Technisches Datenblatt für IR-Emitter-LED LTE-4206 - 940nm Wellenlänge - 20mA Durchlassstrom - 1,6V Durchlassspannung - 20° Abstrahlwinkel - Deutsche Fassung

1. Produktübersicht

Der LTE-4206 ist ein kostengünstiger, miniaturisierter Infrarot (IR)-Emitter, der für den Einsatz in optoelektronischen Sensor- und Kommunikationsanwendungen konzipiert ist. Seine Kernfunktion ist die Emission von Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern (nm). Das Bauteil ist in einem klaren, transparenten Kunststoffgehäuse in Endansicht untergebracht, was eine effiziente Lichtabgabe ermöglicht. Ein wesentliches Merkmal ist seine mechanische und spektrale Abstimmung auf entsprechende Reihen von Fototransistoren, was den Entwurf von Empfängerschaltungen vereinfacht, indem die Kompatibilität in Bezug auf mechanische Abmessungen und spektrale Empfindlichkeit sichergestellt wird.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie sind bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C spezifiziert.

• Verlustleistung (P_D):90 mW. Dies ist die maximal zulässige Leistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):1 A. Dies ist der maximal zulässige gepulste Strom, spezifiziert unter Bedingungen von 300 Pulsen pro Sekunde (pps) mit einer Pulsbreite von 10 μs.
• Dauer-Durchlassstrom (I_F):60 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich angelegt werden kann.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann den LED-Übergang beschädigen.
• Betriebstemperaturbereich:-40°C bis +85°C. Die Funktionsfähigkeit des Bauteils ist innerhalb dieses Umgebungstemperaturbereichs garantiert.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C.
• Löttemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6mm vom Gehäusekörper entfernt.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei T_A=25°C gemessen und definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen. Der Durchlassstrom (I_F) für die Prüfung der optischen Parameter beträgt typischerweise 20mA.

• Apertur-Bestrahlungsstärke (E_e):Gemessen in mW/cm², dies ist die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit, die auf eine Oberfläche trifft. Der Wert variiert je nach Bin (siehe Abschnitt 3).
• Strahlstärke (I_E):Gemessen in mW/sr, dies ist die pro Raumwinkeleinheit abgegebene Strahlungsleistung. Es ist ein Schlüsselparameter zur Charakterisierung der Helligkeit der IR-Quelle. Die Werte sind gebinnt.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_Peak):940 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die abgegebene optische Leistung maximal ist. Sie liegt im nahen Infrarotspektrum.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (typisch). Dieser Parameter, auch bekannt als Full Width at Half Maximum (FWHM), gibt die spektrale Bandbreite an. Ein Wert von 50 nm bedeutet, dass das emittierte Licht einen Wellenlängenbereich von etwa 50 nm Breite um den Peak herum abdeckt.
• Durchlassspannung (V_F):1,2 V (min), 1,6 V (typ) bei I_F=20mA. Dies ist der Spannungsabfall über der LED, wenn der spezifizierte Strom fließt.
• Sperrstrom (I_R):100 μA (max) bei V_R=5V. Dies ist der geringe Leckstrom, der fließt, wenn das Bauteil in Sperrrichtung betrieben wird.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):20 Grad. Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte ihres Maximalwerts (auf der Achse) abfällt. Ein Winkel von 20° deutet auf einen relativ fokussierten Strahl hin.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Der LTE-4206 verwendet ein Binning-System für seine wesentlichen optischen Ausgangsparameter, die Apertur-Bestrahlungsstärke (E_e) und die Strahlstärke (I_E). Binning ist ein Fertigungsprozess, bei dem Bauteile nach Leistungsgruppen sortiert werden, um Konsistenz innerhalb eines definierten Bereichs sicherzustellen. Das Bauteil wird in vier Bins kategorisiert: A, B, C und D.

• Bin A: E_e= 0,184 - 0,54 mW/cm²; I_E= 1,383 - 4,06 mW/sr.
• Bin B: E_e= 0,36 - 0,78 mW/cm²; I_E= 2,71 - 5,87 mW/sr.
• Bin C: E_e= 0,52 - 1,02 mW/cm²; I_E= 3,91 - 7,67 mW/sr.
• Bin D: E_e= 0,68 mW/cm² (min); I_E= 5,11 mW/sr (min). Dieser Bin repräsentiert die Gruppe mit der höchsten Ausgangsleistung.

