Infrarot-LED Bauteildatenblatt - Spitzenwellenlänge 940nm - Technisches Dokument auf Deutsch

1. Produktübersicht

Dieses Dokument enthält die technischen Spezifikationen für eine Infrarot (IR) Leuchtdiode (LED). Der primäre Einsatzzweck solcher Bauteile liegt in Systemen, die nicht sichtbare Lichtquellen benötigen, wie beispielsweise Fernbedienungen, Annäherungssensoren, Nachtsichtbeleuchtung und optische Datenübertragung. Der Kernvorteil dieses spezifischen Bauteils ist seine Emission bei einer Spitzenwellenlänge von 940nm, was ideal für Anwendungen ist, bei denen eine minimale sichtbare Lichtemission gewünscht ist, da es für das menschliche Auge weitgehend unsichtbar ist. Der Zielmarkt umfasst Unterhaltungselektronik, Industrieautomatisierung, Sicherheitssysteme und Automotive-Anwendungen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Der bereitgestellte Inhalt spezifiziert einen wichtigen fotometrischen Parameter: die Spitzenwellenlänge (λp). Dies ist eine kritische Spezifikation für IR-LEDs.

2.1 Fotometrische Eigenschaften

Spitzenwellenlänge (λp):940 Nanometer (nm). Dieser Parameter definiert die Wellenlänge, bei der die LED ihre maximale optische Leistung emittiert. Eine Wellenlänge von 940nm liegt im nahen Infrarotspektrum. Diese Wellenlänge wird häufig verwendet, weil Silizium-Photodioden, die typische Empfänger in IR-Systemen sind, in diesem Bereich eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Darüber hinaus ist 940nm-Licht im Vergleich zu kürzeren IR-Wellenlängen wie 850nm weniger als schwaches rotes Leuchten wahrnehmbar, was es für verdeckte Beleuchtung präferiert macht.

Analyse:Die Auswahl von 940nm zeigt, dass dieses Bauteil für die Effizienz in Detektionssystemen mit Standard-Siliziumsensoren und für Anwendungen mit geringer sichtbarer Lichtverschmutzung optimiert ist. Die Strahlstärke und der Abstrahlwinkel, übliche ergänzende Spezifikationen, sind nicht angegeben, sind aber entscheidend für die Berechnung der effektiven Reichweite und Abdeckungsfläche in einem Design.

2.2 Elektrische Parameter

Während spezifische Werte für die Durchlassspannung (Vf), den Durchlassstrom (If) und die Sperrspannung (Vr) im Auszug nicht aufgeführt sind, sind diese für jede LED grundlegend. Entwickler müssen das vollständige Datenblatt für absolute Maximalwerte und typische Betriebsbedingungen konsultieren, um einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer sicherzustellen. Das Überschreiten des maximalen Durchlassstroms ist eine Hauptursache für LED-Ausfälle aufgrund übermäßiger Wärmeentwicklung.

2.3 Thermische Eigenschaften

Das thermische Management ist von größter Bedeutung für die LED-Leistung und Lebensdauer. Zu den Schlüsselparametern gehören der thermische Widerstand vom Übergang zur Umgebungsluft (RθJA) und die maximale Sperrschichttemperatur (Tj max). Eine effiziente Wärmeableitung durch das LED-Gehäuse und die Leiterplatte (PCB) ist notwendig, um Tj innerhalb sicherer Grenzen zu halten, insbesondere bei Betrieb mit hohen Strömen oder in erhöhten Umgebungstemperaturen.

3. Erklärung des Binning-Systems

Die LED-Fertigung beinhaltet natürliche Schwankungen. Ein Binning-System kategorisiert Bauteile basierend auf Schlüsselparametern, um die Konsistenz innerhalb einer Produktionscharge sicherzustellen.

3.1 Wellenlängen-Binning

Für eine IR-LED ist die Spitzenwellenlänge der primäre Binning-Parameter. Bauteile könnten in Bins mit einer engen Toleranz um den Nennwert 940nm sortiert werden (z.B. 935nm bis 945nm). Dies stellt sicher, dass alle LEDs in einem System nahezu identische Emissionscharakteristiken aufweisen, was für die Leistung von optischen Filtern und die Sensorabstimmung im Empfänger kritisch ist.

3.2 Durchlassspannungs-Binning

LEDs werden auch nach Durchlassspannung (Vf) bei einem spezifizierten Teststrom gebinnt. Die Gruppierung von LEDs mit ähnlichen Vf-Werten hilft beim Entwurf von Treiberschaltungen, insbesondere wenn mehrere LEDs in Reihe geschaltet sind, um eine gleichmäßige Stromverteilung und Helligkeit sicherzustellen.

