Infrarot-LED Bauteildatenblatt - Spitzenwellenlänge 940nm - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Dieses Dokument enthält die technischen Spezifikationen für eine Infrarot-Licht emittierende Diode (IR-LED). Das Hauptanwendungsgebiet dieser Komponente liegt in Systemen, die nicht sichtbare Lichtquellen benötigen, wie z.B. Fernbedienungen, Näherungssensoren und Nachtsichtbeleuchtung. Der Kernvorteil dieser Komponente liegt in ihrer spezifischen Spitzenwellenlänge, die für die Kompatibilität mit siliziumbasierten Fotodetektoren optimiert ist und für das menschliche Auge kaum sichtbar ist. Der Zielmarkt umfasst Unterhaltungselektronik, Industrieautomatisierung, Sicherheitssysteme und Automotive-Anwendungen, bei denen eine zuverlässige Infrarotsignalübertragung oder -erfassung erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die bereitgestellten Daten spezifizieren einen wichtigen fotometrischen Parameter für diese IR-LED.

2.1 Fotometrische Kenngrößen

Der wichtigste definierte Parameter ist die Spitzenwellenlänge (λp).

• Spitzenwellenlänge (λp):940 Nanometer (nm). Dieser Wert gibt den spezifischen Punkt im elektromagnetischen Spektrum an, an dem die LED ihre maximale optische Leistung emittiert. Eine Wellenlänge von 940nm liegt fest im nahen Infrarotbereich (NIR). Diese Wellenlänge ist besonders vorteilhaft, da sie gut mit der maximalen Empfindlichkeit gängiger Silizium-Fotodioden und Fototransistoren übereinstimmt, was eine effiziente Signalübertragung und -empfang gewährleistet. Darüber hinaus ist 940nm-Licht im Vergleich zu kürzeren IR-Wellenlängen wie 850nm als schwaches rotes Leuchten weniger sichtbar, was es für verdeckte Anwendungen besser geeignet macht.

Andere typische fotometrische Parameter für eine IR-LED, wie z.B. Strahlstärke (in Milliwatt pro Steradiant, mW/sr), Abstrahlwinkel (in Grad) und Durchlassspannung bei einem bestimmten Strom, sind im Auszug nicht explizit angegeben, sind aber für einen vollständigen Schaltungsentwurf unerlässlich.

2.2 Elektrische Parameter

Obwohl im bereitgestellten Text keine konkreten Werte aufgeführt sind, wird das elektrische Verhalten einer IR-LED durch mehrere Schlüsselparameter definiert, die ein Entwickler berücksichtigen muss.

• Durchlassspannung (Vf):Der Spannungsabfall über der LED, wenn sie Strom führt. Für typische GaAs-basierte IR-LEDs liegt dieser üblicherweise im Bereich von 1,2V bis 1,6V bei ihrem Nenndurchlassstrom.
• Durchlassstrom (If):Der empfohlene Dauerbetriebsstrom. Das Überschreiten des maximal zulässigen Durchlassstroms kann zu schnellem Leistungsabfall oder katastrophalem Ausfall führen.
• Sperrspannung (Vr):Die maximale Spannung, die die LED in Sperrrichtung aushalten kann. IR-LEDs haben typischerweise eine sehr niedrige Sperrspannungsfestigkeit (oft um 5V) und sind anfällig für Schäden durch Sperrspannungsspitzen.
• Verlustleistung:Die gesamte elektrische Leistung, die in Wärme und Licht umgewandelt wird (Vf * If). Ein ordnungsgemäßes Wärmemanagement ist erforderlich, um Überhitzung zu verhindern.

2.3 Thermische Eigenschaften

Das Wärmemanagement ist entscheidend für die Lebensdauer und stabile Leistung der LED.

• Sperrschichttemperatur (Tj):Die Temperatur im aktiven Bereich des Halbleiterchips. Die maximal zulässige Tj ist eine kritische Grenze.
• Thermischer Widerstand (Rθj-a):Dieser Parameter, gemessen in Grad Celsius pro Watt (°C/W), gibt an, wie effektiv Wärme vom LED-Übergang zur Umgebungsluft abgeführt wird. Ein niedrigerer Wert bedeutet eine bessere Wärmeableitfähigkeit. Das Gehäusedesign beeinflusst diesen Wert maßgeblich.
• Entlastungskennlinie:Ein Diagramm, das zeigt, wie der maximal zulässige Durchlassstrom abnimmt, wenn die Umgebungstemperatur oder die Sperrschichttemperatur steigt. Der Betrieb innerhalb dieser Grenzen ist für die Zuverlässigkeit entscheidend.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Die Massenfertigung von LEDs führt zu Schwankungen bei wichtigen Parametern. Beim Binning werden die Bauteile basierend auf gemessenen Leistungswerten in Gruppen (Bins) sortiert, um für den Endanwender Konsistenz zu gewährleisten.

