IR-Emitter und -Detektor LTE-C216-P-W Datenblatt - 1206-Gehäuse (3,2x1,6x1,1mm) - Spitzenwellenlänge 850nm - Durchlassspannung 1,4V - Verlustleistung 100mW - Englisch Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt im Detail die Spezifikationen einer diskreten Infrarot (IR)-Emitter- und Detektorkomponente. Diese Komponente ist für Anwendungen konzipiert, die eine zuverlässige Infrarotsignalübertragung und -empfang erfordern. Sie vereint eine Infrarot-Emissionsdiode (IRED) und ein Sensorelement in einem einzigen, kompakten oberflächenmontierbaren Gehäuse. Die Kerntechnologie basiert auf Galliumarsenid (GaAs)- und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)-Materialien, die für den Betrieb bei einer Spitzenwellenlänge von 850 Nanometern optimiert sind. Diese Wellenlänge wird aufgrund ihrer guten Balance zwischen Leistung und Bauteilverfügbarkeit häufig in der Unterhaltungselektronik und Datenübertragung eingesetzt.

Die primären Designziele sind die Bereitstellung einer Lösung mit hoher Strahlungsintensität, guten Geschwindigkeitseigenschaften und einem weiten Blickwinkel, um die Ausrichtung und Signalerfassung zu erleichtern. Die Komponente ist in einem standardmäßigen 1206-Gehäuse untergebracht, was sie mit automatisierten Bestückungsanlagen und Standard-Infrarot-Reflow-Lötverfahren kompatibel macht. Sie wird als RoHS-konformes und "Green"-Produkt eingestuft.

1.1 Wichtige Merkmale und Anwendungen

Das Gerät verfügt über mehrere Schlüsselmerkmale, die es für die moderne Elektronikfertigung geeignet machen:

• Einhaltung der RoHS- und Green Product-Standards.
• Verpackt in 8mm-Trägerband auf 7-Zoll-Spulen für die automatisierte Montage.
• Kompatibel mit automatischen Bestückungsgeräten.
• Konzipiert, um standardmäßigen Infrarot-Reflow-Lötprofilen standzuhalten.
• Entspricht den EIA-Standardgehäuseabmessungen.
• Emittiert bei einer Spitzenwellenlänge (λp) von 850 nm.
• Verwendet den gängigen 1206-Oberflächenmontagebauteil (SMD)-Gehäusetyp.

Typische Anwendungen für dieses Bauteil umfassen, sind aber nicht beschränkt auf:

• Infrarot-Emitter für Fernbedienungen (z. B. für Fernseher, Audiosysteme).
• PCB-montierter Infrarotsensor für Näherungserkennung, Objekterfassung oder Datenempfang.
• Infrarot-Drahtlos-Datenübertragungsstrecken für die Kurzstreckenkommunikation.
• Sicherheitsalarmanlagen, die IR-Strahlen nutzen.

2. Detaillierte technische Spezifikationen

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Analyse der elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften des Geräts. Alle Parameter sind bei einer Umgebungstemperatur (TA) von 25°C angegeben, sofern nicht anders vermerkt.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Gerät auftreten können. Ein Betrieb unter oder bei diesen Bedingungen ist nicht garantiert und sollte in zuverlässigen Designs vermieden werden.

• Leistungsverlust (Pd): 100 mW. Dies ist die maximale Gesamtleistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann.
• Spitzenstrom in Durchlassrichtung (IFP): 800 mA. Dies ist der maximal zulässige Impulsstrom, spezifiziert unter den Bedingungen von 300 Impulsen pro Sekunde mit einer Impulsbreite von 10 Mikrosekunden.
• Gleichstrom in Durchlassrichtung (IF): 60 mA. Dies ist der maximale Dauerstrom in Durchlassrichtung für den stationären Betrieb.
• Sperrspannung (VR): 5 V. Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die IRED angelegt werden darf.
• Betriebstemperaturbereich: -40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, in dem das Gerät funktionieren soll.
• Lagertemperaturbereich: -55°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Infrarot-Lötbedingung: Maximal 260°C für 10 Sekunden. Dies definiert die maximale Spitzentemperatur für bleifreie Lötprozesse.

2.2 Elektrische und optische Eigenschaften

Dies sind die typischen Leistungsparameter unter normalen Betriebsbedingungen. Entwickler sollten die typischen (Typ.) oder maximalen (Max.) Werte entsprechend für ihre Schaltungsberechnungen verwenden.

