LTE-R38381L-S IR-Emitter und -Detektor Datenblatt - 940nm Wellenlänge - 1A Durchlassstrom - 1,8W Leistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument enthält die vollständigen technischen Spezifikationen für ein diskretes Infrarot-Emissionsbauteil. Das Bauteil ist für Anwendungen konzipiert, die eine leistungsstarke, zuverlässige Infrarotlichtquelle erfordern. Es nutzt einen Galliumarsenid (GaAs)-Chip, um Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern zu emittieren, die sich im nahen Infrarotspektrum befindet und für das menschliche Auge unsichtbar ist. Die Hauptfunktion dieses Bauteils ist es, als gesteuerter Infrarot-Emitter in verschiedenen elektronischen Systemen zu dienen.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Das Bauteil bietet mehrere Schlüsselvorteile für Infrarotanwendungen. Es zeichnet sich durch eine hohe Strahlungsstärke aus, die eine starke Signalübertragung ermöglicht. Es ist für einen hohen Treiberstrom ausgelegt, was zu seiner Ausgangsleistung beiträgt. Das Bauteil ist außerdem durch seine lange Betriebsdauer und hohe Leistungszuverlässigkeit gekennzeichnet. Es entspricht Umweltvorschriften wie RoHS und wird somit als grünes Produkt eingestuft. Die Zielanwendungen für diesen Infrarot-Emitter sind vielfältig und konzentrieren sich hauptsächlich auf Bereiche wie Infrarot-Emitter für Fernbedienungssysteme und platinenmontierte Infrarotsensoren für Annäherungserkennung, Objekterfassung oder Datenübertragung.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

Die folgenden Abschnitte bieten eine detaillierte, objektive Analyse der wichtigsten technischen Parameter des Bauteils, wie in seinen Spezifikationsgrenzen definiert.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen ist nicht garantiert und sollte in einem zuverlässigen Design vermieden werden.

• Verlustleistung (Pd):1,8 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 (IFP):5 Ampere. Dies ist der maximal zulässige Strom unter gepulsten Bedingungen (300 Pulse pro Sekunde, 10-Mikrosekunden-Pulsbreite). Er liegt deutlich über dem DC-Wert und nutzt die thermische Trägheit des Bauteils.
• DC-Durchlassstrom (IF):1 Ampere. Dies ist der maximale kontinuierliche Durchlassstrom, den das Bauteil verkraften kann.
• Sperrspannung (VR):5 Volt. Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann den Halbleiterübergang durchschlagen.
• Thermischer Widerstand (RθJ):10 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. Das Bauteil funktioniert garantiert innerhalb dieses Umgebungstemperaturbereichs.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Dies sind die typischen und garantierten Leistungsparameter, gemessen unter spezifizierten Testbedingungen (TA=25°C, sofern nicht anders angegeben).

• Strahlstärke (I_E):160 mW/sr (Min). Dies misst die optische Leistung, die pro Raumwinkeleinheit (Steradiant) entlang der Achse emittiert wird. Sie definiert die Stärke des Strahls in einer bestimmten Richtung.
• Gesamtstrahlungsfluss (Φ_e):590 mW (Typ). Dies ist die gesamte vom Bauteil in alle Richtungen (4π Steradiant) emittierte optische Leistung.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_P):940 nm (Typ). Die Wellenlänge, bei der die emittierte optische Leistung maximal ist.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm (Typ). Dies ist die spektrale Bandbreite, bei der die Strahlstärke mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Sie beschreibt die Reinheit der emittierten Farbe (Wellenlänge).
• Durchlassspannung (V_F):1,8V (Typ), 2,3V (Max) bei I_F=1A. Der Spannungsabfall über dem Bauteil, wenn der spezifizierte Durchlassstrom fließt.
• Sperrstrom (I_R):10 μA (Max) bei V_R=5V. Der geringe Leckstrom, der fließt, wenn das Bauteil in Sperrrichtung betrieben wird.
• Anstiegs-/Abfallzeit (t_r/t_f):30 ns (Typ). Die Zeit, die der optische Ausgang benötigt, um als Reaktion auf einen Stufenstrom von 10 % auf 90 % (oder von 90 % auf 10 %) seines Endwerts anzusteigen (bzw. abzufallen). Dies bestimmt die maximale Modulationsgeschwindigkeit.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):90 Grad (Typ). Der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke den halben Wert der Mitte (0°) beträgt. Ein Winkel von 90° deutet auf ein breites Strahlprofil hin.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen veranschaulichen. Diese Kurven sind wesentlich, um Nichtlinearitäten und Temperaturabhängigkeiten zu verstehen.

