Technisches Datenblatt für die 1,8 mm runde Subminiatur-Infrarot-LED IR42-21C/TR8 - Durchmesser 1,8 mm - Spannung 1,2 V - Leistung 130 mW - Wasserklares Linsengehäuse - Deutschsprachiges Dokument

1. Produktübersicht

Die IR42-21C/TR8 ist eine subminiaturierte, oberflächenmontierbare Infrarot-Emissionsdiode, die für kompakte optoelektronische Anwendungen konzipiert ist. Sie verfügt über ein rundes Gehäuse mit 1,8 mm Durchmesser aus wasserklarem Kunststoff mit einer sphärischen Toplinse, die den Lichtaustritt optimiert. Das Bauteil nutzt einen Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs)-Chip, der spektral auf Silizium-Fotodioden und Fototransistoren abgestimmt ist und so eine effiziente Detektion in Sensorsystemen gewährleistet. Die primären Designziele sind Miniaturisierung, Kompatibilität mit automatisierten Bestückungsprozessen und zuverlässige Leistung in einer Reihe von Konsum- und Industrie-Elektronikgeräten.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Diese LED bietet Entwicklern mehrere Schlüsselvorteile. Ihre niedrige Flussspannung (typ. 1,2 V) trägt zu einem energieeffizienten Betrieb bei. Die Komponente ist vollständig konform mit bleifreien (Pb-free), RoHS-, EU-REACH- und halogenfreien Vorschriften (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm) und eignet sich somit für globale Märkte mit strengen Umweltstandards. Sie ist sowohl mit Infrarot- als auch mit Dampfphasen-Reflow-Lötprozessen kompatibel, was die automatisierte Leiterplattenbestückung in hohen Stückzahlen erleichtert. Die primären Zielmärkte umfassen Hersteller von kompakten Infrarotsensoren, Miniatur-Lichtschranken für die Automatisierung, Diskettenlaufwerken (für Alt- oder Spezialsysteme), universellen optoelektronischen Schaltern und Rauchmeldesystemen, bei denen eine unsichtbare IR-Quelle benötigt wird.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die Leistung der IR42-21C/TR8 wird durch eine Reihe von absoluten Maximalwerten und elektro-optischen Kenngrößen definiert, die bei einer Standard-Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C gemessen werden. Das Verständnis dieser Parameter ist entscheidend für einen zuverlässigen Schaltungsentwurf und um sicherzustellen, dass die LED innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs (SOA) arbeitet.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie dürfen niemals, auch nicht kurzzeitig, überschritten werden. Der zulässige Dauerstrom (IF) beträgt 65 mA. Die maximal zulässige Sperrspannung (VR) liegt bei 5 V. Das Bauteil kann in einem Umgebungstemperaturbereich (Topr) von -25°C bis +85°C betrieben und zwischen -40°C und +85°C gelagert (Tstg) werden. Die Löttemperatur (Tsol) darf während des Reflow-Prozesses für eine Dauer von 5 Sekunden oder weniger 260°C nicht überschreiten. Die gesamte Verlustleistung (Pd) bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur beträgt 130 mW. Das Überschreiten dieser Grenzwerte birgt das Risiko eines katastrophalen Ausfalls oder einer beschleunigten Degradation.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter, typischerweise bei einem Durchlassstrom (IF) von 20 mA gemessen, definieren die funktionale Leistung des Bauteils. Die Strahlstärke (Ie), ein Maß für die optische Leistung pro Raumwinkel, hat einen Mindestwert von 1,0 mW/sr und einen typischen Wert von 3,0 mW/sr. Die Peak-Wellenlänge (λp) beträgt typischerweise 940 nm, was sie fest im nahen Infrarotspektrum verortet, ideal für siliziumbasierte Detektoren. Die spektrale Bandbreite (Δλ) beträgt typischerweise 45 nm und definiert den Bereich der emittierten Wellenlängen. Die Flussspannung (VF) hat einen typischen Wert von 1,2 V und einen Maximalwert von 1,5 V bei 20 mA. Der Sperrstrom (IR) beträgt maximal 10 µA bei einer angelegten Sperrspannung von 5 V. Der Abstrahlwinkel (2θ1/2), definiert als der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte ihres Spitzenwertes abfällt, beträgt typischerweise 30 Grad und liefert einen mäßig fokussierten Strahl.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die zeigen, wie Schlüsselparameter mit den Betriebsbedingungen variieren. Diese Diagramme sind wesentlich, um das reale Verhalten über die Ein-Punkt-Spezifikationen bei 25°C hinaus zu verstehen.

