IR-Emitter und -Detektor LTE-R38386AS-S Datenblatt - 850nm Wellenlänge - 3,6W Leistung - 3,1V Durchlassspannung - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Dieses Dokument beschreibt detailliert die Spezifikationen einer diskreten Infrarot (IR)-Komponente, die für Anwendungen entwickelt wurde, die eine zuverlässige Lichtquelle und Erfassungsfähigkeit erfordern. Das Bauteil integriert einen Infrarot-Emitter und -Detektor und arbeitet mit einer Spitzenwellenlänge von 850 Nanometern. Es ist für Hochleistungsanwendungen konzipiert, die eine robuste Ausgangsleistung und konsistenten Betrieb erfordern.

Der Kernvorteil dieser Komponente liegt in der Kombination eines leistungsstarken Infrarot-Emitters mit einem kompatiblen Detektor in einem einzigen Gehäuse. Diese Integration vereinfacht das Design für reflektierende oder Näherungserkennungsanwendungen. Der Emitter zeichnet sich durch hohe Strahlungsintensität und einen weiten Abstrahlwinkel aus, während der Detektor die notwendige Empfindlichkeit für den Signalempfang bietet. Das Produkt entspricht den Umweltvorschriften und ist ein RoHS- und Green Product.

Der Zielmarkt umfasst Anwendungen in Fernbedienungssystemen, Kurzstrecken-Datenfunkübertragung, Sicherheits- und Alarmsystemen sowie verschiedenen Formen der industriellen oder konsumentenelektronischen Sensorik, bei denen Infrarottechnologie bevorzugt wird.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen ist nicht garantiert und sollte für eine zuverlässige Langzeitleistung vermieden werden.

• Verlustleistung (Pd):3,6 Watt. Dies ist die maximale Leistung, die das Bauteil bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C als Wärme abführen kann. Eine Überschreitung führt zu einem übermäßigen Anstieg der Sperrschichttemperatur.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):5 Ampere. Dies ist der maximal zulässige Strom unter Impulsbedingungen (300 Impulse pro Sekunde, 10μs Impulsbreite). Er liegt deutlich über dem DC-Nennwert und nutzt die transiente Wärmekapazität des Bauteils.
• DC-Durchlassstrom (I_F):1 Ampere. Der maximale kontinuierliche Durchlassstrom, den der Emitter verarbeiten kann.
• Sperrspannung (V_R):5 Volt. Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann den Halbleiterübergang durchschlagen.
• Wärmewiderstand (R_θJ):9 K/W. Dieser Parameter gibt an, wie effektiv Wärme vom Halbleiterübergang zur Umgebung abgeführt wird. Ein niedrigerer Wert bedeutet eine bessere Wärmeableitung.
• Betriebstemperaturbereich:-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, in dem das Bauteil spezifikationsgemäß korrekt arbeitet.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C.
• Infrarot-Lötbedingung:Das Gehäuse hält eine maximale Reflow-Temperatur von 260°C für maximal 10 Sekunden aus.

2.2 Elektrische und optische Eigenschaften

Diese Parameter werden unter Standard-Testbedingungen (Ta=25°C) gemessen und repräsentieren die typische Leistung des Bauteils.

• Strahlungsintensität (I_E):630 mW/sr (typisch) bei I_F=1A. Dies misst die optische Leistung pro Raumwinkeleinheit entlang der Mittelachse und gibt die Helligkeit der Quelle an.
• Gesamter Strahlungsfluss (Φ_e):1340 mW (typisch) bei I_F=1A. Dies ist die gesamte in alle Richtungen abgegebene optische Leistung.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_P):850 nm (typisch). Die Wellenlänge, bei der die optische Ausgangsleistung maximal ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (typisch). Die Breite des Emissionsspektrums bei halber maximaler Intensität, ein Indikator für die spektrale Reinheit.
• Durchlassspannung (V_F):3,1 V (typisch), mit einem Bereich von 2,5V bis 3,6V bei I_F=1A. Der Spannungsabfall über dem Bauteil beim Führen des spezifizierten Stroms.
• Sperrstrom (I_R):10 μA (maximal) bei V_R=5V. Der geringe Leckstrom, wenn das Bauteil in Sperrrichtung vorgespannt ist.
• Anstiegs-/Abfallzeit (t_r/t_f):30 ns (typisch). Die Zeit, die der optische Ausgang benötigt, um von 10% auf 90% seines Maximalwerts anzusteigen (oder von 90% auf 10% abzufallen). Dies bestimmt die maximale Modulationsgeschwindigkeit.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):90 Grad (typisch). Der volle Winkel, bei dem die Strahlungsintensität halb so groß ist wie im Zentrum (0°). Ein großer Winkel ist vorteilhaft für Anwendungen mit breiter Abdeckung.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter verschiedenen Bedingungen entscheidend sind.

