Infrarot-LED 940nm Datenblatt - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Dieses Dokument bietet einen umfassenden technischen Überblick über eine Infrarot (IR)-Leuchtdiode (LED). Die Hauptfunktion dieses Bauteils ist die Emission von Licht im nahen Infrarotspektrum, speziell bei einer Spitzenwellenlänge (λp) von 940 Nanometern (nm). Diese Wellenlänge ist für das menschliche Auge unsichtbar, jedoch äußerst effektiv für verschiedene Sensor- und Fernbedienungsanwendungen. Das Bauteil ist für die Integration in elektronische Baugruppen konzipiert, die eine zuverlässige und konstante IR-Lichtquelle benötigen.

Der Kernvorteil dieser IR-LED liegt in ihrer spezifizierten 940nm-Emission, die ein gängiger Standard für Unterhaltungselektronik wie TV-Fernbedienungen und Annäherungssensoren ist. Diese Wellenlänge bietet eine gute Balance zwischen der Empfindlichkeit von Silizium-Fotodetektoren und der Unterdrückung von Umgebungslicht. Zielmärkte sind Unterhaltungselektronik, Industrieautomation, Sicherheitssysteme und alle Anwendungen, die nicht sichtbares Licht für Signalgebung, Detektion oder Datenübertragung benötigen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Das bereitgestellte PDF-Fragment hebt einen einzigen, kritischen photometrischen Parameter hervor: die Spitzenwellenlänge.

2.1 Photometrische Eigenschaften

Spitzenwellenlänge (λp): 940nm

Dies ist die dominante, von der LED emittierte Wellenlänge, bei der die Strahlungsintensität ihr Maximum erreicht. Eine Spitzenwellenlänge von 940nm ist aus mehreren Gründen bedeutsam:

• Kompatibilität mit Siliziumdetektoren:Silizium-Fotodioden und -Fototransistoren, die häufigsten IR-Detektoren, haben ihre maximale Empfindlichkeit typischerweise im Bereich von 800nm bis 950nm. Eine 940nm-Quelle passt gut dazu und gewährleistet eine effiziente Detektion und starke Signalstärke.
• Geringe sichtbare Lichtemission:Während einige nahe-IR-LEDs ein schwaches rotes Leuchten abgeben, sind 940nm-LEDs praktisch unsichtbar, was sie ideal für verdeckte Anwendungen oder Situationen macht, in denen sichtbares Streulicht unerwünscht ist.
• Unempfindlichkeit gegenüber Sonnenlicht:Das Sonnenbestrahlungsspektrum weist ein lokales Minimum bei etwa 940nm auf. Dies hilft Sensoren, die diese Wellenlänge nutzen, weniger anfällig für Störungen durch Umgebungslicht (z. B. Sonnenlicht) zu sein, verglichen mit beispielsweise 850nm-LEDs.

Während der PDF-Auszug nur die Spitzenwellenlänge zeigt, würde ein vollständiges Datenblatt typischerweise zusätzliche photometrische Parameter wie Strahlungsintensität (in Milliwatt pro Steradiant, mW/sr), Abstrahlwinkel (Halbwertswinkel in Grad) und spektrale Bandbreite (Halbwertsbreite, FWHM, in nm) enthalten.

2.2 Elektrische Parameter

Obwohl im bereitgestellten Text nicht explizit aufgeführt, ist das Verständnis der elektrischen Eigenschaften für das Design grundlegend.

• Durchlassspannung (Vf):Der Spannungsabfall über der LED bei Betrieb mit ihrem spezifizierten Strom. Für typische IR-LEDs liegt dieser oft im Bereich von 1,2V bis 1,6V, aber der genaue Wert hängt vom Halbleitermaterial und dem Chipdesign ab. Dieser Parameter ist entscheidend für die Auswahl eines geeigneten strombegrenzenden Widerstands oder Treiberschaltkreises.
• Durchlassstrom (If):Der empfohlene Dauerbetriebsstrom, typischerweise zwischen 20mA und 100mA für Standardgehäuse. Das Überschreiten des maximalen Durchlassstroms kann zu schnellem Leistungsabfall oder katastrophalem Ausfall führen.
• Sperrspannung (Vr):Die maximale Spannung, die die LED im Sperrbetrieb ohne Schaden aushalten kann, üblicherweise etwa 5V. Das Überschreiten dieser Spannung kann den PN-Übergang zerstören.
• Verlustleistung:Berechnet als Vf * If. Sie bestimmt die thermische Belastung des Bauteils und beeinflusst die Notwendigkeit einer Kühlung.