3.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt die Beziehung zwischen dem zulässigen Dauerstrom und der Umgebungstemperatur. Mit steigender Umgebungstemperatur nimmt der maximal zulässige Durchlassstrom linear ab. Diese Entlastung ist notwendig, um zu verhindern, dass die Sperrschichttemperatur ihren Grenzwert überschreitet, der mit der Verlustleistungsangabe verknüpft ist. Entwickler müssen dieses Diagramm nutzen, um einen geeigneten Betriebsstrom für die maximal erwartete Umgebungstemperatur ihrer Anwendung auszuwählen.

3.2 Spektrale Verteilung

Die spektrale Verteilungskurve stellt die relative Strahlstärke über der Wellenlänge dar. Sie bestätigt visuell die Peak-Wellenlänge von 940 nm und die spektrale Bandbreite von etwa 45 nm. Die Kurve ist asymmetrisch, was typisch für LED-Emissionsspektren ist. Diese Information ist entscheidend für Anwendungen, die eine spezifische spektrale Abstimmung mit der Empfindlichkeitskurve eines Fotodetektors erfordern.

3.3 Durchlassstrom vs. Flussspannung

Diese IV-Kennlinie (Strom-Spannungs-Kennlinie) ist, wie bei allen Dioden, nichtlinear. Sie zeigt, dass ein geringer Anstieg der Flussspannung über die "Kniespannung" hinaus zu einem großen, exponentiellen Anstieg des Durchlassstroms führt. Dies unterstreicht die kritische Bedeutung der Verwendung eines Vorwiderstands oder einer Konstantstromquelle, um einen thermischen Durchbruch und die Zerstörung der LED durch Überstrom zu verhindern.

3.4 Relative Strahlstärke vs. Winkelabweichung

Dieses Polardiagramm veranschaulicht das räumliche Abstrahlmuster der LED. Die Intensität ist auf ihren Maximalwert bei 0 Grad (auf der Achse) normiert. Die Kurve zeigt, wie die Intensität mit zunehmendem Beobachtungswinkel abfällt, und definiert den 30-Grad-Abstrahlwinkel, bei dem die Intensität 50 % des Spitzenwertes beträgt. Das Muster ist für dieses kuppelförmige Gehäuse im Allgemeinen lambertisch (kosinusähnlich), was für die Berechnung der Bestrahlungsstärke auf einem Detektor nützlich ist.

4. Mechanische und Verpackungsinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist in einem kompakten, runden SMD-Gehäuse mit einem Durchmesser von 1,8 mm untergebracht. Detaillierte mechanische Zeichnungen im Datenblatt liefern alle kritischen Abmessungen, einschließlich Gehäusehöhe, Anschlussabstand und Linsengeometrie. Alle Maße sind in Millimetern angegeben, mit Standardtoleranzen von ±0,1 mm, sofern nicht anders angegeben. Für das Leiterplattendesign wird ein empfohlenes Pad-Layout bereitgestellt, jedoch wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass dies nur als Referenz dient und basierend auf individuellen Prozessanforderungen und thermischen Managementbedürfnissen angepasst werden sollte.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Trägerband

Das Gehäuse weist eine abgeflachte Seite oder eine ähnliche Markierung auf, um die Kathode (negativer Anschluss) zu kennzeichnen, was für die korrekte Ausrichtung während der Bestückung essentiell ist. Für die Serienfertigung werden die Bauteile auf Trägerbandrollen geliefert. Das Datenblatt enthält die Abmessungen des Trägerbands, die die Taschentiefe, die Teilung und den Rollendurchmesser spezifizieren. Eine Standardrolle enthält 1000 Stück, was typisch für automatisierte Bestückungsmaschinen ist.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

Sachgemäße Handhabung und Lötung sind für die Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung. Die LED ist feuchtigkeitsempfindlich und wird in einer Feuchtigkeitssperrbeutel mit Trockenmittel geliefert.

5.1 Lagerung und Feuchtigkeitssensitivität

Vor dem Öffnen des versiegelten Beutels müssen die LEDs bei 30°C oder weniger und 90 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH) oder weniger gelagert werden. Die Lagerfähigkeit beträgt ein Jahr. Nach dem Öffnen des Beutels sollten die Bauteile bei 30°C/60 % RH oder weniger aufbewahrt und innerhalb von 168 Stunden (7 Tagen) verwendet werden. Wird die Lagerzeit überschritten oder zeigt das Trockenmittel Feuchtigkeitseintritt an, ist vor der Verwendung eine Trocknung bei 60 ± 5°C für 24 Stunden erforderlich, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und ein "Popcorning" während des Reflow-Lötens zu verhindern.

