Datenblatt für IR-Emitter und -Detektor - Klargehäuse - Durchlassspannung 1,6V - Strahlstärke bis zu 7,669 mW/sr - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen für eine miniaturisierte, kostengünstige Infrarot (IR)-Emissions- und Detektionskomponente in einem klaren, transparenten Kunststoffgehäuse. Das Bauteil ist für "End-Looking"-Anwendungen konzipiert, d.h. die aktive Sensor-/Emissionsfläche befindet sich am Ende des Gehäuses. Es wird nach spezifischen Bereichen für Strahlstärke und Apertur-Bestrahlungsstärke selektiert und sortiert (gebinnt), um eine konsistente Leistung für Anwendungen mit präzisen optischen Ausgangs- oder Empfindlichkeitsanforderungen zu gewährleisten. Das klare Gehäuse ermöglicht eine effiziente Transmission von Infrarotlicht und bietet gleichzeitig physikalischen Schutz für den Halbleiterchip.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb der folgenden absoluten Grenzen ausgelegt, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden führen kann. Die Verlustleistung ist mit 90 mW spezifiziert. Für den Pulsbetrieb kann es einen Spitzendurchlassstrom von 1 Ampere unter den Bedingungen von 300 Pulsen pro Sekunde mit einer Pulsbreite von 10 Mikrosekunden verarbeiten. Der maximale Dauerdurchlassstrom beträgt 60 mA. Die Komponente hält eine Sperrspannung von bis zu 5 Volt aus. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -40°C bis +85°C, während der Lagertemperaturbereich von -55°C bis +100°C reicht. Für die Montage können die Anschlussdrähte bei einer Temperatur von 260°C für eine Dauer von 5 Sekunden gelötet werden, gemessen in einem Abstand von 1,6 mm vom Gehäusekörper.

2.2 Elektrische und optische Kennwerte

Alle elektrischen und optischen Parameter sind bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C spezifiziert. Die Schlüsselparameter definieren die Leistung des Bauteils unter Standardtestbedingungen.

• Apertur-Bestrahlungsstärke (E_e):Dieser Parameter, gemessen in mW/cm², repräsentiert die auf die aktive Fläche des Detektors einfallende optische Leistungsdichte. Er wird mit einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA getestet. Die Werte sind sortiert (gebinnt) und reichen von einem Minimum von 0,096 mW/cm² (Bin A1) bis zu einem typischen Maximum von 1,020 mW/cm² (Bin C).
• Strahlstärke (I_E):Gemessen in mW/sr (Milliwatt pro Steradiant), definiert dies die emittierte optische Leistung pro Raumwinkeleinheit für den IR-Emitter. Ebenfalls bei I_F=20 mA getestet, reicht sie von 0,722 mW/sr (Bin A1) bis 7,669 mW/sr (Bin C).
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_Peak):Die Ausgabe des IR-Emitters ist auf eine Nennwellenlänge von 940 Nanometern zentriert.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):Die spektrale Bandbreite, bei der die Intensität mindestens die Hälfte des Spitzenwertes beträgt, beträgt typischerweise 50 nm, was auf eine relativ schmalbandige IR-Quelle hinweist.
• Durchlassspannung (V_F):Der Spannungsabfall über dem Bauteil bei einem Strom von 20 mA beträgt typischerweise 1,6 Volt, maximal 1,6 V.
• Sperrstrom (I_R):Bei einer angelegten Sperrspannung von 5 V beträgt der Leckstrom maximal 100 µA.
• Öffnungswinkel (2θ_1/2):Der Winkelbereich, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte ihres Wertes bei 0 Grad (auf der Achse) abfällt, beträgt 60 Grad. Dies definiert das Strahlprofil oder das Sichtfeld.

3. Erklärung des Binning-Systems

Die Komponente verwendet ein Binning-System, das hauptsächlich auf ihren optischen Ausgabeeigenschaften basiert. Dies stellt sicher, dass Bauteile innerhalb einer bestimmten Bin eng übereinstimmende Leistungswerte aufweisen, was für Anwendungen mit Konsistenzanforderungen, wie z.B. in Arrays oder gepaarten Emitter-Detektor-Systemen, entscheidend ist.

