IR-Emitter und -Detektor LTE-S9711-J Datenblatt - Seitenansicht-Gehäuse - Spitzenwellenlänge 940nm - Durchlassspannung 1,2V - Strahlungsstärke 3,0mW/sr - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTE-S9711-J ist ein diskretes Infrarot-Bauteil, das für Anwendungen entwickelt wurde, die zuverlässige Infrarot-Emission und -Detektion erfordern. Er gehört zu einer breiten Produktlinie optoelektronischer Bauelemente. Die Hauptfunktion dieser Komponente ist das Emittieren oder Detektieren von Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern. Das Seitenansicht-Linsendesign ermöglicht einen großen Abstrahlwinkel, was es für Anwendungen geeignet macht, bei denen die optische Achse parallel zur Montageoberfläche verläuft. Das Bauteil ist aus wasserklarem Kunststoff gefertigt und für den Einsatz in modernen automatisierten Bestückungsprozessen ausgelegt.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Der LTE-S9711-J bietet Entwicklern mehrere Schlüsselvorteile. Er erfüllt RoHS- und Green-Product-Standards und gewährleistet so die Umweltkonformität. Das Gehäuse wird auf 8-mm-Tape auf 13-Zoll-Durchmesser-Spulen geliefert, was eine vollständige Kompatibilität mit Hochgeschwindigkeits-Automatikbestückungsgeräten ermöglicht. Diese Kompatibilität rationalisiert den Fertigungsprozess für die Serienproduktion erheblich. Darüber hinaus ist das Bauteil für Infrarot-Reflow-Lötprozesse ausgelegt und somit kompatibel mit Standard-SMD-Montagelinien. Die primären Zielmärkte umfassen Unterhaltungselektronik für Fernbedienungsfunktionen, industrielle Anwendungen für IR-Drahtlos-Datenübertragung und Sicherheitssysteme für Alarm- und Erfassungsfunktionen. Das Seitenansicht-Gehäuse ist besonders vorteilhaft in platzbeschränkten Designs, in denen ein von oben emittierendes Bauteil nicht passen würde.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften des LTE-S9711-J, wie in den Absolutwerten und den Tabellen der elektrischen/optischen Kenngrößen definiert.

2.1 Absolutwerte

Die Absolutwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Dies sind keine Betriebsbedingungen. Für den LTE-S9711-J beträgt die maximale Verlustleistung 100 mW bei einer Umgebungstemperatur (TA) von 25°C. Dieser Wert bestimmt das thermische Design der Anwendungsschaltung. Das Bauteil kann einen hohen Spitzen-Durchlassstrom von 1 Ampere verkraften, jedoch nur unter spezifischen Pulsbedingungen: einer Pulsbreite von 10 Mikrosekunden und einer Pulsfolgefrequenz von 300 Pulsen pro Sekunde. Der Nennwert für den kontinuierlichen Gleichstrom-Durchlassstrom ist mit 50 mA konservativer. Die Sperrspannungsfestigkeit beträgt 5 Volt, was auf eine sehr geringe Toleranz gegenüber Sperrspannung hindeutet; das Bauteil ist nicht für einen solchen Betrieb ausgelegt. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -40°C bis +85°C, der Lagerbereich von -55°C bis +100°C, was für kommerzielle elektronische Bauteile Standard ist. Das Bauteil hält einer Infrarot-Reflow-Lötung mit einer Spitzentemperatur von 260°C für maximal 10 Sekunden stand.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Die typischen Betriebsparameter sind bei TA=25°C spezifiziert. Der wichtigste optische Parameter ist die Strahlungsstärke (I_E), die bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20mA einen Mindestwert von 3,0 mW/sr aufweist. Dieser Parameter ist gebinnt, wie später erläutert wird. Die Spitzenemissionswellenlänge (λ_Peak) beträgt typischerweise 940nm, was im nahen Infrarotspektrum liegt und für das menschliche Auge unsichtbar ist. Die spektrale Bandbreite (Δλ) oder Halbwertsbreite beträgt typischerweise 50nm und beschreibt die Streuung der emittierten Wellenlängen um den Spitzenwert. Elektrisch beträgt die Durchlassspannung (V_F) typischerweise 1,2V mit einem Maximum von 1,5V bei I_F=20mA. Der Sperrstrom (I_R) ist sehr niedrig, mit einem Maximum von 10 μA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Der Abstrahlwinkel (2θ_1/2) beträgt typischerweise 45 Grad, wobei θ_1/2der Winkel ist, bei dem die Strahlungsstärke auf die Hälfte ihres Wertes auf der Achse abfällt.

3. Erklärung des Binning-Systems

Der LTE-S9711-J verwendet ein Binning-System für seine Strahlungsstärke, um die Konsistenz innerhalb einer Produktionscharge sicherzustellen und Optionen für verschiedene Leistungsstufen bereitzustellen. Der Bin-Code ist in der Teilenummer angegeben (z.B. das "J" in LTE-S9711-J). Die verfügbaren Bins sind:

• Bin J:Strahlungsstärke zwischen 3,0 mW/sr (min) und 4,5 mW/sr (max) bei I_F=20mA.
• Bin K:Strahlungsstärke zwischen 4,0 mW/sr (min) und 6,0 mW/sr (max) bei I_F=20mA.
• Bin L:Strahlungsstärke mit einem Minimum von 5,0 mW/sr bei I_F=20mA (keine Obergrenze in den bereitgestellten Daten angegeben).

Dieses System ermöglicht es Entwicklern, eine Komponente auszuwählen, die ihren spezifischen optischen Ausgangsleistungsanforderungen entspricht und dabei Leistung und Kosten in Einklang bringt.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere typische Kennlinien, die für das Verständnis des Bauteilverhaltens unter nicht standardmäßigen Bedingungen entscheidend sind.

4.1 Spektrale Verteilung

Die spektrale Verteilungskurve (Abb.1) zeigt die relative Strahlungsstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt das Maximum bei 940nm und die ungefähre spektrale Halbwertsbreite von 50nm. Diese Kurve ist wichtig für Anwendungen, die empfindlich auf bestimmte Wellenlängen reagieren, oder bei der Abstimmung auf die spektrale Empfindlichkeit eines Detektors.

4.2 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung & Umgebungstemperatur

Abbildung 2 und Abbildung 3 veranschaulichen die Beziehung zwischen Durchlassstrom (I_F) und Durchlassspannung (V_F) bei verschiedenen Umgebungstemperaturen. Diese Kurven zeigen, dass V_Feinen negativen Temperaturkoeffizienten hat; sie nimmt bei gegebenem Strom mit steigender Temperatur ab. Dies ist ein typisches Verhalten für Halbleiterdioden. Dies zu verstehen ist entscheidend für den Entwurf stabiler Treiberschaltungen, insbesondere über einen weiten Temperaturbereich.

4.3 Relative Strahlungsstärke vs. Durchlassstrom & Temperatur

Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen, wie die optische Ausgangsleistung (relativ zu ihrem Wert bei I_F=20mA) mit dem Durchlassstrom und der Umgebungstemperatur variiert. Die Ausgabe steigt mit dem Strom, zeigt aber bei höheren Strömen eine sublineare Beziehung, möglicherweise aufgrund thermischer Effekte. Abbildung 4 zeigt speziell, dass die Ausgangsleistung mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt, was ein kritischer Derating-Faktor für Hochtemperaturanwendungen ist.

4.4 Strahlungsdiagramm

Das Strahlungsdiagramm (Abb.6) ist ein Polardiagramm, das die räumliche Verteilung des emittierten Infrarotlichts darstellt. Der typische Abstrahlwinkel von 45 Grad (2θ_1/2) wird hier visuell bestätigt. Dieses Diagramm ist für das optische Design unerlässlich, um den Emitter mit einem Detektor auszurichten oder den Abdeckungsbereich des IR-Signals zu verstehen.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Abmessungen und Polarität

Die Komponente verfügt über ein Standard-Seitenansicht-SMD-Gehäuse. Die Umrisszeichnung liefert alle kritischen Abmessungen, einschließlich Gehäusegröße, Anschlussabstand und Linsenposition. Die Kathode ist typischerweise durch eine visuelle Markierung wie eine Kerbe oder eine abgeflachte Stelle am Gehäuse gekennzeichnet, wie in den Zeichnungsnotizen angegeben. Die Gehäusehöhe, -breite und -tiefe sind spezifiziert, um einen ausreichenden Bauraum in der Endmontage zu gewährleisten.

5.2 Empfohlene Lötpad-Anordnung

Ein empfohlenes Land Pattern (Lötpad-Abmessungen) wird bereitgestellt, um eine zuverlässige Lötstelle und eine korrekte mechanische Ausrichtung während des Reflow-Prozesses sicherzustellen. Die Einhaltung dieser Empfehlungen hilft, Tombstoning (Aufstellen der Komponente) zu verhindern und gewährleistet eine gute thermische und elektrische Verbindung zur Leiterplatte (PCB).

6. Löt- und Montagerichtlinien

Eine sachgemäße Handhabung ist für die Zuverlässigkeit von SMD-Bauteilen entscheidend.

6.1 Feuchtigkeitssensitivität und Lagerung

Der LTE-S9711-J ist mit Feuchtigkeitssensitivitätsstufe 3 (MSL 3) bewertet. Das bedeutet, dass die verpackten Bauteile bis zu 168 Stunden (eine Woche) lang den Bedingungen auf der Werkstattfertigungsebene (≤30°C/60% RH) ausgesetzt werden können, bevor sie gelötet werden, ohne dass während des Reflow-Prozesses das Risiko von feuchtigkeitsbedingten Schäden (Popcorning) besteht. Wenn die originale Feuchtigkeitsschutzverpackung geöffnet wird, wird empfohlen, den IR-Reflow-Prozess innerhalb dieser einwöchigen Frist abzuschließen. Für eine längere Lagerung außerhalb der Originalverpackung müssen die Bauteile in einem Trockenschrank oder einem versiegelten Behälter mit Trockenmittel gelagert werden. Wenn die Expositionszeit eine Woche überschreitet, ist vor der Montage ein Trocknungsvorgang (ca. 60°C für mindestens 20 Stunden) erforderlich, um die aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen.

6.2 Reflow-Lötprofil

Das Bauteil ist mit Infrarot-Reflow-Lötung kompatibel. Das empfohlene Profil folgt JEDEC-Standards. Zu den Schlüsselparametern gehören: eine Aufwärmzone von 150°C bis 200°C für bis zu 120 Sekunden und eine maximale Bauteiltemperatur von 260°C für maximal 10 Sekunden. Das Bauteil hält unter diesen Bedingungen maximal zwei Reflow-Zyklen stand. Für manuelles Löten mit einem Lötkolben sollte die Lötspitzentemperatur 300°C nicht überschreiten und die Kontaktzeit auf 3 Sekunden pro Lötstelle begrenzt werden. Es ist entscheidend, die Spezifikationen des Lotpastenherstellers in Verbindung mit diesen Richtlinien zu befolgen.

6.3 Reinigung

Wenn eine Nachlötreinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Aggressive chemische Reinigungsmittel können das Kunststoffgehäuse oder die Linse beschädigen.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackung für den LTE-S9711-J erfolgt auf 8 mm breitem, geprägtem Trägertape. Das Tape ist auf einer Spule mit einem Durchmesser von 13 Zoll (330 mm) aufgewickelt. Jede Spule enthält etwa 9.000 Stück. Die Verpackungsspezifikationen entsprechen ANSI/EIA 481-1-A-1994. Das Tape hat einen Deckstreifen zum Schutz der Komponenten, und es sind maximal zwei aufeinanderfolgende fehlende Komponenten (leere Taschen) pro Spule zulässig. Die Teilenummer, einschließlich des Bin-Codes (z.B. LTE-S9711-J, LTE-S9711-K), muss bei der Bestellung angegeben werden, um die gewünschte Strahlungsstärke-Leistung zu erhalten.

8. Anwendungshinweise und Designüberlegungen

8.1 Typische Anwendungsschaltungen

Als Infrarot-Emitter ist der LTE-S9711-J ein stromgesteuertes Bauteil. Ein Vorwiderstand ist zwingend erforderlich, um den gewünschten Durchlassstrom (I_F) einzustellen und die LED vor übermäßigem Strom zu schützen, insbesondere bei Versorgung aus einer Spannungsquelle wie einer Batterie oder einem Regler. Der Widerstandswert wird mit dem Ohmschen Gesetz berechnet: R = (V_Versorgung- V_F) / I_F. Unter Verwendung der typischen V_Fvon 1,2V bei 20mA würde eine 5V-Versorgung einen Widerstand von etwa (5V - 1,2V) / 0,02A = 190 Ohm erfordern. Ein Standard-200-Ohm-Widerstand wäre geeignet. Für Pulsbetrieb (z.B. Fernbedienungscodes) muss die Treiberschaltung sicherstellen, dass der Spitzenstrom die 1A-Nennleistung nicht überschreitet und die Grenzwerte für Pulsbreite (10μs) und Tastverhältnis (300pps) eingehalten werden.

8.2 Designüberlegungen für zuverlässigen Betrieb

Thermisches Management:Obwohl das Gehäuse klein ist, muss die Verlustleistungsgrenze von 100mW eingehalten werden. Beim maximalen Gleichstrom von 50mA und einer typischen V_Fvon 1,2V beträgt die Verlustleistung 60mW, was innerhalb der Grenzen liegt. Bei hohen Umgebungstemperaturen oder in geschlossenen Räumen sinkt jedoch die effektive Leistungsfähigkeit. Eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte (thermische Entlastungspads) kann helfen, Wärme abzuführen.
Optische Ausrichtung:Die Seitenansicht-Linse erfordert ein sorgfältiges Leiterplattenlayout, um sicherzustellen, dass der IR-Strahl korrekt auf den Empfänger, Reflektor oder Zielbereich gerichtet ist. Das Strahlungsdiagramm sollte konsultiert werden.
Elektrisches Rauschen:In Erfassungsanwendungen kann die Detektorseite einer ähnlichen Komponente anfällig für Umgebungslichtrauschen sein. Die Verwendung modulierter IR-Signale und entsprechender demodulierender Empfängerschaltungen ist eine gängige Technik, um das Signal-Rausch-Verhältnis und die Immunität gegen Umgebungslichtstörungen zu verbessern.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der LTE-S9711-J unterscheidet sich hauptsächlich durch sein Seitenansicht-Gehäuse, das seltener ist als IR-LEDs mit Aufsicht. Dies macht ihn einzigartig geeignet für Anwendungen, bei denen die Leiterplatte vertikal montiert ist oder der IR-Pfad parallel zur Platinenoberfläche verläuft. Seine 940nm-Wellenlänge ist der Standard für Verbraucher-Fernbedienungen und bietet einen guten Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit von Silizium-Fotodetektoren und geringer sichtbarer Lichtemission. Im Vergleich zu 850nm-Emittern, die manchmal in der Überwachungstechnik verwendet werden, ist 940nm völlig unsichtbar. Die Verfügbarkeit von Leistungsbins (J, K, L) bietet Flexibilität bei der Auswahl der optischen Leistung, was ein Vorteil gegenüber Bauteilen mit einer einzigen, festen Ausgangsspezifikation sein kann.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Was ist der Unterschied zwischen diesem Bauteil als Emitter und als Detektor?
A: Die Teilenummer LTE-S9711-J bezieht sich auf eine Komponente, die ein Infrarot-Emitter (eine IR-LED) sein kann. Eine Fotodiode oder ein Fototransistor zur Detektion hätte eine andere Teilenummer, obwohl sie ein ähnliches Gehäuse haben können. Das bereitgestellte Datenblatt konzentriert sich auf die Emitter-Eigenschaften.
F: Kann ich diese LED direkt von einem Mikrocontroller-Pin ansteuern?
A: Die meisten Mikrocontroller-GPIO-Pins haben eine begrenzte Stromquellen-/Senkenfähigkeit (oft 20-40mA). Während es bei 20mA möglich sein könnte, ist es im Allgemeinen sicherer und wird empfohlen, einen Transistor (z.B. NPN oder MOSFET) als Schalter zu verwenden, der vom Mikrocontroller angesteuert wird, um den LED-Strom zu regeln, insbesondere für gepulsten oder höheren Strombetrieb.
F: Warum ist der Abstrahlwinkel wichtig?
A: Der Abstrahlwinkel bestimmt die räumliche Abdeckung des IR-Strahls. Ein großer Winkel (wie 45°) ist gut für Anwendungen, die eine breite Abdeckung erfordern, wie Annäherungssensoren oder Kurzstrecken-Datenverbindungen, bei denen die Ausrichtung nicht kritisch ist. Ein engerer Winkel würde eine fokussiertere Intensität für größere Reichweiten oder gerichtete Kommunikation bieten.
F: Wie wähle ich den richtigen Bin-Code aus?
A: Wählen Sie das Bin basierend auf der für Ihre Anwendung erforderlichen minimalen Strahlungsstärke. Bin J (3,0-4,5 mW/sr) ist die Basisstufe. Wenn Ihr Design mehr optische Leistung für größere Reichweite oder zur Überwindung höherer Verluste benötigt, wählen Sie Bin K oder Bin L. Berücksichtigen Sie den Kompromiss mit dem Stromverbrauch und den potenziellen Kosten.

11. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Entwurf eines einfachen Objekterkennungssensors.
Ein gängiges Design verwendet einen IR-Emitter und einen separaten Fototransistor-Detektor, die nebeneinander platziert sind. Wenn sich ein Objekt nähert, reflektiert es das emittierte IR-Licht zurück zum Detektor. Für diesen Aufbau mit dem LTE-S9711-J als Emitter:
1. Das Seitenansicht-Gehäuse ermöglicht es, sowohl den Emitter als auch den Detektor flach auf der Leiterplatte zu montieren, in die gleiche Richtung parallel zur Platine zeigend.
2. Der Emitter wird mit einem gepulsten Strom (z.B. 20mA-Pulse bei 1kHz) über einen Vorwiderstand angesteuert, um Energie zu sparen und eine synchrone Detektion zu ermöglichen.
3. Die 940nm-Wellenlänge ist ideal, da sie unsichtbar ist und die meisten Fototransistoren dafür empfindlich sind.
4. Der typische 45°-Abstrahlwinkel des Emitters bietet ein angemessenes Erfassungsfeld. Der Abstand zwischen Emitter und Detektor sowie mögliche Blenden werden abgestimmt, um den Erfassungsbereich einzustellen und direkte Übersprecheffekte zu vermeiden.
5. Die Empfängerschaltung verstärkt und filtert das Signal des Fototransistors und sucht nach der von einem Objekt reflektierten modulierten 1kHz-Komponente. Diese Modulation hilft, konstantes Umgebungslicht (wie Sonnenlicht oder Raumbeleuchtung) zu unterdrücken.

12. Funktionsprinzip

Der LTE-S9711-J ist, wenn er als Infrarot-Emitter fungiert, eine Leuchtdiode (LED). Sein Kern ist ein Halbleiterchip aus Materialien wie Galliumarsenid (GaAs). Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Halbleiters und setzen Energie in Form von Photonen (Lichtteilchen) frei. Die spezifische Materialzusammensetzung (z.B. GaAs) bestimmt die Bandlückenenergie, die direkt die Wellenlänge des emittierten Lichts definiert – in diesem Fall etwa 940nm, was im Infrarotspektrum liegt. Die Seitenansicht-Linse besteht aus wasserklarem Epoxidharz, das für diese Wellenlänge transparent ist, und ist geformt, um das Strahlungsdiagramm des emittierten Lichts zu gestalten.

13. Technologietrends

Das Gebiet der diskreten Infrarotkomponenten entwickelt sich weiter. Trends umfassen die Entwicklung von Bauteilen mit höherer Strahlungsstärke und Effizienz bei gleicher Gehäusegröße, was größere Reichweiten oder geringeren Stromverbrauch ermöglicht. Es gibt auch Bestrebungen zu höheren Modulationsgeschwindigkeiten für schnellere Datenübertragung in Anwendungen wie IrDA oder optischer Erfassung. Integration ist ein weiterer Trend, wobei kombinierte Emitter-Detektor-Paare in einem einzigen Gehäuse für vereinfachte Sensordesigns immer häufiger werden. Darüber hinaus zielen Fortschritte bei Verpackungsmaterialien und -prozessen darauf ab, die thermische Leistung zu verbessern, um höhere Treiberströme und Zuverlässigkeit zu ermöglichen. Die Nachfrage nach Miniaturisierung besteht weiterhin und treibt die Entwicklung noch kleinerer Gehäuseabmessungen bei gleichzeitiger Beibehaltung oder Verbesserung der optischen Leistung an.