IR25-21C/TR8 Reverse-Package Infrarot-LED Datenblatt - SMD-Gehäuse - GaAlAs-Chip - Wasserklares Linsengehäuse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die IR25-21C/TR8 ist eine miniaturisierte, oberflächenmontierbare (SMD) Infrarot-Emissionsdiode. Sie verfügt über ein Reverse-Package-Design, das in wasserklarem Kunststoff mit einer sphärischen Toplinse vergossen ist. Die Hauptfunktion dieses Bauteils ist die Emission von Infrarotlicht, wobei dessen spektrale Ausgangsleistung speziell auf Silizium-Fotodioden und -Fototransistoren abgestimmt ist. Dies macht sie zu einer idealen Quelle für verschiedene Sensoranwendungen.

Zu den wesentlichen Vorteilen dieser LED gehören ihr kompaktes, beidseitig kontaktiertes Gehäuse, das die Leiterplattenmontage und Integration in platzbeschränkte Designs erleichtert. Sie arbeitet mit einer niedrigen Flussspannung, was zur Energieeffizienz beiträgt. Das Bauteil entspricht den wichtigsten Umwelt- und Sicherheitsstandards, einschließlich RoHS, EU REACH, und ist halogenfrei, was seine Eignung für die moderne Elektronikfertigung sicherstellt.

1.1 Bauteileauswahlhilfe

Die IR25-21C/TR8 gehört zur Kategorie der Infrarot (IR)-LEDs. Sie nutzt einen Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs)-Chip, der für eine effiziente Infrarot-Emission bekannt ist. Die Linse ist wasserklar, was eine maximale Transmission des Infrarotlichts ohne Farbfilterung ermöglicht.

2. Technische Spezifikationen und objektive Interpretation

2.1 Absolute Maximalwerte

Die Betriebsgrenzen des Bauteils sind unter Standard-Umgebungstemperatur (Ta=25°C) definiert. Das Überschreiten dieser Werte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Flussstrom (I_F):100 mA - Der maximal zulässige Dauerstrom durch die LED.
• Sperrspannung (V_R):5 V - Die maximal in Sperrrichtung anlegbare Spannung.
• Verlustleistung (P_d):120 mW - Die maximale Leistung, die das Gehäuse als Wärme abführen kann.
• Betriebstemperatur (T_opr):-40°C bis +85°C - Der Umgebungstemperaturbereich für einen zuverlässigen Betrieb.
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +85°C - Der sichere Temperaturbereich für die Lagerung des unbestückten Bauteils.
• Löttemperatur (T_s):260°C für max. 5 Sekunden - Die Spitzentemperatur und -dauer, die die LED während des Reflow-Lötens aushalten kann.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei Ta=25°C gemessen und definieren die typische Leistung der LED.

• Strahlstärke (I_e):40 mW/sr (Min.) @ I_F=20 mA - Dies ist die optische Ausgangsleistung pro Raumwinkeleinheit, ein Schlüsselmaß für die Helligkeit von gerichteten Quellen wie LEDs.
• Spitzenwellenlänge (λ_p):940 nm (typ.) - Die Wellenlänge, bei der die LED die meiste optische Leistung emittiert. Dies stimmt gut mit der Spitzenempfindlichkeit gängiger Silizium-Fotodetektoren überein.
• Spektrale Bandbreite (Δλ):50 nm (typ.) - Der Bereich der emittierten Wellenlängen, gemessen bei halber Spitzenintensität (Halbwertsbreite).
• Flussspannung (V_F):1,5 V (typ.) @ I_F=20 mA - Der Spannungsabfall über der LED beim Betrieb mit dem spezifizierten Strom. Der niedrige Wert ist vorteilhaft für Niederspannungsschaltungen.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):±20° (typ.) - Der Winkelbereich, in dem die Strahlstärke mindestens die Hälfte der Spitzenintensität beträgt. Dies definiert die Strahlbreite.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen.