• Strahlstärke (IE): 3,0 mW/sr (typ.) bei einem Durchlassstrom (IF) von 20mA. Dies misst die pro Raumwinkeleinheit entlang der Achse abgegebene optische Leistung.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λPeak): 850 nm (typ.). Die Wellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung maximal ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ): 50 nm (typ.). Der Wellenlängenbereich, über den die abgegebene Leistung mindestens die Hälfte der Spitzenleistung beträgt; ein Indikator für die spektrale Reinheit.
• Durchlassspannung (VF): 1,4 V (typ.), 1,8 V (max.) bei IF=20mA. Der Spannungsabfall über der IRED im leitenden Zustand.
• Sperrstrom (IR): 10 μA (Max.) bei einer Sperrspannung (VR) von 5V. Der geringe Leckstrom, wenn das Bauteil in Sperrrichtung betrieben wird.
• Anstiegs-/Abfallzeit (Tr/Tf): 20 nS (Typ.). Die Zeit, die der optische Ausgang benötigt, um von 10% auf 90% seines Endwerts anzusteigen (oder von 90% auf 10% abzufallen). Sie gibt die Schaltgeschwindigkeit an.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2): 100 Grad (Typ.). Der volle Winkel, bei dem die Strahlungsintensität die Hälfte der Intensität auf der Achse beträgt. Ein größerer Winkel macht die Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger weniger kritisch.

3. Analyse der Leistungskurve

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter verschiedenen Bedingungen wesentlich sind. Diese Graphen ermöglichen es Entwicklern, die Leistung über die Ein-Punkt-Spezifikationen hinaus zu extrapolieren.

3.1 Spektrale Verteilung

Die Kurve der spektralen Verteilung zeigt die relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Bei diesem Bauteil ist die Kurve um 850nm zentriert, mit der definierten Halbwertsbreite von 50nm. Diese Information ist entscheidend für die Auswahl kompatibler optischer Filter auf der Detektorseite, um Umgebungslichtrauschen zu unterdrücken.

3.2 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (I-V-Kennlinie)

Diese Kurve veranschaulicht die nichtlineare Beziehung zwischen dem Strom durch die IRED und der Spannung an ihr. Sie zeigt die typische Einschaltspannung und wie VF mit IF ansteigt. Entwickler nutzen dies, um den notwendigen Vorwiderstandswert zur Strombegrenzung bei Ansteuerung aus einer Spannungsquelle zu berechnen.

3.3 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Dieses Diagramm zeigt, wie der maximal zulässige Gleich-Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, muss der Betriebsstrom bei höheren Temperaturen reduziert werden, um die Sperrschichttemperatur und die Verlustleistung innerhalb sicherer Grenzen zu halten.

3.4 Relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt die Abhängigkeit der optischen Ausgangsleistung von der Temperatur. Typischerweise nimmt die Strahlungsintensität mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Diese Eigenschaft muss in Anwendungen berücksichtigt werden, die eine stabile optische Ausgangsleistung über einen weiten Temperaturbereich erfordern.

3.5 Relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit vom Durchlassstrom

Dies ist eine wichtige Kurve, die die optische Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom Treiberstrom zeigt. Sie ist über einen weiten Bereich im Allgemeinen linear, kann aber bei sehr hohen Strömen in Sättigung gehen. Entwickler nutzen diese Kurve, um den erforderlichen Treiberstrom für eine bestimmte Signalstärke zu bestimmen.

3.6 Strahlungsdiagramm

Ein Polardiagramm, das die räumliche Verteilung des emittierten Lichts darstellt. Das Diagramm bestätigt den weiten Betrachtungswinkel von 100 Grad und zeigt, wie die Intensität bei Winkeln abseits der Mittelachse abnimmt. Dieses Diagramm ist entscheidend für den Entwurf des Strahlengangs und die Ausrichtung in einem System.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Abmessungen und Gehäuse

Das Bauteil verwendet ein standardmäßiges 1206 SMD-Gehäuse. Zu den Hauptabmessungen gehören eine Bauteillänge von ca. 3,2 mm, eine Breite von 1,6 mm und eine Höhe von 1,1 mm. Das Datenblatt enthält eine detaillierte Maßzeichnung mit Toleranzen, die typischerweise bei ±0,1 mm liegen. Die Kathode ist typischerweise durch eine Markierung oder eine spezifische Pads-Geometrie gekennzeichnet.

4.2 Vorgeschlagenes Lötpad-Layout

Ein empfohlenes Landmuster (Footprint) für das PCB-Design wird bereitgestellt. Dies umfasst die Pad-Abmessungen, den Abstand und die Form, um eine zuverlässige Lötstelle während des Reflow-Lötens zu gewährleisten und gleichzeitig das Risiko von Tombstoning oder Lötbrücken zu minimieren. Die Einhaltung dieser Empfehlungen ist wichtig für die Fertigungsausbeute.

4.3 Tape-and-Reel-Verpackungsspezifikationen

Die Bauteile werden in geprägter Trägerbandverpackung auf Spulen mit einem Durchmesser von 7 Zoll (178 mm) geliefert. Wichtige Bandabmessungen sind Taschenteilung, Taschengröße und Bandbreite. Jede Spule enthält 3000 Stück. Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA 481-1-A-1994-Standards und gewährleistet die Kompatibilität mit Standard-Automatikzuführungen.