Dieses System ermöglicht es Entwicklern, einen Bin auszuwählen, der ihren spezifischen Empfindlichkeits- oder Reichweitenanforderungen für eine gegebene Anwendung entspricht.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen veranschaulichen.

4.1 Spektrale Verteilung (Abb. 1)

Diese Kurve zeigt die relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt die Spitzenemission bei 940 nm und die etwa 50 nm spektrale Halbwertsbreite. Die Kurvenform ist typisch für eine GaAlAs-Infrarot-LED.

4.2 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kennlinie) (Abb. 3)

Dieses Diagramm stellt I_Füber V_Fdar. Es zeigt die für eine Diode charakteristische exponentielle Beziehung. Die Kurve ist wesentlich für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung. Der typische V_F-Wert von 1,6V bei 20mA kann hier verifiziert werden.

4.3 Relative Strahlungsintensität vs. Durchlassstrom (Abb. 5)

Diese Darstellung zeigt, dass die optische Ausgangsleistung (Strahlstärke) über einen weiten Bereich nahezu linear mit dem Durchlassstrom ansteigt. Diese Linearität vereinfacht die Regelung; eine Erhöhung des Treiberstroms erhöht die Lichtausgabe direkt und vorhersehbar.

4.4 Relative Strahlungsintensität vs. Umgebungstemperatur (Abb. 4)

Diese entscheidende Kurve veranschaulicht die Temperaturabhängigkeit der LED-Ausgangsleistung. Die Strahlstärke nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab. Diese Entlastung muss in Designs berücksichtigt werden, die über den gesamten Temperaturbereich (-40°C bis +85°C) betrieben werden sollen, um auch bei hohen Temperaturen eine ausreichende Signalstärke sicherzustellen.

4.5 Abstrahlcharakteristik (Abb. 6)

Dies ist ein Polardiagramm, das die räumliche Verteilung des emittierten Lichts darstellt. Es bestätigt visuell den 20° Abstrahlwinkel und zeigt, wie die Intensität bei Winkeln weg von der Mittelachse (0°) abfällt.

5. Mechanische & Gehäuseinformationen

Das Bauteil verwendet ein miniaturisiertes Kunststoffgehäuse in Endansicht. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben (Zollwerte in Klammern).
• Die allgemeine Toleranz beträgt ±0,25mm (±0,010"), sofern nicht anders angegeben.
• Der maximale Überstand des Harzes unter dem Flansch beträgt 1,0mm (0,039").
• Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse aus dem Gehäusekörper austreten.
• Das Gehäuse ist klar und transparent.

(Hinweis: Spezifische numerische Abmessungen aus einer Zeichnung sind im Textauszug nicht angegeben, würden aber typischerweise Gehäusedurchmesser, Länge, Anschlussdurchmesser und Abstand umfassen).

6. Löt- & Montagehinweise

Die primäre Richtlinie betrifft das Handlöten: Die Anschlüsse können bei 260°C für maximal 5 Sekunden gelötet werden, wobei die Wärme mindestens 1,6mm (0,063") vom Kunststoffgehäuse entfernt angewendet werden muss. Dies dient der Vermeidung von thermischen Schäden am Epoxidharz. Für Wellen- oder Reflow-Lötverfahren sollten Standardprofile für Infrarot-LEDs befolgt werden, wobei auf Spitzentemperatur und Verweilzeit oberhalb der Liquidustemperatur zu achten ist, um innerhalb der thermischen Grenzen des Gehäuses zu bleiben.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Objekterkennung & Annäherungssensorik:Gepaart mit einem abgestimmten Fototransistor (z.B. LTR-4206 Serie) in reflektiver oder Lichtschranken-Konfiguration. Verwendung in Druckern, Kopierern, Automaten und der industriellen Automatisierung.
• Infrarot-Datenübertragung:Geeignet für kurze, serielle Kommunikationsverbindungen mit niedriger Datenrate, Fernbedienungen oder optische Encoder.
• Rauchdetektion:Verwendung in optischen Rauchmeldern mit Messkammer.