3.1 Spektrale Verteilung

Ein Diagramm (Abb.1) zeigt die relative Strahlstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Kurve ist um 940 nm zentriert mit einer typischen Halbwertsbreite von 50 nm. Dies bestätigt, dass das Bauteil im nahen Infrarotbereich emittiert, was für viele Sensoren und Fernbedienungen optimal ist, die sichtbares Licht ausfiltern.

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

Die I-V-Kennlinie (Abb.3) zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Beim Nennstrom von 1A beträgt die Durchlassspannung typischerweise 1,8V. Entwickler müssen sicherstellen, dass die Treiberschaltung diese Spannung beim erforderlichen Strom bereitstellen kann.

3.3 Temperaturabhängigkeit

Wichtige Diagramme veranschaulichen den Temperatureinfluss:

• Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb.2):Zeigt, wie sich der maximal zulässige Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur aufgrund der festen Verlustleistungsgrenze reduziert.
• Relative Strahlstärke vs. Umgebungstemperatur (Abb.4):Zeigt an, dass die optische Ausgangsleistung mit steigender Sperrschichttemperatur abnimmt. Dies ist ein kritischer Faktor für eine konsistente Leistung.
• Relative Strahlstärke vs. Durchlassstrom (Abb.5):Zeigt die sublineare Beziehung zwischen Treiberstrom und Lichtausgang, insbesondere bei höheren Strömen, wo der Wirkungsgrad sinken und die Erwärmung zunehmen kann.

3.4 Abstrahlcharakteristik

Das Abstrahldiagramm (Abb.6) ist ein Polardiagramm, das die Winkelverteilung des emittierten Lichts zeigt. Der 90° Abstrahlwinkel wird visuell bestätigt, wobei die Intensität bei ±45° von der Mittelachse auf die Hälfte abfällt. Dieses Muster ist wichtig, um den Emitter mit einem Detektor auszurichten oder eine ausreichende Abdeckung in einer Sensoranwendung sicherzustellen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Konturmaße

Das Bauteil hat eine Standard-Durchsteckbauform. Die Maßzeichnung gibt die Bauteilgröße, Anschlussabstände und Anschlussdurchmesser an. Alle Maße sind in Millimetern angegeben, mit einer typischen Toleranz von ±0,1 mm, sofern nicht anders angegeben. Die Kathode ist auf dem Gehäuse gekennzeichnet, was für die korrekte Ausrichtung während der Leiterplattenmontage entscheidend ist.

4.2 Vorgeschlagene Lötpad-Maße

Ein Diagramm zeigt empfohlene Land Pattern (Footprint)-Maße für das Leiterplattendesign. Die Einhaltung dieser Empfehlungen hilft, eine zuverlässige Lötstelle und eine korrekte mechanische Stabilität nach Wellen- oder Reflow-Lötung zu gewährleisten.

5. Löt- und Montageanleitung

5.1 Lötbedingungen

Das Datenblatt gibt klare Richtlinien für zwei Lötverfahren:

• Reflow-Lötung:Empfohlen für die Oberflächenmontage. Das Profil muss eine Vorwärmphase (150-200°C) haben, eine Spitzentemperatur von maximal 260°C nicht überschreiten und die Zeit über 260°C auf maximal 10 Sekunden begrenzt sein. Das Bauteil kann dieses Profil maximal zweimal verkraften.
• Handlötung (Lötkolben):Die Temperatur der Lötspitze sollte 300°C nicht überschreiten, und die Kontaktzeit sollte auf 3 Sekunden pro Anschluss begrenzt werden. Dies sollte nur einmal durchgeführt werden.

Es wird auf ein JEDEC-konformes Reflow-Temperaturprofil als generische Zielvorgabe verwiesen, wobei die Notwendigkeit betont wird, sowohl die JEDEC-Grenzwerte als auch die Spezifikationen des Lotpastenherstellers einzuhalten.