• Binning nach Strahlstärke / Apertur-Bestrahlungsstärke:Das Bauteil wird in Bins kategorisiert, die mit A1, A, B, C und D bezeichnet sind. Jeder Bin entspricht einem spezifischen Bereich von Minimal- und typischen/Maximalwerten sowohl für die Strahlstärke (I_E) als auch für die Apertur-Bestrahlungsstärke (E_e). Beispielsweise hat ein Bauteil in Bin C eine I_Ezwischen 3,910 und 7,669 mW/sr und eine E_ezwischen 0,520 und 1,020 mW/cm² bei einem Betriebsstrom von 20 mA. Dies ermöglicht es Entwicklern, Komponenten mit dem für ihre Anwendung erforderlichen präzisen optischen Leistungsniveau auszuwählen und so die Signalstärke und Systemleistung zu optimieren.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen.

• Abbildung 1 - Spektrale Verteilung:Diese Kurve zeigt die relative Strahlstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt die Spitzenemission bei 940 nm und die ungefähre Halbwertsbreite von 50 nm und gibt Aufschluss über die spektrale Reinheit der IR-Ausgabe.
• Abbildung 2 - Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur:Dieses Diagramm zeigt die Reduzierung (Derating) des maximal zulässigen Dauerdurchlassstroms mit steigender Umgebungstemperatur. Es ist für das thermische Management und die Gewährleistung des Betriebs innerhalb des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) unerlässlich.
• Abbildung 3 - Durchlassstrom vs. Durchlassspannung:Dies ist die Strom-Spannungs (I-V)-Kennlinie. Sie zeigt die Beziehung zwischen der angelegten Durchlassspannung und dem resultierenden Strom und hebt die typische Schwellspannung und den dynamischen Widerstand des Bauteils hervor.
• Abbildung 4 - Relative Strahlstärke vs. Umgebungstemperatur:Diese Kurve veranschaulicht, wie sich die optische Ausgangsleistung (relativ zu ihrem Wert bei 20 mA und 25°C) mit der Temperatur ändert. Typischerweise nimmt die LED-Ausgangsleistung mit steigender Temperatur ab, und dieses Diagramm quantifiziert diese Beziehung.
• Abbildung 5 - Relative Strahlstärke vs. Durchlassstrom:Dies zeigt die optische Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom Treiberstrom. Es handelt sich im Allgemeinen um eine überlineare Beziehung, aber die Kurve hilft Entwicklern, die Effizienz und Sättigungspunkte bei verschiedenen Strompegeln zu verstehen.
• Abbildung 6 - Strahlungsdiagramm:Dieses Polardiagramm stellt den Öffnungswinkel oder das Strahlungsmuster visuell dar. Die konzentrischen Kreise zeigen die relative Intensität an (von 0 in der Mitte bis 1,0 am äußeren Rand), und die Winkelstrahlen zeigen die Verteilung. Die Spezifikation 2θ_1/2= 60° wird durch die Punkte bestätigt, an denen die Kurve den Kreis mit der relativen Intensität 0,5 schneidet.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein miniaturisiertes Kunststoffgehäuse in End-Looking-Bauform. Wichtige dimensionale Hinweise sind: alle Abmessungen sind in Millimetern (mit Zoll in Klammern); die Standardtoleranz beträgt ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben; der maximale Harzvorsprung unter dem Flansch beträgt 1,5 mm; und der Anschlussdrahtabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlussdrähte den Gehäusekörper verlassen. Die genaue Maßzeichnung ist im Datenblatt referenziert und definiert die Gesamtlänge, den Gehäusedurchmesser, den Anschlussdrahtdurchmesser und den Abstand, die für das PCB-Footprint-Design entscheidend sind.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Für einen IR-Emitter/Detektor in einem radial bedrahteten Gehäuse wird die Polarität typischerweise durch physikalische Merkmale des Bauteils angezeigt, wie z.B. eine abgeflachte Seite am Gehäusekörper oder ein kürzerer Anschlussdraht. Die spezifische Identifikationsmethode sollte mit der detaillierten Gehäusezeichnung abgeglichen werden. Ein korrekter Polaritätsanschluss ist für den ordnungsgemäßen Betrieb unerlässlich.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Die Komponente ist für Standardlötprozesse geeignet. Der spezifizierte kritische Parameter ist die Löttemperatur an den Anschlussdrähten: 260°C für maximal 5 Sekunden, wobei der Messpunkt als 1,6 mm (0,063") vom Gehäusekörper entfernt definiert ist. Diese Richtlinie ist entscheidend für Wellenlöten oder Handlöten, um thermische Schäden am internen Halbleiterchip oder am Kunststoffgehäuse zu verhindern. Für Reflow-Löten sollte ein Standardprofil für Durchsteckbauteile mit ähnlichen thermischen Grenzwerten verwendet werden. Komponenten sollten innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -55°C bis +100°C in einer trockenen Umgebung gelagert werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" führen könnte.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Dieses IR-Emitter/Detektor-Paar ist für eine Vielzahl von Näherungserkennungs-, Objekterkennungs- und Datenübertragungsanwendungen geeignet. Häufige Anwendungen sind:

