HIR204C/H0 3mm 红外LED规格书 - 尺寸3.0mm - 峰值波长850nm - 正向电压1.45V - 中文技术文档

1. 产品概述

HIR204C/H0是一款高强度的红外发射二极管，采用3.0mm水清透明塑料封装。它专为需要具备特定光谱特性的可靠红外发射的应用而设计。

1.1 核心特性与优势

该器件为红外系统设计提供了多项关键优势：

• 高可靠性：专为稳定的性能和长久的使用寿命而设计。
• 高辐射强度：提供强大的红外输出，适用于中距离应用。
• 峰值波长：发射光典型中心波长（λp）为850纳米，这是许多红外接收器和传感器的通用标准。
• 低正向电压：在20mA电流下典型值为1.45V，有助于降低驱动电路的功耗。
• 环保合规：产品为无铅设计，符合欧盟REACH法规，并满足无卤素要求（Br < 900ppm， Cl < 900ppm， Br+Cl < 1500ppm）。产品本身符合RoHS规范。
• 标准引脚间距：采用2.54mm（0.1英寸）引脚间距，兼容标准原型板和PCB布局。

1.2 目标应用

此红外LED的光谱与常见的光电晶体管、光电二极管和红外接收模块相匹配，适用于多种系统，包括：

• 用于数据或信号通信的自由空间传输系统。
• 需要更高功率输出以实现更远距离或穿透障碍物的红外遥控装置。
• 烟雾探测器，其中使用红外光束进行颗粒物检测。
• 其他通用红外应用系统，如物体感应、接近检测和工业自动化。

2. 技术规格详解

2.1 绝对最大额定值

这些额定值定义了可能导致器件永久损坏的极限。不保证在此条件下运行。

• 连续正向电流（IF）：100 mA
• 峰值正向电流（IFP）：1.0 A。此额定值适用于脉冲宽度 ≤ 100μs、占空比 ≤ 1%的脉冲条件。
• 反向电压（VR）：5 V
• 工作温度（Topr）：-40°C 至 +85°C
• 储存温度（Tstg）：-40°C 至 +85°C
• 焊接温度（Tsol）：最高260°C，持续时间不超过5秒。
• 功耗（Pd）：在25°C或以下环境温度的自由空气中为150 mW。

2.2 光电特性

这些参数在环境温度（Ta）为25°C时测量，定义了器件的典型性能。

• 辐射强度（Ie）：衡量每单位立体角发射的红外功率。
  • 在正向电流（IF）为20mA驱动时，典型值为20 mW/sr。
  • 在脉冲条件下（IF=100mA，脉冲宽度 ≤100μs，占空比 ≤1%），典型辐射强度为40 mW/sr。
• 峰值波长（λp）：在IF=20mA时，为850 nm（典型值）。这是发射强度最高的波长。
• 光谱带宽（Δλ）：在IF=20mA时，为45 nm（典型值）。这定义了以峰值为中心的发射波长范围。
• 正向电压（VF）：
  • 在IF=20mA时，为1.45V（典型值），1.65V（最大值）。
  • 在脉冲条件下IF=100mA时，为1.80V（典型值），2.40V（最大值）。
• 反向电流（IR）：当施加5V反向电压（VR）时，最大为10 μA。
• 视角（2θ1/2）：在IF=20mA时，为40度（典型值）。这是辐射强度下降到其最大值（轴向）一半时的全角。

测量公差：正向电压：±0.1V；辐射强度：±10%；峰值波长：±1.0nm。

3. 分档系统说明

HIR204C/H0提供不同的性能等级或"分档"，主要基于辐射强度。这使得设计人员可以选择满足其应用特定输出要求的器件。

3.1 辐射强度分档

分档在IF = 20mA的标准测试条件下定义。辐射强度的单位为mW/sr。

• N档：最小值 11.0， 最大值 17.6
• P档：最小值 15.0， 最大值 24.0
• Q档：最小值 21.0， 最大值 34.0
• R档：最小值 30.0， 最大值 48.0