5.2 Lagerung und Handhabung

• Lagerung (versiegelte Beutel):Bauteile sollten bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit (RH) gelagert werden. Die Haltbarkeit im Feuchtigkeitsschutzbeutel mit Trockenmittel beträgt ein Jahr.
• Lagerung (geöffneter Beutel):Nach dem Öffnen sollte die Umgebung 30°C / 60% RH nicht überschreiten. Die Bauteile sollten innerhalb einer Woche verwendet werden. Für eine längere Lagerung außerhalb des Originalbeutels müssen sie in einem verschlossenen Behälter mit Trockenmittel oder in einem Stickstoff-Exsikkator aufbewahrt werden.
• Trocknen (Baking):Wenn Bauteile länger als eine Woche der Umgebungsluft ausgesetzt waren, wird vor dem Löten ein Trockenvorgang bei 60°C für mindestens 20 Stunden empfohlen, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und "Popcorning" während des Reflow zu verhindern.

5.3 Reinigung

Wenn nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropanol verwendet werden, um das Gehäuse oder das Linsenmaterial nicht zu beschädigen.

5.4 Ansteuerungsmethode

Ein wichtiger Designhinweis betont, dass eine LED ein stromgesteuertes Bauteil ist. Um eine gleichmäßige Helligkeit beim parallelen Betrieb mehrerer LEDs zu gewährleisten, muss ein individueller strombegrenzender Widerstand in Reihe mit jeder LED geschaltet werden. Dies kompensiert geringfügige Schwankungen in der Durchlassspannung (V_F) einzelner Bauteile und verhindert Stromkonzentration und ungleichmäßige Beleuchtung oder Ausgangsleistung.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Maße der Band- und Spulenverpackung

Detaillierte mechanische Zeichnungen geben die Maße des Trägerbands, der Tasche, die das Bauteil aufnimmt, und der gesamten Spule (7-Zoll-Durchmesser wird erwähnt) an. Das Band ist mit einem Deckband versiegelt, um die Bauteile während des Versands und der automatisierten Montage zu schützen.

6.2 Verpackungsspezifikationen

Wichtige Verpackungsdetails umfassen:

• Spulengröße: 7 Zoll.
• Stückzahl: 600 Stück pro Spule.
• Qualität: Die maximale Anzahl aufeinanderfolgender fehlender Bauteile im Band beträgt zwei.
• Standard: Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA 481-1-A-1994-Spezifikationen.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Basierend auf seinen Spezifikationen eignet sich dieser Infrarot-Emitter gut für:

• Infrarot-Fernbedienungen:Für Fernseher, Audiosysteme und andere Unterhaltungselektronik. Die 940nm-Wellenlänge ist Standard für die meisten IR-Empfänger.
• Annäherungs- und Objekterkennung:Gepaart mit einer Fotodiode oder einem Fototransistor, um die Anwesenheit, Abwesenheit oder Entfernung eines Objekts durch Reflexion seines IR-Lichts zu erfassen.
• Optische Schalter und Encoder:Unterbrechung des Strahls zwischen Emitter und Detektor, um einen berührungslosen Schalter zu erstellen oder Drehung/Position zu messen.
• Kurzstrecken-Datenübertragung:Für IrDA-ähnliche Anwendungen oder einfache drahtlose Datenverbindungen, moduliert durch seine schnelle Anstiegs-/Abfallzeit.

7.2 Designüberlegungen

• Wärmemanagement:Bei einer Verlustleistung von 1,8W und einem thermischen Widerstand von 10 K/W erzeugt der Betrieb des Bauteils mit seinem maximalen DC-Strom erhebliche Wärme. Eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte (thermische Entlastung) oder ein Kühlkörper kann für den Dauerbetrieb erforderlich sein, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen.
• Stromtreiberschaltung:Verwenden Sie einen Konstantstromtreiber oder eine Spannungsquelle mit einem Reihenwiderstand, um den Strom einzustellen. Vermeiden Sie die direkte Ansteuerung von einem Logik-Pin oder einer ungeregelten Spannungsquelle.
• Optisches Design:Berücksichtigen Sie den 90° Abstrahlwinkel. Für große Reichweiten oder gerichtete Strahlen kann eine Linse erforderlich sein, um das Licht zu kollimieren. Für eine großflächige Ausleuchtung kann der native Winkel ausreichen.
• Paarung mit Detektor:Stellen Sie sicher, dass der ausgewählte Fotodetektor (PIN-Fotodiode, Fototransistor) im 940nm-Bereich empfindlich ist. Die Verwendung eines Detektors mit einem Tageslichtsperrfilter verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis unter Umgebungslichtbedingungen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Während ein direkter Vergleich spezifische Wettbewerberdaten erfordert, sind die wichtigsten Differenzierungsmerkmale dieses Bauteils basierend auf seinem eigenen Datenblatt:

• Hohe Leistungsfähigkeit:Ein DC-Durchlassstrom von 1A und eine gepulste Strombelastbarkeit von 5A deuten auf einen robusten Chip- und Gehäusedesign hin, das eine hohe Ausgangsleistung ermöglicht.
• Breiter Abstrahlwinkel:Der 90°-Winkel bietet eine breite Abdeckung, was für Sensoranwendungen nützlich ist, bei denen die Ausrichtung nicht kritisch ist oder eine Flächenausleuchtung benötigt wird.
• Schnelle Schaltgeschwindigkeit:Eine typische Anstiegs-/Abfallzeit von 30 ns ermöglicht eine Hochfrequenzmodulation und damit höhere Datenübertragungsraten in Kommunikationsanwendungen im Vergleich zu langsameren Bauteilen.
• Etablierte Zuverlässigkeit:Verweise auf JEDEC-Standards und detaillierte Löt-/Feuchtigkeitssensitivitätsrichtlinien deuten auf ein Bauteil hin, das für robuste Fertigungsprozesse ausgelegt ist.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Kann ich diese LED direkt mit einem 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

Nein, dies wird nicht empfohlen und würde wahrscheinlich die LED oder den Mikrocontroller beschädigen.Die LED hat typischerweise einen Spannungsabfall von 1,8V bei 1A. Ein Mikrocontroller-Pin kann keine 1A liefern, und ein direkter Anschluss an 5V ohne Strombegrenzung würde versuchen, einen zerstörerisch hohen Strom zu ziehen. Sie müssen eine Treiberschaltung (Transistor/MOSFET) mit einem Reihenwiderstand verwenden, um den Strom auf den gewünschten Wert zu begrenzen.

9.2 Warum ist die Ausgangsleistung bei hoher Temperatur niedriger?

Der Wirkungsgrad des Halbleitermaterials bei der Umwandlung von elektrischem Strom in Licht (interne Quanteneffizienz) nimmt mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Dies ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft. Das Diagramm in Abb.4 quantifiziert diese Reduzierung, die in Designs, die über einen weiten Temperaturbereich arbeiten, berücksichtigt werden muss, um eine konsistente optische Leistung sicherzustellen.

9.3 Was ist der Unterschied zwischen Strahlstärke und Gesamtstrahlungsfluss?

Strahlstärke (mW/sr)ist einegerichteteMessgröße: die Leistung, die in einen bestimmten Raumwinkel (üblicherweise entlang der Mittelachse) emittiert wird. Sie ist entscheidend für Anwendungen, bei denen ein Detektor an einem bestimmten Ort platziert ist.Gesamtstrahlungsfluss (mW)ist diegesamteintegrierte Leistung, die in alle Richtungen (die gesamte Kugel) emittiert wird. Sie repräsentiert die gesamte "Helligkeit" des Emitters unabhängig von der Richtung. Ein Bauteil kann einen hohen Gesamtfluss, aber eine niedrige axiale Strahlstärke haben, wenn das Licht sehr breit gestreut wird.

9.4 Wie kritisch ist die 1-Wochen-Frist nach dem Öffnen des Beutels?

Sie ist für zuverlässiges Löten sehr wichtig. Kunststoffgehäuse absorbieren Feuchtigkeit aus der Luft. Während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses kann diese eingeschlossene Feuchtigkeit schnell verdampfen und innere Delamination, Risse oder "Popcorning" verursachen, die das Bauteil zerstören. Die 1-Wochen-Frist und die Trockenanforderung basieren auf der Feuchtigkeitssensitivitätsstufe (MSL) des Gehäuses, um diese Ausfälle zu verhindern.

10. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Fall: Entwurf einer Multi-Emitter-Objekterkennungsbarriere
Ein System benötigt einen Infrarot-Lichtvorhang, um Objekte zu erkennen, die durch ein 50 cm breites Tor passieren. Es werden fünf Emitter-Detektor-Paare verwendet.

