SMD-Infrarot-Emitter 930nm Datenblatt - Gehäuse 5,0x5,0x1,6mm - Durchlassspannung 2,9V - Strahlstärke 480mW/sr - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen für ein diskretes, leistungsstarkes Infrarot-Emitter-Bauteil, das für die Oberflächenmontage (SMT) konzipiert ist. Das Bauteil gehört zu einer breiten Palette von Infrarot-Komponenten für Anwendungen, die zuverlässige, effiziente Infrarotlichtquellen erfordern. Seine Kernfunktion ist die Emission von Infrarotstrahlung mit einer spezifischen Spitzenwellenlänge bei elektrischer Ansteuerung.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die primären Vorteile dieses Emitters sind seine hohe Strahlungsleistung, die Eignung für die automatisierte Leiterplattenbestückung dank seines SMD-Gehäuses und eine definierte spektrale Ausgabe im nahen Infrarotbereich. Er ist entwickelt, um Industrienormen für Umweltverträglichkeit zu erfüllen. Die Zielanwendungen liegen hauptsächlich in der Unterhaltungselektronik und der industriellen Sensorik, wo Infrarotsignale für drahtlose Kommunikation, Annäherungserkennung oder Datenkodierung verwendet werden.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die folgenden Abschnitte bieten eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt definierten Schlüsselparameter und erläutern deren Bedeutung für Entwicklungsingenieure.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Sie sind nicht für den Normalbetrieb vorgesehen.

• Verlustleistung (3,8W):Die maximale Leistung, die das Bauteil bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 25°C als Wärme abführen kann. Das Überschreiten dieses Limits riskiert eine Überhitzung des Halbleiterübergangs.
• Spitzen-Durchlassstrom (2A, 300pps, 10μs Impuls):Der maximal zulässige Strom im Impulsbetrieb. Die 10μs Impulsbreite und 300 Impulse pro Sekunde (pps) definieren einen spezifischen Tastgrad. Dieser Wert ist typischerweise höher als der DC-Wert aufgrund der reduzierten Wärmeentwicklung während kurzer Impulse.
• DC-Durchlassstrom (1A):Der maximale Dauerstrom, der unter Gleichstrombedingungen durch das Bauteil fließen darf. Der Betrieb an oder nahe diesem Grenzwert erfordert ein sorgfältiges thermisches Management.
• Sperrspannung (5V):Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung angelegt werden darf. Infrarot-Emitter sind nicht für den Sperrbetrieb ausgelegt; das Überschreiten dieser Spannung kann zum Durchbruch führen.
• Thermischer Widerstand (9 K/W, Übergang zu Lötpad):Ein kritischer Parameter für das thermische Design. Er gibt an, um wie viel Grad die Sperrschichttemperatur pro Watt Verlustleistung ansteigt. Ein niedrigerer Wert bedeutet, dass Wärme leichter vom Halbleiterchip zur Leiterplatte abgeführt wird.
• Betriebs- und Lagertemperaturbereiche:Definieren jeweils die Umgebungsgrenzen für zuverlässigen Betrieb und nicht-operativen Transport bzw. Lagerung.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Leistungsparameter, gemessen unter spezifizierten Testbedingungen (Ta=25°C, IF=500mA, sofern nicht anders angegeben).

