Technisches Datenblatt für den Infrarot-Emitter LTE-4206C - Gehäuseabmessungen - Durchlassspannung 1,6V - Strahlungsstärke 7,67mW/sr - Spitzenwellenlänge 940nm

1. Produktübersicht

Der LTE-4206C ist ein miniaturisierter, kostengünstiger Infrarot (IR)-Emitter, der für den Einsatz in optoelektronischen Sensor- und Kommunikationsanwendungen konzipiert ist. Seine Kernfunktion besteht darin, Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern abzustrahlen, das für das menschliche Auge unsichtbar ist, jedoch von passenden Fotodetektoren erfasst werden kann. Das Bauteil ist in einem kompakten, endseitig blickenden Kunststoffgehäuse mit transparenter Farbe untergebracht, was es für platzbeschränkte Designs geeignet macht.

Der primäre Vorteil dieser Komponente ist ihre mechanische und spektrale Abstimmung auf die LTR-4206-Serie von Fototransistoren. Dieses vorgefertigte Paar vereinfacht das Design-In, gewährleistet eine optimale Leistung in Sender-Empfänger-Paaren und reduziert die Entwicklungszeit für Anwendungen wie Objekterkennung, Annäherungssensorik und optische Schalter. Die ausgewählten Intensitätsbereiche ermöglichen ein Binning und bieten Entwicklern konsistente Leistungsparameter.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Limits, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Verlustleistung (Pd):90 mW. Dies ist die maximal zulässige Leistung, die das Bauteil bei Dauerbetrieb bei einer Umgebungstemperatur von 25°C als Wärme abführen kann.
• Dauer-Durchlassstrom (IF):60 mA. Der maximale Gleichstrom, der dauerhaft durch die LED fließen darf.
• Spitzen-Durchlassstrom:1 A. Dieser hohe Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen zulässig (300 Pulse pro Sekunde, 10 μs Pulsbreite) und sollte nicht überschritten werden.
• Sperrspannung (VR):5 V. Das Überschreiten dieser Spannung in Sperrrichtung kann zum Durchbruch des Übergangs führen.
• Betriebstemperaturbereich:-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C.
• Lötemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6mm vom Gehäusekörper entfernt. Dies ist kritisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse.

2.2 Elektrische & Optische Kennwerte

Diese Parameter werden bei einer Umgebungstemperatur (TA) von 25°C gemessen und definieren die typische Leistung des Bauteils.

• Durchlassspannung (VF):Typischerweise 1,6V bei einem Prüfstrom (IF) von 20mA, maximal 1,2V. Dies ist der Spannungsabfall über der LED im Betrieb.
• Sperrstrom (IR):Maximal 100 μA bei einer Sperrspannung (VR) von 5V. Dies zeigt den Leckstrom an, wenn das Bauteil in Sperrrichtung betrieben wird.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λPeak):940 nm. Dies ist die Wellenlänge, bei der der IR-Emitter seine maximale Strahlungsstärke abgibt.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm. Dieser Parameter beschreibt die Bandbreite des emittierten Lichts und zeigt an, wie eng oder breit die Wellenlängen um den Spitzenwert verteilt sind.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):20 Grad. Dies definiert die Winkelausbreitung der emittierten Strahlung, bei der die Intensität die Hälfte des Spitzenwertes beträgt (Halbwertsbreite).

3. Erklärung des Binning-Systems

Der LTE-4206C wird basierend auf seiner Strahlungsstärke und der Apertur-Bestrahlungsstärke in verschiedene Leistungsklassen (Bins) sortiert. Dies ermöglicht es Entwicklern, Bauteile auszuwählen, die spezifische Empfindlichkeitsanforderungen ihrer Anwendung erfüllen.

• BIN A:Apertur-Bestrahlungsstärke (Ee): 0,184 - 0,54 mW/cm²; Strahlungsstärke (Ie): 1,383 - 4,06 mW/sr.
• BIN B:Apertur-Bestrahlungsstärke (Ee): 0,36 - 0,78 mW/cm²; Strahlungsstärke (Ie): 2,71 - 5,87 mW/sr.
• BIN C:Apertur-Bestrahlungsstärke (Ee): 0,52 - 1,02 mW/cm²; Strahlungsstärke (Ie): 3,91 - 7,67 mW/sr.
• BIN D:Apertur-Bestrahlungsstärke (Ee): 0,68 mW/cm² (Min); Strahlungsstärke (Ie): 5,11 mW/sr (Min).

