IR-Emitter-LED 5mm Klargehäuse - Durchmesser 5mm - Durchlassspannung 1,8V - Strahlstärke 4,81mW/sr - Technisches Datenblatt DE

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen einer hochleistungsfähigen, miniaturisierten Infrarot (IR)-Leuchtdiode (LED) in einem klaren, transparenten Kunststoffgehäuse. Das Bauteil ist ein endseitiger Emitter, der für Anwendungen entwickelt wurde, die eine zuverlässige Infrarotbeleuchtung erfordern. Seine Hauptfunktion ist die Umwandlung von elektrischem Strom in Infrarotstrahlung, typischerweise für den Einsatz in Erfassungs-, Detektions- und Kommunikationssystemen, wo es häufig mit einem kompatiblen Fotodetektor gepaart wird.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb der spezifizierten Umgebungs- und elektrischen Grenzen ausgelegt. Eine Überschreitung dieser Werte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Verlustleistung:150 mW. Dies ist die maximale Leistung, die das Bauteil unter allen Betriebsbedingungen sicher als Wärme abführen kann.
• Spitzendurchlassstrom:2 A. Dies ist der maximal zulässige gepulste Strom, spezifiziert unter Bedingungen von 300 Pulsen pro Sekunde mit einer Pulsbreite von 10 Mikrosekunden. Er liegt deutlich über dem Dauerstromwert und ermöglicht kurze, hochintensive Lichtimpulse.
• Dauer-Durchlassstrom:100 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der dem LED dauerhaft zugeführt werden kann, ohne Beschädigungsrisiko.
• Sperrspannung:5 V. Das Anlegen einer Sperrspannung, die diesen Wert überschreitet, kann den Halbleiterübergang durchschlagen.
• Betriebstemperaturbereich:-40°C bis +85°C. Die Funktionsfähigkeit des Bauteils ist innerhalb dieses Umgebungstemperaturbereichs garantiert.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C. Das Bauteil kann ohne Betrieb innerhalb dieses weiteren Temperaturbereichs gelagert werden.
• Lötemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt. Dies definiert die thermische Belastbarkeit für Montageprozesse.

2.2 Elektrische & Optische Kennwerte

Diese Parameter werden bei einer Standard-Umgebungstemperatur von 25°C gemessen und definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen. Die Testbedingung für die meisten optischen Parameter ist ein Durchlassstrom (I_F) von 20 mA.

• Aperturbestrahlungsstärke (E_e):0,64 mW/cm² (Min). Dies misst die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit an der Apertur des Emitters. Es ist ein Schlüsselparameter für Anwendungen, bei denen der Emitter nahe an einem Detektor platziert ist.
• Strahlstärke (I_E):4,81 mW/sr (Min). Dies ist die pro Raumwinkeleinheit (Steradiant) emittierte Strahlungsleistung. Sie ist das primäre Maß für die "Helligkeit" der LED im Infrarotspektrum und entscheidend für die Berechnung der Beleuchtungsstärke in der Entfernung.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_Peak):880 nm (Typ). Das Bauteil emittiert Infrarotlicht, das um diese Wellenlänge zentriert ist. Dies liegt im nahen Infrarot (NIR), das für das menschliche Auge unsichtbar, aber von Silizium-Fotodetektoren leicht erfassbar ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (Max). Dies spezifiziert den Wellenlängenbereich, über den die emittierte optische Leistung mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Ein Wert von 50 nm deutet auf eine mäßig breite spektrale Ausgangsleistung hin, was für Standard-IR-LEDs typisch ist.
• Durchlassspannung (V_F):1,3 V (Min), 1,8 V (Max) bei I_F=20mA. Dies ist der Spannungsabfall über der LED im Betrieb. Er ist für die Auslegung der strombegrenzenden Schaltung wesentlich.
• 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):40° (Typ). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte ihres Maximalwerts (auf der Achse) abfällt. Ein Winkel von 40° bietet einen breiten Strahl, der für Anwendungen geeignet ist, die eine großflächige Abdeckung erfordern.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt bietet mehrere grafische Darstellungen des Bauteilverhaltens unter variierenden Bedingungen.