• Strahlstärke (I_E):480 mW/sr (typisch). Dies misst die optische Leistung pro Raumwinkeleinheit (Steradiant) entlang der Mittelachse des Bauteils. Es ist eine Schlüsselmetrik für die "Helligkeit" der IR-Quelle in einem gerichteten Strahl.
• Gesamter Strahlungsfluss (Φ_e):700 mW (typisch). Dies ist die gesamte in alle Richtungen emittierte optische Leistung. Das Verhältnis zwischen Fluss und Stärke wird vom Abstrahlwinkel beeinflusst.
• Spitzen-Emissionswellenlänge (λ_Peak):930 nm (typisch). Die Wellenlänge, bei der die emittierte optische Leistung maximal ist. Diese muss mit der spektralen Empfindlichkeit des Empfangssensors abgestimmt sein (z.B. ist eine Silizium-Fotodiode im Bereich von 900-1000nm am empfindlichsten).
• Spektrale Halbwertsbreite (Δλ):35 nm (typisch). Die Bandbreite des emittierten Spektrums, gemessen bei halber Spitzenintensität. Eine schmalere Breite deutet auf eine monochromatischere Quelle hin.
• Durchlassspannung (V_F):2,9 V (typisch) bei 500mA. Der Spannungsabfall über dem Bauteil im Betrieb. Dies ist entscheidend für den Entwurf der Treiberschaltung und die Berechnung des Leistungsverbrauchs (Leistung = V_F* I_F).
• Sperrstrom (I_R):< 10 μA bei V_R=5V. Ein kleiner Leckstrom, wenn das Bauteil in Sperrrichtung vorgespannt ist.
• Anstiegs-/Abfallzeit (T_r/T_f):30 ns (typisch). Die Zeit, die der optische Ausgang benötigt, um von 10% auf 90% seines Endwerts (Anstieg) oder von 90% auf 10% (Abfall) zu schalten. Dies bestimmt die maximale Modulationsgeschwindigkeit für die Datenübertragung.
• Abstrahlwinkel (2θ_1/2):70° (typisch). Der volle Winkel, bei dem die Strahlstärke auf die Hälfte ihres Achsenwerts abfällt. Ein größerer Winkel bietet eine breitere Abdeckung, aber eine geringere Intensität in einer einzelnen Richtung.

3. Analyse der Leistungskurven

Die bereitgestellten Diagramme bieten visuelle Einblicke in das Verhalten des Bauteils unter variierenden Bedingungen.

3.1 Spektrale Verteilung (Abb. 1)

Die Kurve zeigt die relative Strahlstärke in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Sie bestätigt das Maximum bei ~930nm und die ungefähre Halbwertsbreite von 35nm. Diese Form ist charakteristisch für das Halbleitermaterial (wahrscheinlich GaAs oder AlGaAs).

3.2 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb. 2)

Diese Entlastungskurve ist für das thermische Management unerlässlich. Sie zeigt, wie der maximal zulässige Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Bei 85°C ist der maximale Strom deutlich niedriger als bei 25°C. Entwickler müssen dieses Diagramm verwenden, um sicherzustellen, dass die Kombination aus Betriebsstrom und Temperatur im sicheren Bereich liegt.

3.3 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung (Abb. 3)

Dies ist die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V-Kennlinie). Sie ist nichtlinear, typisch für eine Diode. Die Kurve ermöglicht es Entwicklern, die zu erwartende V_Ffür einen gewählten Betriebsstrom zu bestimmen, was für die Auswahl eines seriellen strombegrenzenden Widerstands notwendig ist.

3.4 Relative Strahlstärke vs. Temperatur & Strom (Abb. 4 & 5)

Abbildung 4 zeigt, wie die optische Ausgangsleistung mit steigender Sperrschichttemperatur (bei festem Strom) abnimmt. Abbildung 5 zeigt, wie die Ausgangsleistung mit dem Strom (bei fester Temperatur) zunimmt. Beide demonstrieren die temperaturabhängige Effizienz des Bauteils. Die Ausgabe sinkt bei höherer Temperatur, ein bei LEDs verbreitetes Phänomen.

3.5 Strahlungsdiagramm (Abb. 6)

Dieses Polardiagramm stellt die räumliche Verteilung des emittierten Lichts visuell dar. Die konzentrischen Kreise stellen die relative Intensität dar. Das Diagramm bestätigt den 70° Abstrahlwinkel (2θ_1/2), bei dem die Intensität relativ zum Zentrum (1,0) auf 0,5 fällt. Das Muster erscheint annähernd lambertisch (Kosinusverteilung), was für LEDs mit einfacher Linsenabdeckung üblich ist.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Abmessungen

Das Bauteil ist in einem SMD-Gehäuse untergebracht mit Abmessungen von etwa 5,0mm Länge und Breite sowie 1,6mm Höhe. Die Zeichnung spezifiziert die Position der optischen Linse und der Lötpads. Toleranzen betragen typischerweise ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Kathode (Minuspol) ist in der Gehäusezeichnung deutlich markiert. Während des Leiterplattenlayouts und der Bestückung muss die korrekte Polarität beachtet werden, um Schäden zu vermeiden.