2.3 Thermische Eigenschaften

Die LED-Leistung und Lebensdauer hängen stark von der Sperrschichttemperatur ab.

• Thermischer Widerstand (Rθj-a):Der Widerstand gegen den Wärmefluss vom Halbleiterübergang zur Umgebungsluft, ausgedrückt in Grad Celsius pro Watt (°C/W). Ein niedrigerer Wert deutet auf eine bessere Wärmeableitfähigkeit hin.
• Maximale Sperrschichttemperatur (Tj max):Die höchstzulässige Temperatur am Halbleiterübergang. Betrieb über diesem Grenzwert verkürzt die Lebensdauer der LED drastisch. Ein ordnungsgemäßes PCB-Layout (Wärmeleitungen, Kupferfläche) ist entscheidend, um Tj innerhalb der Grenzen zu halten.
• Entlastungskurve:Ein Diagramm, das zeigt, wie der maximal zulässige Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Dies ist ein entscheidendes Werkzeug für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit unter allen Betriebsbedingungen.

3. Erklärung des Binning-Systems

Herstellungsbedingte Schwankungen bedeuten, dass LEDs nicht identisch sind. Ein Binning-System kategorisiert Bauteile basierend auf Schlüsselparametern, um Konsistenz innerhalb einer Produktionscharge sicherzustellen.

• Wellenlängen-/Spitzenwellenlängen-Binning:LEDs werden anhand ihrer tatsächlichen Spitzenwellenlänge sortiert, z. B. 935-945nm, 940-950nm. Dies gewährleistet Farbkonstanz für die Anwendung.
• Strahlungsintensitäts-/Lichtstrom-Binning:Bauteile werden nach ihrer gemessenen Lichtausgangsleistung gruppiert. Beispielsweise können Bins als Min./Typ./Max.-Werte der Strahlungsintensität bei einem spezifischen Teststrom definiert sein.
• Durchlassspannungs-Binning:LEDs werden nach ihrer Vf bei einem Teststrom sortiert. Dies hilft beim Entwurf gleichmäßigerer Schaltungen, insbesondere wenn mehrere LEDs in Reihe geschaltet sind.

Designer müssen beim Bestellen die erforderlichen Bins angeben, um die für ihre Anwendung benötigte Leistung zu garantieren.

4. Analyse der Leistungskurven

Grafische Daten bieten einen tieferen Einblick als Einpunkt-Spezifikationen.

4.1 Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V-Kurve)

Diese Kurve zeigt die Beziehung zwischen Durchlassspannung und Durchlassstrom. Sie ist nichtlinear und weist eine "Kniespannung" (typischerweise ~1,2V für IR-LEDs) auf, oberhalb derer der Strom bei kleinen Spannungsänderungen stark ansteigt. Dies unterstreicht die Bedeutung der Stromregelung, nicht der Spannungsregelung, für den Betrieb von LEDs.

4.2 Temperatureigenschaften

Wichtige Diagramme umfassen:

• Durchlassspannung vs. Sperrschichttemperatur:Vf hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, d. h., sie nimmt mit steigender Temperatur ab. Dies kann zur Temperaturmessung genutzt werden.
• Strahlungsintensität vs. Sperrschichttemperatur:Die Lichtleistung nimmt typischerweise mit steigender Temperatur ab. Die Steigung dieser Kurve gibt Aufschluss über die thermische Stabilität der Ausgangsleistung.
• Relative Intensität vs. Durchlassstrom:Zeigt, wie sich die Lichtleistung mit dem Treiberstrom skaliert, üblicherweise in einem linearen oder leicht sublinearen Verhältnis, bis thermische Effekte dominieren.

