Technisches Datenblatt IR-Emitter-LED LTE-4238 - Wellenlänge 880nm - Durchlassstrom 100mA - Verlustleistung 150mW - Deutsch

1. Produktübersicht

Der LTE-4238 ist eine Hochleistungs-Infrarot (IR)-Leuchtdiode (LED), die für Anwendungen entwickelt wurde, die zuverlässige und intensive Infrarotbeleuchtung erfordern. Ihre Hauptfunktion ist die Emission von nicht sichtbarem Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 880 Nanometern, was sie für Sensorik, Fernsteuerungen und optische Schaltsysteme geeignet macht. Ein wesentliches Merkmal ist ihre mechanische und spektrale Abstimmung auf bestimmte Serien von Fototransistoren, was eine optimale Leistung in Sender-Empfänger-Paaren für präzise Signalübertragung gewährleistet.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Das Bauteil ist für den Betrieb innerhalb strenger umgebungs- und elektrischer Grenzwerte ausgelegt, um Langlebigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der maximale Dauer-Durchlassstrom beträgt 100 mA, mit einer Spitzen-Durchlassstromfähigkeit von 2 A unter gepulsten Bedingungen (300 pps, 10 µs Pulsbreite). Die maximale Verlustleistung beträgt 150 mW bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -40°C bis +85°C, während der Lagerbereich von -55°C bis +100°C reicht. Das Bauteil hält eine Sperrspannung von bis zu 5 V aus. Für die Montage können die Anschlüsse bei 260°C für maximal 5 Sekunden gelötet werden, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Die wichtigsten Leistungsparameter sind bei T_A=25°C und einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA spezifiziert. Die Strahlungsintensität (I_E) beträgt typischerweise 4,81 mW/sr, was die optische Ausgangsleistung pro Raumwinkel angibt. Die Apertur-Bestrahlungsstärke (E_e) beträgt 0,64 mW/cm². Die Durchlassspannung (V_F) liegt typischerweise im Bereich von 1,3 V bis 1,8 V. Die spektralen Eigenschaften sind durch eine Spitzenemissionswellenlänge (λ_Peak) von 880 nm und eine spektrale Halbwertsbreite (Δλ) von 50 nm definiert, was die Schmalheit des emittierten Lichtbands beschreibt. Der Sperrstrom (I_R) beträgt maximal 100 µA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5 V. Der Abstrahlwinkel (2θ_1/2) beträgt 20 Grad und beschreibt die Winkelausbreitung der emittierten Strahlung, bei der die Intensität auf die Hälfte ihres Spitzenwertes abfällt.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen.

3.1 Spektrale Verteilung

Abbildung 1 zeigt die relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Kurve ist bei 880 nm zentriert mit einer typischen Halbwertsbreite von 50 nm, was die monochromatische Natur des IR-Ausgangs bestätigt, die für Filterung und präzise Detektion geeignet ist.

3.2 Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Abbildung 2 zeigt die Reduzierung des maximal zulässigen Durchlassstroms mit steigender Umgebungstemperatur. Dieses Diagramm ist entscheidend für das Wärmemanagement-Design, um sicherzustellen, dass das Bauteil unter allen Umgebungsbedingungen innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs (SOA) arbeitet.

3.3 Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Durchlassspannung

Abbildung 3 veranschaulicht die IV (Strom-Spannungs)-Kennlinie der Diode. Diese nichtlineare Beziehung ist wesentlich für den Entwurf der Treiberschaltung, um die erforderliche Spannung zur Erzielung eines bestimmten Betriebsstroms zu bestimmen.

3.4 Relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Durchlassstrom

Die Abbildungen 4 und 5 zeigen, wie sich die optische Ausgangsleistung mit Temperatur und Treiberstrom ändert. Die Ausgangsleistung nimmt typischerweise mit steigender Temperatur ab (Abb. 4) und steigt überlinear mit dem Durchlassstrom (Abb. 5), was die Kompromisse zwischen Ausgangsleistung, Effizienz und thermischer Belastung hervorhebt.

3.5 Abstrahlcharakteristik

Abbildung 6 ist ein Polardiagramm, das die räumliche Verteilung des emittierten Lichts zeigt. Der 20-Grad-Abstrahlwinkel wird bestätigt und zeigt ein relativ fokussiertes Strahlprofil, was für gerichtete Beleuchtungsanwendungen vorteilhaft ist.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein Standard-LED-Gehäuse mit Flansch. Wichtige Abmessungen sind die Gehäusegröße, der Anschlussabstand und die Überstandsbegrenzungen. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben mit einer Standardtoleranz von ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben. Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse aus dem Gehäusekörper austreten. Ein maximaler Harzüberstand unter dem Flansch von 1,0 mm ist zulässig. Ingenieure müssen sich auf die detaillierte mechanische Zeichnung (im PDF impliziert) für die genaue Platzierung und Footprint-Gestaltung auf Leiterplatten (PCBs) beziehen.