3.1 Flussstrom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur

Abbildung 1 zeigt die Reduzierung des maximal zulässigen Flussstroms mit steigender Umgebungstemperatur. Um Überhitzung zu verhindern, muss der Strom bei Betrieb über 25°C reduziert werden. Diese Kurve ist entscheidend für das Wärmemanagement-Design.

3.2 Spektrale Verteilung

Abbildung 2 stellt die relative Intensität über der Wellenlänge dar und bestätigt das Maximum bei etwa 940 nm und die ~50 nm Bandbreite. Diese Übereinstimmung mit der Empfindlichkeitskurve von Silizium-Detektoren (die ihr Maximum bei etwa 900-1000 nm hat) maximiert die Signalstärke in Sensorsystemen.

3.3 Relative Intensität in Abhängigkeit vom Flussstrom

Abbildung 3 zeigt die Beziehung zwischen optischer Ausgangsleistung und Treiberstrom. Die Ausgangsleistung steigt mit dem Strom, kann aber bei sehr hohen Strömen aufgrund von Erwärmung und Effizienzabfall unterlinear werden. Der Betrieb innerhalb des empfohlenen Bereichs gewährleistet eine stabile Leistung.

3.4 Flussstrom in Abhängigkeit von der Flussspannung

Abbildung 4 ist die I-V-Kennlinie. Sie zeigt die für eine Diode typische exponentielle Beziehung. Die Kurve unterstreicht die Bedeutung der Verwendung eines strombegrenzenden Widerstands oder einer Konstantstromquelle, da ein geringer Spannungsanstieg über den Knickpunkt hinaus einen großen, potenziell zerstörerischen Stromanstieg verursacht.

3.5 Winkelabhängigkeit der Strahlung

Abbildung 5 stellt die relative Strahlstärke über dem Winkel von der Mittelachse dar und definiert das räumliche Abstrahlmuster (lambertisch oder anders). Dies ist für das optische Design wesentlich, um zu bestimmen, wie das Licht im Zielbereich verteilt wird.

4. Mechanische und Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Die LED hat einen kompakten SMD-Fußabdruck. Wichtige Abmessungen sind eine Bauteilgröße von ca. 2,0mm x 1,25mm bei einer Höhe von etwa 0,8mm. Detaillierte Zeichnungen spezifizieren das Pad-Layout, den Anschlussabstand und die Linsengeometrie. Toleranzen betragen typischerweise ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben. Ein empfohlenes Land Pattern (Pad-Layout) wird für das Leiterplattendesign bereitgestellt, sollte jedoch basierend auf spezifischen Fertigungsprozessen und thermischen Anforderungen optimiert werden.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Das Bauteil verfügt über ein Reverse-Package. Die Polarität wird durch eine Markierung auf dem Gehäuse oder durch die Form des Gehäusefußabdrucks angezeigt. Die korrekte Ausrichtung ist für den Schaltungsbetrieb entscheidend.

4.3 Trägerbandabmessungen

Das Bauteil wird auf 8mm breitem, geprägtem Trägerband geliefert, das auf einer 7-Zoll-Spule aufgewickelt ist. Die Bandteilung und die Taschenabmessungen sind spezifiziert, um die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsgeräten sicherzustellen. Jede Spule enthält 2000 Stück.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

5.1 Lagerung und Handhabung

Die LEDs sind feuchtigkeitsempfindlich (MSL). Ungeöffnete Feuchtigkeitsschutzbeutel müssen unter 30°C und 90% r.F. gelagert werden. Nach dem Öffnen beträgt die "Auslagerungszeit" 168 Stunden (7 Tage) bei Lagerung bei ≤60% r.F. Eine Überschreitung erfordert ein Trocknen (z.B. 96 Stunden bei 60°C) vor dem Reflow-Löten, um "Popcorning"-Schäden während des Lötens zu verhindern.

5.2 Reflow-Lötprofil

Ein bleifreies (Pb-free) Reflow-Temperaturprofil wird empfohlen. Wichtige Parameter umfassen eine Aufwärmzone, einen graduellen Temperaturanstieg, eine Spitzentemperatur von maximal 260°C für höchstens 5 Sekunden und eine kontrollierte Abkühlphase. Das Reflow-Löten sollte nicht mehr als zweimal am selben Bauteil durchgeführt werden.