4.3 Spektrale Verteilung

Ein Diagramm, das die relative Intensität über der Wellenlänge aufträgt. Für eine 940nm-LED wäre diese Kurve um 940nm zentriert mit einer typischen Halbwertsbreite (FWHM) von 40-50nm. Form und Breite dieser Kurve beeinflussen, wie das Licht mit Filtern und Detektoren interagiert.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das PDF erwähnt Verpackungsbegriffe, enthält aber keine Maßzeichnung.

• Gehäusetyp:Gängige Gehäuse für IR-LEDs sind 3mm, 5mm radiale Anschlüsse und oberflächenmontierbare (SMD) Gehäuse wie 0805, 1206 oder spezielle IR-Gehäuse.
• Abmessungen:Eine detaillierte mechanische Zeichnung würde Länge, Breite, Höhe, Anschlussdurchmesser/-abstand (für Durchsteckmontage) oder Pad-Abmessungen (für SMD) spezifizieren.
• Pad-Design/Land Pattern:Für SMD-Bauteile ist das empfohlene PCB-Footprint (Pad-Größe, -Form und -Abstand) entscheidend für zuverlässiges Löten und mechanische Festigkeit.
• Polaritätskennzeichnung:LEDs sind Dioden und müssen mit korrekter Polarität angeschlossen werden. Die Kennzeichnung erfolgt typischerweise über eine abgeflachte Kante an der Linse, einen längeren Anodenanschluss oder eine markierte Kathode auf dem SMD-Gehäuse.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Sachgemäße Handhabung gewährleistet Zuverlässigkeit.

• Reflow-Lötprofil:Für SMD-Bauteile muss ein Zeit-Temperatur-Profil eingehalten werden, das Vorwärmen, Einweichen, Reflow-Spitzentemperatur (typischerweise max. 260°C für wenige Sekunden) und Abkühlraten spezifiziert.
• Handlöten:Falls anwendbar, werden Richtlinien für Lötkolbentemperatur (<350°C) und maximale Lötzeit pro Anschluss (z. B. 3 Sekunden) angegeben, um thermische Schäden an der Epoxidlinse oder dem Halbleiter zu verhindern.
• ESD-Vorsichtsmaßnahmen:LEDs sind empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung (ESD). Die Handhabung sollte an ESD-geschützten Arbeitsplätzen mit geerdeter Ausrüstung erfolgen. Die Erwähnung einer "elektrostatischen Schutztüte" im PDF unterstreicht diese Anforderung.
• Lagerbedingungen:Bauteile sollten in einer trockenen, kontrollierten Umgebung gelagert werden (z. B.,<40°C/40% rel. Luftfeuchte), um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" führen kann.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Das PDF-Fragment listet mehrere Verpackungsebenen auf.

• Elektrostatische Schutztüte:Die primäre Feuchtigkeits- und ESD-Barriere für die Bauteile in loser Schüttung oder auf Rollen.
• Innenkarton:Enthält mehrere elektrostatische Schutztüten oder Rollen.
• Außenkarton:Der Hauptversandkarton, der mehrere Innenkartons enthält.
• Packmenge:Die Standardmenge pro Rolle (z. B. 1000 Stück), pro Beutel oder pro Karton.
• Etikettierung:Etiketten sollten Artikelnummer, Menge, Datumscode, Los-/Chargennummer und ESD-/Feuchtigkeitssensitivitätsstufe (MSL) enthalten.
• Modellnummernregel:Eine vollständige Artikelnummer kodiert typischerweise Schlüsselattribute wie Gehäusetyp, Wellenlängen-Bin, Intensitäts-Bin und Durchlassspannungs-Bin.

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarot-Fernbedienungen:Für Fernseher, Set-Top-Boxen, Audiosysteme. Die 940nm-Wellenlänge ist der Industriestandard.
• Annäherungs- und Präsenzsensoren:Verwendung in Smartphones (zum Deaktivieren des Touchscreens während eines Anrufs), automatischen Wasserhähnen, Seifenspendern.
• Objekterkennung und -zählung:In der Industrieautomation, Verkaufsautomaten und Sicherheitslichtschranken.
• Optische Datenübertragung:Für kurze, langsame Datenverbindungen (IrDA war ein verbreiteter Standard).
• Nachtsichtbeleuchtung:Gepaart mit IR-empfindlichen Kameras für Überwachung bei schlechten Lichtverhältnissen.

