IR-Emitter LTE-302 Datenblatt - Seitenblick-Gehäuse - Spitzenwellenlänge 940nm - Durchlassspannung 1,6V - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTE-302 ist ein kostengünstiger, miniaturisierter Infrarot (IR)-Emitter, der für Anwendungen entwickelt wurde, die eine zuverlässige optische Erfassung erfordern. Sein Kernvorteil liegt in seinem Seitenblick-Kunststoffgehäuse, das eine kompakte Bauform ermöglicht, die sich für platzbeschränkte Designs eignet. Das Bauteil ist mechanisch und spektral auf die LTR-301-Serie von Fototransistoren abgestimmt, was die Entwicklung von Lichtschranken, Objekterkennungssensoren und Näherungssensorik vereinfacht. Zielmärkte sind Konsumelektronik, Industrieautomatisierung, Sicherheitssysteme und verschiedene eingebettete Sensoranwendungen, bei denen kosteneffiziente und zuverlässige IR-Emission erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Elektrische und optische Kenngrößen

Die elektrischen und optischen Leistungsdaten sind bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C spezifiziert. Zu den Schlüsselparametern gehören:

• Durchlassspannung (V_F):Typischerweise 1,6V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20mA, maximal 1,6V. Dieser Parameter ist entscheidend für den Entwurf der Treiberschaltung.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_Peak):940 Nanometer (nm). Diese Wellenlänge ist ideal für Anwendungen mit siliziumbasierten Fotodetektoren, die im nahen Infrarotbereich eine gute Empfindlichkeit aufweisen, und ist für das menschliche Auge im Vergleich zu kürzeren Wellenlängen weniger sichtbar.
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):50 nm. Dies gibt die spektrale Bandbreite des emittierten Lichts an, die um die Spitzenwellenlänge zentriert ist.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):40 Grad. Dies definiert die Winkelverteilung der emittierten Strahlung, bei der die Intensität mindestens die Hälfte der Spitzenintensität beträgt.
• Sperrstrom (I_R):Maximal 100 µA bei einer Sperrspannung (V_R) von 5V. Dieser Parameter gibt den Leckstrom an, wenn das Bauteil in Sperrrichtung betrieben wird.

2.2 Absolute Maximalwerte

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

• Verlustleistung (P_D):75 mW.
• Dauer-Durchlassstrom (I_F):50 mA.
• Spitzen-Durchlassstrom:1 A unter Impulsbedingungen (300 Impulse pro Sekunde, 10 µs Impulsbreite).
• Sperrspannung:5 V.
• Betriebstemperaturbereich:-40°C bis +85°C.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C.
• Löt-Temperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6mm vom Gehäusekörper entfernt.

3. Erklärung des Binning-Systems

Der LTE-302 verwendet ein Binning-System basierend auf seiner Strahlstärke und der Apertur-Bestrahlungsstärke. Dieses System gruppiert Bauteile mit ähnlicher optischer Ausgangsleistung, um eine konsistente Anwendungsperformance zu gewährleisten. Die Bins werden bei einem Durchlassstrom von 20mA getestet.

• Strahlstärke (I_E):Gemessen in Milliwatt pro Steradiant (mW/sr), repräsentiert sie die pro Raumwinkeleinheit abgegebene optische Leistung. Die Bins reichen von B (0,662-1,263 mW/sr) bis F (mindestens 1,444 mW/sr).
• Apertur-Bestrahlungsstärke (E_e):Gemessen in Milliwatt pro Quadratzentimeter (mW/cm²), repräsentiert sie die Leistungsdichte an der Apertur des Emitters. Die Bins entsprechen den Strahlstärke-Bins, von B (0,088-0,168 mW/cm²) bis F (mindestens 0,192 mW/cm²).

Dieses Binning ermöglicht es Entwicklern, Bauteile mit der für ihren spezifischen Erfassungsabstand und die Empfängerempfindlichkeit erforderlichen optischen Ausgangsleistung auszuwählen und so einen zuverlässigen Systembetrieb sicherzustellen.

4. Analyse der Kennlinien

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

4.1 Spektrale Verteilung (Abb. 1)

Diese Kurve zeigt die relative Strahlstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt die Spitzenemission bei 940nm und die spektrale Halbwertsbreite von etwa 50nm. Die Form ist typisch für eine AlGaAs-IR-LED.

4.2 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abb. 3)

Diese IV (Strom-Spannungs)-Kennlinie ist für den Entwurf der Strombegrenzungsschaltung wesentlich. Sie zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Die Kurve ermöglicht die Abschätzung des Spannungsabfalls bei Strömen, die von der Testbedingung 20mA abweichen.

4.3 Relative Strahlstärke vs. Durchlassstrom (Abb. 5)

Dieses Diagramm zeigt, dass die optische Ausgangsleistung innerhalb des empfohlenen Betriebsbereichs annähernd linear mit dem Durchlassstrom ansteigt. Ein Betrieb der LED über ihre Maximalwerte hinaus führt nicht zu einem proportionalen Anstieg der Ausgangsleistung und riskiert eine Beschädigung.

