Infrarot-Emitter LTE-11L2D Datenblatt - T1 3mm Gehäuse - 940nm Wellenlänge - 1,8V Durchlassspannung - 170mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTE-11L2D ist eine leistungsstarke Infrarot-Emissionsdiode, die für Anwendungen entwickelt wurde, die eine zuverlässige und effiziente Emission von nicht sichtbarem Licht erfordern. Seine Kernfunktion besteht darin, elektrische Energie in Infrarotstrahlung mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern umzuwandeln. Diese Wellenlänge ist ideal für Anwendungen, bei denen Störungen durch sichtbares Umgebungslicht minimiert werden müssen, da sie außerhalb des typischen menschlichen Sehspektrums liegt. Das Bauteil ist in einem standardmäßigen T-1-Gehäuse mit einem Durchmesser von 3 mm untergebracht und verfügt über eine dunkelblaue Linse, die der Identifizierung der Komponente dient und möglicherweise Filtereigenschaften bietet. Ein wesentlicher Vorteil dieses Emitters ist seine hohe Strahlungsintensität, die eine starke Signalübertragung selbst bei moderaten Treiberströmen ermöglicht. Sein Design zielt auf Märkte und Anwendungen ab, bei denen kompakte Größe, Kosteneffizienz und konstante optische Leistung entscheidend sind.

1.1 Kernmerkmale und Zielanwendungen

Die primären Merkmale des LTE-11L2D umfassen seine verbreitete T-1-Bauform, die die Kompatibilität mit standardmäßigen PCB-Layouts und automatisierten Bestückungsprozessen gewährleistet. Die dunkelblaue Linse dient als visuelles Erkennungsmerkmal. Seine Spitzenemission bei 940 nm ist ein Standard für Infrarotkommunikation und bietet einen guten Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit von Silizium-Fotodetektoren und der atmosphärischen Transmission. Das Bauteil unterstützt Pulsbetrieb, der für energieeffiziente Fernbedienungssysteme und Datenübertragungsprotokolle wesentlich ist. Die bleifreie Ausführung und RoHS-Konformität machen es für die globale Elektronikfertigung geeignet. Die Hauptanwendungsgebiete sind die Infrarotsignalgebung in Verbraucher-Fernbedienungen für Fernseher, Audiosysteme und andere Haushaltsgeräte. Es eignet sich auch für Kurzstrecken-Datenübertragungsstrecken und verschiedene Sensortechnologien, wie Annäherungssensoren, Objektzähler und reflektierende optische Schalter, bei denen eine unsichtbare Lichtquelle bevorzugt wird.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte Analyse der im Datenblatt spezifizierten elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften und erläutert deren Bedeutung für Entwicklungsingenieure.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer eine dauerhafte Beschädigung des Bauteils auftreten kann. Dies sind keine Bedingungen für den Normalbetrieb. Die Verlustleistung (P_V) ist mit 170 mW bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C spezifiziert. Dieser Wert nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab, wie in der Derating-Kurve dargestellt. Der Dauer-Durchlassstrom (I_F) beträgt 100 mA, während ein wesentlich höherer Stoßstrom (I_FSM) von 700 mA für sehr kurze Pulse (100 µs) zulässig ist, was typisch für die Burst-Übertragung von Fernbedienungen ist. Die niedrige Sperrspannungsfestigkeit (V_R= 5V) zeigt, dass der PN-Übergang der Diode nicht für signifikante Sperrspannung ausgelegt ist, weshalb oft ein Schaltungsschutz (wie ein Vorwiderstand oder eine parallele Schutzdiode) notwendig ist. Die maximale Sperrschichttemperatur (T_j) beträgt 100°C, und der thermische Widerstand von der Sperrschicht zur Umgebung (R_thJA) beträgt 300 K/W, wenn die Anschlüsse mit einer Länge von 7 mm auf eine Leiterplatte gelötet sind. Dieser thermische Parameter ist entscheidend für die Berechnung der maximal zulässigen Verlustleistung bei erhöhten Umgebungstemperaturen, um eine Überhitzung zu verhindern.