• Objekt-/Näherungserkennung:In Verkaufsautomaten, Druckern oder Industrieanlagen, um das Vorhandensein oder Fehlen eines Objekts zu erkennen.
• Schlitzsensoren:Zur Erkennung von Papier in Druckern oder Tickets in Validatoren.
• Einfache Datenverbindungen:Niedriggeschwindigkeits-, Kurzstrecken-Infrarot-Datenübertragung für Fernbedienungen oder isolierte Kommunikationskanäle.
• Encoder:In Dreh- oder Linearencodern für Positionsrückmeldung, bei denen eine Unterbrecherscheibe zwischen Emitter und Detektor hindurchläuft.

7.2 Designüberlegungen

Bei der Entwicklung mit dieser Komponente müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden:

• Strombegrenzung:Für den Emitter ist ein Vorwiderstand zwingend erforderlich, um den Durchlassstrom auf das gewünschte Niveau zu begrenzen (≤60 mA Dauerstrom, ≤1 A gepulst). Der Wert wird unter Verwendung der Versorgungsspannung (V_CC), des gewünschten I_Fund der typischen V_Fberechnet (z.B. R = (V_CC- V_F) / I_F).
• Detektor-Vorspannung und Verstärkung:Der Fotodetektor benötigt typischerweise eine Sperrvorspannung (bis zu 5 V) und sein Ausgangsstrom ist sehr klein (bezogen auf E_e). Ein Transimpedanzverstärker (TIA) ist oft erforderlich, um diesen kleinen Fotostrom in ein nutzbares Spannungssignal umzuwandeln.
• Optische Ausrichtung:Für gepaarte Emitter-Detektor-Anwendungen ist eine präzise mechanische Ausrichtung entscheidend, um die Signalstärke zu maximieren. Der 60-Grad-Öffnungswinkel bietet eine gewisse Toleranz.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:Da das Bauteil für 940-nm-Licht empfindlich ist, kann es durch Sonnenlicht oder andere IR-Quellen beeinflusst werden. Die Verwendung modulierter IR-Signale und synchroner Detektion (z.B. ein 38-kHz-Träger, wie er häufig in Fernbedienungen verwendet wird) kann die Störfestigkeit erheblich verbessern.
• Thermisches Management:Für Hochtemperaturumgebungen muss die Derating-Kurve (Abb. 2) konsultiert werden, um eine Überschreitung der maximalen Verlustleistung zu vermeiden.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu anderen IR-Komponenten sind die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieses Bauteils seinklares Kunststoffgehäuseund seinpräzises optisches Binning. Viele IR-LEDs und Fotodioden verwenden getönte (z.B. blaue, schwarze) Gehäuse, die sichtbares Licht filtern, aber auch die gewünschte IR-Wellenlänge leicht abschwächen können. Ein klares Gehäuse bietet eine potenziell höhere Transmissionseffizienz bei 940 nm. Das strenge Binning nach Strahlstärke und Bestrahlungsstärke ermöglicht eine vorhersehbare und konsistente Systemleistung, was ein Vorteil gegenüber nicht gebinnten oder nur grob gebinnten Teilen ist, bei denen die Leistung von Einheit zu Einheit erheblich variieren kann. Die Miniaturgröße und die niedrigen Kosten machen es für hochvolumige Verbraucher- und kommerzielle Anwendungen geeignet.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Unterschied zwischen Apertur-Bestrahlungsstärke (E_e) und Strahlstärke (I_E)?

A: E_eist ein Maß für die auf eine Oberfläche (die aktive Fläche des Detektors) einfallende Leistungsdichte (mW/cm²). I_Eist ein Maß für die Leistungsabgabe des Emitters pro Raumwinkel (mW/sr). Sie sind verwandt, beschreiben aber jeweils die Leistung der Detektor- bzw. der Emitterseite.

F: Kann ich den Emitter direkt mit einer 5V-Versorgung betreiben?

A: Nein. Bei einer typischen V_Fvon 1,6 V würde ein direkter Anschluss von 5 V zu übermäßigem Strom führen und die LED wahrscheinlich zerstören. Sie müssen einen strombegrenzenden Widerstand verwenden.

F: Wie wähle ich die richtige Bin für meine Anwendung aus?