3.1 Spektrale Verteilung

Die spektrale Verteilungskurve zeigt die relative Strahlungsintensität als Funktion der Wellenlänge. Bei diesem Bauteil liegt das Maximum bei 850nm mit einer typischen Halbwertsbreite von 50nm. Diese Eigenschaft ist wichtig für die Abstimmung auf die spektrale Empfindlichkeit des gekoppelten Detektors oder um die Kompatibilität mit optischen Filtern im System sicherzustellen.

3.2 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Diese Entlastungskurve zeigt, wie der maximal zulässige DC-Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Um ein Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur zu verhindern, muss der Treiberstrom in Hochtemperaturumgebungen reduziert werden. Die Kurve zeigt typischerweise einen linearen Abfall vom Nennstrom bei 25°C auf null bei der maximalen Sperrschichttemperatur.

3.3 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung

Die I-V-Kurve zeigt die exponentielle Beziehung zwischen Durchlassstrom und Durchlassspannung. Der typische V_F-Wert von 3,1V bei 1A ist ein Schlüsselparameter für die Gestaltung der Treiberschaltung und die Berechnung der Verlustleistung (P_d= V_F* I_F).

3.4 Relative Strahlungsintensität vs. Durchlassstrom und Temperatur

Diese Kurven zeigen, wie sich die optische Ausgangsleistung mit dem Treiberstrom und der Umgebungstemperatur ändert. Die Ausgangsleistung steigt typischerweise bis zu einem gewissen Punkt linear mit dem Strom an, aber die Effizienz kann bei sehr hohen Strömen aufgrund von Erwärmung sinken. Die Ausgangsleistung nimmt auch mit steigender Temperatur aufgrund der reduzierten internen Quanteneffizienz ab.

3.5 Strahlungsdiagramm

Das polare Strahlungsdiagramm stellt den Abstrahlwinkel visuell dar. Das Diagramm bestätigt den 90-Grad-Halbwinkel und zeigt die relative Intensität bei verschiedenen Achsabweichungen. Dies ist entscheidend für den Entwurf der Optik und die Ausrichtung von Emitter und Detektor in einem System.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Abmessungen

Das Bauteil wird in einem Oberflächenmontagegehäuse geliefert. Die Umrisszeichnung gibt alle kritischen physikalischen Abmessungen an, einschließlich Länge, Breite, Höhe, Anschlussabstand und Position des optischen Fensters. Toleranzen betragen typischerweise ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben. Es ist wichtig, diese Zeichnung für das PCB-Footprint-Design zu verwenden.

4.2 Empfohlene Lötpad-Abmessungen

Ein empfohlenes Land Pattern (Footprint) für die Leiterplatte wird bereitgestellt. Dies umfasst die Pad-Größe, -Form und -Abstände, um zuverlässige Lötstellen während des Reflow-Lötens zu gewährleisten und ausreichende mechanische Festigkeit zu bieten. Die Befolgung dieser Empfehlungen hilft, Tombstoning und schlechte Lötverbindungen zu verhindern.