3.1 Wellenlängen-Binning

Für diese 940nm IR-LED würden die Bauteile getestet und basierend auf ihrer tatsächlichen Spitzenwellenlänge in Bins sortiert. Beispielsweise könnten Bins als 935-940nm, 940-945nm usw. definiert sein. Dies ermöglicht es Entwicklern, LEDs mit engeren Wellenlängentoleranzen auszuwählen, wenn ihre Anwendung eine präzise spektrale Abstimmung erfordert.

3.2 Strahlstärke / Optische Leistung Binning

LEDs werden auch nach ihrer Strahlungsleistung gebinnt. Dies ist entscheidend für Anwendungen, die eine gleichmäßige Helligkeit oder eine bestimmte Signalstärke erfordern. Bins werden durch Minimal- und Maximalwerte der Strahlstärke (z.B. 20-25 mW/sr, 25-30 mW/sr) bei einem standardisierten Teststrom definiert.

3.3 Durchlassspannungs-Binning

Um den Entwurf von strombegrenzenden Schaltungen zu vereinfachen und ein konsistentes Verhalten in Parallelschaltungen zu gewährleisten, werden LEDs nach Durchlassspannung (Vf) gebinnt. Übliche Bins könnten LEDs mit Vf zwischen 1,2V-1,3V, 1,3V-1,4V usw. gruppieren.

4. Analyse der Kennlinien

Grafische Daten sind unerlässlich, um das Bauteilverhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu verstehen.

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

Diese Kurve stellt den Durchlassstrom (If) über der Durchlassspannung (Vf) dar. Sie zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Die Kurve wird verwendet, um den Arbeitspunkt zu bestimmen und einen geeigneten strombegrenzenden Widerstand oder Treiberschaltung zu entwerfen. Die "Kniespannung", bei der der Strom rapide anzusteigen beginnt, ist ein Schlüsselmerkmal.

4.2 Temperaturabhängigkeit

Mehrere Kurven veranschaulichen Temperatureffekte.

• Durchlassspannung vs. Temperatur:Zeigt typischerweise, dass Vf linear abnimmt, wenn die Sperrschichttemperatur steigt (ca. -2mV/°C für IR-LEDs). Dies ist wichtig für Konstantstromtreiber.
• Strahlstärke vs. Temperatur:Zeigt, wie die optische Ausgangsleistung mit steigender Temperatur abnimmt. Diese Entlastung ist kritisch für Anwendungen, die bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden.
• Relative spektrale Verteilung vs. Temperatur:Zeigt, wie sich die Spitzenwellenlänge bei Temperaturerhöhung leicht verschieben kann (üblicherweise zu längeren Wellenlängen).

4.3 Spektrale Verteilung

Dieses Diagramm stellt die relative Strahlungsleistung über der Wellenlänge dar. Es zeigt das Maximum bei 940nm und die spektrale Bandbreite (typischerweise die Halbwertsbreite, FWHM, oft etwa 40-50nm für IR-LEDs). Eine schmalere Bandbreite bedeutet monochromatischeres Licht.

5. Mechanische und Verpackungsinformationen

Der bereitgestellte Auszug enthält spezifische Verpackungsdetails.

5.1 Verpackungshierarchie

Die Komponente ist durch ein mehrschichtiges Verpackungssystem geschützt:

• ESD-Schutzbeutel:Der primäre Behälter für die einzelnen LED-Bauteile oder -Rollen. Dieser Beutel besteht aus einem statikableitenden Material, um Schäden durch elektrostatische Entladung während der Handhabung und Lagerung zu verhindern.
• Innenkarton:Eine kleinere Box oder ein Tablett, das mehrere ESD-Beutel oder -Rollen enthält und für physische Stabilität und zusätzlichen Schutz sorgt.
• Außenkarton:Der Hauptversandbehälter, der mehrere Innenkartons enthält. Er ist für Robustheit während Transport und Lagerung ausgelegt.