4.3 Vorgeschlagene Lötpad-Abmessungen

Eine Lötflächenempfehlung wird bereitgestellt, um zuverlässige Lötstellen und eine korrekte mechanische Ausrichtung während des Reflow-Lötens zu gewährleisten. Die Einhaltung dieser Abmessungen hilft, "Tombstoning" zu verhindern und stellt eine gute thermische Verbindung zur Leiterplatte für die Wärmeableitung sicher.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

5.1 Lagerbedingungen

Das Bauteil ist feuchtigkeitsempfindlich. Ungeöffnete Verpackungen sollten unter 30°C und 90% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert werden. Sobald die feuchtigkeitsdichte Verpackung geöffnet ist, sollten die Bauteile innerhalb einer Woche verwendet oder in einer trockenen Umgebung (<30°C, <60% rF) gelagert werden. Bauteile, die länger als eine Woche der Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt waren, erfordern vor dem Reflow einen Trocknungsprozess (ca. 60°C für 20 Stunden), um "Popcorning"-Schäden während des Lötens zu verhindern.

5.2 Reflow-Lötprofil

Ein JEDEC-konformes Reflow-Profil wird empfohlen. Wichtige Parameter sind: eine Vorwärmphase (150-200°C, max. 120s), eine Spitzentemperatur von maximal 260°C und eine Zeit oberhalb der Liquidustemperatur (TAL), in der die Spitzentemperatur maximal 10 Sekunden gehalten wird. Das Profil betont die Kontrolle der Maximaltemperatur und der Zeit, der die Komponente hoher Hitze ausgesetzt ist, um Schäden am Kunststoffgehäuse und am Halbleiterchip zu verhindern.

5.3 Handlötung

Falls Handlötung notwendig ist, sollte die Lötkolbentemperatur 300°C nicht überschreiten und die Kontaktzeit auf 3 Sekunden pro Pad begrenzt werden. Dies minimiert thermische Belastung.

5.4 Reinigung

Isopropylalkohol oder ähnliche alkoholbasierte Lösungsmittel werden für die Nachlötreinigung empfohlen. Aggressive oder unbekannte Chemikalien sollten vermieden werden, da sie das Gehäuse oder die Linse beschädigen können.

6. Verpackung und Handhabung

6.1 Band- und Rollenspezifikationen

Die Bauteile werden auf Standard-13-Zoll-Rollen geliefert, mit 2400 Stück pro Rolle. Die Band- und Rollenabmessungen entsprechen den ANSI/EIA-481-1-A-1994-Spezifikationen und gewährleisten die Kompatibilität mit automatischen Bestückungsautomaten. Die Ausrichtung der Kathode ist innerhalb der Bandtaschen standardisiert.

7. Anwendungshinweise und Designüberlegungen

7.1 Treiberschaltungsentwurf

Das Bauteil ist ein stromgesteuertes Bauelement. Für konsistente Leistung und Langlebigkeit muss es von einer Stromquelle oder über eine Spannungsquelle mit einem seriellen strombegrenzenden Widerstand angesteuert werden. Das Datenblatt empfiehlt dringend, für jede LED einen eigenen Serienwiderstand zu verwenden, wenn mehrere Einheiten parallel geschaltet sind (Schaltungsmodell A). Die Verwendung eines einzelnen Widerstands für eine Parallelschaltung (Schaltungsmodell B) wird aufgrund von Schwankungen der Durchlassspannung (V_F) zwischen einzelnen LEDs nicht empfohlen, da dies zu erheblichen Stromungleichgewichten und ungleichmäßiger Helligkeit oder vorzeitigem Ausfall der LED mit der niedrigsten V_F.

7.2 Thermische Verwaltung

Angesichts der Verlustleistung (bis zu max. 3,8W) und des thermischen Widerstands (9 K/W) ist eine effektive Wärmeableitung für den Betrieb bei hohen Strömen oder erhöhten Umgebungstemperaturen entscheidend. Der primäre Wärmeabfuhrpfad führt über die Lötpads zur Leiterplatte. Die Verwendung des empfohlenen Pad-Layouts mit ausreichender Kupferfläche (thermische Entlastungspads) auf der Leiterplatte ist wesentlich. Für Hochleistungsanwendungen können zusätzliche Wärmeleitungen (Thermal Vias), die mit internen Masseebenen oder dedizierten Kühlkörpern verbunden sind, notwendig sein, um die Sperrschichttemperatur innerhalb der durch die Entlastungskurve definierten sicheren Grenzen zu halten.