4.3 Polaritätskennzeichnung

Die Kathode ist in der Gehäusezeichnung deutlich markiert. Während der Montage muss die korrekte Polarität beachtet werden, um Schäden am Bauteil zu vermeiden. Die gelieferte Band- und Spulenverpackung gewährleistet ebenfalls eine konsistente Ausrichtung für die automatisierte Bestückung.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Lagerbedingungen

Das Bauteil ist feuchtigkeitsempfindlich. Ungeöffnete Verpackungen sollten bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden, mit einer empfohlenen Verwendungsdauer von einem Jahr. Sobald die feuchtigkeitsdichte Verpackung geöffnet ist, sollten die Bauteile bei ≤30°C und ≤60% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden. Wenn sie länger als eine Woche der Umgebungsluft ausgesetzt waren, ist vor dem Löten ein Ausheizen bei etwa 60°C für mindestens 20 Stunden erforderlich, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und "Popcorning" während des Reflow zu verhindern.

5.2 Reflow-Lötprofil

Ein JEDEC-konformes Reflow-Profil wird empfohlen. Wichtige Parameter sind:

• Vorwärmen:150–200°C für maximal 120 Sekunden, um die Platine allmählich zu erwärmen und das Flussmittel zu aktivieren.
• Spitzentemperatur:Maximal 260°C. Die Zeit über 260°C sollte minimiert werden.
• Zeit bei Spitzentemperatur:Maximal 10 Sekunden. Das Bauteil kann dieses Profil maximal zweimal überstehen.

Das spezifische Profil muss für das tatsächliche PCB-Design, die verwendete Lötpaste und den Ofen charakterisiert werden.

5.3 Handlötung

Falls Handlötung erforderlich ist, sollte die Lötspitzentemperatur 300°C nicht überschreiten und die Kontaktzeit auf 3 Sekunden pro Lötstelle begrenzt werden. Dies sollte nur einmal durchgeführt werden.

5.4 Reinigung

Falls eine Nachlötreinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Scharfe oder aggressive chemische Reinigungsmittel sollten vermieden werden.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Band- und Spulen-Spezifikationen

Die Bauteile werden auf geprägter Trägerbandfolie geliefert, die auf 7-Zoll-Spulen aufgewickelt ist. Jede Spule enthält 600 Stück. Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA 481-1-A-1994-Standards. Das Band hat einen Deckverschluss zum Schutz der Bauteile, und die Spezifikationen erlauben maximal zwei aufeinanderfolgende fehlende Bauteile in einer Spule.

6.2 Artikelnummer

Die Basis-Artikelnummer ist LTE-R38386AS-S. Diese Nummer sollte für Bestellung und Identifikation verwendet werden.

7. Anwendungsvorschläge und Design-Überlegungen

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Das Bauteil ist für gewöhnliche elektronische Geräte vorgesehen. Für den Antrieb des Emitters handelt es sich um ein stromgesteuertes Bauteil.Schaltungsmodell (A)wird dringend empfohlen: Ein strombegrenzender Widerstand sollte in Reihe mit jeder LED geschaltet werden, wenn mehrere Bauteile parallel geschaltet sind. Dies gewährleistet Intensitätsgleichmäßigkeit, indem natürliche Schwankungen der Durchlassspannung (V_F) zwischen einzelnen LEDs ausgeglichen werden.Schaltungsmodell (B), bei dem LEDs direkt parallel ohne individuelle Widerstände geschaltet sind, wird nicht empfohlen, da dies zu erheblichen Helligkeitsunterschieden und potenziellem Strom-Hogging durch die LED mit der niedrigsten V_F.

führen kann.

• 7.2 Design-ÜberlegungenWärmemanagement:
• Bei einer Verlustleistung von bis zu 3,6W ist ein ordnungsgemäßes thermisches Design auf der Leiterplatte entscheidend. Verwenden Sie ausreichende Kupferflächen (Thermal Pads), die mit den Anschlüssen des Bauteils verbunden sind, um Wärme von der Sperrschicht abzuleiten.Treiberstromauswahl:
• Wählen Sie den Betriebsstrom basierend auf der erforderlichen Strahlungsintensität und der thermischen Entlastung für die maximale Umgebungstemperatur der Anwendung. Überschreiten Sie nicht den absoluten maximalen DC-Strom von 1A.Optische Ausrichtung:
• Für reflektierende Erfassungsanwendungen, die sowohl Emitter als auch Detektor verwenden, ist ein sorgfältiges mechanisches Design erforderlich, um das Sichtfeld des Detektors mit dem beleuchteten Bereich des Emitters auszurichten.Elektrisches Rauschen:

Für die Detektorseite ist das Potenzial für Umgebungslichtrauschen zu berücksichtigen. Das Datenblatt erwähnt, dass Fotodioden/-transistoren zu diesem Zweck mit Filtern ausgestattet werden können, obwohl nicht spezifiziert ist, ob dieser spezielle Detektor einen enthält.

7.3 Anwendungsbeschränkungen

Das Bauteil ist nicht für Anwendungen konzipiert, bei denen ein Ausfall Leben oder Gesundheit gefährden könnte, wie z.B. Luftfahrt, Verkehrssteuerung, Medizin oder kritische Sicherheitssysteme. Für solche Anwendungen ist vor der Integration eine Konsultation mit dem Hersteller erforderlich.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

• Obwohl in diesem Datenblatt kein direkter Vergleich mit anderen Artikelnummern gegeben wird, können folgende wichtige Unterscheidungsmerkmale dieser Komponente abgeleitet werden:Integrierte Lösung:
• Kombiniert Emitter und Detektor, reduziert die Bauteilanzahl und vereinfacht die optische Ausrichtung im Vergleich zum Bezug separater Komponenten.Hohe Leistung:
• Die Strahlungsintensität von 630 mW/sr und die Verlustleistungsbewertung von 3,6W deuten auf ein Hochleistungsbauteil hin, das für Anwendungen mit größerer Reichweite oder stärkerem Signal geeignet ist.Hohe Geschwindigkeit:
• Die Anstiegs-/Abfallzeit von 30 ns ermöglicht eine Hochfrequenzmodulation für schnelle Datenübertragung oder gepulsten Betrieb.Weiter Abstrahlwinkel:

Der 90-Grad-Halbwinkel bietet eine breite Abdeckung, was bei Näherungserkennung oder Anwendungen, bei denen die Ausrichtung weniger kritisch ist, nützlich ist.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diese LED kontinuierlich mit 1A betreiben?

A: Ja, aber nur, wenn die Umgebungstemperatur 25°C oder niedriger ist und Sie eine ausreichende Wärmeableitung implementiert haben, um die Sperrschichttemperatur innerhalb der Grenzen zu halten. Bei höheren Umgebungstemperaturen muss der Strom gemäß der bereitgestellten Kurve entlastet werden.

F: Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsintensität und Gesamtstrahlungsfluss?

A: Strahlungsintensität (mW/sr) misst die Leistung pro Raumwinkel in einer bestimmten Richtung (typischerweise auf der Achse). Gesamtstrahlungsfluss (mW) misst die Summe der in alle Richtungen abgegebenen optischen Leistung. Ersteres ist für fokussierte Anwendungen relevant, letzteres für die gesamte Lichtausbeute.

F: Warum ist ein Reihenwiderstand für jede parallel geschaltete LED notwendig?_FA: LEDs haben einen negativen Temperaturkoeffizienten für V_Fund Fertigungstoleranzen. Ohne individuelle Widerstände zieht die LED mit der etwas niedrigeren V

unverhältnismäßig mehr Strom, was zu ungleichmäßiger Helligkeit und potenziellem thermischen Durchgehen in diesem Bauteil führt.

F: Wie interpretiere ich die Lötbedingung 260°C für 10 Sekunden?

A: Dies bedeutet, dass das Bauteilgehäuse die hohen Temperaturen des bleifreien Reflow-Lötens überstehen kann. Ihr Ofenprofil sollte so gestaltet sein, dass die Bauteiltemperatur 260°C nicht überschreitet und die Zeit innerhalb weniger Grad dieses Spitzenwerts weniger als 10 Sekunden beträgt.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Design-Fallstudie: Näherungssensor für einen automatischen Wasserhahn

In dieser Anwendung sind Emitter und Detektor nebeneinander hinter einem wasserdichten Fenster montiert. Der Emitter sendet ständig einen 850nm-Infrarotstrahl aus. Wenn eine Hand unter den Wasserhahn gehalten wird, reflektiert das Infrarotlicht von der Hand zurück zum Detektor. Der Mikrocontroller, der den Ausgang des Detektors überwacht, erkennt einen signifikanten Anstieg des Signals und löst die Öffnung des Wasserventils aus.