5.3 Handlötung und Nacharbeit

Falls manuelles Löten erforderlich ist, sollte ein Lötkolben mit einer Spitzentemperatur unter 350°C und einer Leistung unter 25W verwendet werden. Die Kontaktzeit pro Anschluss muss weniger als 3 Sekunden betragen. Für Nacharbeiten wird ein Doppelspitzen-Lötkolben empfohlen, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und mechanische Belastung zu vermeiden. Die Auswirkung auf die Bauteileigenschaften sollte nach jeder Nacharbeit überprüft werden.

5.4 Kritische Vorsichtsmaßnahmen

• Stromschutz:Ein externer Vorwiderstand ist zwingend erforderlich, um den Flussstrom zu begrenzen. Die steile I-V-Kennlinie bedeutet, dass geringe Spannungsschwankungen zu katastrophalen Überströmen führen können.
• Mechanische Belastung:Vermeiden Sie es, während oder nach dem Löten Kraft auf das LED-Gehäuse auszuüben. Biegen Sie die Leiterplatte nicht in der Nähe der montierten LED.

6. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsszenarien

• Leiterplattenmontierte Infrarotsensoren:Wird als Lichtquelle in Näherungssensoren, Objekterkennung und Positionscodierung verwendet.
• Miniatur-Lichtschranken/Optoschalter:Gepaart mit einem Fotodetektor, um einen unterbrechbaren Strahl für Zähl-, Sicherheitsvorhänge oder Endschalter zu erzeugen.
• Diskettenlaufwerke (historisch):Historisch für Spurerkennung verwendet.
• Rauchmelder:Eingesetzt in Streulicht-Rauchmeldern, bei denen Rauchpartikel einen Lichtstrahl streuen.

6.2 Designüberlegungen

• Treiber-Schaltung:Implementieren Sie eine Konstantstromquelle oder eine Spannungsquelle mit einem präzise berechneten strombegrenzenden Widerstand (R = (V_versorgung- V_F) / I_F).
• Optische Ausrichtung:Der ±20° Abstrahlwinkel erfordert eine sorgfältige Ausrichtung mit dem empfangenden Detektor für eine optimale Signalkopplung, insbesondere bei Anwendungen mit schmalem Strahl.
• Wärmemanagement:Sorgen Sie für eine ausreichende Kupferfläche auf der Leiterplatte oder thermische Durchkontaktierungen zur Wärmeableitung, insbesondere beim Betrieb mit höheren Strömen oder bei erhöhten Umgebungstemperaturen.
• Elektrische Störungen:In empfindlichen analogen Sensor-Schaltungen sollten Sie eine Abschirmung oder Modulation des LED-Treibersignals in Betracht ziehen, um es von Umgebungslicht und elektrischem Rauschen zu unterscheiden.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-Infrarot-LEDs bietet das Reverse-Package der IR25-21C/TR8 eine potenziell geringere Bauhöhe und ein anderes Abstrahlmuster. Ihr wichtigster Unterscheidungsmerkmal ist die spezifische spektrale Abstimmung auf Silizium, was in Detektorsystemen zu höheren Signal-Rausch-Verhältnissen führen kann als bei LEDs mit abweichenden Spitzenwellenlängen. Die Konformität mit halogenfreien und modernen Umweltstandards macht sie für "grüne" Elektronikinitiativen geeignet.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

8.1 Warum ist ein strombegrenzender Widerstand zwingend erforderlich?

Die exponentielle I-V-Kennlinie der Diode bedeutet, dass jenseits des Flussspannungs-Knicks (ca. 1,5V) der Strom bei minimaler Spannungserhöhung dramatisch ansteigt. Ohne einen Widerstand, der den Arbeitspunkt festlegt, können geringe Versorgungsspannungsschwankungen oder Temperaturänderungen den Strom über das Maximum von 100mA treiben und die LED sofort zerstören.