7.3 Optische Designüberlegungen

Der 70-Grad-Abstrahlwinkel definiert die Strahlaufweitung. Für Anwendungen, die einen engeren Strahl erfordern, können Sekundäroptiken (Linsen) hinzugefügt werden. Die Spitzenwellenlänge von 930nm sollte mit einem Empfänger (Fotodiode, Fototransistor) gepaart werden, der in diesem Spektralbereich eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Viele siliziumbasierte Sensoren haben ihre maximale Empfindlichkeit bei etwa 850-950nm, was sie zu einer guten Wahl macht. Für Fernbedienungsanwendungen wird diese Wellenlänge häufig verwendet, da sie für das menschliche Auge weniger sichtbar ist als 850nm, aber von Silizium dennoch effizient erkannt wird.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-Infrarot-LEDs mit geringer Leistung bietet dieses Bauteil eine deutlich höhere Strahlstärke (typ. 480 mW/sr), was eine größere Reichweite oder den Betrieb in optisch stärker gestörten Umgebungen ermöglicht. Sein SMD-Gehäuse unterscheidet es von Durchsteckvarianten und ermöglicht kleinere, stärker automatisierte Leiterplattenbestückungen. Die schnelle Anstiegs-/Abfallzeit (30ns) macht es für mittelschnelle Datenübertragung geeignet, nicht nur für einfache Ein-/Aus-Signale. Die definierten spektralen Eigenschaften und der Abstrahlwinkel bieten eine konsistente, vorhersehbare Leistung für den Entwurf optischer Systeme.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Kann ich diese LED direkt von einem 5V-Mikrocontroller-Pin ansteuern?

A: Nein. Sie müssen einen seriellen strombegrenzenden Widerstand verwenden. Der Widerstandswert wird berechnet als R = (V_Versorgung- V_F) / I_F. Zum Beispiel: Bei einer 5V-Versorgung, V_F=2,9V und einem gewünschten I_Fvon 100mA, R = (5 - 2,9) / 0,1 = 21 Ohm. Die Leistungsaufnahme des Widerstands muss ebenfalls berücksichtigt werden (P = I²R).

F: Was ist der Unterschied zwischen Strahlstärke und Gesamtstrahlungsfluss?

A: Strahlstärke (mW/sr) misst die Leistung in einer bestimmten Richtung (wie die Helligkeit eines Taschenlampenstrahls). Gesamtstrahlungsfluss (mW) misst die Summe der in alle Richtungen emittierten Leistung (wie die gesamte Lichtausbeute einer Glühbirne). Für eine gerichtete Quelle ist die Strahlstärke oft die relevantere Metrik.

F: Wie bestimme ich den maximal sicheren Betriebsstrom für meine Anwendung?

A: Sie müssen sowohl den absoluten maximalen DC-Strom (1A) als auch die thermische Entlastung berücksichtigen. Verwenden Sie Abbildung 2. Finden Sie Ihre maximal erwartete Umgebungstemperatur auf der x-Achse. Ziehen Sie eine Linie bis zur Kurve und dann nach links zur y-Achse, um den maximal zulässigen Strom zu finden. Ihr gewählter Betriebsstrom muss niedriger sein als dieser Wert und der absolute Maximalwert von 1A.

F: Warum ist die Spitzenwellenlänge mit 930nm spezifiziert, aber die Bauteilbeschreibung erwähnt 940nm?

A: Die Bauteilbeschreibung bezieht sich auf die allgemeine Produktlinie, die 940nm-Bauteile umfasst. Diese spezifische Artikelnummer (LTE-R38385S-OE8) hat laut ihren detaillierten Spezifikationen eine typische Spitzenwellenlänge von 930nm. Beziehen Sie sich immer auf das spezifische Datenblatt für die genauen Parameter des bestellten Bauteils.