选择更高的分档（例如，R档相对于N档）可确保更高的最低保证辐射输出，这在应用中可转化为更远的距离或更强的信号强度。

4. 性能曲线分析

规格书提供了几条特性曲线，说明了器件在不同条件下的行为。理解这些对于稳健的电路设计至关重要。

4.1 正向电流与环境温度关系

此曲线显示了最大允许连续正向电流随环境温度升高而降额的情况。在25°C时，最大值为100mA。随着温度升高，必须降低此最大电流以防止超过器件的功耗限制并造成热损伤。曲线通常显示从25°C时的100mA线性下降到85°C时的较低值。

4.2 光谱分布

此图表绘制了相对辐射强度与波长的关系。它直观地确认了850nm的峰值波长（λp）和大约45nm的光谱带宽（Δλ）。曲线通常呈高斯形状，中心在850nm。

4.3 辐射强度与正向电流关系

这是一条关键的设计曲线。它显示辐射强度（Ie）随正向电流（IF）增加而增加，但关系并非完全线性，尤其是在较高电流下。存在一个收益递减点，增加电流产生的额外光输出较少，但产生的热量显著增加。设计人员通常根据此曲线和热考虑因素，在推荐连续电流（20mA或100mA脉冲）或以下驱动LED。

4.4 相对辐射强度与角位移关系

此极坐标图说明了LED的空间发射模式。它显示了当您远离中心轴（0°）时强度如何下降。40°的"视角"定义为强度下降到轴向值50%的位置。此信息对于光学设计、确定光束覆盖范围以及将LED与接收器对准至关重要。

5. 机械与封装信息

5.1 封装尺寸

LED采用标准的3.0mm圆形封装。规格书中的详细机械图纸提供了所有关键尺寸，包括：

• 环氧树脂透镜的总直径和高度。
• 引脚直径和长度。
• 从透镜底部到引脚弯曲处的距离。
• 安装平面。

一般公差：除非另有说明，尺寸公差为±0.25mm。必须参考精确图纸进行PCB孔位布局和机械配合。

5.2 极性识别

6. 焊接与组装指南

正确处理对于保持器件可靠性和性能至关重要。

6.1 引脚成型

• 弯曲必须在距离环氧树脂灯泡底部至少3mm的位置进行。
• 始终在焊接元件之前
• 成型引脚。在成型过程中避免对LED封装或其底座施加应力，因为这可能损坏内部连接或使环氧树脂开裂。
• 在室温下剪切引脚。高温剪切可能导致故障。
• 确保PCB孔与LED引脚完美对齐，以避免安装应力。

6.2 储存条件

• 建议收货后储存条件：温度 ≤ 30°C，相对湿度 ≤ 70%。
• 在此条件下的保质期为3个月。
• 如需更长时间储存（最长1年），请将器件置于充有氮气并放有干燥剂的密封容器中。
• 一旦打开原始包装，请在24小时内使用元件。
• 避免在潮湿环境中温度急剧变化，以防止冷凝。

6.3 焊接建议

焊点必须距离环氧树脂灯泡至少3mm。

• 手工焊接：烙铁头温度 ≤ 300°C（适用于最大30W烙铁）。每个引脚焊接时间 ≤ 3秒。
• 波峰焊/浸焊：预热温度 ≤ 100°C，时间 ≤ 60秒。焊锡槽温度 ≤ 260°C，时间 ≤ 5秒。
• 通用规则：
  • 在焊接期间和焊接后器件仍热时，避免对引脚施加应力。
  • 不要进行超过一次的浸焊/手工焊接。
  • 焊接后，在LED冷却至室温前，保护其免受机械冲击/振动。
  • 避免快速冷却过程。
  • 始终使用最低的有效焊接温度和时间。