2.2 Elektrische und optische Eigenschaften

Diese Parameter werden unter spezifischen Testbedingungen (typischerweise I_F= 100mA, Pulsbreite = 20ms) bei 25°C gemessen und repräsentieren die typische Leistung des Bauteils. Die Strahlungsintensität (I_E) hat einen typischen Wert von 68 mW/sr, mit einem Minimum von 40 mW/sr. Dies misst die pro Raumwinkeleinheit emittierte optische Leistung und ist eine wichtige Kenngröße für die Helligkeit des Emitters. Die Toleranz von ±10 % sollte im optischen Design berücksichtigt werden. Die Spitzenemissionswellenlänge (λ_P) beträgt typischerweise 940 nm. Die spektrale Bandbreite (Δλ) beträgt etwa 50 nm und definiert den Bereich der emittierten Wellenlängen. Die Durchlassspannung (V_F) beträgt typischerweise 1,8 V mit einem Maximum von 1,5 V beim Teststrom, was für die Berechnung der erforderlichen Versorgungsspannung und des Vorwiderstandswerts wichtig ist. Der Sperrstrom (I_R) ist sehr niedrig (max. 10 µA bei 5 V). Die Anstiegs- und Abfallzeiten (t_r, t_f) betragen 20 ns, was darauf hinweist, dass das Bauteil sehr schnell geschaltet werden kann und somit einen schnellen Pulsbetrieb unterstützt. Der Halbwinkel (θ_1/2) beträgt ±22°, was den Emissionswinkel definiert, bei dem die Intensität auf 50 % ihres Spitzenwerts abfällt. Dies definiert die Strahlbreite und das Abstrahlverhalten.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen veranschaulichen, was für ein robustes Systemdesign wesentlich ist.

3.1 Relative spektrale Verteilung

Abbildung 1 zeigt die relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Kurve ist um 940 nm zentriert und weist die definierte Bandbreite von 50 nm auf. Dieses Diagramm ist entscheidend, um die Kompatibilität mit der spektralen Empfindlichkeit des empfangenden Fotodetektors sicherzustellen, die typischerweise ebenfalls im nahen Infrarotbereich ihr Maximum hat. Entwickler müssen bestätigen, dass das Ausgangsspektrum des Emitters ausreichend mit der Antwortkurve des Detektors überlappt, um eine optimale Signalstärke zu erreichen.

3.2 Thermische und Strom-Derating

Abbildung 2 zeigt die Grenze des Durchlassstroms in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Sie verdeutlicht, wie der maximal zulässige Dauerstrom abnimmt, wenn die Umgebungstemperatur über 25°C steigt, um die Sperrschichttemperatur unter ihrem Maximum von 100°C zu halten. Dieses Derating ist eine direkte Folge des thermischen Widerstands und der Verlustleistung des Bauteils. Für einen zuverlässigen Betrieb in Hochtemperaturumgebungen muss der Treiberstrom entsprechend reduziert werden.

3.3 Durchlassstrom vs. Spannung und relative Ausgangsleistung

Abbildung 3 zeigt die Standard-I-V-Kennlinie (Strom-Spannungs-Kennlinie). Sie zeigt den exponentiellen Zusammenhang und bestätigt die typische V_Fvon etwa 1,8 V bei 100 mA. Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen, wie sich die relative Strahlungsintensität mit dem Durchlassstrom und der Umgebungstemperatur ändert. Die Ausgangsleistung ist nicht perfekt linear zum Strom und nimmt mit steigender Temperatur aufgrund einer reduzierten internen Quanteneffizienz ab. Diese Kurven helfen bei der Auswahl des optimalen Arbeitspunkts, um die gewünschte optische Ausgangsleistung zu erreichen und gleichzeitig den Stromverbrauch und die thermische Belastung zu managen.

3.4 Abstrahldiagramm

Abbildung 6 ist ein polares Abstrahldiagramm. Es stellt den Halbwinkel von ±22° visuell dar und zeigt, wie sich die Intensität räumlich verteilt. Dies ist entscheidend für den Entwurf des optischen Pfads, sei es für eine breitwinklige Abstrahlung (wie bei einer Fernbedienung) oder einen stärker fokussierten Strahl. Das Abstrahlverhalten ist für diese Gehäuseart generell lambertförmig, was bedeutet, dass die Intensität annähernd proportional zum Kosinus des Betrachtungswinkels ist.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Abmessungen

Die mechanische Zeichnung liefert alle kritischen Abmessungen. Das Gehäuse ist ein Standard-T-1 mit einem Körperdurchmesser von 3,2 mm ±0,15 mm und einer typischen Linsenhöhe. Der Anschlussdrahtdurchmesser beträgt 0,5 mm. Der Anschlussabstand, gemessen an der Stelle, an der die Anschlüsse aus dem Gehäuse austreten, beträgt nominell 2,54 mm, was der Standard-Rastermaß von 0,1 Zoll für Durchsteckbauteile ist. Die minimale Anschlussdrahtlänge beträgt 25,4 mm. Ein bemerkenswertes Merkmal ist die Möglichkeit von bis zu 0,7 mm hervorstehendem Harz unter dem Flansch, was für den Abstand zur Leiterplatte und die Reinigung berücksichtigt werden muss. Anode und Kathode sind im Diagramm klar gekennzeichnet; der längere Anschluss ist typischerweise die Anode, aber das Diagramm ist die definitive Referenz.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Polarität ist in der Umrisszeichnung eindeutig angegeben. Eine falsche Polungsverbindung verhindert, dass das Bauteil Licht emittiert, und kann es einer Sperrspannungsbelastung aussetzen. Die flache Stelle am Gehäuserand liegt oft auf der Kathodenseite, die der kürzere Anschluss ist. Überprüfen Sie dies während der Montage stets anhand des Datenblattdiagramms.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Empfohlenes Lötpad-Layout