5. Montage-, Handhabungs- und Anwendungsrichtlinien

5.1 Löt- und Reflow-Prozess

Das Bauteil ist mit Infrarot-Reflow-Lötverfahren kompatibel. Ein detailliertes Reflow-Temperaturprofil wird vorgeschlagen, das den JEDEC-Standards für bleifreie Montage entspricht. Zu den wichtigsten Parametern gehören:

• Vorwärmen: 150-200°C für maximal 120 Sekunden.
• Spitzentemperatur: Maximal 260°C.
• Zeit über Liquidus: Das Bauteil sollte Temperaturen über 260°C nicht länger als 10 Sekunden ausgesetzt werden, und das Reflow-Löten sollte nicht öfter als zweimal durchgeführt werden.

Für das Handlöten mit einem Lötkolben wird eine maximale Lötspitzentemperatur von 300°C für nicht mehr als 3 Sekunden pro Lötstelle empfohlen. Es wird betont, dass das optimale Profil vom konkreten PCB-Design, der Lotpaste und dem Ofen abhängt, daher ist eine Prozesscharakterisierung notwendig.

5.2 Lagerung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Die Bauteile sind feuchtigkeitsempfindlich. In der original versiegelten, feuchtigkeitsdichten Beutel mit Trockenmittel sollten sie bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit (RH) gelagert und innerhalb eines Jahres verwendet werden. Sobald der Beutel geöffnet ist, darf das Lagerumfeld 30°C / 60% RH nicht überschreiten. Aus der Originalverpackung entnommene Bauteile sollten innerhalb einer Woche reflow-gelötet werden. Für eine längere Lagerung außerhalb des Originalbeutels müssen sie in einem verschlossenen Behälter mit Trockenmittel oder in einem Stickstoff-Exsikkator aufbewahrt werden. Unverpackt länger als eine Woche gelagerte Bauteile erfordern vor dem Löten ein Trocknen (z.B. bei 60°C für 20 Stunden), um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und "Popcorning" während des Reflow-Lötens zu verhindern.

5.3 Reinigung

Falls nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol (IPA) verwendet werden. Scharfe oder aggressive chemische Reinigungsmittel sind zu vermeiden, da sie die Epoxidlinse des Gehäuses beschädigen können.

5.4 Ansteuerungsmethode und Schaltungsdesign

Ein wichtiger Entwurfshinweis ist, dass eine LED ein strombetriebenes Bauelement ist. Bei der Ansteuerung des IR-Emitters ist bei Verwendung einer Spannungsquelle ein Vorwiderstand in Reihe zwingend erforderlich. Dieser Widerstand legt den Betriebsstrom (IF) auf den gewünschten Wert fest, berechnet nach dem Ohmschen Gesetz: R = (Vcc - VF) / IF. Wenn mehrere Emitter parallel geschaltet werden, sollte für jedes Bauteil ein separater strombegrenzender Widerstand verwendet werden, um eine gleichmäßige Intensität zu gewährleisten, da die Durchlassspannung (VF) von Bauteil zu Bauteil leicht variieren kann.

5.5 Anwendungsvorsichtsmaßnahmen und Bestimmungsgemäßer Gebrauch

Das Bauteil ist für allgemeine elektronische Geräte bestimmt. Für Anwendungen, die außergewöhnliche Zuverlässigkeit erfordern, bei denen ein Ausfall Leben oder Gesundheit gefährden könnte (z. B. Luftfahrt, Medizin, Transportsicherheitssysteme), sind spezielle Beratung und Qualifizierung erforderlich, da diese über den Rahmen der in diesem Datenblatt angegebenen Standard-Spezifikationen für kommerzielle Geräte hinausgehen.

6. Technischer Vergleich und Entwurfsüberlegungen

Im Vergleich zu einfachen diskreten IREDs oder Fotodetektoren bietet dieses integrierte Sender-Empfänger-Paar in einem einzigen Gehäuse eine Designvereinfachung, indem es übereinstimmende optische Eigenschaften und enge räumliche Nähe gewährleistet, was für reflektive Erfassung von Vorteil sein kann. Die 850-nm-Wellenlänge ist für das menschliche Auge weniger sichtbar als 940 nm, was sie für Anwendungen geeignet macht, bei denen ein schwaches rotes Leuchten akzeptabel ist oder sogar als Statusanzeige dient. Der 100-Grad-Blickwinkel ist bemerkenswert weit und reduziert im Vergleich zu Geräten mit engerem Strahl die Anforderungen an die Ausrichtungspräzision.

