LTE-3273DL IR-Emitter und -Detektor Datenblatt - 940nm Wellenlänge - 5mm Gehäuse - 1,6V Durchlassspannung - 150mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die LTE-3273DL ist ein diskretes Infrarotbauteil, das einen Sender und einen Empfänger integriert. Sie ist für Anwendungen konzipiert, die eine zuverlässige Infrarotsignalübertragung und -empfang erfordern. Der Kern des Bauteils basiert auf Galliumarsenid (GaAs)-Technologie, dem Standard für die effiziente Erzeugung von Infrarotlicht bei 940nm Wellenlänge. Diese Wellenlänge ist ideal für Unterhaltungselektronik, da sie für das menschliche Auge unsichtbar ist, aber von siliziumbasierten Fotodetektoren leicht erkannt werden kann, wodurch Störungen durch Umgebungslicht minimiert werden.

Die Hauptfunktion der Komponente ist der Einsatz als Sendeempfänger in einfachen IR-Datenverbindungen. Ihr Design legt Wert auf ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosteneffizienz, was sie für hochvolumige, kostenbewusste Anwendungen geeignet macht. Das blau-transparente Gehäuse hilft bei der Identifizierung des Bauteiltyps und lässt das 940nm IR-Licht mit minimaler Dämpfung passieren.

1.1 Merkmale

• Optimiert für hohen Strom, niedrige Durchlassspannung:Konzipiert für effizienten Betrieb bei höheren Treiberströmen bei gleichzeitig relativ niedrigem Spannungsabfall, was den Stromverbrauch in batteriebetriebenen Geräten reduziert.
• Pulsbetriebsfähigkeit:Kann hohe Spitzen-Durchlassströme (bis zu 2A) im Pulsmodus verarbeiten, was starke, kurzzeitige IR-Impulse ermöglicht, ideal für Fernbedienungsbefehle oder Datenübertragung.
• Großer Abstrahlwinkel (45° Halbwertswinkel):Bietet ein breites Abstrahl- und Empfangsmuster, macht die Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger weniger kritisch und erhöht die Systemrobustheit.
• Blaues transparentes Gehäuse:Das Gehäuse ist blau getönt und wirkt als Sichtlichtfilter, reduziert die Empfindlichkeit gegenüber Umgebungssichtlicht und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis für den IR-Detektor.

1.2 Anwendungen

• Infrarotsensoren:Verwendung in Annäherungssensoren, Objekterkennung und Linienfolgerobotern.
• Fernbedienungen:Standardbauteil in Fernbedienungen für TV, Audiosysteme und Set-Top-Boxen zur Befehlsübertragung.
• Einfache IR-Datenverbindungen:Für drahtlose Kurzstrecken-Kommunikation mit niedriger Geschwindigkeit zwischen Geräten.
• Sicherheitssysteme:Kann in Lichtschranken für Einbruchmeldeanlagen verwendet werden.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb bei oder nahe diesen Grenzen wird für längere Zeit nicht empfohlen.

• Verlustleistung (Pd): 150 mW:Die maximale Gesamtleistung (sowohl vom Sender- als auch vom Empfängerkreis), die vom Gehäuse bei einer Umgebungstemperatur (TA) von 25°C sicher als Wärme abgeführt werden kann. Eine Überschreitung kann zu Überhitzung und Ausfall führen.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP): 2 A:Der maximal zulässige Strom durch die IR-Senderdiode unter Pulsbedingungen (300 Pulse pro Sekunde, 10μs Pulsbreite). Ermöglicht hochintensive IR-Blitzlichter.
• Dauer-Durchlassstrom (I_F): 100 mA:Der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich durch den Sender fließen darf. Für den typischen Betrieb ist ein Treiberstrom von 20-50mA üblich.
• Sperrspannung (V_R): 5 V:Die maximale Sperrspannung, die an die Senderdiode angelegt werden kann, bevor ein Durchbruch auftritt. Dieser Wert ist relativ niedrig, daher muss darauf geachtet werden, eine Verpolung zu vermeiden.
• Betriebs- & Lagertemperatur:Spezifiziert von -40°C bis +85°C bzw. -55°C bis +100°C, was die Eignung für industrielle und konsumentenelektronische Umgebungen anzeigt.
• Lötstellentemperatur: 260°C für 5 Sekunden:Spezifiziert die Toleranz des Reflow-Lötprofils, entscheidend für die Leiterplattenbestückung ohne Beschädigung des Bauteils.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

Dies sind die garantierten Leistungsparameter unter spezifizierten Testbedingungen bei 25°C.

• Strahlungsstärke (I_E):Misst die optische Ausgangsleistung pro Raumwinkel (mW/sr). Bei I_F=20mA beträgt sie typisch 8,0 mW/sr (min 5,6). Bei I_F=100mA steigt sie auf 40,0 mW/sr (min 28,0). Dieser nichtlineare Anstieg zeigt eine höhere Effizienz bei höheren Strömen innerhalb der Grenzwerte.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_P): 940 nm:Die Wellenlänge, bei der der Sender die meiste optische Leistung abgibt. Sie entspricht der Spitzenempfindlichkeit von Silizium-Photodioden und liegt außerhalb des sichtbaren Spektrums.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ): 50 nm:Die Bandbreite des emittierten Lichts. Ein Wert von 50nm zeigt, dass das Licht nicht monochromatisch ist, sondern sich bei halber Spitzenintensität etwa von 915nm bis 965nm erstreckt.
• Durchlassspannung (V_F):Der Spannungsabfall über der Senderdiode im leitenden Zustand. Er beträgt typisch 1,6V bei 50mA und 2,3V bei 500mA. Dieser Parameter ist entscheidend für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung.
• Sperrstrom (I_R): 100 μA max:Der geringe Leckstrom, der fließt, wenn die Diode mit 5V in Sperrrichtung vorgespannt ist. Ein niedriger Wert ist wünschenswert.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2): 45°:Der volle Winkel, bei dem die Strahlungsstärke auf die Hälfte ihres Spitzenwertes abfällt. Dies definiert den Abstrahl-/Empfangskegel.

3. Kennliniendiagramm-Analyse

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die wichtige Zusammenhänge veranschaulichen. Diese sind wesentlich, um das Verhalten unter nicht standardmäßigen Bedingungen zu verstehen.

3.1 Spektrale Verteilung (Abb.1)

Diese Kurve stellt die relative Strahlungsstärke über der Wellenlänge dar. Sie bestätigt das Maximum bei 940nm und die etwa 50nm spektrale Halbwertsbreite. Die Form ist charakteristisch für eine GaAs IRED.

3.2 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb.2)

Dieses Diagramm zeigt die Reduzierung des maximal zulässigen Dauer-Durchlassstroms mit steigender Umgebungstemperatur. Über 25°C muss der Maximalstrom reduziert werden, um eine Überschreitung der 150mW Verlustleistungsgrenze zu verhindern, da die Fähigkeit des Bauteils, Wärme abzuführen, abnimmt.

3.3 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abb.3)

Die IV-Kennlinie der Senderdiode. Sie ist exponentiell, wie bei einer Standarddiode. Die Kurve ermöglicht es Entwicklern, die erforderliche Treiberspannung für einen gewünschten Betriebsstrom zu bestimmen, was besonders für Niederspannungs-Batteriesysteme wichtig ist.

3.4 Relative Strahlungsstärke vs. Umgebungstemperatur (Abb.4) & vs. Durchlassstrom (Abb.5)

Abbildung 4 zeigt, dass die optische Ausgangsleistung mit steigender Temperatur abnimmt (negativer Temperaturkoeffizient), was in Designs, die eine stabile Leistung über einen weiten Temperaturbereich erfordern, kompensiert werden muss. Abbildung 5 zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen Treiberstrom und Lichtausgang, was auf eine steigende Effizienz bis zu einem Punkt vor möglicher Sättigung oder thermischen Effekten hinweist.

3.5 Abstrahlcharakteristik (Abb.6)

Ein Polardiagramm, das die räumliche Verteilung des emittierten IR-Lichts veranschaulicht. Das Diagramm bestätigt visuell den großen 45° Halbwertswinkel und zeigt die auf das Maximum bei 0° normierte Intensität.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Abmessungen

Das Bauteil hat ein standardmäßiges 5mm Radialgehäuse mit Anschlussdrähten. Wichtige Abmessungen sind ein Gehäusedurchmesser von ca. 5mm, ein typischer Anschlussdrahtabstand von 2,54mm (0,1\") an der Austrittsstelle aus dem Gehäuse und eine Gesamthöhe. Der Bund an der Basis unterstützt die Positionierung während der Leiterplattenbestückung. Hervortretendes Harz unter dem Bund ist auf maximal 0,5mm spezifiziert. Die flache Stelle am Rand der Linse kennzeichnet typischerweise die Kathode (negativer Anschluss) des Senderteils.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Für den Senderteil ist der längere Anschlussdraht üblicherweise die Anode (positiv). Der Detektor (Photodiode)-Teil im selben Gehäuse hat seine eigene Anode und Kathode. Das Pinbelegungsdiagramm im Datenblatt ist entscheidend für den korrekten Anschluss. Falsche Polarität kann die Senderdiode beschädigen, wenn die Sperrspannung 5V überschreitet.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

• Reflow-Löten:Der absolute Maximalwert für das Löten der Anschlussdrähte beträgt 260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6mm vom Gehäuse entfernt. Dies entspricht typischen bleifreien Reflow-Profilen (Spitzentemperatur ~250°C).
• Handlöten:Falls Handlöten notwendig ist, verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötspitze und minimieren Sie die Kontaktzeit auf weniger als 3 Sekunden pro Anschlussdraht, um Hitzeschäden am internen Halbleiterchip und am Kunststoffgehäuse zu verhindern.
• Reinigung:Verwenden Sie geeignete Reinigungsmittel, die mit dem blau-transparenten Epoxidharz des Gehäuses kompatibel sind.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs (-55°C bis +100°C), um Feuchtigkeitsaufnahme (die während des Reflow-Lötens zu \"Popcorning\" führen kann) und elektrostatische Entladungsschäden zu verhindern.

6. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

6.1 Typische Schaltungskonfiguration

Für den Sender: Ein einfacher Vorwiderstand wird üblicherweise zur Begrenzung des Durchlassstroms verwendet. Der Widerstandswert wird berechnet als R = (V_CC- V_F) / I_F. Zum Beispiel, bei einer 5V Versorgung, V_F=1,6V, und gewünschtem I_F=20mA, R = (5 - 1,6) / 0,02 = 170Ω. Ein Transistor (NPN oder N-Kanal MOSFET) wird oft in Reihe geschaltet, um den Strom über einen Mikrocontroller ein- und auszuschalten.

Für den Detektor (Photodiode): Sie wird typischerweise im Photovoltaik- (Null-Vorspannung) oder Photoleitungs- (Sperrspannung) Modus betrieben. Für einfache digitale Erkennung kann die Photodiode in Reihe mit einem Lastwiderstand geschaltet werden. Die Spannung über diesem Widerstand ändert sich mit einfallendem IR-Licht und kann einem Komparator oder Verstärker zugeführt werden.

6.2 Designüberlegungen

• Störfestigkeit:Die 940nm Wellenlänge und der blaue Filter helfen, aber Umgebungslicht von Sonnenlicht oder Leuchtstofflampen (die IR enthalten) kann dennoch Störungen verursachen. Die Verwendung eines modulierten IR-Signals (z.B. 38kHz Träger) und eines demodulierenden Empfänger-ICs ist die Standardmethode, um hohe Störfestigkeit zu erreichen.
• Stromtreibung:Für Pulsbetrieb nahe dem 2A Spitzenwert, stellen Sie sicher, dass der treibende Transistor den Strom bewältigen kann und dass die Leiterplattenbahnen breit genug sind, um übermäßigen Spannungsabfall zu vermeiden.
• Optischer Pfad:Halten Sie die Linse sauber und frei von Hindernissen. Der große Abstrahlwinkel erleichtert die Ausrichtung, reduziert aber die maximale Reichweite im Vergleich zu einem engeren Strahl. Für größere Reichweiten kann eine einfache Kollimatorlinse in Betracht gezogen werden.
• Thermisches Management:Beim Betrieb mit hohen Dauerströmen oder in hohen Umgebungstemperaturen, stellen Sie eine ausreichende Belüftung um das Bauteil herum sicher, um innerhalb der Verlustleistungsgrenzen zu bleiben.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-940nm IR-LEDs integriert die LTE-3273DL einen Detektor und spart so Platz auf der Leiterplatte in Sendeempfängeranwendungen. Im Vergleich zu langsameren Fototransistoren bietet die integrierte Photodiode schnellere Ansprechzeiten, geeignet für modulierte Datenübertragung. Ihre hohe Pulsstromfähigkeit (2A) ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber vielen einfachen IR-LEDs und ermöglicht stärkere Signale. Die Kombination von Merkmalen (hoher Strom, großer Winkel, integrierter Detektor) in einem kostengünstigen Gehäuse positioniert sie gut für den Markt der Verbraucher-Fernbedienungen und Sensoren.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diesen IR-Sender direkt von einem Mikrocontroller-GPIO-Pin ansteuern?

A: Nein. Ein typischer GPIO-Pin kann nur 20-50mA liefern/aufnehmen, was an der oberen Grenze liegen könnte, und er kann nicht den benötigten Spannungshub für die ~1,6V V_F bereitstellen. Verwenden Sie immer einen Transistor als Schalter.

F: Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsstärke (mW/sr) und Gesamtausgangsleistung (mW)?

A: Strahlungsstärke ist die Winkel-Leistungsdichte. Die Gesamtleistung würde die Integration der Intensität über die gesamte Abstrahlkugel erfordern. Für einen Weitwinkelsender wie diesen ist die Gesamtleistung deutlich höher als der Intensitätswert.

F: Wie schließe ich den Photodiodenausgang an einen digitalen Eingang an?

A: Der Stromausgang der Photodiode ist sehr klein. Sie benötigen einen Transimpedanzverstärker, um ihn in eine Spannung umzuwandeln, gefolgt von einem Komparator, um ein digitales Signal zu erzeugen. Für einfache Ein/Aus-Erkennung bei vorhandenem Umgebungslicht wird dringend ein dediziertes IR-Empfängermodul (mit integriertem Verstärker, Filter und Demodulator) empfohlen, anstatt die rohe Photodiode zu verwenden.

F: Warum beträgt die Sperrspannungsfestigkeit nur 5V?

A: Dies ist typisch für GaAs IR-Senderdioden. Das Halbleitermaterial und die Struktur haben eine relativ niedrige Durchbruchspannung. Eine sorgfältige Schaltungsauslegung ist erforderlich, um versehentliche Sperrspannung zu vermeiden.

9. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Aufbau eines einfachen IR-Objekt-/Annäherungssensors.

Die LTE-3273DL kann in einer reflektierenden Sensor-Konfiguration verwendet werden. Der Sender wird mit einer bestimmten Frequenz (z.B. 1kHz) gepulst. Der daneben platzierte Detektor sucht nach dem reflektierten Signal von einem Objekt davor. Ein Bandpassfilter, der auf 1kHz im Verstärkerzweig des Detektors abgestimmt ist, unterdrückt Umgebungslichtrauschen. Wenn ein Objekt in Reichweite kommt, erhöht sich das reflektierte Signal und löst die Schaltung aus. Dies ist üblich bei automatischen Handtuchspendern, Papiererkennung in Druckern und Roboter-Kantenerkennung.

10. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach etablierten Halbleiterphysik-Prinzipien. DerSenderist eine Galliumarsenid (GaAs) Leuchtdiode (LED). Bei Flussspannung rekombinieren Elektronen und Löcher im PN-Übergang und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die Bandlücke von GaAs bestimmt die Photonenenergie, die der 940nm Infrarotwellenlänge entspricht. DerDetektorist eine Silizium-PIN-Photodiode. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke von Silizium (einschließlich 940nm IR) auf die Sperrschicht treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Diese Ladungsträger werden durch das interne elektrische Feld (von der internen oder angelegten Vorspannung) abgesaugt und erzeugen einen Fotostrom, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist.

11. Branchentrends und Entwicklungen

Der Markt für diskrete IR-Komponenten entwickelt sich weiter. Trends umfassen:

Miniaturisierung:Bewegung hin zu oberflächenmontierbaren (SMD) Gehäusen wie 0805 oder 0603 für kleinere Konsumelektronik.

Höhere Integration:Kombination von Sender, Detektor, Treiber und Verstärker in einem einzigen Modul mit digitalen Schnittstellen (I2C, UART).

Verbesserte Leistung:Entwicklung von Sendern mit höherer Strahlungsstärke und engeren Strahlungswinkeln für Anwendungen mit größerer Reichweite sowie Detektoren mit niedrigerem Dunkelstrom und höherer Geschwindigkeit.

Neue Wellenlängen:Erforschung von Wellenlängen jenseits von 940nm für spezifische Sensoranwendungen wie Gasdetektion, wobei 940nm aufgrund von Kosten und Kompatibilität für allgemeine Fernbedienungs- und Sensoranwendungen dominant bleibt.