Technisches Datenblatt für die Infrarot-LED IR204C-A - 3mm T-1-Gehäuse - 940nm Spitzenwellenlänge - 100mA Durchlassstrom

1. Produktübersicht

Die IR204C-A ist eine hochintensive Infrarot-Emissionsdiode in einem standardmäßigen 3mm (T-1) wasserklaren Kunststoffgehäuse. Ihre Hauptfunktion ist die Emission von Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 940nm, wodurch sie spektral auf gängige Silizium-Fototransistoren, Fotodioden und Infrarot-Empfängermodule abgestimmt ist. Diese Komponente ist für Anwendungen konzipiert, die eine zuverlässige und effiziente Infrarotübertragung erfordern.

1.1 Kernvorteile

• Hohe Strahlungsintensität:Liefert eine starke optische Ausgangsleistung, geeignet für mittlere bis große Reichweiten.
• Hohe Zuverlässigkeit:Konstruiert für stabilen und langfristigen Betrieb.
• Niedrige Durchlassspannung:Typischerweise 1,5V bei 20mA, trägt zu einem energieeffizienten Betrieb bei.
• Umweltkonformität:Das Produkt ist bleifrei, entspricht der EU REACH-Verordnung und erfüllt halogenfreie Standards (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm).
• Standardgehäuse:Das bekannte T-1 (3mm) Formfaktor mit 2,54mm Anschlussabstand gewährleistet eine einfache Integration in bestehende Designs und Steckplatinen.

1.2 Zielanwendungen

• Infrarot-Fernbedienungen mit hohem Leistungsbedarf.
• Optische Datenübertragungssysteme in freier Luft.
• Rauchmeldersensoren.
• Allgemeine Infrarot-Erfassungs- und Schranksysteme.
• Industrieautomation und Objekterkennung.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt angegebenen wichtigsten elektrischen und optischen Parameter. Das Verständnis dieser Grenz- und typischen Werte ist entscheidend für ein robustes Schaltungsdesign.

2.1 Absolute Maximalwerte

Dies sind Belastungsgrenzen, die unter keinen Umständen, auch nicht kurzzeitig, überschritten werden dürfen. Ein Betrieb jenseits dieser Werte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Dauer-Durchlassstrom (I_F):100 mA. Die LED kann kontinuierlich mit diesem Strom betrieben werden, vorausgesetzt, die Verlustleistungs- und Temperaturgrenzen werden eingehalten.
• Spitzen-Durchlassstrom (I_FP):1,0 A. Dieser hohe Strom ist nur unter gepulsten Bedingungen zulässig (Pulsbreite ≤ 100μs, Tastverhältnis ≤ 1%). Dies ist nützlich, um eine sehr hohe momentane Strahlungsleistung in Burst-Mode-Anwendungen wie Fernbedienungen mit großer Reichweite zu erreichen.
• Sperrspannung (V_R):5 V. Die LED hat eine begrenzte Sperrspannungstoleranz. Im Schaltungsdesign muss darauf geachtet werden, eine Sperrvorspannung über diesen Grenzwert hinaus zu verhindern, die durch induktive Lasten oder falsche Einschaltreihenfolge verursacht werden könnte.
• Verlustleistung (P_d):150 mW bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur. Dieser Wert sinkt mit steigender Umgebungstemperatur. Der tatsächliche Betriebsstrom muss basierend auf der Sperrschichttemperatur reduziert werden, um innerhalb sicherer Grenzen zu bleiben.
• Löttemperatur (T_sol):260°C für maximal 5 Sekunden. Dies definiert die Einschränkungen des Reflow-Lötprofils.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen (Ta=25°C).