Entwickler müssen den Kompromiss zwischen Treiberstrom, Strahlungsintensität und Bauteillebensdauer/Wärmeentwicklung sorgfältig abwägen. Der Betrieb bei oder nahe den absoluten Maximalwerten für Strom oder Temperatur beschleunigt die Alterung und verringert die Langzeitzuverlässigkeit. Ein angemessenes PCB-Layout für die Wärmeableitung wird empfohlen, insbesondere bei Betrieb mit hohen Tastverhältnissen oder erhöhten Umgebungstemperaturen.

7. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diesen IRED direkt von einem Mikrocontroller-GPIO-Pin ansteuern?
A: Nein. Ein Mikrocontroller-Pin kann typischerweise nicht sicher 20–60 mA liefern. Sie müssen den GPIO verwenden, um einen Transistor (z.B. MOSFET oder BJT) anzusteuern, der den höheren Strom von einer Stromversorgung schaltet, mit einem Vorwiderstand zur genauen Einstellung des Stroms.

F: Was ist der Unterschied zwischen Spitzenwellenlänge (λp) und dominanter Wellenlänge (λd)?
A> Peak wavelength is the point of maximum spectral power. Dominant wavelength is derived from color perception on a chromaticity diagram and represents a single wavelength that matches the perceived color. For monochromatic IR devices, they are often very close.

F: Wie greife ich auf die Detektorseite dieser Komponente zu?
A> The datasheet primarily details the Emitter characteristics. The Detektor (photodiode or phototransistor) will have its own set of parameters (dark current, responsivity, etc.) not fully listed here. Typically, the Detektor output is a small current proportional to received IR light, which is usually converted to a voltage using a transimpedance amplifier or a simple load resistor for digital threshold detection.

F: Warum ist die Lagerfeuchtigkeitsbedingung so wichtig?
A> SMD packages can absorb moisture through the plastic molding compound. During the high heat of reflow soldering, this trapped moisture can vaporize rapidly, creating internal pressure that can crack the package or delaminate internal bonds—a failure known as "popcorning." The storage and baking guidelines prevent this.

8. Praktisches Anwendungsbeispiel

Designfall: Einfacher Näherungs-/Hindernissensor
Eine häufige Anwendung ist ein Lichtschranken-Sensor. Der Emitter wird mit einem gepulsten Strom betrieben (z.B. 20mA-Impulse bei 38kHz), um sein Signal von Umgebungs-IR-Strahlung zu unterscheiden. Der Detektor, der in kurzer Entfernung platziert ist, empfängt dieses Signal. Wenn ein Objekt den Strahl unterbricht, fällt das empfangene Signal ab. Der Ausgang des Detektors wird an einen demodulierenden Empfänger-IC oder einen Mikrocontroller mit Filterlogik geleitet, um das Fehlen der Trägerfrequenz zu erkennen und einen Ausgang auszulösen. Der weite Blickwinkel vereinfacht die Ausrichtung von Emitter und Detektor auf gegenüberliegenden Seiten des zu überwachenden Weges.

9. Funktionsprinzip

Das Gerät arbeitet nach grundlegenden optoelektronischen Prinzipien. Der Emitter ist eine Infrarot-Emissionsdiode (IRED). Bei Vorwärtsspannung rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Halbleiters (GaAs/AlGaAs) und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die Bandlücke des Materials bestimmt die Photonenenergie und somit die Wellenlänge, die in diesem Fall 850nm beträgt. Der Detektor ist typischerweise eine Photodiode oder ein Phototransistor aus Silizium. Wenn Photonen mit ausreichender Energie (für Silizium typischerweise Wellenlängen bis ~1100nm) auf die Verarmungszone des Detektors treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Bei einer Photodiode erzeugt dies bei Sperrspannung einen Photostrom. Bei einem Phototransistor wirkt der Photostrom als Basisstrom und verursacht einen größeren Kollektorstrom, was eine interne Verstärkung bietet.

10. Technologietrends

Im Bereich diskreter Infrarotkomponenten umfassen die Trends die Entwicklung von Bauteilen mit höherer Leistungsabgabe für größere Reichweiten, verbesserter Geschwindigkeit für schnellere Datenübertragung und verbesserter spektraler Filterung, die in das Detektorgehäuse integriert ist, um ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis in Umgebungen mit starkem Umgebungslicht zu erreichen. Es gibt auch einen Trend zur Miniaturisierung über das 1206-Gehäuse hinaus (z.B. 0805, 0603), um Leiterplattenfläche zu sparen, allerdings oft auf Kosten der optischen Leistung oder des Blickwinkels. Das Streben nach höherer Zuverlässigkeit und Leistung in Automobil- und Industrieanwendungen treibt weiterhin die Entwicklung von Komponenten mit breiteren Betriebstemperaturbereichen und robusterer Gehäusetechnik voran.