5.2 Packungsmenge

Das Dokument listet "Packungsmenge" explizit als Schlüsselparameter auf. Dies bezieht sich auf die Anzahl der einzelnen LED-Bauteile in einer Standardversandeinheit (z.B. pro Rolle, pro Tube oder pro Beutel im Innenkarton). Übliche Mengen sind 1000, 2000 oder 5000 Stück pro Rolle für Oberflächenmontagebauteile.

5.3 Abmessungen und Polarität

Obwohl genaue Abmessungen nicht angegeben sind, hätte ein typisches IR-LED-Gehäuse (wie eine 3mm oder 5mm Durchsteck-LED oder ein Oberflächenmontagegehäuse wie 0805 oder 1206) eine detaillierte mechanische Zeichnung. Diese Zeichnung spezifiziert Gehäuselänge, -breite, -höhe, Anschlussabstand (Rastermaß) und Anschlussabmessungen. Entscheidend ist, dass sie die Polaritätskennzeichnung enthält, die üblicherweise die Kathode (Minuspol) über eine abgeflachte Kante an der Linse, einen kürzeren Anschluss, einen Punkt auf dem Gehäuse oder eine spezifische Markierung auf dem Lötpadsatz angibt.

6. Löt- und Montagerichtlinien

Eine ordnungsgemäße Montage ist für die Zuverlässigkeit entscheidend.

6.1 Reflow-Lötprofil

Für oberflächenmontierte IR-LEDs muss ein empfohlenes Reflow-Profil eingehalten werden. Dies umfasst:

• Aufheizrate:Typischerweise 1-3°C pro Sekunde, um thermischen Schock zu vermeiden.
• Einweichzone:Ein Zeitraum bei einer Temperatur unterhalb der Liquidustemperatur des Lotes, um das Flussmittel zu aktivieren und die Leiterplattentemperatur auszugleichen.
• Reflow- (Liquidus-) Zone:Die Spitzentemperatur, die hoch genug sein muss, um das Lot zu schmelzen (z.B. 240-250°C für SAC305), aber niedrig und kurz genug, um die LED nicht zu beschädigen (maximale Gehäusetemperatur ist oft 260°C für 10 Sekunden).
• Abkühlrate:Eine kontrollierte Abkühlung, um die Lötstellen ordnungsgemäß zu verfestigen.

6.2 Wichtige Vorsichtsmaßnahmen

• ESD-Schutz:Bauteile stets in einer ESD-sicheren Umgebung unter Verwendung geerdeter Handgelenkbänder und leitfähiger Matten handhaben.
• Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL):Falls zutreffend, hat das Gehäuse eine MSL-Einstufung (z.B. MSL 3). Bauteile, die ihre Bodenlebensdauer überschritten haben, müssen vor dem Reflow getrocknet werden, um "Popcorning"-Schäden zu verhindern.
• Reinigung:Nur kompatible Reinigungsmittel verwenden, die die LED-Linse oder den Epoxidharz nicht beschädigen.
• Mechanische Belastung:Vermeiden Sie direkten Druck auf die LED-Linse während des Platzierens oder Testens.

6.3 Lagerbedingungen

Bauteile sollten in ihrer originalen, ungeöffneten ESD-Verpackung in einer kontrollierten Umgebung gelagert werden. Empfohlene Bedingungen sind typischerweise eine Temperatur zwischen 5°C und 30°C und eine relative Luftfeuchtigkeit unter 60%. Vermeiden Sie direkte Sonneneinstrahlung, korrosive Gase oder übermäßigen Staub.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Lebenszyklusdaten des Dokuments zeigen eine "Revision: 5" und "Ablaufzeitraum: Unbegrenzt", was darauf hindeutet, dass es sich um ein stabiles, nicht obsoleszenzgesteuertes Dokument handelt, das am 27.05.2013 veröffentlicht wurde. Die Verpackungsspezifikation ist in Abschnitt 5.1 klar definiert. Der Bestellcode oder die Modellnummer folgt typischerweise einer Namenskonvention, die Schlüsselattribute wie Gehäusetyp, Wellenlängen-Bin, Intensitäts-Bin und Packungsmenge kodiert (z.B. könnte "IR940-SMD1206-B2-2K" eine 940nm IR-LED in einem 1206-Gehäuse, Intensitäts-Bin B2, geliefert auf einer 2000-Stück-Rolle, bedeuten).

