Mini-Top Infrarot-LED HIR67-21C/L11/TR8 Datenblatt - 850nm Spitzenwellenlänge - 120° Abstrahlwinkel - 65mA Durchlassstrom - Technisches Dokument auf Deutsch

1. Produktübersicht

Die HIR67-21C/L11/TR8 ist eine leistungsstarke Infrarot (IR)-Emissionsdiode für Oberflächenmontage (SMD). Sie ist in einem miniaturisierten, flachkuppligen SMD-Gehäuse aus klarem Kunststoff untergebracht, das gleichzeitig als Linse fungiert. Die Diode ist für eine Emissionsspitzenwellenlänge von 850nm ausgelegt, wodurch sie spektral auf gängige Silizium-Fotodioden und Fototransistoren abgestimmt ist. Diese Abstimmung ist entscheidend für die Maximierung der Detektionseffizienz in optoelektronischen Systemen.

Ihre Kernvorteile umfassen eine niedrige Durchlassspannung, die zur Energieeffizienz beiträgt, sowie Kompatibilität mit Standard-Infrarot- und Dampfphasen-Reflow-Lötverfahren. Die Komponente erfüllt zudem wichtige Umwelt- und Sicherheitsstandards: Sie ist bleifrei, RoHS-konform, EU-REACH-konform und halogenfrei, wobei spezifische Grenzwerte für Brom- und Chlorgehalt eingehalten werden.

Der Zielmarkt für diese IR-LED erstreckt sich über verschiedene Konsumgüter- und Industrie-Elektroniksektoren, in denen zuverlässige, nicht sichtbare Lichtsensorik erforderlich ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Dauer-Durchlassstrom (IF):65 mA. Dies ist der maximale Gleichstrom, der kontinuierlich durch die LED fließen darf.
• Sperrspannung (VR):5 V. Das Überschreiten dieser Sperrspannung kann zum Sperrschichtdurchbruch führen.
• Betriebs- & Lagertemperatur (Topr, Tstg):-40°C bis +100°C. Dieser weite Bereich gewährleistet Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.
• Löttemperatur (Tsol):260°C für maximal 5 Sekunden, kompatibel mit bleifreien Reflow-Profilen.
• Verlustleistung (Pd):130 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur. Bei höheren Temperaturen ist eine Leistungsdegradation erforderlich.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen (Ta=25°C)

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen.

• Strahlungsstärke (Ie):Typisch 2,0 mW/sr bei einem Durchlassstrom (IF) von 20mA. Im gepulsten Betrieb (100μs Pulsbreite, ≤1% Tastverhältnis) bei 100mA kann sie 10 mW/sr erreichen.
• Spitzenwellenlänge (λp):850 nm (typisch). Dies ist die Wellenlänge, bei der die abgegebene optische Leistung maximal ist.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):45 nm (typisch). Dies gibt den Bereich der emittierten Wellenlängen an, der um das Maximum zentriert ist.
• Durchlassspannung (VF):Typisch 1,45V bei 20mA, maximal 1,65V. Bei 100mA (gepulst) liegt sie zwischen 1,80V und 2,40V.
• Sperrstrom (IR):Maximal 10 μA bei einer Sperrspannung von 5V.
• Abstrahlwinkel (2θ1/2):120 Grad (typisch). Dies ist der volle Winkel, bei dem die Strahlungsstärke auf die Hälfte ihres Maximalwerts abfällt, was auf ein sehr breites Strahlungsprofil hinweist.

3. Analyse der Kennlinien

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

3.1 Verlustleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Dieses Diagramm zeigt, wie die maximal zulässige Verlustleistung mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Entwickler müssen diese Kurve nutzen, um sicherzustellen, dass die LED innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs arbeitet, insbesondere in Hochtemperaturanwendungen. Die Degradation ist linear, beginnend bei 130mW bei 25°C und erreicht Null bei der maximalen Sperrschichttemperatur.

3.2 Spektrale Verteilung

Die spektrale Verteilungskurve stellt die relative Intensität über der Wellenlänge dar. Sie bestätigt die Spitzenemission bei 850nm und die ungefähre spektrale Bandbreite von 45nm. Diese Information ist entscheidend für die Auswahl passender Fotodetektoren und optischer Filter.

