IR26-91C/L510/2D Infrarot-LED Datenblatt - 3,0x1,0mm SMD-Gehäuse - 940nm Wellenlänge - 1,6V Durchlassspannung - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Die IR26-91C/L510/2D ist eine miniaturisierte oberflächenmontierbare (SMD) Infrarot-Emissionsdiode. Sie ist in einem kompakten 3,0mm x 1,0mm Gehäuse aus klarem Kunststoff mit sphärischer Linse (Top-View) untergebracht. Die Hauptfunktion dieses Bauteils ist die Emission von Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern (nm), die spektral auf die Empfindlichkeit gängiger Silizium-Fotodioden und Fototransistoren abgestimmt ist. Dies macht sie zu einer idealen Quelle für Infrarot-Erfassungs- und Kommunikationssysteme, bei denen eine präzise optische Kopplung erforderlich ist.

1.1 Kernmerkmale und Vorteile

Das Bauteil bietet mehrere wichtige technische und Compliance-Vorteile. Sein primäres optisches Merkmal ist die 940nm Spitzenwellenlänge, die für eine optimale Leistung mit siliziumbasierten Detektoren bei gleichzeitig guter atmosphärischer Transmission gewählt wurde. Elektrisch weist es eine niedrige typische Durchlassspannung von 1,3V bei 20mA auf, was zu einem energieeffizienten Betrieb beiträgt. Die Komponente ist bleifrei (Pb-frei) gefertigt und entspricht der EU-Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe (RoHS) sowie der REACH-Verordnung (Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe). Sie ist zudem als halogenfrei klassifiziert, wobei der Brom- (Br) und Chlorgehalt (Cl) jeweils unter 900 parts per million (ppm) und ihre Summe unter 1500 ppm liegt.

1.2 Zielanwendungen

Diese Infrarot-LED ist für den Einsatz in verschiedenen Infrarot-Anwendungssystemen konzipiert. Typische Anwendungen umfassen Näherungssensoren, Objekterkennung, berührungslose Schalter, optische Encoder und Kurzstrecken-Datenübertragungsstrecken. Ihre kompakte Bauform und das SMD-Design machen sie geeignet für automatisierte Bestückungsprozesse in der Unterhaltungselektronik, der industriellen Automatisierung und in Sensormodulen für Fahrzeuginnenräume.

2. Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt spezifizierten Schlüsselparameter für elektrische, optische und thermische Eigenschaften. Das Verständnis dieser Grenzwerte ist entscheidend für einen zuverlässigen Schaltungsentwurf und die langfristige Leistungsfähigkeit des Bauteils.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die Absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Diese Werte gelten nicht für Dauerbetrieb. Der zulässige Dauer-Durchlassstrom (I_F) beträgt 65 mA. Ein deutlich höherer Spitzen-Durchlassstrom (I_FP) von 700 mA ist zulässig, jedoch nur unter strengen Pulsbedingungen: Pulsbreite ≤ 70 Mikrosekunden (μs) und Tastverhältnis ≤ 0,7%. Die maximale Sperrspannung (V_R) beträgt 5V, was auf eine sehr geringe Toleranz der LED gegenüber Sperrspannung hinweist. Das Bauteil kann in Umgebungstemperaturen (T_opr) von -40°C bis +85°C betrieben und (T_stg) von -40°C bis +100°C gelagert werden. Die maximale Löttemperatur (T_sol) während des Reflow-Lötens beträgt 260°C für eine Dauer von maximal 5 Sekunden. Die Verlustleistung (P_d) bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur beträgt 100 mW. Sie verfügt zudem über einen Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) mit einer Human Body Model (HBM)-Festigkeit von mindestens 2000V und einer Machine Model (MM)-Festigkeit von mindestens 200V.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Die Tabelle der Elektro-optischen Kenngrößen liefert typische und Maximal-/Minimalwerte unter spezifizierten Testbedingungen (Ta=25°C). Die Strahlungsstärke (I_e), ein Maß für die optische Leistung pro Raumwinkel, beträgt typischerweise 8,0 Milliwatt pro Steradiant (mW/sr) bei einem Durchlassstrom von 20mA. Die Spitzenwellenlänge (λ_p) liegt bei 940nm. Die spektrale Bandbreite (Δλ), die den Bereich der bei halber Spitzenintensität emittierten Wellenlängen darstellt, beträgt typischerweise 45nm. Die Durchlassspannung (V_F) liegt bei 20mA typischerweise bei 1,3V mit einem Maximum von 1,6V. Der Sperrstrom (I_R) hat einen Maximalwert von 10 Mikroampere (μA) bei einer angelegten Sperrspannung von 5V. Der Abstrahlwinkel, definiert als der volle Winkel, bei dem die Intensität auf die Hälfte ihres Spitzenwertes abfällt, ist asymmetrisch: etwa 130 Grad auf der X-Achse und 20 Grad auf der Y-Achse. Dies erzeugt ein stark elliptisches Abstrahlungsdiagramm, was ein entscheidender Gesichtspunkt für die Strahlformung und Sensorausrichtung ist.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen. Diese Kurven sind wesentlich, um nichtlineare Zusammenhänge zu verstehen und für verschiedene Betriebsumgebungen zu entwerfen.