3.1 Spektrale Verteilung

Die spektrale Ausgangskurve (Abb. 1) zeigt die relative Strahlstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt die Spitzenemission bei etwa 880 nm mit einer charakteristischen glockenförmigen Kurve, die zu beiden Seiten abfällt. Die Halbwertsbreite kann aus diesem Graphen visuell abgeschätzt werden.

3.2 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung

Die I-V-Kurve (Abb. 3) veranschaulicht die nichtlineare Beziehung zwischen der angelegten Durchlassspannung und dem resultierenden Strom. Sie zeigt das typische exponentielle Einschaltverhalten einer Diode. Der spezifizierte V_F-Bereich bei 20mA kann in dieser Kurve nachgeschlagen werden.

3.3 Relative Strahlstärke vs. Durchlassstrom

Diese Kurve (Abb. 5) zeigt, wie die optische Ausgangsleistung mit dem Treiberstrom zunimmt. Sie ist über einen signifikanten Bereich im Allgemeinen linear, kann aber bei sehr hohen Strömen Sättigung oder Effizienzabfall aufweisen. Dieser Graph ist entscheidend für die Bestimmung des erforderlichen Treiberstroms, um ein gewünschtes Ausgangsniveau zu erreichen.

3.4 Relative Strahlstärke vs. Umgebungstemperatur

Die Temperaturabhängigkeitskurve (Abb. 4) zeigt, dass die Ausgangsleistung einer LED mit steigender Sperrschichttemperatur abnimmt. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft von Halbleiterlichtquellen. Der Graph ermöglicht es Konstrukteuren, die erwartete Ausgangsleistung für Hochtemperatur-Umgebungen abzuwerten.

3.5 Abstrahldiagramm

Das polare Abstrahldiagramm (Abb. 6) bietet eine visuelle Darstellung des Abstrahlwinkels. Es trägt die relative Intensität gegen den Winkel von der Mittelachse auf und zeigt deutlich den 40°-Halbwinkel, bei dem die Intensität auf 50% fällt.

4. Mechanische & Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein standardmäßiges 5-mm-Durchmesser, endseitiges, klares Kunststoffgehäuse (oft als T-1 3/4-Gehäuse bezeichnet). Wichtige dimensionale Hinweise sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern mit Zoll-Äquivalenten angegeben.
• Es gilt eine Standardtoleranz von ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben.
• Der maximale Harzvorsprung unter dem Flansch beträgt 1,5 mm.
• Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse den Gehäusekörper verlassen.

Das Gehäuse ist transparent, sodass das Infrarotlicht mit minimaler Absorption hindurchtreten kann. Die Anschlüsse bestehen typischerweise aus verzinntem Kupferlegierungsmaterial.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Bei dieser Gehäuseausführung kennzeichnet typischerweise der längere Anschluss die Anode (Pluspol) und der kürzere Anschluss die Kathode (Minuspol). Zusätzlich kann das Gehäuse eine abgeflachte Stelle am Rand in der Nähe des Kathodenanschlusses aufweisen. Die korrekte Polarität muss eingehalten werden, damit das Bauteil Licht emittiert.

5. Löt- & Montagerichtlinien

Der absolute Grenzwert für das Löten der Anschlüsse beträgt 260°C für eine Dauer von 5 Sekunden, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt. Dieser Wert gilt für Handlöt- oder Wellenlötprozesse.