3.3 Durchlassstrom in Abhängigkeit von der Durchlassspannung (IV-Kennlinie)

Diese nichtlineare Beziehung ist entscheidend für den Entwurf der strombegrenzenden Schaltung. Die Kurve zeigt, dass ein kleiner Spannungsanstieg über den typischen VF-Wert hinaus zu einem großen, potenziell schädlichen Stromanstieg führen kann, was die Notwendigkeit einer ordnungsgemäßen Stromregelung (z.B. durch einen Vorwiderstand oder Konstantstromtreiber) unterstreicht.

3.4 Relative Strahlungsstärke in Abhängigkeit vom Winkel

Dieses Polardiagramm stellt den 120-Grad-Abstrahlwinkel visuell dar. Die Intensität ist bei 0 Grad (senkrecht zur LED-Oberfläche) am höchsten und nimmt symmetrisch auf 50% ihres Maximalwerts bei ±60 Grad von der Mitte ab.

4. Mechanische und Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die LED wird in einem kompakten SMD-Gehäuse geliefert. Wichtige Abmessungen sind Gehäusegröße, Anschlussabstand und Gesamthöhe. Alle Maße sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben. Das flachkupplige Linsendesign trägt zum weiten Abstrahlwinkel bei.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Kathode ist typischerweise durch eine Markierung auf dem Gehäuse gekennzeichnet, wie z.B. eine Kerbe, einen Punkt oder einen gekürzten Anschluss. Während der Bestückung muss die korrekte Polarität beachtet werden, um Schäden durch Sperrspannung zu vermeiden.

4.3 Spezifikationen für Trägerband und Rolle

Die Bauteile werden auf 8mm breitem Trägerband auf Rollen mit 7 Zoll Durchmesser geliefert, was dem Standard für automatisierte Bestückungsanlagen entspricht. Jede Rolle enthält 2000 Stück. Detaillierte Abmessungen des Trägerbands (Taschengröße, Teilung usw.) werden angegeben, um die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsgeräten sicherzustellen.

5. Richtlinien für Lötung und Bestückung

5.1 Lagerung und Feuchtigkeitsempfindlichkeit

Die LEDs sind feuchtigkeitsempfindlich (MSL). Vorsichtsmaßnahmen umfassen:

• Die feuchtigkeitsdichte Verpackung erst unmittelbar vor Gebrauch öffnen.
• Ungeöffnete Beutel bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit lagern. Innerhalb eines Jahres verwenden.
• Nach dem Öffnen die Bauteile innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) verwenden, wenn sie bei ≤30°C und ≤70% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden.
• Wenn die Lagerzeit überschritten wird oder der Trockenmittelindikator Feuchtigkeit anzeigt, die Bauteile vor Gebrauch 24 Stunden bei 60±5°C backen.

5.2 Reflow-Lötung

Ein empfohlenes bleifreies Reflow-Temperaturprofil wird bereitgestellt. Wichtige Punkte:

• Die Spitzentemperatur sollte 260°C nicht überschreiten.
• Die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (z.B. 217°C) sollte kontrolliert werden.
• Der Reflow-Vorgang sollte nicht mehr als zweimal durchgeführt werden.
• Während des Aufheizens und Abkühlens mechanische Belastung des Gehäuses vermeiden.

5.3 Handlötung und Reparatur

Falls Handlötung notwendig ist:

• Einen Lötkolben mit einer Lötspitzentemperatur von<350°C verwenden.
• Die Kontaktzeit auf ≤3 Sekunden pro Anschluss begrenzen.
• Einen Lötkolben mit einer Leistung ≤25W verwenden.
• Zwischen dem Löten jedes Anschlusses eine Abkühlpause von ≥2 Sekunden einhalten.
• Das Reparieren bereits gelöteter LEDs vermeiden. Falls unvermeidbar, einen Doppelspitzen-Lötkolben verwenden, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und thermische Belastung zu minimieren. Die Funktionalität des Bauteils nach jedem Reparaturversuch überprüfen.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsszenarien

Das Datenblatt listet mehrere Anwendungen auf, darunter:

• Diskettenlaufwerke & Videorekorder:Für Positionserfassung und Bandendenerkennung.
• Optoelektronische Schalter:Verwendung in der Objekterkennung, Zählung und Positionserfassung durch Kombination der IR-LED mit einem Fototransistor oder einer Fotodiode.
• Kameras:Häufig in Autofokussystemen oder für Infrarotbeleuchtung bei Nachtsicht verwendet.
• Rauchmelder:Eingesetzt in Streulichtmeldern, bei denen Rauchpartikel einen IR-Strahl zwischen einer LED und einem Sensor unterbrechen.