8.2 Was bedeutet "spektrale Abstimmung auf Si-Fotodetektoren"?

Siliziumbasierte Fotodioden und Fototransistoren haben eine spezifische Empfindlichkeitskurve; sie sind für Licht im Bereich von 800-1000 nm am empfindlichsten. Die Spitzenemission dieser LED bei 940 nm fällt direkt in diesen Hochsensitivitätsbereich und stellt sicher, dass der Detektor einen maximalen Anteil der optischen Leistung der LED in elektrischen Strom umwandelt, was die Systemeffizienz und Reichweite verbessert.

8.3 Wie kritisch ist die 168-stündige Auslagerungszeit?

Sie ist für eine zuverlässige Bestückung sehr kritisch. Feuchtigkeit, die in das Kunststoffgehäuse eingedrungen ist, kann während des Hochtemperatur-Relfow-Lötprozesses schnell verdampfen und innere Delamination, Risse oder Bonddrahtschäden ("Popcorning") verursachen. Die Einhaltung der Auslagerungszeit oder das Durchführen eines ordnungsgemäßen Trocknungsprozesses verhindert diesen Fehlermodus.

9. Praktisches Anwendungsbeispiel

Entwurf eines Papierblattzählers:In einem Bürogerät kann die IR25-21C/TR8 auf einer Seite eines Papierwegs montiert werden, direkt einem Fototransistor auf der anderen Seite gegenüber. Wenn kein Papier vorhanden ist, erreicht der Infrarotstrahl den Detektor und erzeugt ein hohes Signal. Wenn ein Blatt Papier durchläuft, unterbricht es den Strahl, wodurch das Detektorsignal abfällt. Dieses Ereignis wird von einem Mikrocontroller gezählt. Die 940nm Wellenlänge ist unsichtbar und wird von Umgebungslicht nicht beeinflusst. Die niedrige Flussspannung ermöglicht es, das System mit einer 3,3V- oder 5V-Logikversorgung zu betreiben, wobei ein einfacher Vorwiderstand (z.B. (5V - 1,5V)/0,02A = 175Ω) den LED-Strom auf einen sicheren Wert von 20mA einstellt.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) ist eine Halbleiter-pn-Übergangsdiode. Bei Flusspolung werden Elektronen aus dem n-Gebiet und Löcher aus dem p-Gebiet in die Übergangsregion injiziert. Wenn diese Ladungsträger rekombinieren, setzen sie Energie frei. In einem GaAlAs-Materialsystem wird diese Energie hauptsächlich als Photonen (Lichtteilchen) im Infrarotspektrum (Wellenlängen länger als sichtbares rotes Licht, typischerweise 700nm bis 1mm) freigesetzt. Die spezifische Zusammensetzung der Gallium-, Aluminium- und Arsenidschichten bestimmt die Spitzenemissionswellenlänge. Das wasserklare Epoxidharzgehäuse fungiert als Linse und formt das emittierte Licht zu einem definierten Strahlmuster.

11. Branchentrends und Entwicklungen

Der Trend in der Optoelektronik für Sensorik geht weiterhin in Richtung Miniaturisierung, höherer Effizienz und Integration. Während diskrete LEDs wie die IR25-21C/TR8 aufgrund ihrer Flexibilität und Leistung weiterhin wichtig bleiben, wächst der Markt für integrierte Sensormodule, die Emitter, Detektor und Signalaufbereitungsschaltung in einem einzigen Gehäuse kombinieren. Diese Module vereinfachen das Design, bieten jedoch möglicherweise weniger Optimierung für spezifische Anwendungen. Ein weiterer Trend ist die Nachfrage nach höherer Modulationsgeschwindigkeit für Datenkommunikationsanwendungen (wie IR-Fernbedienungen), was LEDs mit schnellen Anstiegs-/Abfallzeiten erfordert. Umweltkonformität (RoHS, REACH, halogenfrei) ist zu einem Standardanforderung geworden, nicht mehr zu einem Unterscheidungsmerkmal. Die zugrundeliegende Technologie für effiziente Infrarot-Emission wird weiter verfeinert, mit Forschung an neuen Materialsystemen wie InGaN für verschiedene Wellenlängenbereiche.