• Reflow-Löten:Obwohl nicht explizit für Reflow spezifiziert, deutet der 260°C-Grenzwert darauf hin, dass es einige Reflow-Profile tolerieren kann. Dennoch wird dringend ein Profil mit einer niedrigeren Spitzentemperatur (z.B. 245°C) und kontrollierten Anstiegsraten empfohlen, um die thermische Belastung des Kunststoffgehäuses und der internen Bonddrähte zu minimieren.
• Allgemeine Vorsichtsmaßnahmen:Vermeiden Sie übermäßige mechanische Belastung der Anschlüsse. Biegen Sie die Anschlüsse nicht an der Wurzel des Gehäuses. Verwenden Sie gegebenenfalls während des Lötens eine geeignete Wärmesenke.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs (-55°C bis +100°C), um Feuchtigkeitsaufnahme und anderen Abbau zu verhindern.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsszenarien

Dieser IR-Emitter eignet sich gut für eine Vielzahl optoelektronischer Anwendungen, darunter:

• Objekterkennung & -erfassung:Verwendung in Annäherungssensoren, Objektzählern und Füllstandserkennungssystemen, oft gepaart mit einem Fototransistor wie der erwähnten LTR-3208-Serie, um einen optischen Unterbrecher oder Reflektionssensor zu bilden.
• Fernbedienungssysteme:Einsatz als Sender in Infrarot-Fernbedienungen für Unterhaltungselektronik.
• Optische Datenverbindungen:Ermöglicht drahtlose serielle Datenkommunikation über kurze Entfernungen.
• Sicherheitssysteme:Verwendung für Infrarotbeleuchtung bei Nachtsichtkameras oder als Teil von Einbruchsmelder-Strahlen.

6.2 Konstruktionsüberlegungen

• Strombegrenzung:Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Verwenden Sie stets einen Reihen-Strombegrenzungswiderstand oder eine Konstantstrom-Treiberschaltung, um das Überschreiten des maximalen Dauer-Durchlassstroms zu verhindern, insbesondere da die Durchlassspannung einen Bereich (1,3V-1,8V) aufweist.
• Wärmemanagement:Obwohl die Verlustleistung gering ist, verringern Betrieb bei hohen Dauerströmen oder in hohen Umgebungstemperaturen die Ausgangsleistung und Lebensdauer. Sorgen Sie bei Bedarf für ausreichende Belüftung.
• Optische Anpassung:Das Datenblatt vermerkt, dass das Bauteil mechanisch und spektral auf bestimmte Fototransistoren abgestimmt ist. Die Verwendung des empfohlenen Detektors gewährleistet eine optimale Empfindlichkeit bei der Spitzenwellenlänge von 880 nm und eine physikalische Ausrichtung in montierten Modulen.
• Schutzschaltungen:Erwägen Sie den Einbau von Schutzmaßnahmen gegen Sperrspannungsspitzen oder elektrostatische Entladung (ESD), da die maximale Sperrspannung nur 5 V beträgt.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Zu den Hauptmerkmalen, die diesen IR-Emitter auszeichnen, gehören:

• Ausgewählte Intensitätsbereiche:Bauteile werden gebinnt oder ausgewählt, um bestimmte Strahlstärkespezifikationen zu erfüllen, was Konsistenz in der Produktion sicherstellt.
• Hohe Ausgangsleistung:Die minimale Strahlstärke von 4,81 mW/sr bei 20mA ist für ein Standard-5mm-Gehäuse wettbewerbsfähig und bietet eine gute Signalstärke.
• Breiter Abstrahlwinkel (40°):Bietet eine breite Abdeckung, was vorteilhaft für Annäherungserkennung und Reflektionssensorik ist, wo die Ausrichtung weniger kritisch ist.
• Klares Gehäuse:Im Gegensatz zu getönten oder diffundierenden Gehäusen maximiert die klare Linse die Vorwärts-Lichtausbeute und ist neutral gegenüber der Farbe des emittierten Lichts, was ideal für IR-Anwendungen ist.
• Abgestimmt auf Detektorserie:Dies vereinfacht das Design und die Beschaffung für Systeme, die den gepaarten Fototransistor verwenden, und garantiert optische und mechanische Kompatibilität.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

8.1 Welchen Widerstandswert sollte ich mit einer 5V-Versorgung verwenden?

Unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes (R = (V_Versorgung- V_F) / I_F) und unter der Annahme eines Ziel-I_Fvon 20mA hängt der Widerstandswert von der tatsächlichen V_F ab. Für eine Worst-Case-Auslegung, die sicherstellt, dass der Strom niemals 20mA überschreitet, verwenden Sie die minimale V_F(1,3V). R = (5V - 1,3V) / 0,02A = 185 Ohm. Der nächstgelegene Standardwert ist 180 Ohm. Dies ergibt einen maximalen Strom von ~20,6mA, was sicher ist. Leistungsaufnahme: P = I²R = (0,02)² * 180 = 0,072W, daher ist ein 1/8W- oder 1/4W-Widerstand ausreichend.