1. Treiberschaltung:Jeder Emitter wird von einem eigenen N-Kanal-MOSFET angesteuert, der von einem gemeinsamen Mikrocontroller-PWM-Signal gesteuert wird, um das IR-Licht zu modulieren (z.B. bei 38kHz). Ein einzelner strombegrenzender Widerstand wird für jeden LED-Zweig berechnet: R = (V_versorgung- V_{F_LED}) / I_F. Angenommen eine 5V-Versorgung, V_F=1,8V und I_F=500mA (reduziert für Zuverlässigkeit), R = (5 - 1,8) / 0,5 = 6,4Ω (verwenden Sie 6,2Ω Standardwert). Die Nennleistung des Widerstands muss mindestens I²R = (0,5)²*6,2 ≈ 1,55W betragen, daher wird ein 2W- oder 3W-Widerstand benötigt.
2. Wärmemanagement:Jede LED verbraucht P = V_F* I_F= 1,8V * 0,5A = 0,9W. Die Leiterplatte sollte große Kupferflächen haben, die mit den Kathoden- und Anodenpads der LED verbunden sind, um als Kühlkörper zu dienen und die Sperrschichttemperatur innerhalb sicherer Grenzen zu halten.
3. Optische Ausrichtung:Der 90° Abstrahlwinkel vereinfacht die Ausrichtung mit dem entsprechenden Detektor über den Spalt. Kleine röhrenförmige Blenden können um Emitter und Detektor platziert werden, um Störungen durch Umgebungslicht zu begrenzen, ohne den Strahl übermäßig einzuschränken.
4. Modulation:Das Ansteuern der Emitter mit einem 38kHz-Rechtecksignal ermöglicht es, die Detektoren auf die gleiche Frequenz abzustimmen, wodurch konstantes Umgebungs-IR-Licht (wie von Sonnenlicht oder Lampen) effektiv ausgefiltert und die Erkennungszuverlässigkeit erheblich verbessert wird.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

Dieses Bauteil ist eine Leuchtdiode (LED), die im Infrarotspektrum arbeitet. Sein Kern ist ein Halbleiterchip aus Galliumarsenid (GaAs). Wenn eine Durchlassspannung an den P-N-Übergang des Chips angelegt wird, rekombinieren Elektronen aus dem N-Typ-Material mit Löchern aus dem P-Typ-Material. Dieser Rekombinationsprozess setzt Energie frei. In einer Standard-Siliziumdiode wird diese Energie hauptsächlich als Wärme freigesetzt. In Materialien wie GaAs wird ein erheblicher Teil dieser Energie als Photonen (Lichtteilchen) freigesetzt. Die spezifische Bandlücke des GaAs-Materials bestimmt die Wellenlänge dieser Photonen, die in diesem Fall bei etwa 940 nm zentriert ist und sie in den nahen Infrarotbereich einordnet. Die Intensität des emittierten Lichts ist direkt proportional zur Rekombinationsrate, die durch den durch die Diode fließenden Durchlassstrom gesteuert wird.

12. Technologietrends (Objektive Perspektive)

Das Gebiet der Infrarot-Emitter entwickelt sich weiter, parallel zu breiteren Optoelektronik-Trends. Es gibt einen stetigen Trend zu höherer Leistungsdichte und Effizienz, was eine hellere Ausgangsleistung aus kleineren Gehäusen oder mit geringerem Stromverbrauch ermöglicht. Dies ermöglicht kompaktere Sensordesigns und längere Batterielaufzeiten in tragbaren Geräten. Integration ist ein weiterer Schlüsseltrend, bei dem Bauteile den Emitter, die Treiberschaltung und manchmal sogar einen einfachen Detektor oder eine Überwachungs-Fotodiode in einem einzigen Modul oder IC-Gehäuse kombinieren, was das Systemdesign vereinfacht. Darüber hinaus zielen Fortschritte in Materialien, wie die Entwicklung effizienterer epitaktischer Strukturen oder die Verwendung neuer Halbleiterverbindungen, darauf ab, Leistungsparameter wie die Wandsteckereffizienz (Lichtausgang pro elektrischer Eingangsleistung) und Temperaturstabilität zu verbessern. Die Nachfrage nach Bauteilen, die höhere Modulationsgeschwindigkeiten unterstützen, besteht ebenfalls weiter, angetrieben durch Anwendungen in schnellerer Datenkommunikation und LiDAR (Light Detection and Ranging)-Systemen. Diese Trends konzentrieren sich darauf, Leistung, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit für den Systementwickler zu verbessern.