4.4 Relative Strahlstärke vs. Umgebungstemperatur (Abb. 4)

Diese Kurve zeigt die Temperaturabhängigkeit der optischen Ausgangsleistung. Die Strahlstärke nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab. Diese Entlastung muss in Anwendungen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das Sensorsystem eine ausreichende Signalstärke beibehält.

4.5 Strahlungsdiagramm (Abb. 6)

Dieses Polardiagramm stellt den Abstrahlwinkel (2θ_1/2= 40°) visuell dar. Es zeigt die Winkelverteilung der emittierten Strahlung, was für die Ausrichtung des Emitters mit einem Detektor und das Verständnis des Erfassungsfeldes wichtig ist.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil verwendet ein miniaturisiertes Kunststoff-Seitenblickgehäuse. Wichtige dimensionale Hinweise sind:

• Alle Maße sind in Millimetern angegeben, Zollwerte stehen in Klammern.
• Es gilt eine allgemeine Toleranz von ±0,25mm (±0,010\"), sofern nicht anders angegeben.
• Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse aus dem Gehäusekörper austreten.
• Die Seitenblick-Orientierung bedeutet, dass die primäre optische Achse parallel zur Leiterplattenoberfläche verläuft, was ideal für reflektierende oder unterbrechende Sensorik über eine Platine hinweg ist.

Für genaue Abmessungen, einschließlich Gehäusegröße, Anschlusslänge und Aperturposition, konsultieren Sie die detaillierte Gehäusezeichnung im Original-Datenblatt.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Eine sachgemäße Handhabung ist entscheidend für die Zuverlässigkeit.

• Löten:Die Anschlüsse halten einer Löttemperatur von 260°C für 5 Sekunden stand, vorausgesetzt, die Wärme wird mindestens 1,6mm (0,063\") vom Kunststoffgehäusekörper entfernt aufgebracht. Dies verhindert thermische Schäden am Epoxid-Vergussmaterial und dem Halbleiterchip.
• ESD-Vorsichtsmaßnahmen:Obwohl für dieses Bauteil nicht explizit angegeben, sind Infrarot-LEDs im Allgemeinen empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD). Während der Montage werden Standard-ESD-Handhabungsverfahren (Verwendung geerdeter Handgelenkbänder, leitfähiger Schaum) empfohlen.
• Reinigung:Wenn nach dem Löten eine Reinigung erforderlich ist, verwenden Sie Methoden und Lösungsmittel, die mit kunststoffvergossenen elektronischen Bauteilen kompatibel sind, um Spannungsrisse oder Materialverschlechterung zu vermeiden.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Lichtschranken/Schlitzschalter:Gepaart mit einem abgestimmten Fototransistor (wie dem LTR-301) erzeugt der Emitter einen Strahl. Ein Objekt, das die Lücke durchquert, unterbricht den Strahl und löst ein Detektionssignal aus. Verwendung in Druckern, Verkaufsautomaten und Industriezählern.
• Reflektierende Objekterkennung:Emitter und Detektor werden nebeneinander platziert. Der Emitter beleuchtet eine Oberfläche, und der Detektor erfasst das reflektierte Licht. Verwendung für Papiererkennung, Füllstandserfassung und Näherungserkennung.
• Industriesteuerung & Sicherheit:Verwendung in Lichtgittern, Türsensoren und Manipulationserkennung.

7.2 Design-Überlegungen

• Strombegrenzung:Verwenden Sie stets einen Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle, um den Durchlassstrom auf den gewünschten Wert (z.B. 20mA) zu begrenzen. Berechnen Sie den Widerstandswert mit R = (V_Versorgung- V_F) / I_F.
• Optische Ausrichtung:Eine präzise mechanische Ausrichtung zwischen Emitter und Detektor ist für maximale Signalstärke entscheidend, insbesondere bei dem 40° Abstrahlwinkel.
• Störfestigkeit gegen Umgebungslicht:Für einen zuverlässigen Betrieb in Umgebungen mit wechselndem Umgebungslicht (z.B. Sonnenlicht, Raumbeleuchtung) sollten Sie eine Modulation des Emitter-Treiberstroms und die Verwendung einer synchronisierten Detektionsschaltung im Empfänger in Betracht ziehen, um DC-Umgebungslichtsignale herauszufiltern.
• Thermisches Management:Stellen Sie sicher, dass das Bauteil innerhalb seines spezifizierten Temperaturbereichs arbeitet. Reduzieren Sie den maximalen Durchlassstrom, wenn die Umgebungstemperatur die Obergrenze von 85°C erreicht.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die primäre Differenzierung des LTE-302 liegt in seiner spezifischen Kombination von Eigenschaften:

• Seitenblick-Gehäuse vs. Top-View:Die Seitenblick-Bauform ist ein Schlüsselvorteil für Anwendungen, bei denen der Erfassungspfad parallel zur Leiterplatte verläuft, und spart im Vergleich zu Top-View-Emittern vertikalen Platz.
• Abgestimmt auf LTR-301-Serie:Diese garantierte mechanische und spektrale Abstimmung vereinfacht Design und Beschaffung für Lichtschrankenmodule und gewährleistet eine optimale Performance ohne die Notwendigkeit einer kundenspezifischen optischen Ausrichtung oder spektralen Filterung.
• Kosteneffizientes Miniatur-Design:Es bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Leistung und Größe zu niedrigen Kosten und eignet sich damit für hochvolumige Konsumanwendungen.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck der Binning-Codes (B, C, D, E, F)?