• Strahlungsintensität (I_e):Dies ist das primäre Maß für die optische Ausgangsleistung pro Raumwinkel (mW/sr).
  • Bei I_F= 20mA (DC): Typischer Wert ist 7,8 mW/sr, mit einem Minimum von 4,0 mW/sr.
  • Bei I_F= 100mA (Gepulst): Die typische Strahlungsintensität steigt signifikant an.
  • Bei I_F= 1A (Gepulst): Kann eine typische Ausgangsleistung von 390 mW/sr liefern und zeigt damit seine Fähigkeit für Hochleistungs-Pulsbetrieb.
• Spitzenwellenlänge (λ_p):940 nm (typisch). Diese Wellenlänge ist ideal, da sie gut mit der maximalen Empfindlichkeit von siliziumbasierten Fotodetektoren übereinstimmt, während sie für das menschliche Auge weitgehend unsichtbar ist und eine gute atmosphärische Transmission aufweist.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):Ungefähr 45 nm (typisch). Dies definiert die spektrale Breite des emittierten Lichts bei halber maximaler Intensität (FWHM).
• Durchlassspannung (V_F):
  • Bei 20mA: 1,5V typisch, 1,2V min, entscheidend für die Berechnung von Vorwiderstandswerten.
  • Bei 100mA (gepulst): 1,4V typisch, 1,8V max. V_Fsteigt mit dem Strom aufgrund des Diodenwiderstands.
  • Bei 1A (gepulst): 2,6V typisch, 4,0V max, zeigt einen signifikanten Anstieg unter Hochstrom-Pulsbedingungen.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):40 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte ihres Wertes auf der Achse abfällt. Ein 40°-Winkel bietet eine gute Balance zwischen Strahlbündelung und Abdeckung.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Das Datenblatt enthält eine Binning-Tabelle für die Strahlungsintensität, eine gängige Praxis zur Kategorisierung von LEDs basierend auf gemessener Leistung.

3.1 Binning der Strahlungsintensität

Unter der Bedingung I_F= 20mA werden die LEDs basierend auf ihrer gemessenen Strahlungsintensität in Bins (K, L, M, N) sortiert.

• Bin K:4,0 - 6,4 mW/sr
• Bin L:5,6 - 8,9 mW/sr
• Bin M:7,8 - 12,5 mW/sr
• Bin N:11,0 - 17,6 mW/sr

Design-Implikation:Für Anwendungen, die eine konsistente optische Signalstärke erfordern (z.B. Fernbedienungen mit definierter Reichweite), stellt die Spezifikation eines engeren Bins (wie ein einzelnes Bin) oder eines höheren Minimum-Bins eine gleichmäßigere Leistung über alle Produktionseinheiten sicher. Der Bin-Code wird typischerweise in den Bestellinformationen oder auf dem Produktetikett angegeben.

4. Analyse der Kennlinien

Die typischen Kennlinien bieten wertvolle Einblicke in das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen.

4.1 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abb.4)

Diese I-V-Kennlinie zeigt die exponentielle Beziehung. Die Kurve verschiebt sich mit der Temperatur; die Durchlassspannung nimmt typischerweise mit steigender Sperrschichttemperatur bei einem gegebenen Strom ab.

4.2 Relative Intensität vs. Umgebungstemperatur (Abb.7)

Dieses Diagramm ist entscheidend für das thermische Management. Die Strahlungsleistung einer LED nimmt mit steigender Sperrschichttemperatur ab. Die Kurve quantifiziert diese Reduzierung und informiert Designer, dass höhere Umgebungstemperaturen oder unzureichende Kühlung zu einer geringeren optischen Ausgangsleistung führen. Dies muss in Systemen berücksichtigt werden, die über den gesamten Temperaturbereich von -40°C bis +85°C betrieben werden sollen.

4.3 Spektrale Verteilung & Spitzenwellenlänge vs. Temperatur (Abb.2 & Abb.3)

Abb.2 zeigt das typische Emissionsspektrum zentriert bei 940nm. Abb.3 veranschaulicht, wie sich die Spitzenwellenlänge mit der Temperatur verschiebt. Infrarot-LEDs weisen typischerweise einen positiven Temperaturkoeffizienten für die Wellenlänge auf (d.h. λ_psteigt mit der Temperatur). Diese Verschiebung ist wichtig in Anwendungen, bei denen der Detektor eine schmale spektrale Empfindlichkeit hat.