6.4 清洁

• 如需清洁，请使用室温下的异丙醇，时间不超过一分钟。在室温下风干。
• 避免超声波清洗。如果绝对必要，需要进行广泛的预鉴定，以确保特定的超声波功率和组装条件不会损坏LED芯片或键合线。

6.5 热管理

尽管本规格书未详细列出具体的热阻值，但强调了热管理的重要性。150mW的功耗（Pd）额定值适用于25°C的自由空气环境。在实际应用中，尤其是在较高电流驱动或密闭空间内，LED的结温将会升高。这会降低发光效率和使用寿命。设计人员必须在应用设计阶段考虑散热、PCB铜箔面积和环境条件，以确保LED在安全温度限值内运行。

7. 包装与订购信息

7.1 标签规格

包装上的标签包含用于追溯和识别的关键信息：

• CPN：客户产品编号
• P/N：产品编号（例如，HIR204C/H0）
• QTY：包装内数量
• CAT：发光强度等级（分档代码，例如 N， P， Q， R）
• HUE：主波长等级
• REF：正向电压等级
• LOT No：生产批号
• X：生产月份
• REF：标签参考号

7.2 包装规格

• 一级包装：防静电袋。
• 二级包装：内盒。
• 三级包装：外箱。
• 标准包装数量：
  • 每个防静电袋装200至1000片。
  • 5袋装入1个内盒。
  • 10个内盒装入1个外箱。

8. 应用设计注意事项

8.1 驱动电路设计

要驱动LED，必须使用限流电路。对于基本应用，一个简单的串联电阻通常就足够了。电阻值（R）可以使用欧姆定律计算：R = （电源电压 - Vf） / If。例如，电源电压为5V，Vf为1.45V，期望的If为20mA：R = （5 - 1.45） / 0.02 = 177.5Ω。一个标准的180Ω电阻将是合适的。对于较高电流（例如100mA）的脉冲操作，建议使用晶体管或专用的LED驱动IC来提供必要的电流脉冲。

8.2 光学设计与对准

40度的视角提供了相当宽的光束。对于更长距离或聚焦应用，可以在LED前添加透镜。相反，对于非常宽的覆盖范围，可能需要多个LED。与接收传感器（光电晶体管、红外接收模块）的精确机械对准对于实现最佳系统性能至关重要。应参考空间发射模式曲线以了解离轴角度下的信号强度。

8.3 干扰与抗噪性

红外系统可能容易受到环境光噪声的影响，特别是来自含有红外成分的阳光和白炽灯。缓解策略包括：

• 使用调制的红外信号（例如，38kHz载波）和调谐到相同频率的接收器。
• 在接收器侧添加阻挡可见光但透过850nm红外光的光学滤光片。
• 物理屏蔽LED和接收器对，使其免受直接环境光源的影响。

9. 技术对比与定位

HIR204C/H0在红外LED市场中占据特定位置。与更小的贴片红外LED相比，由于其更大的芯片尺寸和封装，它提供了更高的潜在辐射输出，适用于需要更高功率的应用。与更大的专用大功率红外发射器相比，它更紧凑，更容易用简单电路驱动。其850nm波长是最常见的，确保了与接收器的广泛兼容性。关键差异化因素包括其透明封装（无着色）、便于原型设计的标准2.54mm引脚间距以及定义明确的分档结构以确保输出一致性。

10. 常见问题解答（基于技术参数）

10.1 连续电流（IF）和峰值电流（IFP）有什么区别？

连续正向电流（IF=100mA）是在假设热限值得以遵守的情况下，可以无限期通过LED而不会造成损坏的最大直流电流。峰值正向电流（IFP=1.0A）是仅在非常短的脉冲条件下（脉冲宽度 ≤100μs，占空比 ≤1%）允许的最大电流。这允许用于像远程遥控这样的应用中的短暂高强度光脉冲，但平均功率必须保持在器件的功耗限制内。

