatt verweisen.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Bei Durchsteck-LEDs ist der Anoden- (Plus-) Anschluss typischerweise länger als der Kathoden- (Minus-) Anschluss. Die Kathode kann auch durch eine abgeflachte Stelle auf der Kunststofflinse oder eine Kerbe am Gehäuseflansch gekennzeichnet sein. Die korrekte Polarität ist für den Betrieb des Bauteils essenziell.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Ein sachgemäßer Umgang ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit zu erhalten und Schäden an der LED zu vermeiden.

5.1 Lagerbedingungen

LEDs sollten in einer Umgebung gelagert werden, die 30°C und 70% relative Luftfeuchtigkeit nicht überschreitet. Wenn sie aus ihrer original feuchtigkeitsdichten Verpackung entnommen wurden, sollten sie innerhalb von drei Monaten verwendet werden. Für eine längere Lagerung außerhalb des Originalbeutels sollte ein verschlossener Behälter mit Trockenmittel oder ein stickstoffgefüllter Exsikkator verwendet werden.

5.2 Reinigung

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

5.3 Anschlussformung

Biegen Sie die Anschlüsse an einer Stelle, die mindestens 3mm von der Basis der LED-Linse entfernt ist. Verwenden Sie den Gehäusekörper nicht als Drehpunkt. Die Anschlussformung muss bei Raumtemperatur und vor dem Lötprozess erfolgen. Wenden Sie während der Leiterplattenmontage minimale Kraft an, um mechanische Belastung zu vermeiden.

5.4 Lötprozess

Wichtig:Tauchen Sie die Linse nicht in Lötzinn. Vermeiden Sie Belastung der Anschlüsse, während die LED heiß ist.

• Lötkolben:Maximale Temperatur 350°C. Maximale Lötzeit 5 Sekunden pro Anschluss. Positionieren Sie die Spitze nicht näher als 1,6mm von der Basis der Epoxidlinse entfernt.
• Wellenlöten:Maximale Vorwärmtemperatur 100°C für bis zu 60 Sekunden. Maximale Lötwellentemperatur 260°C für bis zu 5 Sekunden. Das Bauteil sollte nicht tiefer als 1,6mm von der Basis der Epoxidlinse getaucht werden.
• Reflow-Löten:Das Datenblatt stellt ausdrücklich klar, dass IR-Reflow für dieses Durchsteck-LED-Produkt nicht geeignet ist.

Übermäßige Temperatur oder Zeit kann die Linse verformen oder zu einem katastrophalen Ausfall führen.

6. Anwendungsdesign-Überlegungen

6.1 Treiberschaltungsdesign

LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Um eine gleichmäßige Helligkeit beim parallelen Betrieb mehrerer LEDs zu gewährleisten, wird dringend empfohlen, für jede LED einen eigenen strombegrenzenden Widerstand in Reihe zu schalten (Schaltungsmodell A). Die Verwendung eines einzelnen Widerstands für mehrere parallele LEDs (Schaltungsmodell B) wird aufgrund von Schwankungen in der Durchlassspannung (Vf) einzelner Bauteile nicht empfohlen, da dies zu erheblichen Unterschieden im Strom und folglich in der Helligkeit führen kann.

6.2 Elektrostatische Entladung (ESD) Schutz

Der HSDL-4251 ist empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung. Ein umfassendes ESD-Schutzprogramm ist während der Handhabung und Montage notwendig:

• Personal muss geerdete Handgelenkbänder oder antistatische Handschuhe tragen.
• Alle Geräte, Arbeitsplätze und Lagerregale müssen ordnungsgemäß geerdet sein.
• Verwenden Sie Ionisatoren, um statische Aufladungen zu neutralisieren, die sich auf der Kunststofflinse aufbauen können.
• Führen Sie regelmäßige Kontrollen und Schulungen für Personal in ESD-geschützten Bereichen durch.

6.3 Thermomanagement

Mit einem thermischen Widerstand (RθJA) von 300°C/W ist ein sorgfältiges thermisches Design erforderlich, insbesondere bei Betrieb mit hohen Strömen oder in warmen Umgebungen. Die Verlustleistung (PD = Vf * IF) erzeugt Wärme an der Sperrschicht. Unter Verwendung der Derating-Informationen müssen Entwickler sicherstellen, dass die Sperrschichttemperatur (TJ) 110°C nicht überschreitet. Ausreichender Abstand auf der Leiterplatte und gegebenenfalls Luftströmung können helfen, die Temperatur zu managen.

7. Typische Anwendungsszenarien

Basierend auf seinen Spezifikationen eignet sich der HSDL-4251 gut für:

• Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Datenverbindungen:IR-LANs, Modems und Dongles, die die 40ns Ansprechzeit benötigen.
• Industrieanlagen:Sensoren, Encoder und Lichtschranken, bei denen zuverlässige IR-Strahlen erforderlich sind.
• Tragbare Geräte:Medizinische Geräte, Handscanner oder Messwerkzeuge.
• Unterhaltungselektronik:Infrarot-Fernbedienungen und optische Zeigegeräte (z.B. optische Mäuse).

8. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

8.1 Was ist der Unterschied zwischen Spitzenwellenlänge und dominanter Wellenlänge?

Die Spitzenwellenlänge (λPeak) ist die Wellenlänge am höchsten Punkt des Emissionsspektrums. Die dominante Wellenlänge bezieht sich auf die wahrgenommene Farbe und ist für sichtbare LEDs relevanter. Für Infrarot-Emitter wie den HSDL-4251 ist die Spitzenwellenlänge die Standardangabe.

8.2 Kann ich diese LED direkt von einem Mikrocontroller-Pin ansteuern?

Nein. Ein Mikrocontroller-Pin kann typischerweise nicht kontinuierlich 100mA liefern. Sie müssen eine vom Mikrocontroller gesteuerte Treiberschaltung (z.B. einen Transistor) verwenden, zusammen mit einem in Reihe geschalteten strombegrenzenden Widerstand, wie im Abschnitt zur Ansteuerung beschrieben.

8.3 Wie berechne ich den benötigten Wert des Serienwiderstands?

Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz: R = (Versorgungsspannung - Vf_LED) / gewünschter_Strom. Beispiel: Bei einer 5V Versorgung, einem gewünschten Strom von 50mA und einem typischen Vf von 1,5V bei diesem Strom: R = (5V - 1,5V) / 0,05A = 70 Ohm. Verwenden Sie für ein konservatives Design zur Strombegrenzung stets den maximalen Vf-Wert aus dem Datenblatt.

8.4 Warum ist der Abstrahlwinkel wichtig?

Der Abstrahlwinkel definiert die Strahlaufweitung. Ein Winkel von 30 Grad ist mäßig fokussiert. Dies ist wichtig für die Ausrichtung des Emitters mit einem Detektor. Ein größerer Winkel könnte für Näherungssensoren besser sein, während ein engerer Winkel für gerichtete Kommunikation über größere Entfernungen besser geeignet ist.

9. Technische Einführung und Funktionsprinzip

Der HSDL-4251 ist eine Halbleiterlichtquelle. Wenn eine Durchlassspannung an seinen Anschlüssen angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des AlGaAs-Halbleitermaterials. Dieser Rekombinationsprozess setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Zusammensetzung der AlGaAs-Schichten bestimmt die Bandlückenenergie, die direkt der Wellenlänge des emittierten Lichts entspricht – in diesem Fall 870nm im Infrarotspektrum. Das klare Epoxidgehäuse fungiert als Linse, formt den Ausgangsstrahl auf den spezifizierten Abstrahlwinkel und bietet mechanischen und Umweltschutz für den Halbleiterchip.