Infrarot-MIDLED HIR89-01C/1R Datenblatt - 3.0x2.8x1.9mm - 1.55V - 850nm - 100mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die HIR89-01C/1R ist eine miniaturisierte Infrarot (IR)-Emissionsdiode in Oberflächenmontage (SMD), die das MIDLED-Gehäuse nutzt. Ihre Hauptfunktion ist die Emission von Infrarotlicht mit einer Spitzenwellenlänge von 850 Nanometern (nm), die spektral für die Kompatibilität mit Silizium-Fotodioden und Fototransistoren optimiert ist. Dies macht sie zu einer grundlegenden Komponente in verschiedenen Systemen zur Erfassung und Kommunikation mit nicht sichtbarem Licht.

Das Bauteil ist mit einem GaAlAs (Galliumaluminiumarsenid)-Chipmaterial aufgebaut und in einem wasserklaren Linsengehäuse untergebracht. Wichtige Konstruktionsvorteile sind eine niedrige Flussspannung, die zur Energieeffizienz beiträgt, und ein relativ enger Abstrahlwinkel von 30 Grad, der eine gerichtete IR-Emission ermöglicht. Das Produkt entspricht modernen Umwelt- und Sicherheitsstandards, ist bleifrei, erfüllt die EU REACH-Verordnung und wird als halogenfrei eingestuft.

1.1 Kernmerkmale und Konformität

• Elektrische Effizienz:Niedrige Flussspannungseigenschaften.
• Optische Leistung:30° typischer Abstrahlwinkel für gerichtete Emission.
• Umweltkonformität:Bleifreie (Pb-freie) Konstruktion.
• RoHS-Konformität:Das Produkt entspricht der Richtlinie zur Beschränkung gefährlicher Stoffe.
• REACH-Konformität:Erfüllt die Anforderungen der EU-Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe.
• Halogenfrei:Enthält sehr niedrige Gehalte an Brom (Br) und Chlor (Cl), spezifisch Br <900 ppm, Cl <900 ppm und Br+Cl < 1500 ppm.

2. Detaillierte technische Spezifikationen

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Dauerstrom (I_F):65 mA
• Spitzenstrom (I_FP):200 mA (Pulsbreite ≤500μs, Tastverhältnis ≤5%)
• Sperrspannung (V_R):5 V
• Betriebstemperatur (T_opr):-40°C bis +100°C
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +100°C
• Löttemperatur (T_sol):260°C (für ≤5 Sekunden)
• Verlustleistung (P_d):100 mW (bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur)

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei einer Standard-Umgebungstemperatur von 25°C gemessen und definieren die Leistung des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen.

• Strahlstärke (I_e):40 bis 125 mW/sr (gemessen bei I_F=70mA, 20ms Puls). Das Bauteil wird in Klassen eingeteilt (C: 40-80 mW/sr, D: 63-125 mW/sr).
• Spitzenwellenlänge (λ_p):850 nm (typisch, bei I_F=100mA).
• Spektrale Bandbreite (Δλ):30 nm (typisch, bei I_F=100mA).
• Flussspannung (V_F):
  • 1,40V bis 1,70V (bei I_F=20mA)
  • 1,55V bis 1,90V (bei I_F=70mA, 20ms Puls)
• Sperrstrom (I_R):max. 10 μA (bei V_R=5V).
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):30° (typisch, bei I_F=20mA).

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für Schaltungsentwurf und thermisches Management wesentlich sind.

3.1 Dauerstrom vs. Umgebungstemperatur

Dieses Diagramm zeigt die Reduzierung des maximal zulässigen Dauerstroms mit steigender Umgebungstemperatur. Die Strombelastbarkeit nimmt linear von 65mA bei 25°C auf niedrigere Werte ab, wenn die Temperatur die maximale Betriebsgrenze von 100°C erreicht. Entwickler müssen diese Kurve nutzen, um sicherzustellen, dass die LED in Hochtemperaturumgebungen nicht überlastet wird.

3.2 Dauerstrom vs. Flussspannung (I-V-Kennlinie)

Die I-V-Kennlinie zeigt die für Dioden typische exponentielle Beziehung. Sie ist entscheidend für die Auswahl des passenden Vorwiderstands. Eine kleine Erhöhung der Spannung über die typische V_Fhinaus kann zu einem großen, potenziell zerstörerischen Stromanstieg führen, was die Notwendigkeit eines Reihenwiderstands unterstreicht.