Alle Messungen werden bei einem Durchlassstrom (IF) von 20mA durchgeführt. Höhere Bins (C, D) weisen im Allgemeinen auf Bauteile mit höherer Ausgangsleistung hin.

4. Analyse der Leistungskurven

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

4.1 Spektrale Verteilung (Abb. 1)

Diese Kurve zeigt die relative Strahlungsstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt die Spitzenemission bei 940nm und die spektrale Halbwertsbreite von 50nm und veranschaulicht das emittierte Infrarotlichtband.

4.2 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abb. 3)

Dies ist die Standard-IV-Kennlinie (Strom-Spannungs-Kennlinie) für eine Diode. Sie zeigt die exponentielle Beziehung zwischen Strom und Spannung. Die typische Durchlassspannung von 1,6V bei 20mA kann aus diesem Diagramm abgelesen werden. Die Kurve ist wesentlich für die Auslegung der strombegrenzenden Schaltung für die LED.

4.3 Relative Strahlungsstärke vs. Durchlassstrom (Abb. 5)

Dieses Diagramm zeigt, dass die optische Ausgangsleistung (Strahlungsstärke) über einen signifikanten Bereich annähernd linear mit dem Durchlassstrom zunimmt. Es hilft Entwicklern, den erforderlichen Treiberstrom zu bestimmen, um eine gewünschte optische Ausgangsleistung zu erreichen.

4.4 Relative Strahlungsstärke vs. Umgebungstemperatur (Abb. 4)

Diese Kurve ist entscheidend für das Verständnis thermischer Effekte. Sie zeigt, dass die Strahlungsstärke mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Diese Entlastung muss in Anwendungen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, berücksichtigt werden, um eine ausreichende Signalstärke am Detektor sicherzustellen.

4.5 Abstrahldiagramm (Abb. 6)

Dieses Polardiagramm stellt den Abstrahlwinkel (2θ1/2 = 20°) visuell dar. Es zeigt die räumliche Verteilung des emittierten Infrarotlichts, was für die Ausrichtung des Emitters mit seinem entsprechenden Detektor wichtig ist.

5. Mechanische & Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein miniaturisiertes, endseitig blickendes Kunststoffgehäuse. Wichtige dimensionale Hinweise sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben (Zoll in Klammern).
• Die Standardtoleranz beträgt ±0,25mm (±0,010"), sofern nicht anders angegeben.
• Der maximale Harzvorsprung 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 wird als "rauchfarben transparent" beschrieben, was typischerweise einen getönten, lichtdurchlässigen Kunststoff bedeutet, der das IR-Licht passieren lässt und gleichzeitig den Halbleiterchip mechanisch schützt und für eine gewisse Lichtstreuung sorgt.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Obwohl im bereitgestellten Text nicht explizit detailliert, haben Standard-IR-LED-Gehäuse wie dieses typischerweise eine abgeflachte Seite oder einen längeren Anschluss, um die Kathode zu kennzeichnen. Das Diagramm im Datenblatt würde diese Markierung zeigen. Die korrekte Polarität ist wesentlich, um Schäden durch Sperrspannung zu verhindern.

6. Löt- & Montagerichtlinien

Die Schlüsselspezifikation für die Montage ist die Lötemperatur der Anschlüsse: 260°C für maximal 5 Sekunden, gemessen 1,6mm (0,063") vom Gehäusekörper entfernt. Diese Angabe ist entscheidend, um thermische Schäden während Wellenlöt- oder Reflow-Prozessen zu verhindern.