4.4 Winkelabhängiges Abstrahlverhalten (Abb.6)

Dieses Polardiagramm zeigt die relative Strahlungsintensität als Funktion der Winkelabweichung von der Mittelachse. Der 40°-Abstrahlwinkel wird hier bestätigt. Das Muster ist für diesen Gehäusetyp im Allgemeinen lambertisch oder nahezu lambertisch, was bedeutet, dass die Intensität ungefähr proportional zum Kosinus des Betrachtungswinkels ist.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein standardmäßiges T-1 (3mm Durchmesser) Rundgehäuse. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern (mm).
• Standardtoleranzen sind ±0,25mm, sofern nicht anders angegeben.
• Anschlussabstand ist 2,54mm (0,1 Zoll), kompatibel mit Standard-Lochrasterplatinen und vielen Sockeln.

Eine detaillierte Maßzeichnung wäre typischerweise enthalten und zeigt Gehäusedurchmesser, Linsenform, Anschlusslänge und -durchmesser sowie die Auflageebene.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Für eine standardmäßige T-1-LED wird die Kathode typischerweise durch eine abgeflachte Stelle am Kunststofflinsenrand und/oder durch den kürzeren Anschluss identifiziert. Das Datenblatt sollte für die spezifische Kennzeichnung dieses Bauteils konsultiert werden.

6. Löt- und Montagerichtlinien

• Reflow-Löten:Die maximale Löttemperatur beträgt 260°C, und die Zeit bei oder über dieser Temperatur darf 5 Sekunden nicht überschreiten. Ein Standard-Bleifrei-Reflow-Profil ist anwendbar.
• Handlöten:Falls Handlöten notwendig ist, sollte ein temperaturgeregeltes Lötgerät verwendet werden, und die Lötzeit pro Anschluss sollte minimiert werden (typischerweise < 3 Sekunden bei 350°C), um thermische Schäden am Kunststoffgehäuse und dem Halbleiterchip zu verhindern.
• Lagerbedingungen:Der Lagertemperaturbereich liegt zwischen -40°C und +85°C. Bauteile sollten bis zur Verwendung in ihren original Feuchtigkeitssperrbeuteln aufbewahrt werden, um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die während des Reflow-Lötens zu \"Popcorning\" führen kann.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Verpackungsspezifikationen

• Standardverpackung: 200 bis 1000 Stück pro Beutel.
• 5 Beutel werden in 1 Karton gepackt.
• 10 Kartons werden in 1 Versandkarton gepackt.

7.2 Etiketteninformationen

Das Produktetikett enthält wichtige Rückverfolgbarkeits- und Spezifikationsdaten:

• CPN (Kunden-Teilenummer)
• P/N (Hersteller-Teilenummer: IR204C-A)
• QTY (Packungsmenge)
• Ränge/Bin-Codes (z.B. für Strahlungsintensität)
• HUE (Spitzenwellenlängen-Information)
• LOT No. (Rückverfolgbare Losnummer)

8. Anwendungsdesign-Empfehlungen

8.1 Treiberschaltungsdesign

Die LED muss mit einem strombegrenzenden Element betrieben werden, typischerweise einem Widerstand in Reihe mit einer Spannungsquelle. Der Widerstandswert (R_s) wird berechnet als: R_s= (V_versorgung- V_F) / I_F. Verwenden Sie den maximalen V_F-Wert aus dem Datenblatt für den gewählten Betriebsstrom, um sicherzustellen, dass der Strom den gewünschten Wert nicht überschreitet. Zum Beispiel, für eine 5V-Versorgung und einen Ziel-I_Fvon 20mA unter Verwendung des max. V_Fvon 1,5V: R_s= (5 - 1,5) / 0,02 = 175 Ω. Ein Standard-180-Ω-Widerstand wäre geeignet. Für gepulsten Betrieb bei hohen Strömen ist ein Transistorschalter (BJT oder MOSFET) erforderlich.

8.2 Thermische Aspekte

Während das T-1-Gehäuse eine begrenzte Wärmeableitungsfähigkeit hat, ist es bei Dauerströmen bis zu 100mA wichtig, für ausreichende Luftzirkulation zu sorgen oder die Verlustleistung (P_d= V_F* I_F) zu berücksichtigen. Wenn kontinuierlich nahe dem Maximalstrom in einer hohen Umgebungstemperatur betrieben wird, kann die Sperrschichttemperatur ansteigen, was die Ausgangsleistung reduziert und möglicherweise die Lebensdauer beeinträchtigt.

