LTE-S9511T-E IR-Emitter und -Detektor Datenblatt - 940nm Spitzenwellenlänge - 25° Abstrahlwinkel - 100mW Verlustleistung - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Der LTE-S9511T-E ist eine diskrete Infrarot-Komponente, die für ein breites Spektrum optoelektronischer Anwendungen konzipiert ist. Er gehört zu einer Bauteilfamilie, die Lösungen für hohe Leistung, hohe Geschwindigkeit und spezifische optische Eigenschaften bietet. Die Komponente basiert auf GaAs-Technologie, dem Standard für Infrarot-Emitter, um die angestrebten Leistungskennwerte zu erreichen.

1.1 Kernmerkmale und Vorteile

Das Bauteil vereint mehrere Schlüsselmerkmale, die es für die moderne Elektronikfertigung und Umweltstandards geeignet machen. Es ist RoHS-konform und wird als "Green Product" eingestuft. Das Gehäuse ist für die Hochvolumenfertigung ausgelegt und wird auf 7-Zoll-Spulen mit 8mm-Tape geliefert, was die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsanlagen gewährleistet. Darüber hinaus widersteht die Komponente Infrarot-Reflow-Lötprozessen, einer kritischen Anforderung für Oberflächenmontage (SMT)-Fertigungslinien. Das Gehäuse selbst entspricht EIA-Standards und sichert so die mechanische Kompatibilität.

1.2 Zielanwendungen und Markt

Die primäre Anwendung dieser Komponente ist als Infrarot-Emitter. Ihre Eigenschaften machen sie ideal für den Einsatz in Systemen wie Fernbedienungen für Unterhaltungselektronik, IR-basierten drahtlosen Datenübertragungsstrecken, Sicherheitsalarmanlagen und anderen Sensoranwendungen. Sie ist für leiterplattenmontierte Konfigurationen vorgesehen und bietet eine kompakte und zuverlässige Infrarotlichtquelle.

2. Technische Spezifikationen und objektive Interpretation

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Analyse der elektrischen, optischen und thermischen Parameter des Bauteils, wie im Datenblatt definiert.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Verlustleistung (Pd):100 mW. Dies ist die maximale Leistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann, ohne seine thermischen Grenzwerte zu überschreiten.
• Spitzen-Strom (I_FP):1 A. Dies ist der maximal zulässige Strom unter gepulsten Bedingungen (300 Pulse pro Sekunde, 10 μs Pulsbreite). Er liegt deutlich über dem DC-Wert und unterstreicht die Eignung des Bauteils für den gepulsten Betrieb, wie er bei Datenübertragung und Fernbedienungen üblich ist.
• DC-Durchlassstrom (I_F):50 mA. Der maximale kontinuierliche Durchlassstrom, den das Bauteil verkraften kann.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann den Halbleiterübergang zerstören.
• Betriebstemperaturbereich (T_op):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, in dem das Bauteil spezifikationsgemäß korrekt arbeitet.
• Lagertemperaturbereich (T_stg):-55°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Infrarot-Lötbedingung:Hält 260°C für maximal 10 Sekunden stand. Dies definiert die Toleranz des Reflow-Lötprofils.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Leistungsparameter, gemessen bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C unter festgelegten Testbedingungen.

• Strahlstärke (I_E):6,0 mW/sr (typisch) bei I_F= 20mA. Dies misst die abgegebene optische Leistung pro Raumwinkeleinheit (Steradiant). Es ist ein Schlüsselparameter zur Bestimmung der effektiven Reichweite und Signalstärke in einer Anwendung.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_p):940 nm (typisch). Die Wellenlänge, bei der die abgegebene optische Leistung maximal ist. Sie liegt im nahen Infrarotspektrum, für das menschliche Auge unsichtbar, aber von Silizium-Fotodioden und Fototransistoren detektierbar.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (typisch). Dies gibt die spektrale Bandbreite oder den Bereich der emittierten Wellenlängen an. Ein Wert von 50 nm ist für Standard-GaAs-IREDs üblich.
• Durchlassspannung (V_F):1,2 V (typisch), 1,5 V (max) bei I_F= 20mA. Der Spannungsabfall über dem Bauteil im leitenden Zustand. Dies ist entscheidend für den Entwurf der Ansteuerschaltung und die Berechnung des Leistungsverbrauchs.
• Sperrstrom (I_R):10 μA (max) bei V_R= 5V. Der geringe Leckstrom, der fließt, wenn das Bauteil in Sperrrichtung vorgespannt ist.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):25 Grad (typisch). Definiert als der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte des Wertes auf der Mittelachse abfällt. Ein Winkel von 25° deutet auf einen relativ fokussierten Strahl hin, was für gerichtete Kommunikation oder Erfassung vorteilhaft sein kann.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die die Beziehung zwischen Schlüsselparametern veranschaulichen. Diese Kurven sind wesentlich, um das Bauteilverhalten unter nicht standardmäßigen Bedingungen zu verstehen.

3.1 Spektrale Verteilung

Die spektrale Verteilungskurve (Abb.1) zeigt die relative Strahlstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt das Maximum bei etwa 940nm und die etwa 50nm Halbwertsbreite und bietet eine visuelle Darstellung der spektralen Reinheit des emittierten Lichts.

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

Diese Kurve (Abb.3) ist grundlegend für jedes Halbleiterbauteil. Sie zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen dem Strom durch den IRED und der Spannung darüber. Die Kurve verschiebt sich mit der Temperatur, was für das thermische Management im Design kritisch ist.

3.3 Temperaturabhängigkeit

Die Abbildungen 2 und 4 zeigen, wie sich die Leistung des Bauteils mit der Umgebungstemperatur ändert. Typischerweise hat die Durchlassspannung einer Diode einen negativen Temperaturkoeffizienten (sie sinkt bei steigender Temperatur), während die optische Ausgangsleistung im Allgemeinen ebenfalls mit steigender Temperatur abnimmt. Diese Diagramme ermöglichen es Konstrukteuren, die Leistung für Hochtemperaturumgebungen abzuwerten.

3.4 Relative Strahlstärke vs. Durchlassstrom

Abbildung 5 zeigt, wie sich die Lichtausgabe mit dem Treiberstrom skaliert. Sie ist typischerweise sublinear; eine Verdoppelung des Stroms verdoppelt nicht die optische Ausgangsleistung. Diese Beziehung ist wichtig, um den Arbeitspunkt so einzustellen, dass die gewünschte Helligkeit oder Signalstärke effizient erreicht wird.

3.5 Abstrahlcharakteristik

Das Polardiagramm (Abb.6) bietet eine detaillierte Karte der emittierten Intensität in Abhängigkeit vom Winkel zur Mittelachse. Dieses Bauteil mit 25° Abstrahlwinkel zeigt ein Strahlprofil, das in der Mitte am stärksten ist und zu den Rändern hin abfällt. Dies ist entscheidend für das Design optischer Systeme, z.B. für die Ausrichtung auf das Sichtfeld eines Empfängers.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Abmessungen

Das Datenblatt enthält detaillierte mechanische Zeichnungen der Komponente. Wichtige Abmessungen sind Gehäusegröße, Anschlussabstand und Gesamthöhe. Die Komponente verfügt über ein wasserklares Kunststoffgehäuse mit einer Seitenansichtslinse, die das Abstrahlmuster des emittierten Lichts formt. Alle kritischen Abmessungen werden mit einer Standardtoleranz von ±0,15mm angegeben, sofern nicht anders angegeben.

4.2 Vorgeschlagenes Lötpad-Layout

Ein empfohlenes Land Pattern (Footprint) für das Leiterplattendesign ist enthalten. Die Einhaltung dieser Abmessungen ist entscheidend, um eine korrekte Lötstellenbildung während des Reflow-Prozesses zu gewährleisten, eine gute mechanische Festigkeit zu erreichen und die Wärmeableitung vom Bauteil zu erleichtern.

4.3 Polaritätskennzeichnung

Es gelten die Standard-Polaritätskonventionen für LEDs. Die Kathode ist typischerweise durch eine abgeflachte Kante am Gehäuse, eine Kerbe oder einen kürzeren Anschluss gekennzeichnet. Während der Montage muss die korrekte Polarität beachtet werden, um Schäden zu vermeiden.

5. Montage-, Handhabungs- und Zuverlässigkeitsrichtlinien

5.1 Löt- und Montageanleitung

Das Bauteil ist für Infrarot-Reflow-Löten ausgelegt. Das Datenblatt spezifiziert kritische Profilparameter:

• Vorwärmen:150–200°C.
• Vorwärmzeit:maximal 120 Sekunden.
• Spitzentemperatur:maximal 260°C.
• Zeit über Liquidus:maximal 10 Sekunden (für maximal zwei Reflow-Zyklen).

Für Handlötung mit einem Lötkolben wird eine maximale Temperatur von 300°C für nicht mehr als 3 Sekunden pro Lötstelle empfohlen. Das Datenblatt betont, dass das optimale Profil vom spezifischen Leiterplattendesign, dem Lotpaste und dem Ofen abhängt, und empfiehlt, JEDEC-Standardprofile als Ausgangspunkt zu verwenden.

5.2 Lagerbedingungen

Die Komponente hat einen Feuchtigkeitsempfindlichkeitsgrad (MSL) von 3. Das bedeutet:

• Versiegelter Beutel:Kann bis zu einem Jahr bei ≤30°C und ≤90% r.F. gelagert werden.
• Nach dem Öffnen des Beutels:Sollte bei ≤30°C und ≤60% r.F. gelagert werden. Die Bauteile sollten innerhalb einer Woche (168 Stunden) dem Reflow-Prozess unterzogen werden. Bei längerer Lagerung außerhalb des Originalbeutels müssen sie in einem Trockenschrank oder verschlossenen Behälter mit Trockenmittel gelagert werden. Bei einer Expositionszeit von mehr als einer Woche ist vor dem Löten ein Ausheizen bei 60°C für mindestens 20 Stunden erforderlich, um "Popcorn"-Risse während des Reflow zu verhindern.

5.3 Reinigung

Wenn nach dem Löten eine Reinigung notwendig ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropanol (IPA) verwendet werden. Aggressive Chemikalien können das Kunststoffgehäuse oder die Linse beschädigen.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Tape-and-Reel-Spezifikationen

Die Komponente wird in geprägter Trägerbahn mit Deckband geliefert, aufgewickelt auf Spulen mit 7 Zoll (178mm) Durchmesser. Jede Spule enthält 3000 Stück. Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA-481-1-A-1994-Standards. Die Spezifikationen umfassen Taschenabmessungen, Bandbreite und Spulennabengröße, um die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsmaschinen sicherzustellen.

7. Anwendungsdesign-Überlegungen

7.1 Ansteuerschaltungs-Design

Ein kritischer Designhinweis ist, dass eine LED ein stromgesteuertes Bauteil ist. Das Datenblatt rät dringend davon ab, mehrere LEDs direkt parallel von einer einzigen Spannungsquelle mit einem einzigen strombegrenzenden Widerstand zu betreiben (Schaltungsmodell B). Aufgrund natürlicher Schwankungen der Durchlassspannung (V_F) einzelner Bauteile wird sich der Strom nicht gleichmäßig aufteilen, was zu erheblichen Helligkeitsunterschieden und möglicher Überlastung eines Bauteils führt. Die empfohlene Methode (Schaltungsmodell A) ist, einen separaten strombegrenzenden Widerstand in Reihe mit jeder LED zu verwenden. Dies gewährleistet einen gleichmäßigen Strom und somit eine gleichmäßige Strahlstärke über alle Bauteile im Array.

7.2 Thermomanagement

Obwohl die absolute maximale Verlustleistung 100mW beträgt, sollte der praktische Betrieb deutlich unter dieser Grenze bleiben, insbesondere bei höheren Umgebungstemperaturen. Die Entlastungskennlinien (Abb. 2, Abb. 4) müssen konsultiert werden. Eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte (die Verwendung des vorgeschlagenen Pad-Layouts hilft dabei) ist notwendig, um Wärme von der Bauteil-Sperrschicht abzuleiten und so Leistung und Lebensdauer zu erhalten.

7.3 Optisches Design

Der 25°-Abstrahlwinkel und das Seitenansichts-Linsengehäuse beeinflussen, wie die IR-Energie gerichtet wird. Für optimale Leistung in einer Sensor- oder Kommunikationsstrecke sollte das Abstrahlmuster des Emitters mit dem Winkel-Empfindlichkeitsprofil des Empfängers ausgerichtet werden. Das Abstrahldiagramm (Abb.6) ist dafür wesentlich. Für Anwendungen, die ein anderes Strahlprofil erfordern, können externe Linsen oder Reflektoren notwendig sein.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der LTE-S9511T-E mit seiner 940nm Spitzenwellenlänge ist für universelle Infrarot-Anwendungen positioniert. Wichtige Unterscheidungsmerkmale sind sein Seitenansichtsgehäuse, das für Kantenbeleuchtung oder spezifische optische Pfadanforderungen nützlich ist, und seine Kompatibilität mit automatischen Montageprozessen. Im Vergleich zu Bauteilen mit größeren Abstrahlwinkeln (z.B. 60-120 Grad) bietet diese Komponente bei gegebenem Treiberstrom eine höhere axiale Intensität, was sich in größerer Reichweite oder geringerem Stromverbrauch für gerichtete Verbindungen niederschlagen kann. Ihre 940nm Wellenlänge ist ein gängiger Standard und gewährleistet breite Kompatibilität mit siliziumbasierten Infrarot-Empfängern und Filtern, die für dieses Spektrum ausgelegt sind.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F1: Kann ich diesen IRED direkt von einem Mikrocontroller-GPIO-Pin ansteuern?

A: Das hängt von der Stromquellenfähigkeit des GPIO ab. Bei einem typischen Treiberstrom von 20mA muss der GPIO mindestens diesen liefern können. Ein Vorwiderstand ist immer erforderlich, um den Strom zu begrenzen, berechnet als R = (V_versorgung- V_F) / I_F. Für eine 3,3V-Versorgung und V_Fvon 1,2V bei 20mA ist R = (3,3 - 1,2) / 0,02 = 105 Ohm. Ein 100-Ohm-Widerstand wäre eine Standardwahl.

F2: Was ist der Unterschied zwischen Spitzenwellenlänge (λ_p) und dominanter Wellenlänge (λ_d)?

A: Die Spitzenwellenlänge ist die Wellenlänge am Maximum der spektralen Leistungsverteilungskurve. Die dominante Wellenlänge wird aus der Farbmessung abgeleitet und repräsentiert die wahrgenommene Farbe. Für monochromatische IR-Emitter liegen sie typischerweise sehr nahe beieinander, aber λ_pist die standardmäßige technische Spezifikation für die optoelektronische Leistung.

F3: Warum ist der gepulste Stromwert (1A) so viel höher als der DC-Wert (50mA)?

A: Dies liegt an thermischen Grenzen. Während eines sehr kurzen Pulses (10μs) hat die Halbleiter-Sperrschicht keine Zeit, sich signifikant zu erwärmen, was einen viel höheren Momentanstrom ermöglicht, ohne die maximale Sperrschichttemperatur zu überschreiten. Im DC-Betrieb baut sich Wärme kontinuierlich auf, daher muss der Strom begrenzt werden, um die Temperatur innerhalb sicherer Grenzen zu halten.

10. Praktische Anwendungsbeispiele

Beispiel 1: Einfacher IR-Fernbedienungssender.Der LTE-S9511T-E kann als Emitter in einer einfachen Fernbedienung verwendet werden. Ein Mikrocontroller erzeugt ein moduliertes Digitalsignal (z.B. 38kHz Träger) entsprechend einem Befehlprotokoll (z.B. NEC, RC5). Dieses Signal schaltet einen Transistor, der den IRED mit gepulstem Strom bis zum 1A-Spitzenwert ansteuert und so Infrarotlichtimpulse erzeugt. Der fokussierte 25°-Strahl hilft sicherzustellen, dass das Signal auf den Empfänger gerichtet ist.

Beispiel 2: Annäherungs- oder Objekterkennungssensor.Gepaart mit einem separaten Fototransistor- oder Fotodiodenempfänger kann der Emitter verwendet werden, um die An- oder Abwesenheit eines Objekts zu erkennen. Der Emitter strahlt IR-Licht über einen Spalt. Wenn ein Objekt den Strahl unterbricht, fällt das Signal des Empfängers ab und löst ein Erkennungsereignis aus. Das Seitenansichtsgehäuse kann beim Entwurf kompakter Sensorbaugruppen vorteilhaft sein, bei denen der optische Pfad parallel zur Leiterplatte verläuft.

11. Funktionsprinzip

Der LTE-S9511T-E ist eine Leuchtdiode (LED) auf Basis von Galliumarsenid (GaAs)-Halbleitermaterial. Wenn eine Durchlassspannung an den P-N-Übergang angelegt wird, werden Elektronen und Löcher in den aktiven Bereich injiziert, wo sie rekombinieren. In einem direkten Bandabstandshalbleiter wie GaAs setzt diese Rekombination Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Der spezifische Bandabstand des Materials bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts; für GaAs resultiert dies in einer Infrarot-Emission um 940nm. Die Seitenansichtslinse besteht aus wasserklarem Epoxidharz, das den Halbleiterchip einkapselt und das emittierte Licht in das spezifizierte Abstrahlmuster formt.

12. Branchenkontext und Trends

Diskrete Infrarot-Komponenten wie der LTE-S9511T-E bleiben grundlegende Bausteine in der Elektronik. Während integrierte Sensormodule (die Emitter, Detektor und Logik in einem Gehäuse kombinieren) für spezifische Anwendungen wie Gestenerkennung wachsen, bieten diskrete Bauteile Designflexibilität, Kosteneffizienz für Hochvolumenanwendungen und die Möglichkeit, den optischen Pfad unabhängig zu optimieren. Trends in der Branche umfassen die anhaltende Nachfrage nach Miniaturisierung, höherer Effizienz (mehr optische Ausgangsleistung pro elektrischem Eingang) und erhöhter Kompatibilität mit bleifreien Hochtemperatur-Lötprozessen. Die RoHS- und Green-Product-Konformität dieses Bauteils entspricht den globalen Umweltvorschriften, die die Elektronikindustrie antreiben.