8.2 Designüberlegungen

• Treiberkreis:Immer einen Reihen-Strombegrenzungswiderstand oder eine Konstantstromquelle verwenden. Widerstandswert berechnen mit R = (Versorgungsspannung - Vf) / If.
• PCB-Layout:Ausreichende Kupferfläche oder Wärmeleitungen unter dem thermischen Pad der LED (falls SMD) für die Wärmeableitung vorsehen.
• Optisches Design:Linsen oder Blenden zur Formung des Strahls berücksichtigen. Der Abstrahlwinkel der LED muss mit dem Sichtfeld des Detektors übereinstimmen.
• Filterung:Einen IR-Durchlassfilter am Detektor verwenden, um sichtbares Licht zu blockieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
• Modulation:Für Sensoranwendungen kann die Modulation des IR-Signals (z. B. bei 38kHz) und die Verwendung eines synchronisierten Detektors Störungen durch Umgebungslicht effektiv unterdrücken.

9. Technischer Vergleich

Im Vergleich zu anderen IR-Quellen:

• vs. 850nm IR-LEDs:850nm-LEDs haben oft ein schwaches rotes Leuchten und sind anfälliger für Sonnenlichtstörungen, können aber aufgrund der Materialeffizienz bei gleichem Treiberstrom eine etwas höhere Strahlungsintensität bieten. 940nm wird für verdeckten Betrieb und bessere Sonnenlichtunterdrückung bevorzugt.
• vs. Laserdioden:Laser bieten einen kohärenten, schmalen Strahl, ideal für Langstrecken- oder Präzisionssensorik, sind jedoch teurer, erfordern komplexere Treiber- und Sicherheitsmaßnahmen und haben ein schmaleres Emissionsspektrum.
• vs. Glühfaden-IR-Quellen:Glühfadenbasierte Quellen emittieren breitbandiges IR, sind jedoch ineffizient, langsam, zerbrechlich und erzeugen erhebliche Wärme.

Die 940nm-LED bietet für Mainstream-Verbraucher- und Industrieanwendungen eine optimale Balance aus Kosten, Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistung.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Warum ist meine 940nm-LED nicht sichtbar?

A: Die Empfindlichkeit des menschlichen Auges nimmt jenseits von etwa 750nm stark ab. 940nm liegt tief im Infrarotspektrum und ist im Wesentlichen unsichtbar, was ein Hauptmerkmal für viele Anwendungen ist.

F: Kann ich diese LED direkt von einem 5V- oder 3,3V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Nein. Sie müssen immer einen strombegrenzenden Widerstand in Reihe schalten. Der GPIO-Pin eines Mikrocontrollers kann keinen stabilen Strom liefern und könnte durch die niedrige Durchlassspannung der LED beschädigt werden, was einen nahezu Kurzschlusszustand erzeugen könnte.

F: Wie bestimme ich den optimalen Widerstandswert?

A: Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz: R = (Vs - Vf) / If. Beispiel: Mit Vs=5V, Vf=1,4V (typisch) und If=20mA: R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ohm. Verwenden Sie den nächstgelegenen Normwert (z. B. 180Ω oder 220Ω).

F: Was ist der Zweck der erwähnten "elektrostatischen Schutztüte"?

A: Sie schützt die LED vor elektrostatischer Entladung (ESD) während Lagerung und Transport, die den empfindlichen Halbleiterübergang beschädigen kann, selbst wenn der Schaden nicht sofort sichtbar ist.

F: Beeinflusst die Umgebungstemperatur die Leistung?

A: Ja, erheblich. Die Strahlungsintensität nimmt mit steigender Temperatur ab, und die Durchlassspannung sinkt. Für kritische Anwendungen sollten die Entlastungskurven konsultiert und das thermische Management entsprechend ausgelegt werden.