3.3 Strahlstärke vs. Dauerstrom

Diese Kurve zeigt, dass die optische Ausgangsleistung (Strahlstärke) mit dem Dauerstrom zunimmt, die Beziehung jedoch nicht perfekt linear ist, insbesondere bei höheren Strömen. Sie hilft Entwicklern, einen Arbeitspunkt zu wählen, der Helligkeit mit Effizienz und Bauteillebensdauer in Einklang bringt.

3.4 Spektrale Verteilung

Das Spektraldiagramm bestätigt, dass die Emission bei 850nm zentriert ist, mit einer typischen Halbwertsbreite (FWHM) von 30nm. Diese schmale Bandbreite gewährleistet eine gute Anpassung an die maximale Empfindlichkeit siliziumbasierter Detektoren.

3.5 Relative Strahlstärke vs. Winkelabweichung

Dieses Polardiagramm definiert visuell den 30° Abstrahlwinkel und zeigt, wie die Intensität bei ±15° von der Mittelachse auf die Hälfte des Spitzenwerts abfällt. Diese Information ist für den Entwurf optischer Systeme, zur Bestimmung der Strahlausbreitung und Ausrichtungsanforderungen, von entscheidender Bedeutung.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die HIR89-01C/1R verwendet ein kompaktes MIDLED-Oberflächenmontagegehäuse. Wichtige Abmessungen (in Millimetern) sind:

• Gesamtlänge: 3,0 mm
• Gesamtbreite: 2,8 mm
• Gesamthöhe: 1,9 mm
• Anschlussabstand: 2,0 mm

Toleranzen für nicht spezifizierte Abmessungen betragen ±0,1mm. Eine detaillierte Maßzeichnung für das Leiterplatten-Layout ist im Datenblatt enthalten.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Kathode ist auf dem Gehäuse gekennzeichnet. Das Datenblatt enthält eine Abbildung, die die Kathodenmarkierung zeigt, was für die korrekte Ausrichtung während der Montage zur Vermeidung einer Sperrspannungsverbindung unerlässlich ist.

4.3 Trägerbandabmessungen

Das Bauteil wird auf geprägtem Trägerband für die automatisierte Bestückung geliefert. Die Bandabmessungen sind für die Kompatibilität mit Standard-SMT-Anlagen spezifiziert. Jede Rolle enthält 2000 Stück.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Reflow-Lötprofil

Ein empfohlenes bleifreies Reflow-Löttemperaturprofil wird bereitgestellt. Wichtige Parameter sind:

• Aufheiz- und Haltezone.
• Spitzentemperatur nicht über 260°C.
• Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (typisch 217°C).
• Abkühlrate.

Reflow-Löten sollte nicht mehr als zweimal durchgeführt werden.

5.2 Handlöten

Falls Handlöten notwendig ist, ist äußerste Vorsicht geboten:

• Verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Spitzentemperatur < 350°C.
• Begrenzen Sie die Lötzeit pro Anschluss auf ≤ 3 Sekunden.
• Verwenden Sie einen Kolben mit einer Leistung ≤ 25W.
• Halten Sie zwischen dem Löten jedes Anschlusses mindestens 2 Sekunden Abstand, um thermischen Schock zu vermeiden.

5.3 Nacharbeit und Reparatur

Reparaturen nach dem Löten werden dringend abgeraten. Falls unvermeidbar, muss ein Doppelspitzen-Lötkolben verwendet werden, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und die Belastung des LED-Gehäuses zu minimieren. Die Auswirkung auf die Bauteileigenschaften muss nach jeder Nacharbeit überprüft werden.

6. Lager- und Handhabungshinweise

6.1 Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Die LED ist feuchtigkeitsempfindlich. Vorsichtsmaßnahmen umfassen:

• Öffnen Sie die feuchtigkeitsdichte Barrieretüte erst bei Gebrauchsbereitschaft.
• Lagern Sie ungeöffnete Beutel bei ≤ 30°C und ≤ 90% relativer Luftfeuchtigkeit (RH).
• Verwenden Sie innerhalb eines Jahres nach Versand.
• Nach dem Öffnen bei ≤ 30°C und ≤ 70% RH lagern.
• Schließen Sie das Löten innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) nach dem Öffnen des Beutels ab.
• Wird die Lagerzeit überschritten oder zeigt der Trockenmittelbeutel Feuchtigkeit an, müssen die Bauteile vor der Verwendung bei 60 ±5°C für 24 Stunden getrocknet (gebakt) werden.