3.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Diese Entlastungskurve zeigt, wie der maximal zulässige Dauer-Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Bei 25°C steht die volle Nennleistung von 65mA zur Verfügung. Bei steigender Temperatur muss der Strom reduziert werden, um die maximale Sperrschichttemperatur und die Grenzwerte der Verlustleistung nicht zu überschreiten und so die Langzeitzuverlässigkeit sicherzustellen.

3.2 Spektrale Verteilung

Das Diagramm der spektralen Verteilung stellt die Lichtausgabe als Funktion der Wellenlänge grafisch dar. Es bestätigt das Maximum bei 940nm und die ungefähre spektrale Bandbreite von 45nm (Full Width at Half Maximum - FWHM). Die Kurve zeigt, dass sehr wenig sichtbares Licht (unterhalb von ~700nm) emittiert wird, was für einen unauffälligen Betrieb in IR-Systemen wünschenswert ist.

3.3 Strahlungsstärke vs. Durchlassstrom

Diese Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen dem Treiberstrom und der optischen Ausgangsleistung. Sie ist bei niedrigeren Strömen im Allgemeinen linear, kann jedoch bei sehr hohen Strömen aufgrund thermischer Effekte Sättigung oder verringerte Effizienz aufweisen. Entwickler nutzen dies, um den erforderlichen Treiberstrom zu bestimmen, um ein bestimmtes Signalniveau am Detektor zu erreichen.

3.4 Winkelabhängige Abstrahlungsdiagramme

Separate Diagramme für die X- und Y-Achse zeigen die relative Strahlungsstärke als Funktion der Winkelabweichung vom optischen Zentrum (0°). Das Diagramm der X-Achse ist sehr breit (~130° Halbwinkel), während das der Y-Achse deutlich schmaler ist (~20° Halbwinkel). Dieses elliptische Muster muss berücksichtigt werden, wenn die LED mit einem Sensor ausgerichtet oder optische Elemente wie Linsen oder Blenden entworfen werden.

4. Mechanische und Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen und Toleranzen

Das Bauteil hat eine Nenngehäusegröße von 3,0mm Länge, 1,0mm Breite und eine spezifizierte Höhe. Eine detaillierte Maßzeichnung wird bereitgestellt, einschließlich Pad-Positionen, Linsenform und Polaritätskennzeichnung (typischerweise eine Kerbe oder ein Punkt auf der Kathodenseite). Alle nicht spezifizierten Abmessungen haben eine Toleranz von ±0,1mm. Ein empfohlenes Lötpad-Layout für die Seitenansichtsmontage ist ebenfalls dargestellt, um eine korrekte mechanische Stabilität und Lötstellenbildung während des Reflow-Lötens sicherzustellen.

4.2 Trägerband und Rolle

Für die automatisierte Pick-and-Place-Bestückung werden die LEDs in geprägten Trägerbändern geliefert, die auf Rollen aufgewickelt sind. Das Datenblatt enthält die genauen Abmessungen der Trägerbandtaschen, die Teilung und die Rollenspezifikationen. Eine Standardrolle enthält 2000 Stück. Diese Informationen sind entscheidend für die korrekte Konfiguration der Zuführungen der Bestückungsanlagen.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

Eine sachgemäße Handhabung und Lötung ist entscheidend, um Schäden an der LED zu vermeiden und die Zuverlässigkeit der Lötstellen sicherzustellen.

5.1 Reflow-Lötprofil

Die Komponente ist für bleifreie (Pb-freie) Reflow-Lötprozesse geeignet. Ein empfohlenes Temperaturprofil wird bereitgestellt, das typischerweise Aufheiz-, Halte-, Reflow- (Spitzentemperatur ≤ 260°C für ≤ 5 Sekunden) und Abkühlphasen umfasst. Die Anzahl der Reflow-Zyklen sollte drei nicht überschreiten, um die thermische Belastung des Kunststoffgehäuses und der internen Bonddrähte zu minimieren.

5.2 Handlötung und Nacharbeit

Falls Handlötung erforderlich ist, muss äußerste Vorsicht walten. Die Temperatur der Lötspitze sollte unter 350°C liegen, und die Kontaktzeit pro Anschluss sollte auf 3 Sekunden oder weniger begrenzt sein. Ein Lötkolben mit geringer Leistung (≤25W) wird empfohlen. Für Nacharbeiten wird ein Doppelspitzen-Lötkolben empfohlen, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und mechanische Belastungen der Lötstellen zu vermeiden. Die Durchführbarkeit und Auswirkung von Nacharbeiten sollte vorab bewertet werden.

