Infrarot-Emitter-LED 940nm Datenblatt - EIA-Gehäuse - Spitzenwellenlänge 940nm - Durchlassspannung 1,2V - Strahlstärke 0,8mW/sr - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen einer diskreten Infrarot-Emitter-Komponente. Das Bauteil ist für Anwendungen konzipiert, die eine zuverlässige Infrarot-Emission erfordern, wie beispielsweise in Fernbedienungssystemen, IR-Drahtlos-Datenübertragung und Sicherheitsalarmanlagen. Es gehört zu einer Produktlinie, die verschiedene Infrarot-Emissionsdioden (IREDs) und Photodetektoren umfasst. Das primär verwendete Material ist Galliumarsenid (GaAs), das für die Emission bei einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern optimiert ist. Diese Wellenlänge wird häufig in der Unterhaltungselektronik eingesetzt, da sie für das menschliche Auge unsichtbar ist und eine gute Leistung mit siliziumbasierten Empfängern bietet.

Die Komponente wird in einem standardisierten EIA-Gehäuse angeboten, was sie mit automatisierten Bestückungsprozessen kompatibel macht. Sie verfügt über eine Aufsicht-Wasserklar-Flachlinse, die einen breiten Abstrahlwinkel bietet. Das Produkt entspricht den RoHS-Richtlinien und ist als "Green Product" klassifiziert.

1.1 Hauptmerkmale

• Konform mit RoHS, Green Product Standards.
• Aufsicht-Design mit einer wasserklaren Flachlinse.
• Verpackt in 8mm-Tape auf 7-Zoll (178mm) Durchmesser Spulen für die automatisierte Bestückung.
• Kompatibel mit automatischen Bestückungsgeräten.
• Geeignet für Infrarot-Reflow-Lötprozesse.
• Standardisierte EIA-Gehäuse-Bauform.
• Spitzenemissionswellenlänge (λp) von 940nm.
• Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL): Stufe 3.

1.2 Zielanwendungen

• Primäre Verwendung als Infrarot-Emissionsquelle.
• Integration in leiterplattenmontierte Infrarot-Sensorbaugruppen.
• Fernbedienungen für Unterhaltungselektronik (Fernseher, Audiosysteme).
• Kurzstrecken-Drahtlos-Datenverbindungen.
• Näherungssensoren und Objekterkennung.
• Lichtschranken für Sicherheits- und Alarmsysteme.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

Die folgenden Abschnitte bieten eine detaillierte Analyse der wichtigsten Leistungsparameter des Bauteils, wie im Datenblatt definiert. Das Verständnis dieser Parameter ist entscheidend für einen korrekten Schaltungsentwurf und einen zuverlässigen Betrieb.

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 und sollte für eine zuverlässige Langzeitleistung vermieden werden.

• Verlustleistung (Pd):100 mW. Dies ist die maximale Gesamtleistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann. Das Überschreiten dieses Limits birgt das Risiko eines thermischen Durchgehens und eines Ausfalls.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):500 mA. Dies ist der maximal zulässige Strom unter gepulsten Bedingungen (300 Pulse pro Sekunde, 10 μs Pulsbreite). Er liegt deutlich über dem DC-Wert und ermöglicht Helligkeitspulse in Fernbedienungen.
• DC-Durchlassstrom (I_F):50 mA. Der maximale kontinuierliche Durchlassstrom. Für einen effizienten und zuverlässigen Betrieb wird ein niedrigerer Treiberstrom (z.B. 20mA wie in Testbedingungen verwendet) empfohlen.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung angelegt werden kann. Das Bauteil ist nicht für den Sperrbetrieb ausgelegt, und ein Überschreiten kann zum Durchbruch führen.
• Betriebs- & Lagertemperatur:-40°C bis +85°C bzw. -55°C bis +100°C. Diese Bereiche definieren die Umgebungsbedingungen für Betrieb und Nicht-Betrieb.
• Infrarot-Lötbedingung:Hält 260°C für maximal 10 Sekunden stand. Dies ist entscheidend für die Definition des Reflow-Lötprofils.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Leistungsparameter, gemessen bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C. Sie definieren das Verhalten des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen.