6.2 Stromschutz

Kritisch:Ein externer strombegrenzender Widerstand ist zwingend erforderlich. Die exponentielle I-V-Charakteristik der LED bedeutet, dass eine kleine Spannungserhöhung einen großen Stromanstieg verursachen kann, der zum sofortigen Durchbrennen führt. Der Widerstandswert muss basierend auf der Versorgungsspannung und dem gewünschten Dauerstrom unter Berücksichtigung der V_F range.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Verpackungsverfahren

Die LEDs sind in einer aluminiumbeschichteten, feuchtigkeitsdichten Beutel mit Trockenmittel verpackt. Der Beutel ist mit wichtigen Informationen etikettiert.

7.2 Etikettenspezifikation

Das Etikett enthält Felder für:

• CPN (Kundenteilenummer)
• P/N (Herstellertypnummer: HIR89-01C/1R)
• QTY (Menge)
• CAT (Klassen, z.B. C oder D für Strahlstärke)
• HUE (Spitzenwellenlänge)
• LOT No. (Rückverfolgbarkeitslosnummer)
• Produktionsursprung
• Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL)

7.3 Bauteileauswahlhilfe

Die HIR89-01C/1R ist die einzige Typnummer in dieser Serie, gekennzeichnet durch einen GaAlAs-Chip und eine wasserklare Linse.

8. Anwendungsvorschläge und Entwurfsüberlegungen

8.1 Typische Anwendungen

• Infrarot-Erfassungssysteme:Näherungssensoren, Objekterkennung, berührungslose Schalter.
• Optische Encoder:Positions- und Geschwindigkeitserfassung in Motoren.
• Datenübertragung:Kurzstrecken-IR-Datenverbindungen (z.B. Fernbedienungen, IrDA).
• Maschinelles Sehen:Ausleuchtung für Kameras mit IR-Filtern.
• Sicherheitssysteme:Aktive Ausleuchtung für Nachtsichtkameras.

8.2 Schaltungsentwurfshinweise

1. Strombegrenzung:Immer einen Vorwiderstand verwenden. Berechnung mit R = (V_versorgung- V_F) / I_F. Den maximalen V_F-Wert aus dem Datenblatt verwenden, um unter allen Bedingungen einen sicheren Strom zu gewährleisten.
2. Ansteuerschaltung:Für gepulsten Betrieb (z.B. Erfassung, Kommunikation) sicherstellen, dass Pulsbreite und Tastverhältnis innerhalb der I_FP-Grenzwerte bleiben, um Überhitzung zu vermeiden.
3. Thermisches Management:Die Reduzierungskurve berücksichtigen. Bei hohen Umgebungstemperaturen oder bei Montage auf einer Platine mit anderen wärmeerzeugenden Bauteilen den Betriebsstrom entsprechend reduzieren.
4. Leiterplatten-Layout:Dem empfohlenen Bestückungsbild aus der Maßzeichnung folgen. Ausreichenden Abstand zu anderen Bauteilen einhalten, um thermische oder optische Störungen zu vermeiden.

9. Technischer Vergleich und Positionierung

Die HIR89-01C/1R positioniert sich als zuverlässiger Allzweck-Infrarot-Emitter in einem miniaturisierten SMD-Gehäuse. Ihre 850nm Wellenlänge ist der Industriestandard für Kompatibilität mit Siliziumdetektoren. Im Vergleich zu älteren bedrahteten IR-LEDs ermöglicht ihr SMD-Format eine kleinere, automatisierte Leiterplattenbestückung. Der 30° Abstrahlwinkel bietet für viele Anwendungen einen guten Kompromiss zwischen Strahlbündelung und Ausrichtungstoleranz. Die detaillierte Klasseneinteilung (C- und D-Klasse) ermöglicht es Entwicklern, Bauteile basierend auf der benötigten Ausgangsleistung auszuwählen, was für eine konsistente Erfassungsreichweite oder Signalstärke entscheidend sein kann.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

10.1 Warum ist ein strombegrenzender Widerstand absolut notwendig?

Die Diodencharakteristik der LED hat einen sehr niedrigen dynamischen Widerstand, sobald die Flussspannung überschritten ist. Ohne Widerstand wird der Strom nur durch den Innenwiderstand der Stromversorgung und die Leitungen begrenzt, was typischerweise sehr niedrig ist und zu katastrophalem Überstrom führt. Der Widerstand bietet eine lineare, vorhersehbare und sichere Methode, den Betriebsstrom einzustellen.

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

No.Mikrocontroller-GPIO-Pins haben Stromquellen-/Senken-Grenzwerte (oft 20-40mA), die auf oder unter der Dauerbelastbarkeit dieser LED liegen. Noch wichtiger ist, dass sie keine notwendige Strombegrenzung bieten können. Sie müssen den GPIO verwenden, um einen Transistor oder MOSFET anzusteuern, der dann die LED über einen geeigneten strombegrenzenden Widerstand an der Hauptstromversorgungsschiene betreibt.