A: Sie kategorisieren Bauteile basierend auf ihrer optischen Ausgangsleistung (Strahlstärke). Sie wählen ein Bin aus, um sicherzustellen, dass Ihr Sensorsystem eine konsistente und ausreichende Signalstärke hat. Für größere Erfassungsabstände oder Detektoren mit geringerer Empfindlichkeit kann ein höheres Bin (z.B. E oder F) erforderlich sein.

F: Kann ich diese IR-LED direkt mit einer 5V-Versorgung betreiben?

A: Nein. Die typische Durchlassspannung beträgt 1,6V. Ein direkter Anschluss an 5V würde einen übermäßigen Stromfluss verursachen und das Bauteil zerstören. Sie müssen stets einen strombegrenzenden Widerstand verwenden.

F: Warum beträgt die Spitzenwellenlänge 940nm?

A: 940nm liegt im nahen Infrarotspektrum. Es ist eine gängige Wellenlänge, weil Silizium-Fotodetektoren (Fototransistoren, Fotodioden) hier eine gute Empfindlichkeit aufweisen und sie weitgehend unsichtbar ist, was sie für unauffällige Sensoranwendungen geeignet macht.

F: Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung?

A: Wie in Abb. 4 gezeigt, nimmt die Strahlstärke mit steigender Temperatur ab. In einer heißen Umgebung ist das Ausgangssignal schwächer. Entwerfen Sie Ihre Schaltung mit ausreichender Reserve oder erwägen Sie eine Temperaturkompensation, wenn Sie über einen weiten Bereich arbeiten.

10. Praktisches Design- und Anwendungsbeispiel

Beispiel: Entwurf eines Papiererkennungssensors für einen Drucker.

Ein Ingenieur muss das Vorhandensein von Papier in einem Zuführfach erkennen. Er platziert einen LTE-302 IR-Emitter und einen LTR-301 Fototransistor auf gegenüberliegenden Seiten des Papierwegs und erzeugt so einen Strahl. Wenn Papier vorhanden ist, blockiert es den Strahl, und der Ausgang des Fototransistors wird niedrig. Der 40° Abstrahlwinkel erfordert eine sorgfältige Ausrichtung der Komponenten auf der Leiterplatte, um sicherzustellen, dass der Strahl schmal genug für eine präzise Erkennung, aber breit genug für Toleranzen ist. Der Ingenieur wählt Bauteile aus Bin D, um auch bei eventueller Staubansammlung über die Zeit eine starke Signalstärke zu gewährleisten. Eine einfache Schaltung mit einem 150-Ohm-Widerstand begrenzt den Strom von einer 5V-Versorgung auf ~20mA (5V - 1,6V / 20mA ≈ 170Ω, 150Ω werden für einen leichten Spielraum verwendet). Der Ausgang des Fototransistors wird mit einem Komparator oder Mikrocontrollereingang verbunden, um das Detektionssignal zu digitalisieren.

11. Funktionsprinzip

Ein Infrarot-Emitter ist eine Halbleiterdiode. Bei Durchlassbetrieb (positive Spannung an der Anode relativ zur Kathode) rekombinieren Elektronen und Löcher im aktiven Bereich des Halbleitermaterials (typischerweise Aluminiumgalliumarsenid - AlGaAs). Dieser Rekombinationsprozess setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Zusammensetzung der Halbleiterschichten bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen, die beim LTE-302 bei 940nm zentriert ist. Das Kunststoffgehäuse enthält eine Epoxidlinse, die das emittierte Licht in das spezifizierte Abstrahlwinkelmuster formt.

12. Technologietrends

Infrarot-Emitter wie der LTE-302 sind ausgereifte, zuverlässige Komponenten. Allgemeine Trends in diesem Bereich sind:

• Erhöhte Integration:Bewegung hin zu Modulen, die Emitter, Detektor und Signalaufbereitungsschaltung kombinieren (z.B. ICs mit integrierter Modulation/Demodulation), um das Design zu vereinfachen und die Störfestigkeit zu verbessern.
• Miniaturisierung:Fortgesetzte Verkleinerung der Gehäusegröße (z.B. Chip-Scale-Packages), um in immer kleinere Konsumelektronik wie Wearables und ultra-dünne Smartphones zu passen.
• Höhere Effizienz:Entwicklung von Materialien und Strukturen, um bei einem gegebenen Treiberstrom eine höhere Strahlstärke zu erreichen und so die Batterielaufzeit in tragbaren Geräten zu verbessern.
• Multi-Wellenlänge und VCSELs:Für fortschrittliche Sensorik wie Time-of-Flight (ToF) und LiDAR werden Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) und Arrays immer häufiger, die höhere Leistung und schnellere Modulationsfähigkeiten als traditionelle IR-LEDs bieten.