4. Analyse der Leistungskurven

Grafische Daten sind wesentlich, um das Bauteilverhalten unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen.

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

Die I-V-Kurve zeigt die Beziehung zwischen der Durchlassspannung und dem Strom durch die LED. Sie ist nichtlinear. Die "Knie"-Spannung ist der ungefähre Punkt, an dem die LED beginnt, signifikant zu leiten und Licht zu emittieren. Die Steigung der Kurve im Arbeitsbereich hilft, den dynamischen Widerstand der LED zu bestimmen.

4.2 Temperatureigenschaften

Die LED-Leistung ist temperaturabhängig. Typischerweise nimmt die Durchlassspannung (Vf) mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Umgekehrt nimmt auch die Lichtstärke oder Strahlungsleistung mit steigender Temperatur ab. Diagramme, die die relative Intensität gegenüber der Sperrschichttemperatur und die Durchlassspannung gegenüber der Temperatur zeigen, sind entscheidend für den Entwurf von Schaltungen, die thermische Effekte kompensieren.

3.3 Spektrale Verteilung

Ein Spektralverteilungsdiagramm stellt die Strahlungsleistung über der Wellenlänge dar. Für eine 940nm-LED würde dieses Diagramm einen dominanten Peak bei oder nahe 940nm mit einer bestimmten spektralen Bandbreite (z.B. Halbwertsbreite - FWHM) zeigen. Eine schmalere FWHM zeigt eine monochromatischere Lichtquelle an, was für Anwendungen mit optischen Filtern wichtig sein kann.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Der Auszug erwähnt Verpackungstypen, aber nicht das spezifische LED-Gehäuse (z.B. 5mm, 3mm, oberflächenmontierbares Bauteil wie 0805 oder 1206). Ein vollständiges Datenblatt würde eine detaillierte mechanische Zeichnung enthalten.

5.1 Maßzeichnung

Eine Maßzeichnung ist erforderlich, die Länge, Breite, Höhe, Anschlussabstand (für Durchsteckmontage) oder Pad-Abmessungen (für SMD) zeigt. Toleranzen für alle Abmessungen müssen angegeben werden.

5.2 Pad-Layout-Design (für SMD)

Für oberflächenmontierbare Gehäuse wird ein empfohlenes PCB-Landpattern (Footprint) bereitgestellt. Dies umfasst die Größe, Form und den Abstand der Kupferpads, um ein korrektes Löten und mechanische Stabilität sicherzustellen.

5.3 Polaritätskennzeichnung

Die Methode zur Identifizierung von Anode und Kathode muss klar angegeben sein. Für Durchsteck-LEDs ist die Kathode typischerweise der kürzere Anschluss oder der Anschluss neben einer abgeflachten Stelle auf der Linse. Für SMD-LEDs kennzeichnet eine Markierung wie ein Punkt, eine Kerbe oder eine schattierte Ecke auf dem Gehäuse die Kathode.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Für SMD-Bauteile ist ein detailliertes Reflow-Profil notwendig. Dies umfasst Vorheiztemperatur und -zeit, Einweichzeit, Spitzentemperatur, Zeit über Liquidus (TAL) und Abkühlrate. Die Einhaltung dieses Profils verhindert thermischen Schock und gewährleistet zuverlässige Lötstellen.

6.2 Vorsichtsmaßnahmen

Allgemeine Vorsichtsmaßnahmen umfassen: Vermeidung mechanischer Belastung der LED-Linse, Verwendung von ESD-Schutz während der Handhabung (da LEDs empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung sind) und Sicherstellung, dass die optische Oberfläche nicht verschmutzt ist. Für Durchsteckbauteile sollte das Biegen der Anschlüsse in ausreichendem Abstand vom Gehäuse erfolgen.

6.3 Lagerbedingungen

LEDs sollten in einer kühlen, trockenen Umgebung gelagert werden, typischerweise innerhalb eines spezifizierten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereichs. Sie werden oft in feuchtigkeitsempfindlicher Verpackung mit einem Trockenmittel geliefert und müssen möglicherweise vor der Verwendung gebacken werden, wenn die Verpackung über einen längeren Zeitraum geöffnet war.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Der PDF-Auszug listet explizit Verpackungselemente auf, was ein wesentlicher Teil des bereitgestellten Inhalts ist.