5.3 Feuchtigkeitsempfindlichkeit und Lagerung

Das SMD-Gehäuse ist feuchtigkeitsempfindlich. Das Bauteil muss in seiner Original-Feuchtigkeitsschutzverpackung mit Trockenmittel bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit (RH) gelagert werden. Die Haltbarkeit vor dem Öffnen der Verpackung beträgt ein Jahr. Nach dem Öffnen sollten die Komponenten bei ≤30°C und ≤70% RH gelagert und innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) verwendet werden. Werden diese Bedingungen überschritten oder zeigt das Trockenmittel Sättigung an, ist vor der Verwendung ein Trocknungsprozess (Baking) bei 60 ±5°C für mindestens 24 Stunden erforderlich, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und ein \"Popcorning\" während des Reflow-Lötens zu verhindern.

6. Anwendungsentwurfsaspekte

6.1 Treiberschaltungsentwurf

Ein entscheidender Entwurfshinweis ist die Notwendigkeit einer Strombegrenzung. Die LED muss mit einer Stromquelle oder, häufiger, einer Spannungsquelle in Reihe mit einem strombegrenzenden Widerstand betrieben werden. Das Datenblatt warnt ausdrücklich davor, dass eine geringe Spannungsverschiebung eine große Stromänderung verursachen kann, die möglicherweise zum Durchbrennen führt. Der Widerstandswert (R_limit) kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F, wobei V_Fdie Durchlassspannung der LED beim gewünschten Strom I_Fist. Die Verwendung des maximalen V_F-Werts (1,6V) für diese Berechnung stellt sicher, dass der Strom unter allen Bedingungen das Ziel nicht überschreitet.

6.2 Optischer Entwurf und Ausrichtung

Aufgrund des stark elliptischen Strahlprofils (130° x 20°) ist ein sorgfältiger optischer Entwurf erforderlich. Für Anwendungen, die einen kreisförmigen Lichtfleck oder ein spezifisches Beleuchtungsprofil erfordern, können sekundäre Optiken wie Linsen oder Reflektoren notwendig sein. Die Ausrichtung zwischen der LED und dem gekoppelten Fotodetektor ist entlang der schmalen Y-Achse ebenfalls kritischer. Entwickler sollten die Diagramme zur winkelabhängigen Intensität konsultieren, um den Intensitätsabfall zu verstehen.

6.3 Thermomanagement

Obwohl die Verlustleistung relativ gering ist (max. 100mW), ist ein effektives Thermomanagement dennoch wichtig, insbesondere in Umgebungen mit hoher Umgebungstemperatur oder bei Betrieb mit hohen Strömen. Die Entlastungskurve muss eingehalten werden. Eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte unter und um die LED-Pads herum hilft, Wärme abzuführen und niedrigere Sperrschichttemperaturen aufrechtzuerhalten, was die Lichtausbeute und Lebensdauer erhält.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die IR26-91C/L510/2D differenziert sich auf dem Markt durch eine spezifische Kombination von Parametern. Ihre 940nm Wellenlänge ist ein gängiger Standard und bietet einen guten Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit von Siliziumdetektoren und geringerer Störung durch Umgebungslicht im Vergleich zu 850nm LEDs. Die sehr niedrige Durchlassspannung (typ. 1,3V) ist ein Schlüsselvorteil für batteriebetriebene oder Niederspannungs-Logikschaltungen, da sie den erforderlichen Spannungsabstand für den Treiber reduziert. Der kompakte Footprint von 3,0x1,0mm ermöglicht hochdichte Leiterplattenlayouts. Die Konformität mit RoHS, REACH und halogenfreien Standards macht sie für globale Märkte mit strengen Umweltvorschriften geeignet. Der asymmetrische Abstrahlwinkel kann je nach den optischen Anforderungen der Anwendung ein Vorteil oder eine Einschränkung sein.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

8.1 Warum ist ein strombegrenzender Widerstand zwingend erforderlich?

Eine LED ist eine Diode mit einer nichtlinearen Strom-Spannungs-(I-V)-Kennlinie. Oberhalb ihrer Schwellspannung führt eine kleine Spannungserhöhung zu einem sehr starken Stromanstieg. Ein direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ohne Vorwiderstand würde den Strom unkontrolliert ansteigen lassen, wodurch schnell der Absolute Maximalwert überschritten und das Bauteil zerstört würde. Der Widerstand stellt eine lineare, vorhersagbare Beziehung zwischen Versorgungsspannung und LED-Strom her.