8.3 Optisches Design

Die wasserklare Linse eignet sich für den Einsatz mit externen Linsen oder Reflektoren, um den Strahl für spezifische Anwendungen wie Langstreckenübertragung zu kollimieren oder zu formen. Die 940nm-Wellenlänge wird von vielen gängigen, für Linsen und Fenster verwendeten Kunststoffen gut übertragen.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Die IR204C-A positioniert sich mit folgenden Schlüsseldifferenzierungen:

• Hohe gepulste Leistungsfähigkeit:Die Spitzenstrombelastbarkeit von 1A ermöglicht eine sehr hohe momentane optische Ausgangsleistung, ein Vorteil gegenüber LEDs, die nur für niedrigere Pulsströme ausgelegt sind.
• Standardisiertes Gehäuse mit Leistung:Sie bietet eine höhere Strahlungsintensität im gängigen, einfach zu verwendenden T-1-Gehäuse im Vergleich zu vielen einfachen Infrarot-LEDs.
• Umweltkonformität:Die volle Konformität mit modernen Umweltvorschriften (RoHS, REACH, halogenfrei) ist ein bedeutender Vorteil für Produkte, die auf globale Märkte abzielen.
• Spektrale Abstimmung:Die ausdrückliche Erwähnung der spektralen Abstimmung auf gängige Detektoren vereinfacht den Auswahlprozess für Designer, die komplette optische Systeme aufbauen.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

1. F: Kann ich diese LED direkt von einem 3,3V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?
   A: Nein. Ein Mikrocontroller-Pin kann 20mA nicht kontinuierlich sicher liefern, und es fehlt eine Strombegrenzung. Sie müssen einen Vorwiderstand und einen Transistorschalter verwenden. Die V_Fder LED (1,5V) ist kleiner als 3,3V, daher ist sie spannungsmäßig kompatibel, aber der Strom muss extern gesteuert werden.
2. F: Was ist der Unterschied zwischen Strahlungsintensität (mW/sr) und Strahlungsleistung (mW)?
   A: Strahlungsintensität ist die Winkel-Dichte – Leistung pro Raumwinkeleinheit. Strahlungsleistung (oder Fluss) ist die insgesamt in alle Richtungen abgegebene Leistung. Um die Gesamtleistung zu ermitteln, müsste man die Intensität über das gesamte Abstrahlmuster integrieren. Das Datenblatt gibt die Intensität an, was nützlicher ist, um die Bestrahlungsstärke in einer bestimmten Entfernung und Richtung zu berechnen.
3. F: Warum wird die Spitzenwellenlänge 940nm gegenüber 850nm bevorzugt?
   A: 940nm ist für das menschliche Auge weniger sichtbar (dunkleres Rotleuchten) als 850nm, was sie in Verbrauchergeräten weniger störend macht. Beide werden von Silizium gut erfasst, aber 940nm kann eine etwas geringere Störung durch Umgebungslicht von einigen Quellen wie Sonnenlicht und Glühlampen aufweisen, die starke Emissionen im 850nm-Bereich haben.
4. F: Wie wähle ich das richtige Bin aus?
   A: Wenn Ihre Anwendung eine Mindestsignalstärke am Empfänger erfordert, verwenden Sie den Minimalwert eines Bins, um sicherzustellen, dass alle Teile diesen erfüllen. Zum Beispiel, wenn Sie mindestens 6 mW/sr benötigen, spezifizieren Sie Bin L oder höher. Für kosten-sensitive Anwendungen, bei denen eine gewisse Variation akzeptabel ist, kann ein breiteres Bin oder das Standardangebot ausreichend sein.

11. Praktische Design- und Anwendungsbeispiele

11.1 Infrarot-Fernbedienung für große Reichweiten

Szenario:Entwurf einer Fernbedienung, die zuverlässig auf eine Entfernung von 15 Metern in einem mäßig beleuchteten Wohnzimmer funktionieren muss.
Umsetzung:Verwenden Sie die LED im Pulsbetrieb. Steuern Sie sie mit kurzen (z.B. 50μs), hochstromigen Pulsen (z.B. 500mA) an, unter Verwendung eines MOSFET-Schalters, der von einer Encoder-IC gesteuert wird. Dies liefert eine hohe Spitzen-Strahlungsintensität (siehe 1A-Pulsdaten) für die Langstreckenübertragung, während die Durchschnittsleistung niedrig bleibt. Eine einfache Kunststofflinse kann hinzugefügt werden, um den Strahl weiter zu kollimieren. Die 940nm-Wellenlänge minimiert das sichtbare Leuchten.