6.2 Design-Überlegungen

Strombegrenzung:Dies ist der kritischste Designaspekt. Ein externer Vorwiderstand ist zwingend erforderlich, um den Betriebsstrom einzustellen und die LED vor Überstrom durch geringe Spannungsschwankungen zu schützen. Der Widerstandswert (R) kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden: R = (Versorgungsspannung - VF) / IF, wobei VF die Durchlassspannung aus dem Datenblatt beim gewünschten Strom IF ist.
Thermisches Management:Für Dauerbetrieb nahe dem maximalen Nennstrom oder bei hohen Umgebungstemperaturen ist das Leiterplattenlayout zur Wärmeableitung zu berücksichtigen. Sicherstellen, dass die Verlustleistung (Pd = VF * IF) den aus der "Verlustleistung vs. Temperatur"-Kurve abgeleiteten maximalen Wert nicht überschreitet.
Optisches Design:Der 120° breite Strahl eignet sich für Anwendungen, die eine große Abdeckung erfordern. Für fokussiertere Strahlen können externe Linsen oder Reflektoren erforderlich sein. Sicherstellen, dass das Gehäusematerial für 850nm IR-Licht durchlässig ist.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Obwohl das Datenblatt keine spezifischen Konkurrenzprodukte vergleicht, bietet die HIR67-21C/L11/TR8 eine Kombination von Merkmalen, die sie gut am Markt positioniert:

• Breiter Abstrahlwinkel (120°):Bietet eine breitere Abdeckung als viele Standard-IR-LEDs, die oft Abstrahlwinkel von etwa 20-60 Grad haben.
• Niedrige Durchlassspannung:Trägt im Vergleich zu LEDs mit höherer VF zu geringerem Stromverbrauch und reduzierter Wärmeentwicklung bei.
• Umweltkonformität:Ihr bleifreier, RoHS-, REACH- und halogenfreier Status erfüllt strenge globale regulatorische Anforderungen, was ein wichtiges Differenzierungsmerkmal für die moderne Elektronikfertigung ist.
• Hohe gepulste Ausgangsleistung:Die Fähigkeit, im gepulsten Betrieb (100mA) 10 mW/sr zu liefern, macht sie für Anwendungen geeignet, die eine hohe momentane Signalstärke erfordern, wie bestimmte Sensor- oder Kommunikationsprotokolle.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Warum ist ein strombegrenzender Widerstand absolut notwendig?
A: Die IV-Kennlinie zeigt den exponentiellen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung der LED. Ein kleiner Anstieg der Versorgungsspannung über den Nenn-VF-Wert hinaus verursacht einen sehr großen, potenziell zerstörerischen Stromanstieg. Ein Vorwiderstand sorgt für einen linearen Spannungsabfall, stabilisiert den Strom und schützt die LED.

F: Kann ich diese LED direkt von einem 3,3V- oder 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?
A: Nein. Mikrocontroller-Pins haben eine begrenzte Stromquellen-/Senkenfähigkeit (oft 20-40mA) und sind nicht für den direkten Antrieb von Leistungs-LEDs ausgelegt. Außerdem benötigen Sie immer noch einen Vorwiderstand. Verwenden Sie den Mikrocontroller-Pin, um einen Transistor oder MOSFET zu steuern, der den für die LED erforderlichen höheren Strom schaltet.

F: Was bedeutet "spektral auf Silizium-Fotodiode abgestimmt"?
A: Silizium-Fotodetektoren haben ihre maximale Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich, etwa bei 800-900nm. Die Spitzenwellenlänge von 850nm dieser LED liegt in dieser hochsensiblen Zone, was eine maximale Umwandlung des emittierten Lichts in elektrischen Strom durch den Detektor gewährleistet und so ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis des Systems ermöglicht.

F: Wie interpretiere ich die Bedingung "Pulsbreite ≦100μs , Tastverhältnis≦1%" für den 100mA-Test?
A: Dies bedeutet, dass die höheren Werte für Strahlungsstärke und Durchlassspannung bei 100mA nur gültig sind, wenn die LED gepulst und nicht mit Gleichstrom betrieben wird. Der Puls muss 100 Mikrosekunden oder kürzer sein, und die Zeit zwischen den Pulsen muss lang genug sein, damit das durchschnittliche Tastverhältnis 1% oder weniger beträgt (z.B. ein 100μs-Puls alle 10ms). Dies verhindert übermäßige Erwärmung.