4.2 Polungskennzeichnung

Es gelten die Standard-LED-Polungskonventionen, typischerweise angezeigt durch eine abgeflachte Seite am Gehäuse oder durch Anschlüsse unterschiedlicher Länge (Anode länger als Kathode). Die spezifische Markierung muss aus der Gehäusezeichnung überprüft werden, um die korrekte Ausrichtung während der Montage sicherzustellen und Sperrspannungsschäden zu verhindern.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Grenzwert für die Löttemperatur der Anschlüsse beträgt 260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6 mm (0,063") vom Gehäusekörper entfernt. Dieser Wert ist mit Standard-Lötzinn-freien Reflow-Lötprofilen (z.B. IPC/JEDEC J-STD-020) kompatibel. Es ist entscheidend, diesen Grenzwert einzuhalten, um thermische Schäden am internen Halbleiterchip, den Bonddrähten oder dem Epoxid-Linsenmaterial zu verhindern. Vorheizen wird empfohlen, um thermischen Schock zu minimieren. Bauteile sollten gemäß den Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufen (MSL)-Richtlinien, die den Handhabungsanweisungen des Herstellers entnommen werden sollten, in einer trockenen, kontrollierten Umgebung gelagert werden.

6. Anwendungsempfehlungen

6.1 Typische Anwendungsszenarien

Dieser IR-Emitter ist ideal für Anwendungen wie: optische Encoder und Positionssensoren, Infrarot-Fernsteuerungssender, Objekterkennung und Annäherungssensorik, industrielle Automatisierung-Lichtschranken und optische Datenübertragungsstrecken. Seine Abstimmung auf bestimmte Fototransistoren macht ihn besonders wertvoll in reflektiven oder transmissiven Optokoppler-Designs, bei denen Ausrichtung und spektrale Antwort entscheidend sind.

6.2 Design-Überlegungen

Treiberschaltung:Ein strombegrenzender Widerstand ist zwingend erforderlich, wenn mit einer Spannungsquelle getrieben wird, um den gewünschten I_Feinzustellen und thermisches Durchgehen zu verhindern. Der Widerstandswert wird mit R = (V_Versorgung- V_F) / I_Fberechnet. Für gepulsten Betrieb bei hohen Spitzenströmen (bis zu 2A) ist ein Transistorschalter (z.B. MOSFET) erforderlich, der von einem Impulsgenerator angesteuert wird.
Wärmemanagement:Die Verlustleistungsgrenze von 150 mW muss eingehalten werden. Bei hohen Umgebungstemperaturen oder hohen Dauerströmen steigt die Sperrschichttemperatur, was möglicherweise die Ausgangsintensität und die Lebensdauer des Bauteils verringert. Ein ordnungsgemäßes PCB-Layout mit ausreichender Kupferfläche zur Wärmeableitung kann erforderlich sein.
Optisches Design:Der 20-Grad-Abstrahlwinkel bietet einen fokussierten Strahl. Für eine breitere Abdeckung kann eine Streulinse erforderlich sein. Für maximale Kopplungseffizienz mit einem abgestimmten Fotodetektor ist eine korrekte mechanische Ausrichtung sicherzustellen und potenzielle Quellen von Umgebungs-IR-Rauschen (Sonnenlicht, Glühlampen) zu berücksichtigen.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primäre Unterscheidung des LTE-4238 liegt in seinerhohen Strahlungsintensität (typ. 4,81 mW/sr)und seinerspezifischen Auswahl für abgestimmte Leistung mit zugehörigen Fototransistoren. Im Vergleich zu generischen IR-LEDs gewährleistet diese Vorauswahl engere Toleranzen in gepaarten optoelektronischen Systemen, was zu konsistenterer Empfindlichkeit, geringerer Übersprechung und verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis führt. Die 880-nm-Wellenlänge ist ein gängiger Standard und bietet einen guten Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit von Silizium-Fotodetektoren und geringerer Sichtbarkeit im Vergleich zu 940-nm-Quellen.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Zweck der Spitzen-Durchlassstrom-Angabe (2A), wenn der Dauerstrom nur 100mA beträgt?
A: Die Spitzenangabe ermöglicht sehr kurze, hochstromstarke Impulse. Dies ist für Anwendungen wie Fernsteuerungen oder Datenübertragung wesentlich, bei denen hohe momentane optische Leistung für Reichweite oder Geschwindigkeit benötigt wird, die Durchschnittsleistung (und Wärme) jedoch gering bleibt.