5.2 Reflow-Lötparameter

Das Bauteil ist mit bleifreien (Pb-free) Reflow-Lötprofilen kompatibel. Ein spezifisches Temperaturprofil wird empfohlen, typischerweise bestehend aus einer Aufwärmphase, einer Haltezone, einer Spitzentemperaturzone von maximal 260°C für höchstens 5 Sekunden und einer kontrollierten Abkühlphase. Das Reflow-Löten sollte nicht mehr als zweimal durchgeführt werden. Während des Erhitzens sollte keine mechanische Belastung auf das LED-Gehäuse oder die Anschlüsse ausgeübt werden, und die Leiterplatte sollte nach dem Löten nicht verzogen sein.

5.3 Handlötung und Nacharbeit

Wenn Handlötung unvermeidbar ist, ist äußerste Vorsicht geboten. Die Temperatur der Lötspitze sollte unter 350°C liegen, und die Kontaktzeit mit jedem Anschluss sollte auf 3 Sekunden oder weniger begrenzt werden. Ein Lötkolben mit geringer Leistung (25W oder weniger) wird empfohlen. Zwischen dem Löten jedes Anschlusses sollte eine Pause von mindestens 2 Sekunden eingehalten werden. Nacharbeit nach dem ersten Löten wird dringend abgeraten. Falls unbedingt erforderlich, sollte ein spezieller Doppelspitzen-Lötkolben verwendet werden, um beide Anschlüsse gleichzeitig zu erhitzen und das Bauteil ohne Belastung des Gehäuses anzuheben. Das Schadensrisiko bei der Nacharbeit ist hoch.

6. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die grundlegendste Anwendungsschaltung ist eine einfache Reihenschaltung aus der LED, einem Vorwiderstand und einer Spannungsquelle. Der Widerstandswert (R) wird mit dem Ohmschen Gesetz berechnet: R = (V_Quelle - VF_LED) / IF. Beispiel: Bei einer 5V-Quelle, einer VF von 1,2V und einem gewünschten IF von 20mA ergibt sich R = (5 - 1,2) / 0,02 = 190 Ohm. Ein 200-Ohm-Widerstand wäre ein geeigneter Standardwert. Für einen stabileren Betrieb, insbesondere bei variabler Versorgungsspannung, ist eine Konstantstromquelle vorzuziehen.

6.2 Designüberlegungen für Infrarotsysteme

Beim Entwurf eines Infrarot-Sensorsystems müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Die optische Ausrichtung zwischen der IR-LED und dem Fotodetektor ist kritisch, insbesondere bei einem 30-Grad-Strahl. Die Unterdrückung von Umgebungslicht ist oft notwendig; dies kann durch Modulation des LED-Treiberstroms und Verwendung einer synchronisierten Detektorschaltung erreicht werden, um DC-Umgebungslicht herauszufiltern. Die Strahlstärke und die Detektorempfindlichkeit müssen für die erforderliche Erfassungsreichweite abgestimmt sein. Das thermische Management sollte berücksichtigt werden, wenn in der Nähe der Maximalwerte gearbeitet wird, da eine erhöhte Sperrschichttemperatur die Lichtausbeute und Lebensdauer verringert.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu größeren bedrahteten IR-LEDs ist der Hauptvorteil der IR42-21C/TR8 ihr miniaturisierter SMD-Bauraum, der kleinere, leichtere und stärker automatisierte Leiterplattendesigns ermöglicht. Im Vergleich zu anderen SMD-IR-LEDs sind ihre wichtigsten Unterscheidungsmerkmale die spezifische 1,8-mm-runde Gehäusegröße, die für Siliziumdetektoren optimierte 940-nm-Peak-Wellenlänge und ihre Konformität mit den neuesten Umweltvorschriften (Halogenfrei, REACH). Die wasserklare Linse, im Gegensatz zu einer getönten oder diffundierenden Linse, maximiert die Transmission des Infrarotlichts und erzielt so eine höhere Strahlstärke bei gegebenem elektrischem Eingang.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Warum ist ein Vorwiderstand absolut notwendig?

A: Die IV-Kennlinie zeigt den exponentiellen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom der LED. Ein leichter Anstieg der Versorgungsspannung oder ein Abfall der Flussspannung der LED (aufgrund von Temperatur) kann einen massiven, unkontrollierten Stromanstieg verursachen, der zum sofortigen Durchbrennen führt. Der Widerstand bietet einen linearen, stabilisierenden Widerstand.