7.1 Verpackungsspezifikation

Die Verpackungshierarchie ist definiert als:

• Elektrostatische Schutzfolie (ESD-Beutel):Der primäre Behälter, entwickelt, um die Bauteile vor elektrostatischer Entladung (ESD) und Feuchtigkeit zu schützen.
• Innenkarton:Eine Box oder ein Tablett, die mehrere ESD-Beutel oder -Spulen mit Bauteilen enthält.
• Außenkarton:Der Hauptversandkarton, der mehrere Innenkartons enthält.

7.2 Packmenge

Die spezifische Menge an LED-Bauteilen pro ESD-Beutel, pro Innenkarton und pro Außenkarton muss angegeben werden. Übliche Mengen sind Vielfache von 1000, 2000 oder 5000 Stück für SMD-Teile auf Spulen oder spezifische Stückzahlen für Schüttgutverpackungen.

7.3 Etikettierungsinformationen

Jede Verpackungsebene sollte ein Etikett mit der Teilenummer, Menge, Datumscode, Losnummer und dem ESD-/Feuchtigkeitssensitivitätslevel (MSL) aufweisen.

7.4 Modellnummern-Benennungsregeln

Die vollständige Teilenummer kodiert typischerweise Schlüsselattribute. Beispielsweise könnte eine Modellnummer die Gehäusegröße, Spitzenwellenlänge, Abstrahlwinkel und den Fluss-Bin anzeigen. Ein Code wie "IR940-45D" könnte eine IR-LED, 940nm, 45-Grad-Abstrahlwinkel und einen spezifischen Strahlstärke-Bin 'D' implizieren.

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

Diese 940nm IR-LED ist geeignet für:

• Infrarot-Fernbedienungen:Für Fernseher, Audiosysteme und Set-Top-Boxen.
• Annäherungs- und Präsenzsensoren:In Smartphones, Haushaltsgeräten und automatischen Wasserhähnen.
• Nachtsichtbeleuchtung:Gepaart mit IR-empfindlichen Kameras in Sicherheits- und Überwachungssystemen.
• Optische Schalter und Encoder:Zur Erkennung von Position oder Rotation.
• Datenübertragung:In IrDA-konformen Geräten für Kurzstrecken-Funkkommunikation.

8.2 Designüberlegungen

Treiberschaltung:Eine Konstantstromquelle wird gegenüber einer Spannungsquelle mit einem Vorwiderstand für eine stabile Ausgangsleistung empfohlen, insbesondere über Temperaturschwankungen hinweg. Der Treiber muss für den Durchlassstrom der LED ausgelegt sein.
Optisches Design:Das Linsen- oder Abdeckmaterial zwischen der LED und dem Ziel muss für 940nm-Licht durchlässig sein. Viele Kunststoffe sind geeignet, aber einige Glasarten oder getönte Materialien können das Signal abschwächen.
Wärmeableitung:Sorgen Sie für ausreichende PCB-Kupferfläche oder einen externen Kühlkörper, wenn mit hohen Dauerströmen betrieben wird.
Empfängerabstimmung:Der Fotodetektor (z.B. Fototransistor, Fotodiode) sollte eine Spitzenempfindlichkeit um 940nm aufweisen. Ein optischer Filter, der auf das Spektrum der LED abgestimmt ist, kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern, indem er Umgebungslicht blockiert.

9. Technischer Vergleich

Im Vergleich zu anderen IR-LEDs bietet eine 940nm-Komponente spezifische Vorteile und Kompromisse.

vs. 850nm IR-LEDs:850nm-LEDs bieten aufgrund besserer Materialeffizienz bei dieser Wellenlänge oft eine etwas höhere Strahlungsleistung bei gleichem elektrischem Eingang. Allerdings emittiert 850nm ein schwaches rotes Leuchten, das unter dunklen Bedingungen sichtbar sein kann, was für verdeckte Anwendungen unerwünscht sein kann. 940nm ist praktisch unsichtbar, was es für diskrete Beleuchtung überlegen macht.

vs. Sichtbare LEDs:Der primäre Unterscheidungsfaktor ist die Wellenlänge. IR-LEDs ermöglichen Funktionen, die für Benutzer unsichtbar sind, und erlauben Funktionen wie automatischen Betrieb (Sensoren) oder Steuerung (Fernbedienungen), ohne ablenkendes Licht zu emittieren.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Warum ist die Spitzenwellenlänge von 940nm wichtig?
A: Sie entspricht dem hohen Empfindlichkeitsbereich gängiger Silizium-Fotodetektoren und minimiert gleichzeitig die sichtbare Lichtemission, was sie ideal für Sensor- und verdeckte Beleuchtungsanwendungen macht.