8.2 Kann ich diese LED mit einem 3,3V- oder 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

Ja, aber ein Vorwiderstand ist immer erforderlich. Zum Beispiel, um mit I_F=20mA aus einer 3,3V-Versorgung zu betreiben, unter Annahme von V_F=1,5V: R = (3,3V - 1,5V) / 0,020A = 90 Ohm. Ein Standard-91-Ohm-Widerstand wäre geeignet. Der Mikrocontroller-Pin muss außerdem in der Lage sein, den erforderlichen 20mA-Strom zu liefern oder aufzunehmen.

8.3 Welchen Zweck hat die 940nm Wellenlänge?

940nm Infrarotlicht ist für das menschliche Auge unsichtbar, was einen unauffälligen Betrieb ermöglicht. Es wird stark von Silizium, dem Material der meisten Fotodioden und Fototransistoren, absorbiert, was eine effiziente Detektion ermöglicht. Es erfährt außerdem weniger Störung durch gängige Umgebungslichtquellen (die bei 940nm weniger IR-Anteil haben als bei 850nm) und ist weniger anfällig für Rauschen in Bildsensoren.

8.4 Wie identifiziere ich Anode und Kathode?

Das Gehäuse enthält eine Polaritätskennzeichnung. Konsultieren Sie die Gehäusemaßzeichnung im Datenblatt. Üblicherweise ist die Kathode durch einen grünen Punkt, eine Kerbe im Gehäuse oder eine abgeschrägte Ecke markiert. Eine falsche Polungsverbindung verhindert, dass die LED Licht emittiert, und kann bei Anlegen einer Sperrspannung über 5V das Bauteil beschädigen.

9. Praktische Entwurfsfallstudie

Betrachten Sie den Entwurf eines einfachen Objekterkennungssensors mit dieser LED und einem Silizium-Fototransistor. Die LED wird über einen 180-Ohm-Widerstand von einer 5V-Versorgung gespeist (Strombegrenzung auf ~20mA, unter Annahme von V_F=1,5V). Der Fototransistor wird einige Zentimeter entfernt auf derselben optischen Achse platziert. Wenn kein Objekt vorhanden ist, erreicht das IR-Licht der LED den Fototransistor nicht, und sein Ausgangssignal ist niedrig. Wenn ein Objekt zwischen ihnen hindurchgeht, reflektiert es einen Teil des IR-Lichts auf den Fototransistor, wodurch dessen Ausgangsstrom ansteigt. Dieses Signal kann verstärkt und einem Komparator oder dem ADC eines Mikrocontrollers zugeführt werden, um die Anwesenheit des Objekts zu erkennen. Das elliptische Strahlprofil der LED bedeutet, dass die effektive Erfassungszone des Sensors horizontal breiter als vertikal sein wird, was bei der Definition des Sichtfelds des Sensors berücksichtigt werden muss.

10. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) arbeitet nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz in einem Halbleitermaterial. Die IR26-91C/L510/2D verwendet einen Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs)-Chip. Wird eine Durchlassspannung angelegt, die die Bandlückenspannung der Diode übersteigt, injizieren Elektronen aus dem n-dotierten Gebiet über den p-n-Übergang in das p-dotierte Gebiet, und Löcher werden in die entgegengesetzte Richtung injiziert. Diese Ladungsträger (Elektronen und Löcher) rekombinieren im aktiven Bereich des Übergangs. Die bei dieser Rekombination freigesetzte Energie wird als Photonen (Lichtteilchen) emittiert. Die spezifische Zusammensetzung des GaAlAs-Halbleiters bestimmt die Bandlückenenergie, die direkt die Wellenlänge der emittierten Photonen vorgibt – in diesem Fall zentriert um 940nm im Infrarotspektrum.

11. Branchentrends

Der Markt für Infrarot-LEDs entwickelt sich weiter. Zu den wichtigsten Trends gehört das Streben nach höherer Strahlungsstärke und Effizienz aus kleineren Gehäusen, um leistungsfähigere Sensorik in kompakten Geräten zu ermöglichen. Es gibt eine wachsende Integration von IR-LEDs mit Treibern und Sensoren zu kompletten Modulen oder System-in-Package (SiP). Die Nachfrage nach spezifischen Wellenlängen diversifiziert sich; während 940nm Standard bleibt, gewinnen Wellenlängen wie 850nm (für Überwachung) und 1050nm/1300nm (für spezifische Sensoranwendungen) an Bedeutung. Darüber hinaus treiben das Streben nach geringerem Stromverbrauch und verbesserter Zuverlässigkeit in Automobil- (z.B. Innenraumüberwachung), Consumer- (z.B. Gesichtserkennung) und Industrial-IoT-Anwendungen Fortschritte in der Chiptechnologie, Gehäusetechnik und im Thermomanagement für IR-Emitter voran.