10.3 Was ist der Unterschied zwischen der C- und D-Klasse?

Die C- und D-Klassen spezifizieren unterschiedliche Bereiche der Strahlstärke (I_e), gemessen bei 70mA. Die C-Klasse hat einen niedrigeren Ausgangsbereich (40-80 mW/sr), während die D-Klasse einen höheren Ausgangsbereich (63-125 mW/sr) hat. Die Auswahl eines D-Klasse-Bauteils kann mehr optische Leistung für größere Reichweite oder robustere Signalerfassung bieten, kann aber mit etwas höheren Kosten verbunden sein. Die bestellte spezifische Klasse wird auf dem Verpackungsetikett angegeben.

10.4 Wie kritisch sind die Feuchtigkeitsempfindlichkeit und Trocknungsanweisungen?

Sehr kritisch. In das Kunststoffgehäuse aufgenommene Feuchtigkeit kann während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses verdampfen und innere Delamination, Risse oder "Popcorning" verursachen, was den Chip oder die Bonddrähte beschädigen kann. Die Einhaltung der Lagerzeiten und die Durchführung des Trocknungsverfahrens bei Bedarf sind für eine hohe Bestückungsausbeute und langfristige Zuverlässigkeit unerlässlich.

11. Entwurfs- und Anwendungsfallstudie

11.1 Entwurf eines einfachen Näherungssensors

Ziel:Erkennung eines Objekts innerhalb von 10cm.
Entwurf:Kombinieren Sie die HIR89-01C/1R mit einem passenden Silizium-Fototransistor. Die LED wird von einer 5V-Versorgung über einen strombegrenzenden Widerstand angesteuert. Unter Verwendung der typischen V_F von 1,55V bei 70mA beträgt der Widerstandswert R = (5V - 1,55V) / 0,07A ≈ 49,3Ω (verwenden Sie einen Standard-51Ω-Widerstand). Die LED wird mit einer spezifischen Frequenz (z.B. 38kHz) über einen Mikrocontroller gepulst. Der Ausgang des Fototransistors ist mit einem demodulierenden Empfänger-IC verbunden, der auf dieselbe Frequenz abgestimmt ist. Dieser Entwurf unterdrückt Umgebungslicht, und die Anwesenheit eines Objekts wird durch das reflektierte modulierte IR-Licht erkannt. Der 30° Strahl hilft, die Erfassungszone zu definieren.

12. Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Licht emittierende Diode (IR-LED) arbeitet nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz in einem Halbleiter-p-n-Übergang. Wird eine Flussspannung angelegt, injizieren Elektronen aus dem n-dotierten Bereich und Löcher aus dem p-dotierten Bereich über den Übergang. Diese Ladungsträger rekombinieren im aktiven Bereich (in diesem Fall der GaAlAs-Schicht). Die bei der Rekombination freigesetzte Energie wird als Photonen (Licht) emittiert. Die spezifische Bandlückenenergie des GaAlAs-Halbleitermaterials bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen, die bei diesem Bauteil im nahen Infrarotspektrum bei 850nm zentriert ist. Die wasserklare Epoxidlinse formt das emittierte Licht in den spezifizierten Abstrahlwinkel.

13. Technologietrends

Die Infrarot-LED-Technologie entwickelt sich weiter. Trends umfassen:

• Höhere Effizienz:Entwicklung neuer Halbleitermaterialien und -strukturen (z.B. Multi-Quantentöpfe), um mehr optische Ausgangsleistung pro elektrischer Eingangsleistung (höhere Wandsteckereffizienz) zu erreichen.
• Erhöhte Leistungsdichte:Bauteile, die höhere Treiberströme in kleineren Gehäusen für Anwendungen wie LiDAR und Fernerfassung bewältigen können.
• Mehrwellenlängen und VCSELs:Entstehung von LEDs und Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasern (VCSELs) bei anderen IR-Wellenlängen (z.B. 940nm für besseren Augenschutz, 1350nm/1550nm für LiDAR mit größerer Reichweite), um spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.
• Integrierte Lösungen:Kombination des IR-Emitters, der Ansteuerschaltung und manchmal des Detektors in einem einzigen Modul, um den Entwurf zu vereinfachen und die Leistung zu verbessern.

Die HIR89-01C/1R stellt eine ausgereifte, kosteneffektive und zuverlässige Lösung für eine breite Palette von Mainstream-IR-Anwendungen dar.