7.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung:Immer einen Vorwiderstand oder Konstantstromtreiber verwenden, um I_Fauf den gewünschten Wert zu begrenzen (z.B. 20mA für Spezifikationsleistung), niemals direkt an eine Spannungsquelle anschließen.
• Thermisches Management:Die Leistungsminderung mit der Temperatur berücksichtigen (Abb. 4). Sicherstellen, dass die Verlustleistung (I_F* V_F) 90mW nicht überschreitet, unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen.
• Optische Ausrichtung:Der 20° Abstrahlwinkel erfordert eine sorgfältige Ausrichtung mit dem gepaarten Detektor für eine optimale Signalkopplung, insbesondere bei Lichtschranken-Aufbauten.
• Elektrische Störungen:In Sensoranwendungen den LED-Treiberstrom modulieren und im Empfängerschaltkreis synchrone Detektion verwenden, um Umgebungslicht (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen), das 940nm IR-Komponenten enthalten kann, auszublenden.

8. Technischer Vergleich & Differenzierung

Die primären Unterscheidungsmerkmale des LTE-4206 sind seinemechanische und spektrale Abstimmungauf eine spezifische Fototransistor-Reihe. Dies garantiert, dass die aktive Fläche und die spektrale Empfindlichkeitskurve des Empfängers optimal mit dem Abstrahlmuster und der Wellenlänge des Emitters abgestimmt sind, was die Systemeffizienz maximiert und das mechanische Design vereinfacht. Dasklare Gehäusebietet eine höhere externe Effizienz im Vergleich zu getönten oder diffundierenden Gehäusen. DasBinning-Systembietet Flexibilität bei der Auswahl des benötigten Ausgangspegels. Seinegeringen Kosten und miniaturisierte Bauformmachen ihn geeignet für anspruchsvolle, platzbeschränkte Consumer- und Industrieanwendungen in hohen Stückzahlen.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck der 940nm Wellenlänge?

A: 940nm liegt im nahen Infrarotbereich und ist für das menschliche Auge unsichtbar. Es ist eine gängige Wellenlänge, da sie Störungen durch sichtbares Licht vermeidet, viele Silizium-Fotodetektoren (wie Fototransistoren) hier eine gute Empfindlichkeit aufweisen und sie im Vergleich zu 850nm-LEDs weniger anfällig für Störungen durch Umgebungs-Glühlicht (das im Bereich von ~1000nm sein Maximum hat) ist.

F: Kann ich diese LED mit einer 5V-Versorgung betreiben?

A: Ja, aber Sie MÜSSEN einen strombegrenzenden Widerstand verwenden. Um beispielsweise I_F=20mA mit einer typischen V_F von 1,6V aus einer 5V-Versorgung zu erreichen: R = (5V - 1,6V) / 0,02A = 170Ω. Den nächstgelegenen Normwert verwenden (z.B. 180Ω) und den tatsächlichen Strom überprüfen.

F: Was bedeutet "Abstrahlwinkel" für einen Emitter?

A: Er definiert die Strahlbreite. Ein 20°-Vollwinkel bedeutet, dass das emittierte Licht in einem relativ schmalen Kegel konzentriert ist. Die halbe Spitzenintensität findet sich bei ±10° von der Mittelachse. Ein kleinerer Winkel ergibt einen fokussierteren Strahl für größere Reichweite oder präzise Ausrichtung.

F: Warum ist die Ausgangsleistung gebinnt?

A: Fertigungstoleranzen verursachen leichte Unterschiede in der Ausgangsleistung. Beim Binning werden LEDs in Gruppen mit garantierten Minimal- und Maximalwerten sortiert. Dies ermöglicht es Entwicklern, einen Bin zu wählen, der sicherstellt, dass ihr System zuverlässig arbeitet, da der genaue Leistungsbereich des Bauteils bekannt ist.

10. Praktisches Designbeispiel

Beispiel: Entwurf eines Papiererkennungssensors für einen Drucker.