11. Praktische Anwendungsbeispiele

Fallstudie 1: Smartphone-Annäherungssensor

Eine 940nm-LED ist nahe dem Hörer platziert. Bei einem aktiven Anruf sendet die LED einen kurzen Puls aus. Ein nahegelegener Fotodetektor misst das reflektierte Licht. Wenn ein Objekt (wie das Ohr des Nutzers) nahe ist, ist das reflektierte Signal stark, und der Touchscreen wird deaktiviert, um versehentliche Eingaben zu verhindern. Die 940nm-Wellenlänge stellt sicher, dass während des Anrufs kein sichtbares Leuchten zu sehen ist.

Fallstudie 2: Industrieller Förderband-Objektzähler

Eine IR-LED und ein Detektor sind gegenüberliegend an einem Förderband montiert und bilden einen Lichtstrahl. Wenn ein Objekt durchläuft, unterbricht es den Strahl und löst einen Zähler aus. Die Verwendung eines modulierten 940nm-Signals hilft dem System, die konstante IR-Strahlung von heißen Objekten oder Maschinen auf der Werkstattfläche zu ignorieren.

12. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-LED ist eine Halbleiter-PN-Übergangsdiode. Im Durchlassbetrieb (positive Spannung an der P-Seite, Anode) werden Elektronen aus dem N-Gebiet über den Übergang in das P-Gebiet injiziert, und Löcher aus dem P-Gebiet werden in das N-Gebiet injiziert. Diese Minoritätsträger rekombinieren mit Majoritätsträgern in den gegenüberliegenden Gebieten. In einem direkten Bandlücken-Halbleitermaterial wie Galliumarsenid (GaAs) oder Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), das üblicherweise für IR-LEDs verwendet wird, setzt dieses Rekombinationsereignis Energie in Form eines Photons (Lichtteilchen) frei. Die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Photons wird durch die Bandlückenenergie (Eg) des Halbleitermaterials bestimmt, gemäß der Gleichung λ ≈ 1240 / Eg (eV), wobei λ in Nanometern angegeben ist. Für eine Wellenlänge von 940nm beträgt die Bandlückenenergie etwa 1,32 eV. Die spezifische Materialzusammensetzung (z. B. AlGaAs) wird entwickelt, um diese präzise Bandlücke zu erreichen.

13. Technologietrends

Die Entwicklung von IR-LEDs folgt mehreren Schlüsseltrends, die durch Anwendungsanforderungen getrieben werden:

• Erhöhte Leistung und Effizienz:Fortschritte in der Materialwissenschaft und im Chipdesign führen zu höherer Strahlungsintensität und Gesamtwirkungsgrad (optische Leistung / elektrische Leistung), was größere Reichweiten oder geringeren Stromverbrauch ermöglicht.
• Miniaturisierung:Gehäusegrößen schrumpfen weiter (z. B. Chip-Scale-Packages), um in immer kleinere Verbrauchergeräte wie Wearables und ultradünne Smartphones zu passen.
• Integrierte Lösungen:Es gibt einen Trend zu Modulen, die LED, Treiber, Fotodetektor und manchmal sogar einen Mikrocontroller in einem einzigen Gehäuse kombinieren, was das Design für Endanwender vereinfacht (z. B. komplette Annäherungssensormodule).
• Ausweitung auf neue Spektren:Während 850nm und 940nm dominieren, wächst das Interesse an anderen IR-Wellenlängen für spezielle Anwendungen, wie Gassensorik (unter Verwendung spezifischer Absorptionslinien) oder verbesserte Bildgebung von biologischem Gewebe.
• Verbessertes thermisches Management:Neue Gehäusedesigns mit niedrigerem thermischen Widerstand ermöglichen höhere Treiberströme und anhaltende Ausgangsleistung in anspruchsvollen Umgebungen.

Diese Trends zielen darauf ab, IR-Sensorik zuverlässiger, kompakter, energieeffizienter und zugänglicher für ein breiteres Anwendungsspektrum zu machen, von Automotive-LiDAR und biometrischer Authentifizierung bis hin zu fortschrittlicher Umweltüberwachung.