10.2 如何选择正确的分档（N， P， Q， R）？

根据您的应用在工作距离和最坏情况条件下（例如，低电量、高温）所需的最低辐射强度进行选择。如果您的设计计算显示您至少需要18 mW/sr，则必须选择Q档（最小值 21.0）或R档（最小值 30.0）。N档（最小值 11.0）不能保证工作。选择更高的分档可提供更大的设计余量。

10.3 为什么焊接距离（距离灯泡3mm）如此重要？

形成透镜的环氧树脂与金属引脚具有不同的热膨胀系数。在距离环氧树脂太近的位置施加高焊接热量会导致热应力，可能引起环氧树脂微裂纹或损坏内部芯片粘接。这些裂纹日后可能导致湿气侵入，从而引发早期故障。3mm的距离允许热量在到达敏感封装之前沿引脚消散。

11. 设计与使用案例研究

11.1 案例：提升消费类红外遥控器的距离

场景：一位设计人员正在设计一款通用遥控器，需要在典型客厅中，即使在轻微角度下，也能在长达10米的距离内可靠工作。

使用HIR204C/H0的设计选择：

1. 驱动电流：设计人员没有使用典型的20mA连续电流，而是使用了脉冲驱动电路。他们以100mA的电流、非常短的占空比（例如0.5%）脉冲驱动LED，以产生高强度脉冲，利用了IFP额定值。这显著提高了峰值光功率，从而提高了有效距离。
2. 分档选择：为确保所有制造单元的性能一致并考虑电池电压下降，设计人员指定了R档LED。这保证了即使在电池寿命末期也能有较高的最低输出。
3. 布局与透镜：两个LED略微分开放置，并彼此成一定角度，以创建更宽的有效光束模式，提高从不同角度击中接收器的机会。在LED上使用一个简单、低成本的塑料透镜盖，使光束略微准直，以获得更好的方向性。
4. 热考虑：由于占空比非常低（0.5%），平均功率很小（100mA * 1.65V * 0.005 = 0.825mW），远低于150mW的Pd额定值。PCB上不需要特殊的散热措施。

此方法展示了理解规格书的脉冲额定值、分档和热参数如何能够为苛刻的应用实现优化、高性价比的设计。

12. 工作原理

红外发光二极管（IR LED）的工作原理与标准可见光LED相同，但使用不同的半导体材料在红外光谱中产生光。HIR204C/H0使用砷化镓铝（GaAlAs）芯片。当在LED的P-N结上施加正向电压时，电子和空穴在半导体有源区复合。此复合过程以光子的形式释放能量。GaAlAs材料的特定带隙能量决定了这些光子的波长，在本例中中心波长约为850纳米，位于近红外区域，人眼不可见。水清环氧树脂封装不会过滤或着色光线，允许最大量的生成红外辐射逸出。

13. 技术趋势

红外发射器领域持续发展。行业中可观察到的总体趋势包括：

• 效率提升：开发新的半导体外延结构，以在相同输入电流（mA）下实现更高的辐射强度（mW/sr），从而提高整体系统能效。
• 小型化：虽然像3mm这样的通孔封装因其坚固性和易用性而仍然流行，但向表面贴装器件（SMD）封装（例如0805、0603）发展的趋势强劲，适用于自动化组装和空间受限的设计，如智能手机（用于接近传感器）和微型物联网设备。
• 波长多样化：虽然850nm和940nm占主导地位，但其他波长在特定应用中的使用日益增长，例如用于医疗设备的810nm或用于气体传感的特定窄带。
• 集成化：将红外LED与驱动电路、调制器甚至光电探测器组合在单个封装中，以创建更智能、更易于使用的"传感器模块"。
• 增强的可靠性数据：现代规格书越来越多地提供更详细的使用寿命和可靠性数据（例如，各种应力条件下的L70、L50数据），以支持对长期性能至关重要的汽车、工业和医疗应用的设计。

HIR204C/H0代表了一个成熟、可靠且广为人知的元件，它受益于这些持续的材料和制造进步，确保了其在广泛的电子设计中持续的相关性。