F: Kann ich diese LED direkt mit einem 3,3V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Möglich, aber nicht optimal. Bei einer VF von 1,2V wäre ein Vorwiderstand erforderlich. Der von einem GPIO-Pin verfügbare Strom ist oft begrenzt (z.B. 20-25mA). Sie müssen sicherstellen, dass der Gesamtstromverbrauch, einschließlich der Widerstandsberechnung (R = (3,3V - 1,2V) / I_gewünscht), die Stromquellenfähigkeit des GPIO nicht überschreitet. Für höhere Ströme oder mehrere LEDs ist ein Transistortreiber erforderlich.

F: Was bedeutet "spektral auf Si-Fotodetektor abgestimmt"?

A: Silizium-Fotodioden und Fototransistoren haben ihre maximale Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich, etwa bei 800-900nm. Die Peak-Emission dieser LED von 940nm fällt in diese Zone hoher Responsivität, was eine maximale Signalübertragungseffizienz von der Lichtquelle zum Detektor gewährleistet und zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis und einer größeren Reichweite des Systems führt.

F: Wie kritisch sind die Feuchtigkeitssensitivität und die Trocknungsanweisungen?

A: Äußerst kritisch für SMD-Bauteile. Aufgenommene Feuchtigkeit kann während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses schnell verdampfen und interne Delamination, Risse oder "Popcorning" verursachen, die das Bauteil zerstören. Die Einhaltung der MSL-Handhabungsverfahren (Moisture Sensitivity Level) ist für die Produktionsausbeute und die langfristige Zuverlässigkeit unerlässlich.

9. Praktische Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf eines kompakten Objekterkennungssensors.Ein Entwickler muss einen berührungslosen Objekterkennungssensor für ein kleines automatisiertes Gerät entwerfen. Der Platz ist begrenzt, was eine SMD-Komponente erfordert. Er wählt die IR42-21C/TR8 aufgrund ihrer geringen Größe. Er kombiniert sie mit einem Fototransistor in einer retroreflektiven Konfiguration: Beide Komponenten werden nebeneinander auf derselben Leiterplatte platziert und zeigen in die gleiche Richtung. Ein vorbeilaufendes Objekt reflektiert den IR-Strahl zurück zum Fototransistor. Der Entwickler nutzt die typische Strahlstärke (3,0 mW/sr) und die Empfindlichkeit des Fototransistors, um den erforderlichen Strom für die gewünschte Erfassungsreichweite von 10 cm zu berechnen. Er implementiert eine einfache 555-Timer-Schaltung, um die LED mit 1 kHz zu pulsieren, und die Detektorschaltung enthält einen Bandpassfilter, der auf 1 kHz abgestimmt ist, um 50/60-Hz-Umgebungslichtflimmern und DC-Sonnenlicht zu unterdrücken. Der Vorwiderstand wird so gewählt, dass er einen Treiberstrom von 15 mA liefert, was deutlich innerhalb der Nennwerte der LED liegt, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Das kompakte SMD-Gehäuse ermöglicht es, dass die gesamte Sensoreinheit in ein Gehäuse mit weniger als 15 mm Breite passt.

10. Funktionsprinzip und Technologietrends

10.1 Funktionsprinzip

Eine Infrarot-Leuchtdiode (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. Wenn sich diese Ladungsträger im aktiven Bereich (in diesem Fall der GaAlAs-Chip) rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen (Licht) freigesetzt. Die spezifische Bandlücke des GaAlAs-Halbleitermaterials bestimmt die Wellenlänge der emittierten Photonen, die bei diesem Bauteil im Infrarotspektrum (940 nm) liegt. Das wasserklare Epoxidharzgehäuse fungiert als Linse und formt das emittierte Licht in den spezifizierten Abstrahlwinkel.

10.2 Branchentrends

Der Trend in der Optoelektronik, wie in der gesamten Elektronik, geht zu weiterer Miniaturisierung, höherer Effizienz und stärkerer Integration. Während das Grundprinzip der IR-LED stabil bleibt, sind Fortschritte in der Gehäusetechnologie (noch kleinere Bauformen wie 0402 oder Chip-Scale-Packages), verbesserten epitaktischen Materialien für höhere Wandsteckereffizienz (mehr Lichtausbeute pro Watt elektrischer Eingangsleistung) und der Integration von Treibern und Steuerlogik in "intelligente" LED-Module zu verzeichnen. Es gibt auch einen kontinuierlichen Druck für breitere spektrale Optionen und Bauteile, die für Datenkommunikationsanwendungen (wie IRDA) mit höheren Modulationsgeschwindigkeiten betrieben werden können. Die Umweltkonformität (Halogenfrei, Herstellung mit geringerem CO2-Fußabdruck) bleibt ein starker Treiber in der gesamten Branche.