9. Praktischer Design- und Anwendungsfall

Fall: Entwurf eines einfachen Objekterkennungssensors.
Ziel:Erkennen, wenn ein Objekt zwischen einer IR-LED und einem Fototransistor hindurchgeht.
Komponenten:HIR67-21C/L11/TR8 IR-LED, passender Silizium-Fototransistor, Widerstände, Komparator/Operationsverstärker oder Mikrocontroller.
Schritte:

1. LED-Ansteuerschaltung:Die LED mit einer 5V-Versorgung betreiben. Einen Betriebsstrom wählen, z.B. 20mA für gute Intensität und Lebensdauer. Den Vorwiderstand berechnen: R = (5V - 1,45V) / 0,020A = 177,5Ω. Einen Standard-180Ω-Widerstand verwenden. Prüfen, ob die Verlustleistung in Widerstand und LED akzeptabel ist.
2. Detektorschaltung:Den Fototransistor gegenüber der LED und ausgerichtet platzieren. Wenn der IR-Strahl ununterbrochen ist, leitet der Fototransistor und erzeugt einen Spannungsabfall über einem Lastwiderstand. Wenn ein Objekt den Strahl blockiert, hört der Fototransistor auf zu leiten und die Spannung ändert sich.
3. Signalaufbereitung:Diese Spannungsänderung kann in einen Komparator eingespeist werden, um ein sauberes digitales Signal zu erzeugen, oder direkt in einen Analog-Digital-Wandler (ADC)-Pin eines Mikrocontrollers für anspruchsvollere Verarbeitung.
4. Überlegungen:Den Aufbau vor Umgebungslicht (das IR enthält) abschirmen, um Fehlauslösungen zu verhindern. Der 120°-Strahl der LED hilft bei der Ausrichtungstoleranz, kann aber eine Röhre oder Blende erfordern, um den Erfassungsweg genauer zu definieren.

10. Funktionsprinzip

Infrarot-Licht emittierende Dioden (IR-LEDs) arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip wie sichtbare LEDs: Elektrolumineszenz in einem Halbleitermaterial. Wird eine Durchlassspannung an den p-n-Übergang angelegt, rekombinieren Elektronen aus dem n-Gebiet mit Löchern aus dem p-Gebiet. Dieses Rekombinationsereignis setzt Energie frei. Bei einer IR-LED wird das Halbleitermaterial (in diesem Fall Gallium-Aluminium-Arsenid - GaAlAs) so gewählt, dass die Energiebandlücke der Emission von Photonen im Infrarotspektrum entspricht (Wellenlängen länger als sichtbares rotes Licht, typischerweise 700nm bis 1mm). Die 850nm-Wellenlänge liegt im "nahen Infrarot" (NIR)-Bereich, der für das menschliche Auge unsichtbar, aber von siliziumbasierten Sensoren leicht detektierbar ist. Das flachkupplige klare Epoxidharzgehäuse dient sowohl als Umweltschutz als auch als Linse, um das Strahlungsprofil des emittierten Lichts zu formen.

11. Entwicklungstrends

Das Gebiet der Infrarot-Optoelektronik entwickelt sich ständig weiter. Wichtige Trends, die für Komponenten wie die HIR67-21C/L11/TR8 relevant sind, umfassen:

• Erhöhte Effizienz:Laufende Materialforschungen zielen darauf ab, Halbleiterstrukturen mit höherer interner Quanteneffizienz (mehr Photonen pro Elektron) und verbesserter Lichteinkopplung aus dem Gehäuse zu entwickeln, was zu höherer Strahlungsstärke bei gleicher Eingangsleistung führt.
• Miniaturisierung:Das Streben nach kleinerer, dichterer Elektronik treibt die Entwicklung noch kompakterer SMD-Gehäuse voran, während die optische Leistung und thermischen Eigenschaften erhalten oder verbessert werden.
• Erweiterte Wellenlängenoptionen:Während 850nm und 940nm verbreitet sind, gibt es Entwicklungen bei anderen NIR-Wellenlängen für spezifische Anwendungen, wie z.B. 810nm für medizinische Geräte oder spezifische Bänder für Gassensorik.
• Integration:Trends umfassen die Integration der IR-LED mit einer Treiber-IC oder sogar mit dem Fotodetektor in einem einzigen Gehäuse, um komplette, kalibrierte Sensormodule zu schaffen, was das Systemdesign für Endanwender vereinfacht.
• Strengere Konformität:Umwelt- und Materialvorschriften (RoHS, REACH, halogenfrei) werden weiterhin strenger werden, was die Entwicklung neuer Verpackungsmaterialien und Fertigungsprozesse vorantreibt, die diese Anforderungen erfüllen, ohne Leistung oder Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.