8. Anwendungsempfehlungen

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarot-Fernbedienungen:Für Fernseher, Audiosysteme und Set-Top-Boxen. Die 940nm-Wellenlänge ist der Industriestandard.
• Näherungs- und Anwesenheitssensoren:Verwendet in Smartphones zum Deaktivieren des Touchscreens während eines Anrufs, in automatischen Wasserhähnen und in Sicherheitslichtschaltern.
• Objekterkennung und -zählung:In Verkaufsautomaten, industriellen Fertigungsstraßen und Druckgeräten.
• Nachtsichtbeleuchtung:Gekoppelt mit einer IR-empfindlichen Kamera für Überwachung bei schlechten Lichtverhältnissen.
• Optische Datenübertragung:Für kurze Reichweiten, langsame serielle Kommunikation (IrDA) oder industrielle Datenverbindungen.

8.2 Designüberlegungen

• Treiberschaltung:Immer einen Reihen-Strombegrenzungswiderstand oder einen Konstantstromtreiber verwenden. Eine LED niemals direkt an eine Spannungsquelle anschließen.
• Wärmeableitung:Für Hochstrombetrieb oder hohe Umgebungstemperaturen ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte oder einen externen Kühlkörper sicherstellen, um den thermischen Widerstand der LED zu managen.
• Optisches Design:Den Abstrahlwinkel der LED berücksichtigen. Linsen oder Reflektoren verwenden, um den Strahl je nach Anwendung zu kollimieren oder zu streuen.
• Fotodetektor-Abstimmung:Sicherstellen, dass der gewählte Fotodetektor (Fotodiode, Fototransistor) bei 940nm eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Bei störender Umgebungsbeleuchtung einen IR-Filter verwenden, um sichtbares Licht zu blockieren.
• Störfestigkeit:In Sensoranwendungen das IR-Signal modulieren (z.B. mit einem 38kHz-Träger) und einen abgestimmten Empfänger verwenden, um Störungen durch Umgebungslicht von Sonne oder Leuchtstofflampen zu unterdrücken.

9. Technischer Vergleich

Im Vergleich zu anderen IR-Quellen bietet diese 940nm LED spezifische Vorteile.

• vs. 850nm IR-LEDs:940nm-Licht ist als schwaches rotes Leuchten viel weniger sichtbar, was es für verdeckte Überwachung überlegen macht. Allerdings sind Silizium-Fotodetektoren bei 940nm etwas weniger empfindlich als bei 850nm, und die atmosphärische Absorption ist geringfügig höher.
• vs. Glühfaden-IR-Lampen:LEDs sind wesentlich effizienter, haben eine schnellere Ansprechzeit (ermöglicht Hochfrequenzmodulation), sind mechanisch robuster und haben eine viel längere Betriebslebensdauer (Zehntausende von Stunden).
• vs. Laserdioden:LEDs haben eine breitere spektrale Ausgangsleistung und eine viel größere Emissionsfläche, was einen diffusen Strahl erzeugt, der für allgemeine Beleuchtung und Erfassung einfacher zu handhaben ist. Sie sind auch deutlich kostengünstiger und benötigen nicht die komplexe Ansteuer- und Sicherheitsschaltung von Laserdioden.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Was ist der Zweck der 940nm Spitzenwellenlänge?
A1: Die 940nm-Wellenlänge ist optimal, weil sie gut auf die Empfindlichkeit von Silizium-Fotodetektoren abgestimmt ist, während sie für das menschliche Auge nahezu unsichtbar ist, was sie ideal für diskrete Sensorik und Fernbedienungsanwendungen macht.

F2: Wie bestimme ich den richtigen Wert für den strombegrenzenden Widerstand?
A2: Verwenden Sie das Ohmsche Gesetz: R = (Vversorgung - Vf) / If. Sie müssen Ihre Versorgungsspannung (Vversorgung), die Durchlassspannung der LED (Vf) aus ihrem Datenblatt oder Bin und den gewünschten Durchlassstrom (If) kennen. Stellen Sie stets sicher, dass die Leistungsaufnahme des Widerstands (P = (Vversorgung - Vf) * If) ausreichend ist.

F3: Kann ich diese LED im Freien verwenden?
A3: Ja, aber mit Vorsichtsmaßnahmen. Die Epoxidharzlinse kann bei längerer UV-Bestrahlung degradieren. Noch kritischer ist, dass helles Sonnenlicht starke IR-Komponenten enthält, die Empfänger sättigen können. Der Einsatz von optischen Filtern und modulierten Signalen ist für einen zuverlässigen Außenbetrieb unerlässlich.