10. Praktische Design- und Anwendungsbeispiele

10.1 Beispiel 1: Infrarot-Fernsender

Szenario:Entwurf eines wetterfesten Außen-IR-Senders für Datenkommunikation über 15 Meter bei Tageslichtbedingungen.

Designansatz:Nutzen Sie die hohe Strahlstärke (480mW/sr), um Umgebungslichtrauschen zu überwinden. Betreiben Sie die LED bei oder nahe ihrem maximalen DC-Strom (1A) für maximale Ausgangsleistung, implementieren Sie jedoch eine robuste thermische Managementstrategie. Verwenden Sie eine große Kupferfläche auf der Leiterplatte, die mit den thermischen Pads der LED verbunden ist, mit mehreren Wärmeleitungen zu inneren Lagen. Erwägen Sie, eine einfache plastische Kollimatorlinse hinzuzufügen, um den Strahl von 70° auf ~15° zu verengen und die Intensität auf der Achse für die erforderliche Reichweite weiter zu erhöhen. Die Treiberschaltung würde einen Transistor (z.B. MOSFET) verwenden, der von einem Mikrocontroller geschaltet wird, mit dem berechneten Serienwiderstand, um den 1A-Strom einzustellen.

10.2 Beispiel 2: Multi-Element-Näherungssensor-Array

Szenario:Erstellung eines Näherungssensorrings mit 8 IR-Emittern, die um einen zentralen Empfänger angeordnet sind.

Designansatz:Gleichmäßige Ausleuchtung ist der Schlüssel. Verwenden Sie das empfohlene Schaltungsmodell A: Jede der 8 LEDs erhält ihren eigenen identischen strombegrenzenden Widerstand, der an eine gemeinsame Spannungsschiene angeschlossen ist. Dies kompensiert kleine V_F-Schwankungen zwischen den LEDs. Betreiben Sie die LEDs mit einem moderaten Strom (z.B. 200mA), um Ausgangsleistung und thermische Belastung auszugleichen. Pulsieren Sie das Array synchron mit der Abtastung des Empfängers, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, und nutzen Sie die schnelle 30ns-Anstiegs-/Abfallzeit für saubere Impulse. Der 70°-Abstrahlwinkel jeder LED erzeugt ein breites, überlappendes Detektionsfeld.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

Dieser Infrarot-Emitter ist eine Halbleiterdiode. Sein Kern ist ein Chip aus Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) oder Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs). Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Elektronen über den p-n-Übergang injiziert. Wenn diese Elektronen mit Löchern im aktiven Bereich rekombinieren, wird Energie in Form von Photonen (Lichtteilchen) freigesetzt. Die spezifische Bandlückenenergie des Halbleitermaterials bestimmt die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichts. Für GaAs/AlGaAs entspricht diese Bandlücke Photonen im Infrarotspektrum (typischerweise 850-940nm). Das Kunststoffgehäuse verkapselt den Chip, bietet eine mechanische Struktur und enthält eine geformte Linse, die das Strahlungsmuster des emittierten Lichts formt.

12. Technologietrends und Kontext

Infrarot-Emitter dieses Typs sind ausgereifte, hochzuverlässige Komponenten. Aktuelle Trends in diesem Bereich konzentrieren sich auf die Erhöhung der Leistungsdichte und Effizienz (mehr Lichtausbeute pro elektrischem Watt), was kleinere Gehäuse oder längere Batterielaufzeiten in tragbaren Geräten ermöglicht. Integration ist ein weiterer Trend, wobei kombinierte Emitter-Sensor-Paare oder -Arrays für Gestenerkennung und 3D-Erfassung üblich werden. Es gibt auch laufende Entwicklungen zur Erweiterung des Wellenlängenbereichs für spezielle Anwendungen wie Gassensorik oder optische Kommunikation. Der Trend zu SMD-Gehäusen, wie bei dieser Komponente zu sehen, dominiert weiterhin die automatisierte, hochvolumige Fertigung und ersetzt ältere Durchsteckdesigns. Die Betonung detaillierter thermischer Spezifikationen und Lötprofile spiegelt den Fokus der Industrie auf Zuverlässigkeit und Prozesskontrolle in der modernen Elektronikfertigung wider.