Abbildung 8 zeigt das empfohlene Lötpad-Layout für das Leiterplattendesign. Die Pads für Kathode und Anode sind zusammen mit den Abmessungen für die Kupferfläche und die Lötstoppmaske dargestellt. Ein gut gestaltetes Pad gewährleistet eine zuverlässige Lötstelle, eine angemessene mechanische Stabilität und unterstützt die Wärmeableitung während des Lötvorgangs. Die Befolgung dieser Empfehlungen hilft, "Tombstoning" und schlechte Lötfillet zu verhindern.

5.2 Lötprofil und Vorsichtsmaßnahmen

Das Datenblatt spezifiziert eine maximale Löttemperatur für die Anschlüsse von 260°C für 5 Sekunden, gemessen 2,0 mm vom Gehäuse entfernt. Dies ist ein kritischer Parameter für Wellenlöt- oder Handlötprozesse. Das Überschreiten dieses Zeit-Temperatur-Profils kann den internen Chip, die Bonddrähte oder das Epoxidgehäuse beschädigen, was zu vorzeitigem Ausfall oder verschlechterter optischer Leistung führt. Abbildung 9 zeigt ein empfohlenes Wellenlöt-Temperaturprofil mit den Phasen Vorwärmen, Einweichen, Reflow und Abkühlen. Es ist wesentlich, dieses Profil einzuhalten, um thermischen Schock zu minimieren. Allgemeine Lagerbedingungen liegen innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -40°C bis +100°C in einer trockenen Umgebung, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die während des Reflow zu "Popcorning" führen kann (obwohl dies für SMD-Bauteile kritischer ist).

6. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die häufigste Anwendung ist in einem Infrarot-Fernbedienungssender. Eine einfache Schaltung umfasst einen Mikrocontroller-GPIO-Pin, der den Emitter über einen strombegrenzenden Widerstand ansteuert. Der Widerstandswert wird berechnet als R = (V_CC- V_F) / I_F. Zum Beispiel: Bei einer Versorgungsspannung von 3,3 V, V_F=1,8 V und einem gewünschten I_F=100 mA, R = (3,3 - 1,8) / 0,1 = 15 Ω. Die Belastbarkeit des Widerstands muss ausreichend sein (P = I_F²* R = 0,15 W). Für Pulsbetrieb muss sichergestellt sein, dass der Mikrocontroller den erforderlichen Spitzenstrom liefern/aufnehmen kann. Ein Transistor- (BJT oder MOSFET) Treiber wird oft für höhere Ströme oder verwendet, wenn der MCU-Pin nicht genügend Strom liefern kann.

6.2 Optische Designüberlegungen

Für optimale Reichweite und Signalintegrität sollte der Emitter mit einem Fotodetektor oder Fototransistor gepaart werden, der bei 940 nm empfindlich ist. Berücksichtigen Sie das Abstrahlverhalten: Für eine Fernbedienung mit breiter Abdeckung ist der ±22°-Winkel geeignet. Für eine stärker gerichtete Verbindung kann eine Linse hinzugefügt werden, um den Strahl zu kollimieren. Die dunkelblaue Linse kann etwas sichtbares Licht dämpfen und so das Hintergrundrauschen am Empfänger reduzieren. Stellen Sie sicher, dass Emitter und Empfänger korrekt ausgerichtet sind. Umgebungslicht von Sonnenlicht oder Glühlampen enthält IR-Komponenten und kann Störungen verursachen; die Verwendung eines modulierten Signals (z.B. 38 kHz Träger) und eines entsprechend abgestimmten Empfängers hilft, dieses DC-Umgebungsrauschen zu unterdrücken.

6.3 Thermomanagement

Obwohl klein, gibt das Bauteil Wärme ab. Beim maximalen Dauerstrom von 100 mA und V_F=1,8 V beträgt die Verlustleistung 180 mW, was die Nennleistung von 170 mW bei 25°C leicht überschreitet. Daher sollte für Dauerbetrieb der Strom heruntergeregelt oder die Umgebungstemperatur niedrig sein. In Pulsanwendungen (wie Fernbedienungen mit niedrigem Tastverhältnis) ist die mittlere Leistung viel niedriger, sodass thermische Probleme weniger bedenklich sind. Eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte um die Anschlüsse herum hilft, Wärme abzuleiten.