F: Wie beeinflusst die Umgebungstemperatur die Leistung?
A: Mit steigender Temperatur nimmt die Durchlassspannung typischerweise leicht ab, die Strahlungsausgangsleistung sinkt (wie in Abb. 4 gezeigt) und der maximal zulässige Dauerstrom muss reduziert werden (Abb. 2). Das Design muss diese Variationen berücksichtigen.

F: Kann ich diese LED direkt von einem Mikrocontroller-GPIO-Pin ansteuern?
A: Möglich, aber mit Vorsicht. Ein GPIO-Pin kann 20-50mA liefern. Sie müssen einen Vorwiderstand verwenden, um den Strom auf den gewünschten I_F(z.B. 20mA) zu begrenzen und sicherzustellen, dass der Gesamtstrom die Grenzwerte des Mikrocontroller-Pins und -Gehäuses nicht überschreitet. Für höhere Ströme oder Impulse ist ein externer Treibertransistor erforderlich.

F: Was bedeutet "spektral abgestimmt"?
A: Es bedeutet, dass das Emissionsspektrum dieser IR-LED optimiert ist, um mit der Spitzenspektralempfindlichkeit ihres gepaarten Fototransistors übereinzustimmen. Dies maximiert die Stärke des detektierten Signals bei gegebener emittierter Leistung.

9. Praktische Design-Fallstudie

Szenario: Entwurf eines Annäherungssensors.Das Ziel ist die Erkennung eines Objekts innerhalb von 10 cm. Das System verwendet einen LTE-4238 IR-Emitter und einen abgestimmten Fototransistor, die nebeneinander angeordnet und in die gleiche Richtung weisend sind (reflektiver Erfassungsmodus).
Umsetzung:Die LED wird mit 50-mA-Impulsen (innerhalb des Dauerstrombereichs) bei einer Frequenz von 1 kHz angesteuert. Ein strombegrenzender Widerstand legt diesen Arbeitspunkt fest. Der Kollektor des Fototransistors ist mit einem Pull-up-Widerstand und einer Verstärker-/Filter-Schaltung verbunden. Wenn sich ein Objekt im Erfassungsbereich befindet, reflektiert IR-Licht zurück in den Fototransistor, wodurch seine Kollektorspannung sinkt. Dieses Signal wird dann aufbereitet und einem Komparator oder dem ADC eines Mikrocontrollers zugeführt, um ein Detektionsereignis auszulösen.
Wichtige Berechnungen:Der Wert des Vorwiderstands wird basierend auf einer 5-V-Versorgung und einer V_Fvon ~1,5 V berechnet: R = (5V - 1,5V) / 0,05A = 70 Ohm (68-Ω-Standardwert verwenden). Verlustleistung in der LED: P = V_F* I_F= 1,5V * 0,05A = 75 mW, was deutlich unter dem Maximum von 150 mW bei 25°C liegt.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Infrarot-LED ist eine Halbleiter-pn-Übergangsdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen aus der n-Region und Löcher aus der p-Region in den Übergangsbereich injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen (Licht) freigesetzt. Die spezifische Wellenlänge von 880 nm wird durch die Bandlückenenergie der verwendeten Halbleitermaterialien (typischerweise Aluminiumgalliumarsenid, AlGaAs) bestimmt. Das emittierte Licht ist inkohärent und fällt in das nahe Infrarotspektrum, für das menschliche Auge unsichtbar, aber von siliziumbasierten Fotodetektoren leicht nachweisbar.

11. Technologietrends

Der Trend bei IR-Emittern für die Sensorik geht weiterhin in Richtung höherer Leistungsdichte und Effizienz in kleineren Gehäusen. Dies ermöglicht längere Erfassungsreichweiten und geringeren Systemstromverbrauch. Es gibt auch eine Bewegung hin zu integrierten Lösungen, die den Emitter, Treiber und manchmal den Detektor in einem einzigen Modul mit digitalen Schnittstellen (I2C, SPI) kombinieren. Darüber hinaus reduzieren Fortschritte in der Wafer-Level-Packaging (WLP) und Chip-Scale-Packaging (CSP) die Größe und Kosten diskreter optoelektronischer Bauteile bei gleichzeitiger Verbesserung der Zuverlässigkeit. Das grundlegende Funktionsprinzip bleibt bestehen, aber die Integration und Leistung pro Volumeneinheit steigen stetig.