A: Wählen Sie basierend auf der erforderlichen Signalstärke. Für Langstrecken- oder Niedrigreflexions-Erkennung bietet eine höhere Bin (C, D) mehr optische Leistung. Für Kurzstrecken- oder Hochsensitivitäts-Detektorschaltungen kann eine niedrigere Bin ausreichend und kostengünstiger sein. Die Konsistenz über mehrere Einheiten in einem System kann ebenfalls die Bin-Auswahl bestimmen.

F: Was bedeutet die Öffnungswinkel-Spezifikation für den Detektor?

A: Für den Detektor definiert der 60-Grad-Öffnungswinkel (2θ_1/2) sein Sichtfeld. Licht, das innerhalb dieses ±30-Grad-Kegels von der Achse einfällt, wird mit angemessener Empfindlichkeit erkannt. Licht außerhalb dieses Winkels wird weitgehend ignoriert, was helfen kann, Streulicht aus unerwünschten Richtungen abzuweisen.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Designfall: Papierend-Sensor in einem Drucker

In dieser Anwendung sind der IR-Emitter und der Detektor auf gegenüberliegenden Seiten des Papierwegs montiert. Wenn Papier vorhanden ist, reflektiert es den IR-Strahl vom Emitter zum Detektor. Wenn das Papierfach leer ist, läuft der Strahl ungehindert und wird nicht zum Detektor zurückreflektiert (oder trifft auf eine andere reflektierende Oberfläche). Die Detektorschaltung überwacht den empfangenen Signalpegel. Ein entscheidender Designschritt ist die Auswahl einer geeigneten Bin (z.B. Bin B), um sicherzustellen, dass das von Papier reflektierte Signal stark genug ist, um zuverlässig vom "kein Papier"-Zustand unterschieden zu werden, selbst bei Schwankungen der Papierreflexion. Der Treiberstrom für den Emitter wird über einen Widerstand auf 20 mA eingestellt, was die Referenzoptikleistung liefert. Die Ausgabe des Detektors wird einem Komparator zugeführt, dessen Schwellwert zwischen den Spannungspegeln für "Papier vorhanden" und "Papier nicht vorhanden" liegt. Der 60-Grad-Öffnungswinkel hilft sicherzustellen, dass der Sensor auch bei leichten Fehlausrichtungen während der Druckermontage funktioniert.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

Das Bauteil besteht aus zwei primären Halbleiterkomponenten: einer Infrarot-Licht emittierenden Diode (IR-LED) und einer Fotodiode. DieIR-LEDarbeitet nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz. Bei Durchlassvorspannung rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Halbleiters und setzen Energie in Form von Photonen frei. Die Materialzusammensetzung (typischerweise basierend auf Galliumarsenid, GaAs) ist so ausgelegt, dass diese Photonenenergie einer Wellenlänge im Infrarotspektrum entspricht, speziell um 940 nm. DieFotodiodearbeitet in Sperrrichtung. Einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters werden absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare. Diese Ladungsträger werden durch das interne elektrische Feld der in Sperrrichtung vorgespannten Sperrschicht auseinandergetrieben und erzeugen einen Fotostrom, der proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist. Das klare Kunststoffgehäuse fungiert als Linse und Fenster, schützt die empfindlichen Halbleiterchips und ermöglicht gleichzeitig den effizienten Durchgang der 940-nm-Infrarotstrahlung.

12. Technologietrends und Entwicklungen

Im Bereich der Optoelektronik für die Sensorik sind mehrere Trends für Komponenten wie diese relevant. Es gibt einen kontinuierlichen Trend zurMiniaturisierung, wobei oberflächenmontierbare (SMD)-Gehäuse für die automatisierte Montage verbreiteter werden als Durchsteckbauformen.Höhere Integrationist ein weiterer Trend, bei dem Emitter, Detektor und Signalaufbereitungsschaltung (Verstärker, Komparator) in einem einzigen Modul kombiniert werden, was das Design für Endanwender vereinfacht. Die Nachfrage nachverbessertem Signal-Rausch-Verhältnisund Unterdrückung von Umgebungslicht treibt die Verwendung spezifischer Wellenlängenbereiche und fortschrittlicher, in das Gehäuse integrierter optischer Filter voran. Darüber hinaus treiben Anwendungen im Internet der Dinge (IoT) und in Wearable Devices den Bedarf an Komponenten mitgeringerem Stromverbrauchbei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines angemessenen Erfassungsbereichs und der Zuverlässigkeit an. Während diese spezifische Komponente eine ausgereifte und kostengünstige Lösung darstellt, berücksichtigen neuere Designs oft diese sich entwickelnden Anforderungen.