• Strahlstärke (I_E):0,8 mW/sr (typisch) bei I_F= 20mA. Dies misst die optische Leistung pro Raumwinkeleinheit. Der Mindestwert beträgt 0,42 mW/sr, die Testtoleranz liegt bei ±15%. Dieser Parameter beeinflusst direkt die effektive Reichweite des IR-Systems.
• Spitzenemissionswellenlänge (λ_Peak):940 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die emittierte optische Leistung maximal ist. Sie muss mit der Spitzenempfindlichkeit des empfangenden Photodioden oder Phototransistors abgestimmt sein.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (typisch). Dies gibt die spektrale Bandbreite an, bei der die Emissionsintensität mindestens die Hälfte des Spitzenwerts beträgt. Eine schmalere Bandbreite kann vorteilhaft sein, um Umgebungslichtrauschen herauszufiltern.
• Durchlassspannung (V_F):1,2 V (typisch), 1,6 V (max) bei I_F= 20mA. Dies ist der Spannungsabfall über der Diode im leitenden Zustand. Er ist wesentlich für die Berechnung des Vorwiderstandswerts: R_series= (V_supply- V_F) / I_F.
• Sperrstrom (I_R):10 μA (max) bei V_R= 5V. Dies ist der geringe Leckstrom, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):150° (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte ihres Wertes auf der Achse abfällt. Ein derart breiter Winkel ist nützlich für Anwendungen, die eine breite Abdeckung anstelle eines fokussierten Strahls erfordern.

3. Kennlinienanalyse

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die veranschaulichen, wie sich Schlüsselparameter mit den Betriebsbedingungen ändern. Diese sind für die Designoptimierung von unschätzbarem Wert.

3.1 Spektrale Verteilung

Die spektrale Verteilungskurve (Abb. 1) zeigt die relative Strahlstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt das Maximum bei 940nm und die etwa 50nm Halbwertsbreite und bietet eine visuelle Darstellung der spektralen Reinheit des emittierten Lichts.

3.2 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur & Durchlassspannung

Abbildung 2 zeigt, wie sich der maximal zulässige Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur reduziert (Derating). Dies ist entscheidend für das thermische Management. Abbildung 3 ist die Standard I-V (Strom-Spannungs)-Kurve, die den exponentiellen Zusammenhang zwischen Durchlassstrom und -spannung zeigt. Die Kurve hilft, den dynamischen Widerstand der Diode zu verstehen.

3.3 Relative Strahlstärke vs. Temperatur & Strom

Abbildung 4 veranschaulicht, wie die optische Ausgangsleistung mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Abbildung 5 zeigt, wie die Ausgangsleistung mit dem Durchlassstrom zunimmt, jedoch nicht linear. Sie verdeutlicht den Punkt abnehmender Erträge und den möglichen Effizienzabfall bei sehr hohen Strömen.

3.4 Abstrahlcharakteristik

Das polare Strahlungsdiagramm (Abb. 6) stellt den Abstrahlwinkel grafisch dar. Das nahezu kreisförmige Muster mit Intensitätswerten in verschiedenen Winkeln bestätigt das sehr breite, lambertstrahlerähnliche Abstrahlverhalten, das für ein Flachlinsengehäuse charakteristisch ist.

4. Mechanische & Verpackungsinformationen

4.1 Abmessungen

Das Datenblatt enthält eine detaillierte mechanische Zeichnung der Komponente. Wichtige Abmessungen umfassen die Bauteilgröße, Anschlussabstände und Gesamthöhe. Alle Maße sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben. Das Gehäuse entspricht einer standardisierten EIA-Bauform und gewährleistet so Kompatibilität mit gängigen Leiterplattenlayouts und Bestückungsautomaten.

4.2 Vorgeschlagene Lötpad-Abmessungen

Ein empfohlenes Land Pattern (Footprint) für das Leiterplattendesign wird bereitgestellt. Die Einhaltung dieser Abmessungen gewährleistet eine korrekte Lötstellenbildung während des Reflow-Prozesses. Die Empfehlung umfasst die Verwendung einer Metallschablone für den Lotpastenauftrag mit einer Dicke von 0,1mm (4 mil) oder 0,12mm (5 mil).

4.3 Polaritätskennzeichnung

Die Kathode ist typischerweise durch eine abgeflachte Seite, eine Kerbe oder einen kürzeren Anschluss am Bauteilkörper und in der Umrisszeichnung gekennzeichnet. Während der Montage muss die korrekte Polarität beachtet werden, um eine Beschädigung des Bauteils zu verhindern.

4.4 Tape-and-Reel-Verpackungsabmessungen

Die Komponente wird in geprägter Trägerfolie auf Spulen mit 7 Zoll (178mm) Durchmesser geliefert. Das Datenblatt enthält detaillierte Abmessungen der Taschen, des Deckbands und der Spulennabe. Die Standardmenge pro Spule beträgt 5000 Stück. Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA-481-1-A-1994-Spezifikationen.