F4: Warum ist ESD-Schutz für LEDs so wichtig?
A4: Der Halbleiterübergang in einer LED ist extrem empfindlich gegenüber hochspannungs-elektrostatischen Entladungen. Ein ESD-Ereignis kann die optische Ausgangsleistung sofort verschlechtern, den Leckstrom erhöhen oder einen vollständigen Ausfall verursachen, ohne dass sichtbare Schäden auftreten.

F5: Was bedeutet "Packungsmenge"?
A5: Sie spezifiziert die Anzahl der einzelnen LED-Bauteile in einer Standardverkaufseinheit, wie z.B. auf einer Rolle, in einer Tube oder in einem antistatischen Beutel. Dies ist entscheidend für die Produktionsplanung und Lagerverwaltung.

11. Praktische Anwendungsbeispiele

11.1 Einfacher Näherungssensor

Ein einfacher reflektiver Sensor kann gebaut werden, indem die 940nm IR-LED und ein Fototransistor nebeneinander platziert werden. Die LED wird mit einem gepulsten Strom betrieben. Wenn sich ein Objekt nähert, reflektiert es das IR-Licht zurück zum Fototransistor, wodurch dessen Kollektorstrom ansteigt. Eine Komparatorschaltung kann dann ein digitales Ausgangssignal auslösen. Dieses Design wird bei der Papiererkennung in Druckern und zur Aktivierung von Händetrocknern verwendet.

11.2 IR-Strahler für Überwachungskameras mit großer Reichweite

Für Nachtsicht-Überwachungskameras wird ein Array aus mehreren Hochleistungs-940nm-LEDs aufgebaut. Die LEDs werden von einem Konstantstromtreiber angetrieben, der mehrere hundert Milliampere liefern kann. Eine Fresnel-Linse wird vor dem Array platziert, um das Licht zu einem Strahl zu kollimieren und die effektive Beleuchtungsreichweite auf mehrere zehn Meter zu erweitern. Das Wärmemanagement über einen großen Aluminiumkühlkörper ist für dieses Hochleistungsdesign entscheidend.

12. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Licht emittierende Diode (IR-LED) ist ein Halbleiter-p-n-Übergangsbauelement. Bei Flusspolung (positive Spannung an der p-Seite relativ zur n-Seite) werden Elektronen aus dem n-Gebiet über den Übergang in das p-Gebiet injiziert und Löcher aus dem p-Gebiet in das n-Gebiet. Diese Minoritätsträger rekombinieren mit Majoritätsträgern in den gegenüberliegenden Gebieten. In einem Halbleiter mit direkter Bandlücke wie Galliumarsenid (GaAs), 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 = hc/Eg, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Durch Anpassen der Halbleiterlegierungszusammensetzung (z.B. unter Verwendung von AlGaAs oder InGaAs) können die Bandlücke und damit die emittierte Wellenlänge präzise gesteuert werden, was zu der hier spezifizierten 940nm-Ausgabe führt.

13. Technologietrends

Das Gebiet der IR-LED-Technologie entwickelt sich weiter. Wichtige Trends sind:

• Erhöhte Leistung und Effizienz:Fortschritte in der Materialwissenschaft und im Gehäusedesign führen zu IR-LEDs mit höherem Strahlungsfluss und höherer Wandlungseffizienz (elektrisch-optische Leistungsumwandlung), was kleinere Bauteile oder größere Reichweite bei gleicher Eingangsleistung ermöglicht.
• Miniaturisierung:Der Trend zu kleinerer Unterhaltungselektronik treibt IR-LEDs in immer kleinere Oberflächenmontagegehäuse (z.B. 0402, 0201) und Chip-Scale-Packages (CSP).
• Integrierte Lösungen:Es gibt einen Trend dahin, die IR-LED, den Fotodetektor, die Treiberschaltung und die Signalverarbeitung (wie Unterdrückung von Umgebungslicht) in ein einzelnes Modul oder System-in-Package (SiP) zu integrieren, was den Entwurf für Endanwender vereinfacht.
• Expansion in neue Wellenlängen:Während 850nm und 940nm dominieren, wächst das Interesse an anderen IR-Wellenlängen für spezialisierte Anwendungen, wie z.B. 1050nm für augensichere LiDAR oder spezifische Bänder für Gassensorik.
• Verbessertes Wärmemanagement:Neue Gehäusedesigns mit niedrigerem thermischen Widerstand und Materialien mit besserer Wärmeleitfähigkeit verlängern die LED-Lebensdauer und ermöglichen höhere Betriebsströme.