8.2 Kann ich es direkt mit einem Mikrocontroller-Pin ansteuern?

Typischerweise nein. Die meisten Mikrocontroller-GPIO-Pins haben eine Stromquellen-/Senken-Grenze von 20-40mA, was an der Grenze des Betriebspunkts dieser LED liegt. Selbst wenn innerhalb der Grenze, wird die Ausgangsspannung des Pins unter Last abfallen, was die Stromregelung ungenau macht. Es wird stets empfohlen, einen Transistor (z.B. NPN-BJT oder N-Kanal-MOSFET) als Schalter zu verwenden, der vom Mikrocontroller-Pin angesteuert wird, um den LED-Strom unabhängig zu regeln.

8.3 Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung?

Wie in Abb. 4 gezeigt, nimmt die relative Strahlstärke mit steigender Umgebungstemperatur ab. Bei +85°C kann die Ausgangsleistung nur noch 60-80% ihres Wertes bei 25°C betragen. Umgekehrt kann die Ausgangsleistung bei sehr niedrigen Temperaturen höher sein. Dies muss in die Systemempfindlichkeitsberechnungen einfließen, insbesondere für Outdoor- oder Hochzuverlässigkeitsanwendungen. Die Durchlassspannung (V_F) hat ebenfalls einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass sie mit steigender Temperatur leicht abnimmt.

8.4 Was ist der Unterschied zwischen Aperturbestrahlungsstärke und Strahlstärke?

Strahlstärke (I_E, mW/sr)ist ein winkelmäßiges Maß für Leistung – sie beschreibt, wie viel Leistung in eine bestimmte Richtung (pro Steradiant) emittiert wird. Sie ist unabhängig von der Entfernung.Aperturbestrahlungsstärke (E_e, mW/cm²)ist ein flächenbezogenes Maß für die Leistungsdichte – sie beschreibt, wie viel Leistung pro Flächeneinheit an der Apertur der Quelle ankommt. E_eist relevanter für Anwendungen mit sehr kurzer Reichweite, bei denen der Detektor im Wesentlichen an der Emitteroberfläche ist, während I_Emit dem Abstandsgesetz verwendet wird, um die Bestrahlungsstärke in der Entfernung zu berechnen.

9. Design- & Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf eines Papierblattzählers für einen Drucker.

Ein optischer Unterbrechersensor wird benötigt, um Papierblätter zu zählen, die durch einen Druckermechanismus laufen. Eine U-förmige Halterung hält den IR-Emitter auf einer Seite und einen abgestimmten Fototransistor auf der anderen Seite. Wenn kein Papier vorhanden ist, trifft IR-Licht vom Emitter direkt auf den Detektor und lässt ihn leiten. Wenn ein Papierblatt durch den Spalt läuft, blockiert es den IR-Strahl, wodurch die Leitung des Detektors abfällt.

Begründung der Bauteilauswahl:

• Dieser IR-Emitter wurde aufgrund seinerhohen Strahlstärke (4,81 mW/sr min)gewählt, die ein starkes Signal zum Detektor gewährleistet, selbst wenn die Halterungsausrichtung nicht perfekt ist oder sich Staub ansammelt.
• Derbreite 40° Abstrahlwinkelist vorteilhaft, da er Toleranz für geringfügige mechanische Fehlausrichtungen zwischen Emitter und Detektor bietet, die in den separaten Armen der U-Halterung untergebracht sind.
• Seinespektrale Abstimmung auf den LTR-3208-Fototransistorgarantiert, dass der Detektor bei der emittierten Wellenlänge von 880 nm am empfindlichsten ist, was das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert.
• Dasklare Gehäuseist ideal, da es das IR-Licht nicht unnötig abschwächt.