11.2 Annäherungs- oder Objekterkennungssensor

Szenario:Erstellung eines berührungslosen Objekterkennungssystems mit einer Reichweite von 10-50 cm.
Umsetzung:Kombinieren Sie die IR204C-A mit einem abgestimmten Fototransistor. Betreiben Sie die LED mit einem moderaten Dauerstrom (z.B. 50mA) unter Verwendung einer Konstantstromquelle für eine stabile Lichtausgabe. Modulieren Sie den LED-Strom mit einer spezifischen Frequenz (z.B. 38kHz) und verwenden Sie einen abgestimmten Empfänger auf der Fototransistor-Seite. Diese Modulationstechnik macht das System hochgradig unempfindlich gegenüber Umgebungslichtschwankungen (wie von Sonnenlicht oder Raumbeleuchtung) und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und die Zuverlässigkeit erheblich.

12. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Licht emittierende Diode (IR-LED) ist eine Halbleiter-p-n-Übergangsdiode. Bei Durchlassvorspannung rekombinieren Elektronen aus dem n-Gebiet mit Löchern aus dem p-Gebiet im aktiven Bereich. Für eine Infrarot-LED wie die IR204C-A ist die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials (typischerweise Gallium-Aluminium-Arsenid - GaAlAs, wie angegeben) so beschaffen, dass die während dieses Rekombinationsprozesses freigesetzte Energie einem Photon im Infrarotspektrum (um 940nm Wellenlänge) entspricht. Das wasserklare Epoxidharzgehäuse fungiert als Linse und formt das emittierte Licht in den charakteristischen Abstrahlwinkel. Die Intensität des emittierten Lichts ist direkt proportional zum Durchlassstrom durch die Diode, bis zu den physikalischen Grenzen des Bauteils.

13. Technologietrends

Die Infrarot-LED-Technologie entwickelt sich weiter, parallel zur sichtbaren LED-Technologie. Wichtige Trends, die Bauteile wie die IR204C-A beeinflussen, sind:

• Erhöhte Effizienz:Laufende Materialforschungen zielen darauf ab, die Wandlereffizienz (optische Leistung aus / elektrische Leistung ein) von IR-LEDs zu verbessern, was eine höhere Ausgangsleistung bei niedrigeren Treiberströmen oder reduzierte Wärmeentwicklung ermöglicht.
• Höhere Leistungsdichte:Die Entwicklung von Chip-Scale-Gehäusen und verbesserten Wärmeleitmaterialien ermöglicht es IR-LEDs, höhere Dauer- und Pulsströme in kleineren Bauformen zu bewältigen.
• Integration:Es gibt einen Trend zur Integration des IR-Emitters mit einer Treiber-IC, einem Fotodetektor oder sogar einem Mikrocontroller in einzelne Module für spezifische Anwendungen (z.B. Annäherungssensoren, Gestenerkennung).
• Wellenlängenpräzision und -stabilität:Fortschritte in der epitaktischen Wachstumstechnik ermöglichen eine engere Kontrolle über Spitzenwellenlänge und spektrale Breite, was für Anwendungen wie Gassensorik oder optische Kommunikation, die Wellenlängenmultiplexing verwenden, entscheidend ist.
• Erweiterter Anwendungsbereich:Das Wachstum von Bereichen wie LiDAR für Automotive/Robotik, Gesichtserkennung und Gesundheitsüberwachung (z.B. Pulsoximetrie) treibt die Nachfrage nach leistungsstarken, zuverlässigen IR-Emittern über verschiedene Wellenlängen und Leistungsklassen an.

Die IR204C-A repräsentiert mit ihren ausgewogenen Spezifikationen und dem Standardgehäuse eine ausgereifte und zuverlässige Lösung in dieser sich entwickelnden technologischen Landschaft.