Designüberlegungen:

• Wärmeableitung:Obwohl für leistungsschwache LEDs typischerweise nicht erforderlich, ist es eine gute Praxis sicherzustellen, dass das PCB-Layout keine übermäßige Wärme um die Komponente herum einschließt, insbesondere wenn sie nahe den maximalen Grenzwerten betrieben wird.
• ESD-Schutz:Wie alle Halbleiterbauteile können IR-Emitter empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD) sein. Während der Montage sollten die üblichen ESD-Handhabungsvorsichtsmaßnahmen beachtet werden.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Objekterkennung & Annäherungssensorik:Gepaart mit dem LTR-4206-Fototransistor kann es die An- oder Abwesenheit eines Objekts durch Unterbrechung des IR-Strahls erkennen.
• Optische Schalter & Encoder:Verwendung in Dreh- oder Linearencodern zur Erfassung von Position oder Bewegung durch eine gemusterte Scheibe oder einen Streifen.
• IR-Datenübertragung:Kann für drahtlose Kurzstreckenkommunikation mit niedriger Datenrate (z.B. Fernbedienungssignale, Sensortelemetrie) verwendet werden, wenn sie moduliert wird.
• Rauchdetektion:In einigen optischen Rauchmelder-Designs kann ein IR-LED- und Detektor-Paar gestreutes Licht von Rauchpartikeln erfassen.

7.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung:Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Ein Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle ist zwingend erforderlich, um den Betriebsstrom einzustellen und thermisches Durchgehen zu verhindern. Berechnen Sie den Widerstandswert mit R = (Versorgungsspannung - VF) / IF.
• Optische Ausrichtung:Der enge Abstrahlwinkel von 20° erfordert eine präzise mechanische Ausrichtung zwischen Emitter und Detektor für eine optimale Kopplungseffizienz.
• Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht:Da es bei 940nm emittiert, ist es weniger anfällig für Störungen durch sichtbares Umgebungslicht. Allerdings können Sonnenlicht und andere starke IR-Quellen (wie Glühlampen) signifikante Energie bei 940nm enthalten und Störungen verursachen. Optische Filterung am Detektor oder Modulation des Emittersignals kann dies mindern.
• Thermische Entlastung:Berücksichtigen Sie den Abfall der Ausgangsleistung mit steigender Temperatur (wie in Abb. 4 gezeigt), indem Sie eine ausreichende Treiberstromreserve vorsehen oder ein Bauteil aus einem höheren Bin wählen.

8. Technischer Vergleich & Differenzierung

Das primäre Unterscheidungsmerkmal des LTE-4206C ist seine explizite mechanische und spektrale Abstimmung auf die LTR-4206-Fototransistor-Serie. Dies bietet mehrere Vorteile gegenüber der separaten Auswahl von Emitter- und Detektorkomponenten:

• Garantierte Leistung:Das Paar wird gemeinsam charakterisiert, wodurch sichergestellt wird, dass das spektrale Ansprechverhalten des Detektors gut mit dem Emissionsspektrum der LED übereinstimmt, um maximale Empfindlichkeit zu erreichen.
• Mechanische Kompatibilität:Die Gehäuse sind so gestaltet, dass sie in Standard-Montagekonfigurationen zusammenpassen, was das mechanische Design vereinfacht.
• Kosteneffektive Lösung:Bietet einen zuverlässigen, vorab validierten Optokoppler-Baustein zu niedrigen Kosten aufgrund seines miniaturisierten Kunststoffgehäuses und der Serienfertigung.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsstärke (Ie) und Apertur-Bestrahlungsstärke (Ee)?

A: Strahlungsstärke (mW/sr) misst die pro Raumwinkeleinheit (Steradiant) abgestrahlte optische Leistung und beschreibt die Richtungskonzentration des Lichts. Apertur-Bestrahlungsstärke (mW/cm²) ist die Leistungsdichte, die auf eine Oberfläche (wie einen Detektor) in einer bestimmten Entfernung einfällt, was sowohl von der Intensität als auch von der Entfernung/Geometrie abhängt.

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

A: Nein. Sie müssen einen strombegrenzenden Widerstand verwenden. Zum Beispiel bei einer 5V-Versorgung, einer VF von 1,6V und einem gewünschten IF von 20mA: R = (5V - 1,6V) / 0,02A = 170 Ohm. Ein Standard-180-Ohm-Widerstand wäre geeignet.

F: Warum beträgt der Abstrahlwinkel nur 20 Grad?

A: Ein enger Abstrahlwinkel bündelt das emittierte Licht zu einem engeren Strahl. Dies erhöht die Intensität auf der Achse, ermöglicht längere Erfassungsdistanzen oder niedrigere Treiberströme und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis durch Reduzierung von Streulicht. Es ist ideal für ausgerichtete Emitter-Detektor-Paare.

F: Wie wähle ich das richtige Bin (A, B, C, D)?

A: Die Wahl hängt von den Empfindlichkeitsanforderungen Ihres Systems und den Betriebsspielräumen ab. Wenn Ihr Detektor ein starkes Signal benötigt oder das System über einen weiten Temperaturbereich arbeitet (wo die Ausgangsleistung sinkt), wählen Sie ein höheres Bin (C oder D) für mehr Ausgangsleistung. Für weniger kritische oder Kurzstreckenanwendungen kann ein niedrigeres Bin ausreichend und kosteneffektiv sein.

10. Praktisches Designbeispiel

Szenario: Entwurf eines Papierpräsenzsensors in einem Drucker.

Eine häufige Anwendung ist die Erkennung, ob Papier in einem Fach vorhanden ist. Ein LTE-4206C IR-Emitter und sein passender LTR-4206-Fototransistor werden auf gegenüberliegenden Seiten des Papierwegs platziert. Wenn kein Papier vorhanden ist, erreicht das IR-Licht den Detektor und lässt ihn leiten. Wenn ein Blatt Papier zwischen ihnen hindurchgeht, blockiert es den IR-Strahl, der Detektor leitet nicht mehr, und der Mikrocontroller erkennt diese Änderung und registriert die Papierpräsenz.

Designschritte:

1. Schaltungsentwurf:Betreiben Sie die LED mit 20mA über einen vom MCU gesteuerten Transistorschalter mit einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung. Schalten Sie den Fototransistor in einer Emitterschaltung mit einem Pull-up-Widerstand, um ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen, das basierend auf dem empfangenen Licht schaltet.
2. Mechanischer Entwurf:Richten Sie Emitter und Detektor präzise unter Verwendung der Gehäuseabmessungen aus und stellen Sie sicher, dass der 20°-Strahl auf die aktive Fläche des Detektors gerichtet ist. Sorgen Sie für einen sauberen optischen Pfad.
3. Bauteilauswahl:Wählen Sie einen Emitter aus BIN C oder D, um sicherzustellen, dass auch bei eventueller Staubansammlung auf den Linsen im Laufe der Zeit ein starkes Signal den Detektor erreicht.
4. Software:Implementieren Sie eine Entprellungslogik, um eine echte Papierkante von Vibration oder Staub zu unterscheiden.

11. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) arbeitet nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-p-n-Übergang. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen aus dem n-dotierten Bereich und Löcher aus dem p-dotierten Bereich über den Übergang injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, setzen sie Energie frei. Bei einer IR-LED wird das Halbleitermaterial (typischerweise auf Galliumarsenid - GaAs basierend) so gewählt, dass diese freigesetzte Energie einem Photon im Infrarotspektrum (um 940nm) entspricht. Die Intensität des emittierten Lichts ist direkt proportional zur Rekombinationsrate der Ladungsträger, die durch den Durchlassstrom (IF) gesteuert wird. Das transparente Gehäuse verkapselt und schützt den Halbleiterchip, während es den Infrarotphotonen ermöglicht, zu entweichen.

12. Technologietrends

Die Infrarot-Emitter-Technologie entwickelt sich weiter, parallel zu breiteren Optoelektronik-Trends. Es gibt einen ständigen Drang zu höherer Effizienz, was eine größere optische Ausgangsleistung bei niedrigeren Treiberströmen ermöglicht und so den Systemstromverbrauch und die Wärmeentwicklung reduziert. Die Miniaturisierung von Gehäusen ist ein weiterer Schlüsseltrend, der die Integration in immer kleinere Consumer Electronics und IoT-Geräte ermöglicht. Darüber hinaus gibt es Entwicklungen hin zu einer präziseren Wellenlängenkontrolle und schmaleren spektralen Bandbreiten für Anwendungen, die eine spezifische spektrale Filterung erfordern, wie z.B. in der Gassensorik oder in Umgebungen mit hohem Umgebungslichtrauschen. Die Integration von Emittern und Detektoren in einzelne, intelligente Sensormodule mit integrierter Signalverarbeitung ist ebenfalls ein wachsendes Feld, das das Systemdesign für Endanwender vereinfacht.