1. Design-Schritte:Treiber-Schaltung:

2. Verwenden Sie Schaltungsmodell (A). Eine Konstantstromquelle oder eine Spannungsquelle mit einem Reihenwiderstand setzt den Emitterstrom auf z.B. 500mA, um ein starkes Signal zu liefern und dabei deutlich innerhalb der Grenzen zu bleiben.Detektor-Schnittstelle:

3. Der Fotodetektor (wahrscheinlich ein Fototransistor in diesem Gehäuse) wird in einer Emitterschaltung mit einem Pull-up-Widerstand geschaltet. Die Spannung am Kollektor sinkt, wenn IR-Licht erfasst wird.PCB-Layout:

4. Befolgen Sie das empfohlene Pad-Layout. Integrieren Sie eine großzügige Kupferfläche, die mit den Masseanschlüssen des Bauteils verbunden ist, zur Wärmeableitung. Halten Sie analoge Erfassungsleitungen von verrauschten digitalen Leitungen fern.Optik/Mechanik:

5. Gestalten Sie das Gehäuse so, dass sich der 90-Grad-Kegel des Emitters und das Sichtfeld des Detektors im gewünschten Erfassungsbereich (z.B. 5-15cm vom Wasserhahnkopf entfernt) überlappen.Software:

Implementieren Sie Filterung im Mikrocontroller, um das reflektierte Signal von Umgebungs-IR-Rauschen (z.B. von Sonnenlicht oder Heizungen) zu unterscheiden.

11. Funktionsprinzip

Das Bauteil enthält zwei Hauptelemente:Infrarot-Emitter (IRED):

Dies ist typischerweise eine Galliumarsenid (GaAs)- oder Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)-Halbleiterdiode. Bei Durchlassvorspannung rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die Materialzusammensetzung (AlGaAs) ist so ausgelegt, dass Photonen mit einer Wellenlänge um 850nm erzeugt werden, die im nahen Infrarotspektrum liegt und für das menschliche Auge unsichtbar ist.Infrarot-Detektor:

Dies ist eine Fotodiode oder ein Fototransistor aus Silizium oder anderen halbleitenden Materialien, die für Infrarotlicht empfindlich sind. Wenn Photonen mit ausreichender Energie auf den aktiven Bereich des Detektors treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. In einer Fotodiode erzeugt dies bei Sperrvorspannung einen Fotostrom, der proportional zur Lichtintensität ist. In einem Fototransistor wirkt der Fotostrom als Basisstrom und verursacht einen viel größeren Kollektorstrom, was eine interne Verstärkung bietet.

12. Technologietrends

Infrarotkomponenten entwickeln sich in mehreren für diese Produktkategorie relevanten Richtungen weiter:Erhöhte Effizienz:

Laufende Materialforschungen zielen darauf ab, die Wandsteckereffizienz (optische Leistung aus / elektrische Leistung ein) von IREDs zu verbessern, wodurch bei gleicher optischer Ausgangsleistung die Wärmeentwicklung und der Stromverbrauch reduziert werden.Höhere Geschwindigkeit:

Die Nachfrage nach schnellerer Datenübertragung in der Unterhaltungselektronik (z.B. IR-Datenassoziation-Protokolle) treibt die Entwicklung von Bauteilen mit noch kürzeren Anstiegs-/Abfallzeiten voran, was eine höhere Bandbreitenkommunikation ermöglicht.Miniaturisierung:

Der Trend zu kleineren elektronischen Geräten treibt die Entwicklung von Komponenten mit immer kleineren Gehäusefootprints bei gleichbleibender oder verbesserter Leistung voran.Integration: