Technisches Datenblatt für IR-Emitter und -Detektor LTE-S9511-E - 940nm Wellenlänge - 20mA Durchlassstrom - 1,5V Durchlassspannung - 100mW Verlustleistung

1. Produktübersicht

Der LTE-S9511-E ist ein diskretes Infrarotbauteil, das für ein breites Anwendungsspektrum entwickelt wurde, das zuverlässige Infrarot-Emission und -Detektion erfordert. Er ist Teil einer umfassenden Produktlinie, die den Bedarf an hoher Leistung, hoher Geschwindigkeit und großen Abstrahlwinkeln in Infrarotlösungen abdeckt.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Diese Komponente ist entwickelt, um modernen Fertigungs- und Umweltstandards zu entsprechen. Es handelt sich um ein RoHS-konformes grünes Produkt, das auf 13-Zoll-Durchmesser-Spulen in 8-mm-Tape geliefert wird, um Kompatibilität mit Hochgeschwindigkeits-Bestückungsautomaten zu gewährleisten. Sein Design unterstützt Infrarot-Reflow-Lötprozesse und macht es für die Serienbestückung von Leiterplatten geeignet. Primäre Zielanwendungen umfassen Fernbedienungssysteme, IR-Drahtlos-Datenübertragungsmodule, Sicherheitsalarme und verschiedene andere Konsum- und Industrieelektronik, bei denen Infrarot-Erkennung oder -Signalgebung erforderlich ist.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

Die folgenden Parameter definieren die Betriebsgrenzen und Leistungsmerkmale des Bauteils unter Standardbedingungen (TA=25°C).

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Grenzwerte spezifizieren die Limits, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie sind nicht für den Dauerbetrieb vorgesehen.

• Verlustleistung (Pd):100 mW. Dies ist die maximale Menge an Leistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):1 A. Dies ist der maximal zulässige gepulste Strom unter spezifischen Bedingungen (300 pps, 10μs Pulsbreite).
• DC-Durchlassstrom (I_F):50 mA. Der maximale kontinuierliche Durchlassstrom für einen zuverlässigen Betrieb.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Das Bauteil ist nicht für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt; das Überschreiten dieser Spannung kann zum Durchbruch führen.
• Betriebstemperaturbereich (T_opr):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für die normale Funktion des Bauteils.
• Lagertemperaturbereich (T_stg):-55°C bis +100°C.
• Infrarot-Lötbedingung:Hält 260°C für maximal 10 Sekunden stand, definiert die Toleranz des Reflow-Profils.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Leistungsparameter, die unter definierten Testbedingungen gemessen werden.

• Strahlstärke (I_E):4,0 (Min), 6,0 (Typ) mW/sr. Gemessen bei I_F= 20mA. Dies gibt die optische Ausgangsleistung pro Raumwinkeleinheit an.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_Peak):940 nm (Typ). Die Wellenlänge, bei der die emittierte Infrarotstrahlung am stärksten ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (Typ). Die Bandbreite des emittierten Spektrums bei halber Spitzenintensität.
• Durchlassspannung (V_F):1,2 (Typ), 1,5 (Max) V. Gemessen bei I_F= 20mA. Der Spannungsabfall über dem Bauteil im leitenden Zustand.
• Sperrstrom (I_R):10 μA (Max). Gemessen bei V_R= 5V. Ein kleiner Leckstrom unter Sperrspannung.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):20 (Min), 25 (Typ) Grad. Der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte ihres Wertes auf der Achse abfällt.

3. Erklärung des Binning-Systems

Das Bauteil ist in verschiedenen Leistungsklassen oder \"Bins\" basierend auf der Strahlstärke erhältlich. Dies ermöglicht es Konstrukteuren, eine Komponente auszuwählen, die genau den Empfindlichkeits- oder Ausgangsleistungsanforderungen ihrer Anwendung entspricht.

Die Bincode-Liste spezifiziert die minimale und maximale Strahlstärke für jede Klasse bei einem Prüfstrom von 20mA:

• Bin K:4 bis 6 mW/sr
• Bin L:5 bis 7,5 mW/sr
• Bin M:6 bis 9 mW/sr
• Bin N:7 bis 10,5 mW/sr

Die Auswahl eines höheren Bincodes (z.B. N gegenüber K) gewährleistet typischerweise eine höhere minimale optische Ausgangsleistung, was für die Erzielung einer größeren Reichweite oder eines besseren Signal-Rausch-Verhältnisses in einem System entscheidend sein kann.

4. Analyse der Leistungskennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen veranschaulichen. Diese sind für das detaillierte Schaltungsdesign und das Verständnis von Leistungskompromissen unerlässlich.

4.1 Spektrale Verteilung

Eine Kurve (Abb.1) zeigt die relative Strahlstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt die Spitzenemission bei 940nm und die ungefähre spektrale Halbwertsbreite von 50nm, was typisch für GaAs-basierte Infrarot-Emitter ist. Dieses breite Spektrum eignet sich für den Einsatz mit Silizium-Fotodetektoren, die eine breite Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich aufweisen.

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

Diese Kurve (Abb.3) zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung. Sie zeigt, dass die Durchlassspannung mit dem Strom ansteigt, beginnend bei etwa 1,0V und sich 1,5V bei 100mA nähernd. Diese Kurve ist entscheidend für den Entwurf der strombegrenzenden Schaltung.

4.3 Temperaturkennlinien

Mehrere Kurven veranschaulichen die Abhängigkeit des Bauteils von der Umgebungstemperatur (T_a).

- Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb.2):Zeigt wahrscheinlich, wie sich der maximal zulässige Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur reduziert, um das Überschreiten der Verlustleistungsgrenze zu verhindern.

- Relative Strahlstärke vs. Umgebungstemperatur (Abb.4):Zeigt, dass die optische Ausgangsleistung mit steigender Temperatur abnimmt. Dieser negative Temperaturkoeffizient ist eine wichtige Überlegung für Anwendungen in variierenden thermischen Umgebungen, da er möglicherweise eine Temperaturkompensation in der Treiber- oder Empfängerschaltung erfordert, um eine konstante Leistung aufrechtzuerhalten.

4.4 Relative Strahlstärke vs. Durchlassstrom

Diese Kurve (Abb.5) zeigt, dass die Strahlstärke im Allgemeinen proportional zum Durchlassstrom ist, die Beziehung jedoch bei sehr hohen Strömen aufgrund von Erwärmung und Effizienzabfall sublinear werden kann. Sie hilft, den optimalen Betriebsstrom für ein gewünschtes Ausgangsniveau zu bestimmen.

4.5 Strahlungsdiagramm

Das Polardiagramm (Abb.6) stellt den Abstrahlwinkel visuell dar. Die Intensität ist bei 0° (auf der Achse) am höchsten und nimmt symmetrisch ab, fällt auf etwa ±12,5° (für einen 25° Abstrahlwinkel) auf die Hälfte. Dieses Muster ist entscheidend für die Ausrichtung des Emitters mit einem Detektor oder für den Entwurf von Optiken zur Formung des Strahls.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Umrissabmessungen

Das Bauteil entspricht einem EIA-Standardgehäuse. Wichtige Abmessungen umfassen die Bauteilgröße, Anschlussabstände und die Gesamthöhe. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, mit einer typischen Toleranz von ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben. Das Gehäuse verfügt über eine wasserklare Kunststofflinse in Seitenblick-Ausführung, die das emittierte Licht senkrecht zur Leiterplattenebene lenkt.

5.2 Vorgeschlagene Lötpad-Abmessungen

Ein Diagramm zeigt empfohlene Leiterplatten-Landmuster-Abmessungen, um eine ordnungsgemäße Lötstellenbildung und mechanische Stabilität während und nach dem Reflow-Prozess zu gewährleisten. Die Einhaltung dieser Richtlinien ist entscheidend für die Fertigungsausbeute und die langfristige Zuverlässigkeit.

5.3 Polaritätskennzeichnung

Die Kathode ist typischerweise durch eine flache Seite, eine Kerbe oder einen kürzeren Anschluss am Gehäuse gekennzeichnet. Die korrekte Polarität muss während der Montage beachtet werden, da das Anlegen einer Sperrspannung über dem Maximalwert das Bauteil sofort beschädigen kann.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötparameter

Das Bauteil ist mit Infrarot-Reflow-Prozessen kompatibel. Empfohlene Bedingungen umfassen:

- Vorwärmen:150–200°C für maximal 120 Sekunden.

- Spitzentemperatur:260°C maximal.

- Zeit über Liquidus:10 Sekunden maximal (für maximal zwei Reflow-Zyklen).

Diese Parameter entsprechen JEDEC-Standards und gängigen bleifreien Lotpasten-Spezifikationen. Das Profil sollte für das spezifische Leiterplattendesign, die Komponenten und den verwendeten Ofen charakterisiert werden.

6.2 Lagerbedingungen

Das Bauteil hat einen Feuchtesensitivitätslevel (MSL) von 3.

- Versiegelte Verpackung:Lagern bei ≤30°C und ≤90% rF. Innerhalb eines Jahres nach dem Versiegelungsdatum der Beutel verwenden.

- Geöffnete Verpackung:Für Komponenten, die aus der feuchtigkeitsdichten Verpackung entnommen wurden, sollte die Lagerumgebung 30°C/60% rF nicht überschreiten. Es wird empfohlen, den IR-Reflow innerhalb einer Woche (168 Stunden) abzuschließen. Für eine längere Lagerung außerhalb der Originalverpackung sollte ein versiegelter Behälter mit Trockenmittel verwendet werden. Komponenten, die länger als eine Woche gelagert wurden, sollten vor dem Löten bei etwa 60°C für mindestens 20 Stunden getrocknet (gebacken) werden, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und \"Popcorning\" während des Reflows zu verhindern.

6.3 Reinigung

Wenn nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, sollten alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Scharfe oder aggressive Chemikalien sollten vermieden werden.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Tape-and-Reel-Spezifikationen

Das Bauteil wird auf 13-Zoll (330mm) Durchmesser-Spulen in 8-mm-Trägertape geliefert. Jede Spule enthält ungefähr 9000 Stück. Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA 481-1-A-1994-Spezifikationen. Das Tape hat eine Deckfolienversiegelung, und maximal zwei aufeinanderfolgende leere Komponententaschen sind zulässig.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Fernbedienungen:Für Fernseher, Audiosysteme und andere Unterhaltungselektronik.
• IR-Datenübertragung:Simplex-Drahtloskommunikation über kurze Entfernungen für Sensoren oder Steuersignale.
• Sicherheitssysteme:Als Teil von Einbruchsmelder-Strahlen oder Annäherungssensoren.
• Objekterkennung:Leiterplattenmontierte Sensoren für Zähl-, Positions- oder Kantenerkennung.

8.2 Designüberlegungen und Ansteuerungsmethode

Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Um eine gleichmäßige Intensität und lange Lebensdauer zu gewährleisten, muss sie mit einer Stromquelle oder einer Spannungsquelle mit einem Reihen-Strombegrenzungswiderstand betrieben werden. Der Widerstandswert (R_s) kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R_s= (V_supply- V_F) / I_F. Wobei V_Fdie Durchlassspannung aus dem Datenblatt beim gewünschten Betriebsstrom I_Fist. Wenn mehrere LEDs parallel geschaltet werden, wird dringend empfohlen, für jede LED einen separaten Strombegrenzungswiderstand zu verwenden, um eine ungleiche Stromaufteilung aufgrund geringfügiger Variationen in ihrer V_F characteristics.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der LTE-S9511-E mit seiner 940nm-Wellenlänge bietet einen entscheidenden Vorteil gegenüber sichtbaren LEDs oder anderen IR-Wellenlängen: Er ist für das menschliche Auge praktisch unsichtbar, was ihn ideal für diskrete Anwendungen macht. Im Vergleich zu 850nm-Emittern weist 940nm typischerweise ein geringeres Hintergrundrauschen durch Sonneneinstrahlung auf, was das Signal-Rausch-Verhältnis unter Umgebungslichtbedingungen verbessern kann. Das Seitenblick-Linsengehäuse ist speziell für Anwendungen entwickelt, bei denen der IR-Strahl parallel zur Leiterplattenoberfläche verlaufen muss, eine häufige Anforderung bei schlitzförmigen Sensoren oder randbeleuchteten Paneelen.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diese LED direkt von einem 3,3V- oder 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Nein. Sie müssen einen Vorwiderstand verwenden, um den Strom zu begrenzen. Zum Beispiel, mit einer 5V-Versorgung und einem Ziel-I_Fvon 20mA (V_F~1,2V), R_s= (5V - 1,2V) / 0,02A = 190Ω. Ein 200Ω-Widerstand wäre ein geeigneter Standardwert.

F: Was ist der Unterschied zwischen \"Strahlstärke\" und \"Abstrahlwinkel\"?

A: Strahlstärke (mW/sr) misst, wie viel optische Leistung in eine bestimmte Richtung (pro Steradiant) konzentriert ist. Der Abstrahlwinkel definiert, wie breit dieser Strahl ist. Ein Bauteil mit hoher Strahlstärke, aber einem sehr engen Abstrahlwinkel, erzeugt einen starken, aber schmalen Strahl. Dieses Bauteil hat einen moderaten Abstrahlwinkel von 25° und bietet einen guten Kompromiss zwischen Strahlkonzentration und Abdeckung.

F: Warum ist der Feuchtesensitivitätslevel (MSL 3) wichtig?

A: Kunststoffgehäuse können Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen. Während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses kann diese eingeschlossene Feuchtigkeit schnell verdampfen und innere Delamination, Risse oder \"Popcorning\" verursachen, was das Bauteil zerstört. Die Einhaltung der vorgeschriebenen Lager-, Handhabungs- und Trocknungsverfahren ist entscheidend, um diesen Fehlermodus zu verhindern.

11. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Beispiel: Entwurf eines einfachen IR-Objekterkennungssensors.

Ein gängiges Design verwendet den LTE-S9511-E sowohl als Emitter als auch als Detektor (im reflektierenden Erfassungsmodus) oder verwendet einen separaten Fototransistor. Der Emitter wird mit einer bestimmten Frequenz (z.B. 38kHz) gepulst. Die Detektorschaltung enthält einen Filter, der auf diese Frequenz abgestimmt ist. Wenn ein Objekt den IR-Strahl zum Detektor zurückreflektiert, registriert die Schaltung ein Signal. Wichtige Designschritte:

1. Ansteuerschaltung:Verwenden Sie einen Transistor (z.B. NPN oder N-Kanal-MOSFET), der von einem Mikrocontroller geschaltet wird, um die LED mit dem gewünschten Strom (z.B. 50mA-Pulse) und der Frequenz zu pulsen. Fügen Sie den berechneten Vorwiderstand hinzu.

2. Empfängerschaltung:Der Ausgang eines Fototransistors wird einem Verstärker und einem Bandpassfilter zugeführt, der auf die Modulationsfrequenz (38kHz) abgestimmt ist. Dies unterdrückt Umgebungslicht (DC und niederfrequent) und anderes IR-Rauschen.

3. Ausrichtung:Verwenden Sie das Strahlungsdiagramm, um Emitter und Detektor auszurichten. Für die reflektierende Erfassung werden sie oft nebeneinander in einem Winkel platziert, wobei sich ihre Sichtfelder in der gewünschten Erfassungsentfernung schneiden.

4. Leiterplattenlayout:Platzieren Sie die Komponenten gemäß dem vorgeschlagenen Pad-Layout. Stellen Sie sicher, dass die klare Kunststofflinse nicht durch Lötstopplack oder andere Komponenten blockiert wird.

12. Funktionsprinzip

Der LTE-S9511-E ist als Infrarot-Emitter eine Halbleiterdiode. Bei Flusspolung rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich (aus Materialien wie GaAs oder AlGaAs) und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die spezifische Materialzusammensetzung bestimmt die Wellenlänge dieser Photonen; in diesem Fall liegt sie bei etwa 940nm, was im nahen Infrarotspektrum liegt. Die Seitenblicklinse ist aus wasserklarem Epoxid geformt, das das Licht effizient aus dem Halbleiterchip extrahiert und seitlich lenkt. Das Bauteil kann auch als Detektor fungieren, weil der Halbleiter-PN-Übergang einen kleinen Fotostrom erzeugen kann, wenn er Licht mit ausreichender Energie (Photonen mit einer Wellenlänge kürzer als die Grenzwellenlänge des Materials) ausgesetzt wird. Seine primär optimierte Funktion ist jedoch die Emission.

13. Entwicklungstrends

Das Feld der diskreten Infrarotkomponenten entwickelt sich weiter. Trends umfassen:

- Höhere Effizienz:Entwicklung neuer Halbleitermaterialien und -strukturen (z.B. Multi-Quantentöpfe), um mehr optische Leistung pro elektrischer Eingangsleistung zu erzielen, wodurch Wärmeentwicklung und Stromverbrauch reduziert werden.

- Erhöhte Geschwindigkeit:Für Datenübertragungsanwendungen ermöglichen Komponenten mit schnelleren Anstiegs-/Abfallzeiten höhere Datenraten.

- Integration:Die Kombination von Emitter, Detektor und Steuerlogik (wie Modulation/Demodulation) in einem einzigen Gehäuse oder Modul vereinfacht das Design und verbessert die Leistung.

- Miniaturisierung:Fortgesetzte Verkleinerung der Gehäusegröße, um den Anforderungen immer kleinerer Unterhaltungselektronik gerecht zu werden, während die Leistungsspezifikationen beibehalten oder verbessert werden.

- Erhöhte Zuverlässigkeit:Verbesserte Verpackungsmaterialien und -prozesse, um härteren Umweltbedingungen und längeren Betriebslebensdauern standzuhalten.