7. Häufig gestellte Fragen basierend auf technischen Parametern

F: Kann ich diese IR-LED direkt von einem 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Nein, nicht ohne einen strombegrenzenden Widerstand. Ein direkter Anschluss würde versuchen, einen sehr hohen Strom zu ziehen, was wahrscheinlich die LED zerstört und möglicherweise den Mikrocontroller-Pin beschädigt. Verwenden Sie stets einen in Reihe geschalteten Widerstand, der basierend auf der Versorgungsspannung und dem gewünschten Durchlassstrom berechnet wird.

F: Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsintensität (mW/sr) und Strahlungsleistung (mW)?

A: Strahlungsintensität ist winkelabhängig – Leistung pro Raumwinkel. Strahlungsleistung ist die gesamte in alle Richtungen emittierte optische Leistung. Um die Gesamtleistung zu ermitteln, müsste man die Intensität über den gesamten Emissionsraumwinkel (definiert durch das Abstrahldiagramm) integrieren. Das Datenblatt gibt die Intensität an, die nützlicher ist, um die Bestrahlungsstärke in einem bestimmten Abstand und Winkel auf einem Empfänger zu berechnen.

F: Warum beträgt die Sperrspannungsfestigkeit nur 5 V?

A: Infrarot-LEDs sind für den Durchlassbetrieb und Lichtemission optimiert. Ihr PN-Übergang ist nicht für das Blockieren hoher Sperrspannungen ausgelegt. Das versehentliche Anlegen einer Sperrspannung über 5 V kann zum Durchbruch und dauerhaften Schaden führen. In Schaltungen, in denen Sperrspannung möglich ist, fügen Sie eine Schutzdiode parallel hinzu (Kathode an Kathode, Anode an Anode) oder stellen Sie sicher, dass die Treiberschaltung niemals eine Sperrspannung anlegt.

F: Wie interpretiere ich den Halbwinkel für mein Design?

A: Der Halbwinkel von ±22° bedeutet, dass der Strahl eine Gesamtbreite von etwa 44° hat, bei der die Intensität über 50 % des Spitzenwerts liegt. Bei größeren Winkeln fällt die Intensität schnell ab. Für eine Fernbedienung, die funktionieren muss, wenn sie etwas außerhalb der Achse gezeigt wird, bietet dies eine angemessene Abdeckung. Für eine strikte Sichtverbindung als Datenlink ist eine Ausrichtung innerhalb dieses Kegels für einen starken Signalempfang notwendig.

8. Funktionsprinzip und Technologietrends

8.1 Grundlegendes Funktionsprinzip

Der LTE-11L2D ist eine Halbleiter-Leuchtdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die ihr Sperrschichtpotential (etwa 1,8 V) überschreitet, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich des Halbleitermaterials (typischerweise basierend auf Aluminiumgalliumarsenid - AlGaAs) injiziert. Diese Ladungsträger rekombinieren und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die spezifische Zusammensetzung der Halbleiterschichten bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen, die bei diesem Bauteil 940 nm beträgt. Dieser Prozess wird als Elektrolumineszenz bezeichnet. Das dunkelblaue Epoxidgehäuse dient dazu, den empfindlichen Halbleiterchip zu verkapseln und zu schützen, den emittierten Lichtstrahl zu formen und als Linse zu wirken.

8.2 Branchentrends

Der Markt für Infrarot-Emitter entwickelt sich weiter. Zu den Trends gehört die Entwicklung von Emittern mit höherer Strahlungsintensität und Effizienz bei gleicher Gehäusegröße, was größere Reichweiten oder geringeren Stromverbrauch ermöglicht. Es wird auch kontinuierlich an der Verbesserung der Geschwindigkeit (Anstiegs-/Abfallzeiten) für sehr schnelle Datenübertragungsanwendungen wie IrDA gearbeitet. Integration ist ein weiterer Trend, wobei kombinierte Emitter-Treiber-Module verfügbar werden. Darüber hinaus hält der Trend zur Miniaturisierung an, obwohl das T-1-Gehäuse aufgrund seiner Robustheit und einfachen Handhabung für Durchsteckanwendungen ein Standard bleibt. Die zugrundeliegende Materialwissenschaft konzentriert sich auf die Verbesserung der internen Quanteneffizienz und thermischen Stabilität, um die Leistung über einen breiteren Temperaturbereich aufrechtzuerhalten.