F: Wie treibe ich diese LED an?
A: Verwenden Sie eine Konstantstrom-Treiberschaltung. Eine einfache Implementierung ist eine Spannungsquelle mit einem strombegrenzenden Widerstand, berechnet unter Verwendung der typischen Durchlassspannung (Vf) der LED und des gewünschten Durchlassstroms (If) aus dem vollständigen Datenblatt: R = (Vquelle - Vf) / If.

F: Kann ich das Licht dieser LED sehen?
A: Die Wellenlänge von 940nm liegt für die meisten Menschen außerhalb des sichtbaren Spektrums. Einige Personen könnten unter extrem dunklen Bedingungen ein sehr tiefrotes Leuchten wahrnehmen, aber es ist weitgehend unsichtbar. Eine Smartphone-Kamera kann es jedoch normalerweise klar sehen, da Kamerassensoren für Nah-IR empfindlich sind.

F: Was ist der Zweck der elektrostatischen Schutzfolie?
A: Sie schützt die LED vor elektrostatischer Entladung (ESD), die den Halbleiterübergang beschädigen kann, selbst wenn die Entladung von einer Person nicht gespürt wird.

11. Praktische Anwendungsbeispiele

Fallstudie 1: Automatischer Seifenspender.Eine 940nm IR-LED wird mit einem Fototransistor gepaart, um einen Annäherungssensor zu erstellen. Die LED emittiert ständig einen unsichtbaren Strahl. Wenn eine Hand den Strahl unterbricht, löst die Änderung des erkannten Lichts den Pumpenmotor aus. Die 940nm-Wellenlänge stellt sicher, dass der Betrieb nahtlos und ohne sichtbare Lichtanzeige erfolgt.

Fallstudie 2: Fernbedienung mit großer Reichweite.Ein Array von 940nm-LEDs wird in einer Universalfernbedienung verwendet. Die hohe Strahlstärke (gewährleistet durch korrektes Binning und Treiberstrom) ermöglicht es dem Signal, den TV-Sensor aus weiten Winkeln und größeren Entfernungen zu erreichen. Das Fehlen von sichtbarem Licht verhindert Ablenkung in einem dunklen Heimkino.

12. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiter-p-n-Übergangsdiode. Bei Vorwärtsspannung rekombinieren Elektronen aus der n-Region mit Löchern aus der p-Region im aktiven Bereich. Dieser Rekombinationsprozess setzt Energie in Form von Photonen (Licht) frei. Die spezifische Wellenlänge der emittierten Photonen wird durch die Bandlückenenergie der in der Konstruktion der LED verwendeten Halbleitermaterialien bestimmt (typischerweise Aluminiumgalliumarsenid - AlGaAs für 940nm). Eine größere Bandlücke führt zu einer kürzeren Wellenlänge (blaueres Licht), und eine kleinere Bandlücke führt zu einer längeren Wellenlänge (röteres oder infrarotes Licht). Die 940nm-Ausgabe ist ein direktes Ergebnis der Entwicklung der Halbleiterzusammensetzung, um diese spezifische Bandlückenenergie zu erreichen.

13. Entwicklungstrends

Das Feld der IR-LEDs wird durch die Nachfrage nach höherer Effizienz, kleineren Gehäusen und größerer Integration vorangetrieben.

Erhöhte Effizienz:Die Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der internen Quanteneffizienz (der Prozentsatz der Elektron-Loch-Rekombinationen, die Photonen erzeugen) und der Lichteinkopplungseffizienz (die erzeugten Photonen aus dem Halbleitermaterial herauszubekommen). Dies führt zu einer höheren Strahlungsleistung bei gleichem elektrischem Eingang und ermöglicht eine längere Batterielebensdauer in tragbaren Geräten.

Miniaturisierung:Der Trend zu kleinerer Unterhaltungselektronik treibt die Entwicklung von IR-LEDs in immer kleineren oberflächenmontierbaren Gehäusen (z.B. 0402, 0201 metrische Größen) voran, während die Leistung beibehalten oder verbessert wird.

Integrierte Lösungen:Es gibt eine Bewegung hin zur Kombination von IR-LED, Fotodetektor und Steuerlogik in einem einzigen Modul oder Chip. Dies vereinfacht das Design für Endbenutzer, reduziert den PCB-Footprint und verbessert die Systemzuverlässigkeit durch sichergestellte abgestimmte optische Eigenschaften.

Neue Wellenlängen:Während 850nm und 940nm dominieren, werden andere Wellenlängen für spezialisierte Anwendungen entwickelt, wie Spektroskopie, Gassensorik und optische Kommunikation mit Kunststoff-Lichtwellenleitern.