Es wird eine Lichtschranke benötigt, um das Vorhandensein von Papier zu erkennen. Ein LTE-4206 (Bin C) wird auf einer Seite des Papierwegs platziert, und ein abgestimmter LTR-4206 Fototransistor wird direkt gegenüber angeordnet.

1. Treiberschaltung:Die LED wird von einem Mikrocontroller-GPIO-Pin über einen 180Ω-Widerstand angesteuert, um I_F auf ~20mA einzustellen, wenn der Pin auf High (3,3V oder 5V Logik) liegt.
2. Modulation:Der Mikrocontroller pulst die LED mit 1kHz (50% Tastverhältnis), um ihr Signal vom Umgebungslicht zu unterscheiden.
3. Empfängerschaltung:Der Kollektor des Fototransistors ist mit einem Pull-up-Widerstand verbunden. Die Spannung am Kollektor wird von einem Mikrocontroller-ADC oder einem Komparator ausgelesen.
4. Erkennungslogik:Wenn kein Papier vorhanden ist, erreicht das IR-Licht den Fototransistor, er leitet und zieht die Kollektorspannung auf Low. Wenn Papier den Strahl blockiert, schaltet der Fototransistor ab und die Kollektorspannung geht auf High. Der Mikrocontroller tastet dieses Signal synchron während des LED-Pulses ab, um den Zustandswechsel zu erkennen.
5. Überlegungen:Der 20° Abstrahlwinkel stellt sicher, dass der Strahl schmal genug ist, um sauber durch die Papierkante unterbrochen zu werden. Die Auswahl von Bin C bietet eine ausreichende Strahlstärke, um auch bei möglicher Staubansammlung über die Zeit ein starkes Signal im Empfänger zu erzeugen.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiter-p-n-Übergangsdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die ihre Schwellspannung (für dieses Bauteil etwa 1,2V) überschreitet, werden Elektronen und Löcher über den Übergang injiziert. Diese Ladungsträger rekombinieren, und für diese spezifische Materialzusammensetzung (typischerweise Galliumaluminiumarsenid - GaAlAs) wird die während der Rekombination freigesetzte Energie in Form von Photonen mit einer Wellenlänge um 940 nm abgegeben, was Infrarotlicht ist. Die Intensität des emittierten Lichts ist direkt proportional zur Rekombinationsrate, die durch den Durchlassstrom (I_F) gesteuert wird. Das klare Epoxidharzgehäuse wirkt als Linse und formt den Ausgangsstrahl auf den spezifizierten 20° Abstrahlwinkel.

12. Technologietrends

Trends in der Infrarot-Emitter-Technologie umfassen:

• Erhöhte Effizienz:Entwicklung von Materialien und Strukturen (z.B. Multi-Quantentöpfe), um bei gleichem Treiberstrom eine höhere Strahlstärke (mW/sr) zu erreichen und so den Stromverbrauch zu reduzieren.
• Miniaturisierung:Fortgesetzte Verkleinerung der Gehäusegröße (z.B. Chip-Scale-Packages), um die Integration in kleinere Geräte wie Wearables und ultra-kompakte Sensoren zu ermöglichen.
• Verbesserte Zuverlässigkeit & Höhere Betriebstemperaturen:Verbesserungen bei Gehäusematerialien und Die-Bonding-Technologien, um die Lebensdauer zu verlängern und den Betrieb in raueren Umgebungen (z.B. Automotive, Industrie) zu ermöglichen.
• Integrierte Lösungen:Kombination des IR-Emitters, des Treibers und manchmal eines Detektors oder Logik in einem einzigen Modul oder IC, um das Systemdesign zu vereinfachen und den Platzbedarf zu reduzieren.
• Multi-Wellenlängen & VCSELs:Einsatz von Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasern (VCSELs) für Anwendungen, die sehr präzise, hochgeschwindigkeits- oder strukturierte Lichtmuster erfordern, wie z.B. bei fortschrittlicher Annäherungssensorik, 3D-Bildgebung (Time-of-Flight) und Gesichtserkennung.

Der LTE-4206 repräsentiert eine ausgereifte, kosteneffektive Lösung für Standard-Infrarotsensorikanforderungen, während neuere Technologien die Nachfrage nach höherer Leistung, Integration und spezialisierten Anwendungen adressieren.