5. Löt- & Montagerichtlinien

5.1 Reflow-Lötparameter

Das Bauteil ist mit Infrarot (IR)-Reflow-Lötprozessen kompatibel. Ein vorgeschlagenes Profil für bleifreies (Pb-free) Lot wird bereitgestellt, mit folgenden Schlüsselparametern:

• Vorwärmen:150–200°C.
• Vorwärmzeit:Maximal 120 Sekunden.
• Spitzentemperatur:Maximal 260°C.
• Zeit oberhalb Liquidus:Maximal 10 Sekunden (empfohlene max. zwei Reflow-Zyklen).

Das Profil basiert auf JEDEC-Standards. Es wird betont, dass das optimale Profil vom spezifischen Board-Design, den Komponenten, der Lotpaste und dem Ofen abhängt, daher ist eine Charakterisierung notwendig.

5.2 Handlöten

Falls Handlöten erforderlich ist, verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Temperatur von maximal 300°C und begrenzen Sie die Kontaktzeit auf maximal 3 Sekunden pro Anschluss.

5.3 Lagerbedingungen

Aufgrund der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) 3:

• Versiegelter Beutel:Lagern bei ≤30°C und ≤90% r.F. Innerhalb eines Jahres nach dem Versiegelungsdatum verwenden.
• Nach Öffnen des Beutels:Lagern bei ≤30°C und ≤60% r.F. Es wird empfohlen, den IR-Reflow innerhalb einer Woche (168 Stunden) abzuschließen.
• Längere Lagerung (geöffnet):In einem verschlossenen Behälter mit Trockenmittel oder in einem Stickstoff-Exsikkator lagern.
• Trocknen (Baking):Wenn die Komponente länger als eine Woche exponiert war, vor dem Löten bei etwa 60°C für mindestens 20 Stunden trocknen, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und ein \"Popcorning\" während des Reflow zu verhindern.

5.4 Reinigung

Falls eine Nachlötreinigung erforderlich ist, verwenden Sie alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol. Vermeiden Sie aggressive oder unbekannte chemische Reiniger, die die Epoxidlinse oder das Gehäuse beschädigen könnten.

6. Anwendungsvorschläge & Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die häufigste Schaltung ist eine einfache Reihenschaltung: eine Spannungsquelle (V_CC), ein strombegrenzender Widerstand (R_S) und der IRED. R_S= (V_CC- V_F) / I_F. Für gepulsten Betrieb (z.B. Fernbedienung) wird typischerweise ein Transistor (BJT oder MOSFET) verwendet, um den IRED mit der gewünschten Frequenz und Tastverhältnis ein- und auszuschalten. Der Spitzenstrom darf den I_FP rating.

6.2 Optische Designüberlegungen

• Reichweite vs. Strom:Die effektive Reichweite ist proportional zur Quadratwurzel der Strahlstärke. Eine Verdopplung des Treiberstroms verdoppelt nicht die Reichweite.
• Linsenauswahl:Die eingebaute Flachlinse bietet eine breite Abdeckung. Für größere Reichweiten oder fokussierte Strahlen kann eine externe Kunststofflinse hinzugefügt werden, um das Licht zu kollimieren.
• Empfängerabstimmung:Koppeln Sie den 940nm-Emitter immer mit einem Photodetektor (Photodiode, Phototransistor oder IC), dessen Spitzenempfindlichkeit ebenfalls im 940nm-Bereich liegt. Viele Siliziumdetektoren haben eine gute Empfindlichkeit im Bereich von 850-950nm.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:In Umgebungen mit starkem Umgebungs-IR-Licht (Sonnenlicht, Glühlampen) verwenden Sie ein moduliertes Signal und einen Empfänger mit passendem Demodulator. Ein optischer Filter am Empfänger, der sichtbares Licht blockiert und 940nm durchlässt, kann das Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verbessern.

6.3 Thermomanagement

Obwohl das Bauteil 100mW verkraften kann, erhöht der Betrieb mit geringerer Verlustleistung die Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Sorgen Sie für ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte um die Pads herum, die als Kühlkörper wirkt, insbesondere wenn nahe am maximalen DC-Strom betrieben wird. Die Derating-Kurve (Abb. 2) muss für Hochtemperaturumgebungen konsultiert werden.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Dieser 940nm GaAs IRED bietet einen ausgewogenen Satz an Eigenschaften für universelle Infrarot-Anwendungen. Wichtige Differenzierungsmerkmale, die durch seine Spezifikationen impliziert werden, sind:

• Wellenlänge:940nm wird in vielen Consumer-Anwendungen gegenüber 850nm bevorzugt, da es als schwaches rotes Leuchten weniger sichtbar ist und einen diskreteren Betrieb ermöglicht.
• Breiter Abstrahlwinkel:Der 150°-Winkel ist außergewöhnlich breit und eignet sich für Anwendungen, bei denen die Ausrichtung nicht kritisch ist oder eine breite Flächenabdeckung benötigt wird (z.B. Präsenzmelder).
• Standardgehäuse:Das EIA-Gehäuse gewährleistet eine einfache Beschaffung, Kompatibilität und Austauschbarkeit innerhalb der Branche.
• Robustheit:Die Werte für den Pulsstrom (500mA) und das Reflow-Löten (260°C) deuten auf ein für die Serienfertigung mit hoher Zuverlässigkeit ausgelegtes Bauteil hin.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

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

Unter Verwendung des typischen V_Fvon 1,2V: R = (5V - 1,2V) / 0,020A = 190 Ohm. Ein Standardwiderstand von 180 oder 200 Ohm wäre geeignet. Verwenden Sie für ein konservatives Design stets das maximale V_F(1,6V), um sicherzustellen, dass der Strom das Ziel nicht überschreitet: R_min = (5V - 1,6V) / 0,020A = 170 Ohm.

8.2 Kann ich diesen für eine Fernbedienung mit großer Reichweite verwenden?

Seine Strahlstärke von 0,8 mW/sr ist für typische Indoor-Fernbedienungen über Entfernungen von 5-10 Metern geeignet. Für größere Reichweiten müssten Sie den Treiberstrom erhöhen (innerhalb der gepulsten Grenzwerte), eine Fokussierlinse verwenden oder einen IRED mit einer höheren Strahlstärkespezifikation auswählen.

8.3 Im Datenblatt steht: \"Die Sperrspannungsbedingung wird nur für den IR-Test angewendet. Das Bauteil ist nicht für den Sperrbetrieb ausgelegt.\" Was bedeutet das?

Dies bedeutet, dass die 5V-Sperrspannungsangabe ein Testparameter ist, um den Leckstrom während der Herstellung zu überprüfen. Es handelt sich nicht um einen Betriebswert. In Ihrer Schaltung müssen Sie sicherstellen, dass der IRED während des normalen Betriebs niemals einer Sperrvorspannung ausgesetzt ist, da selbst eine kleine Sperrspannung ihn beschädigen könnte, wenn sie nicht strombegrenzt ist. Fügen Sie immer einen Schutz ein, z.B. indem Sie die korrekte Ausrichtung sicherstellen oder eine parallele Diode hinzufügen, wenn die Schaltungstopologie eine Sperrspannung verursachen könnte.

8.4 Wie kritisch ist die einwöchige Floor Life nach dem Öffnen der Feuchtigkeitssperrbeutel?

Für MSL-3-Komponenten ist dies sehr wichtig. Das Überschreiten der Floor Life ohne ordnungsgemäße Lagerung oder Trocknung birgt das Risiko des Feuchtigkeitseintritts in das Kunststoffgehäuse. Während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses kann diese Feuchtigkeit schnell verdampfen und innere Delamination, Risse oder \"Popcorning\" verursachen, was zu sofortigen oder latenten Ausfällen führt. Halten Sie sich strikt an die Lager- und Trocknungsrichtlinien.

9. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Emissionsdiode (IRED) funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie eine Standard-LED für sichtbares Licht, verwendet jedoch Halbleitermaterialien (wie GaAs) mit einer Bandlücke, die Infrarot-Photonenenergien entspricht. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Halbleiters und setzen Energie in Form von Photonen frei. Für GaAs entspricht diese Photonenenergie einer Wellenlänge von etwa 940nm. Die wasserklare Epoxidlinse ist sowohl für sichtbares als auch für Infrarotlicht durchlässig, lässt die IR-Strahlung passieren und bietet gleichzeitig mechanischen und Umweltschutz für den Halbleiterchip.

10. Branchentrends

Der Markt für diskrete Infrarotkomponenten bleibt stabil, angetrieben durch etablierte Anwendungen wie Fernbedienungen und sich entwickelnde Anwendungen in IoT-Sensoren, Gestenerkennung und Maschinelles Sehen. Trends umfassen die Integration von Emittern und Detektoren in kleinere, robustere Gehäuse, die Entwicklung von schnelleren IREDs für Datenkommunikation (Nachfolger von IrDA) und eine verstärkte Betonung von Energieeffizienz und Zuverlässigkeit für batteriebetriebene Geräte. Der Übergang zu bleifreien (Pb-free) und halogenfreien Materialien gemäß globaler Umweltvorschriften ist ebenfalls eine Standardanforderung, die diese Komponente erfüllt.