Schaltungsimplementierung:Der Emitter wird von einer konstanten 20mA-Stromquelle für eine konsistente Ausgangsleistung angesteuert. Der Fototransistor ist in einer Emitterschaltung mit einem Pull-up-Widerstand geschaltet. Ein Komparator oder ein Mikrocontroller-ADC-Pin überwacht die Spannung am Kollektor des Fototransistors. Ein vorbeilaufendes Papierblatt verursacht einen deutlichen Spannungsübergang, der von der Firmware des Mikrocontrollers gezählt wird.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiter-p-n-Übergangsdiode. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, die das eingebaute Potenzial des Übergangs überschreitet, werden Elektronen aus dem n-Bereich über den Übergang in den p-Bereich injiziert und Löcher aus dem p-Bereich in den n-Bereich. Diese injizierten Minoritätsträger (Elektronen im p-Bereich, Löcher im n-Bereich) rekombinieren mit den Majoritätsträgern. In einem direkten Bandlücken-Halbleitermaterial wie Galliumarsenid (GaAs) oder ähnlichen Verbindungen, die für die IR-Emission verwendet werden, ist ein signifikanter Teil dieser Rekombinationenstrahlend.

Während der strahlenden Rekombination wird die Energie des rekombinierenden Elektron-Loch-Paares in Form eines Photons freigesetzt. Die Wellenlänge (λ) dieses Photons wird durch die Bandlückenenergie (E_g) des Halbleitermaterials bestimmt, gemäß der Gleichung λ = hc / E_g, wobei h die Plancksche Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Für eine Emissionsspitze bei 880 nm beträgt die entsprechende Bandlückenenergie etwa 1,41 eV. Das klare Epoxidharzgehäuse verkapselt den Halbleiterchip, bietet mechanischen Schutz und wirkt als Linse, um das Abstrahlmuster des emittierten Lichts zu formen.

11. Technologietrends

Während das Grundprinzip von IR-LEDs stabil bleibt, beeinflussen mehrere Trends ihre Entwicklung und Anwendung:

• Erhöhte Leistung & Effizienz:Fortschritte in der Materialwissenschaft und Chipdesign führen zu Bauteilen mit höherer Strahlstärke und Wandsteckereffizienz (optische Leistung aus / elektrische Leistung ein), was hellere Signale oder geringeren Stromverbrauch ermöglicht.
• Miniaturisierung:Es gibt einen starken Trend zu oberflächenmontierbaren (SMD) Gehäusen (z.B. 0805, 0603, Chip-Scale) für automatisierte Montage, was Größe und Kosten reduziert. Das Durchsteck-5mm-Gehäuse bleibt für Prototyping, Bildungszwecke und Anwendungen, die eine höhere Einzelbauteilleistung oder einfachere manuelle Montage erfordern, beliebt.
• Wellenlängenspezialisierung:Über die üblichen 850-940 nm LEDs hinaus gibt es eine zunehmende Verwendung spezifischer Wellenlängen für spezialisierte Anwendungen, wie z.B. 810nm für medizinische Pulsoximetrie oder 1450nm für augensicheres LiDAR.
• Integration:Emitter werden zunehmend mit Treibern, Modulatoren und manchmal sogar Detektoren in einzelne Module oder ICs integriert, was das Systemdesign für Datenkommunikation und Sensorik vereinfacht.
• Anwendungserweiterung:Die Verbreitung des Internet der Dinge (IoT), tragbarer Geräte, automobiler LiDAR-Systeme und fortschrittlicher biometrischer Sensorik (z.B. Gesichtserkennung, Venenerkennung) treibt weiterhin die Nachfrage nach zuverlässigen, kostengünstigen IR-Emittern mit spezifischen Leistungsmerkmalen an.