HSDL-4261 红外发射器规格书 - 870nm波长 - 1.4V正向电压 - 190mW功耗 - 中文技术文档

1. 产品概述

HSDL-4261是一款分立式红外发射器组件，专为需要高速光学数据传输的应用而设计。它采用AlGaAs（铝镓砷）LED技术，产生峰值波长为870纳米的红外光。该器件以其快速开关能力为特点，适用于数字通信接口。

1.1 核心优势

• 高速运行：典型光学上升和下降时间为15纳秒，支持高带宽应用中的数据高速传输。
• 高光功率：提供高辐射强度，为可靠的红外通信提供强信号。
• 符合RoHS标准：作为无铅产品制造，符合环保法规。
• 透明封装：采用透明色封装，不会过滤发射的红外光。

1.2 目标应用

• 工业红外设备
• 红外便携式仪器
• 消费电子产品（例如，光电鼠标）
• 高速红外通信（例如，红外局域网、调制解调器、加密狗）

2. 深入技术参数分析

除非另有说明，所有规格均在环境温度（TA）为25°C下定义。

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。在这些条件下运行无法得到保证。

• 连续正向电流（IFDC）：最大100 mA。
• 峰值正向电流（IFPK）：最大500 mA，在脉冲条件下（占空比=20%，脉冲宽度=100µs）。
• 功耗（PDISS）：最大190 mW。必须根据特性曲线所示，随着环境温度升高而降额使用。
• 反向电压（VR）：最大5 V。
• 存储温度范围（TS）：-40°C 至 +100°C。
• 工作温度范围（TO）：-40°C 至 +85°C。
• 结温（TJ）：最大110°C。
• 引脚焊接温度：最高260°C，最长5秒，烙铁头距离封装本体不小于1.6mm。

2.2 电气与光学特性

这些是在指定测试条件下的典型性能参数。

• 辐射光功率（Po）：在IF=20mA时典型值为9 mW，在IF=100mA时典型值为45 mW。
• 轴向辐射强度（IE）：在IF=20mA时典型值为36 mW/sr，在IF=100mA时典型值为180 mW/sr。
• 峰值发射波长（λPeak）：在IF=20mA时，典型值为870 nm（范围：850 nm 至 890 nm）。
• 光谱线半宽（Δλ）：在IF=20mA时，约为47 nm。
• 正向电压（Vf）：在IF=20mA时典型值为1.4 V，在IF=100mA时典型值为1.7 V。
• 正向电压温度系数（△V/△T）：在IF=20mA时，约为-1.5 mV/°C。
• 视角（2θ1/2）：典型值为26度，定义了发射辐射的角度范围。
• 强度温度系数（△IE/△T）：在IF=100mA时，约为-0.22 %/°C，表明输出随温度升高而降低。
• 波长温度系数（△λ/△T）：在IF=20mA时，约为+0.18 nm/°C。
• 光学上升/下降时间（Tr/Tf）：典型值为15 ns，从光学输出的10%到90%测量。
• 串联电阻（RS）：在IF=100mA时，典型值为4.1 欧姆。
• 二极管电容（CO）：在0V偏压和1 MHz下，典型值为80 pF。
• 热阻（RθJA）：从结到环境（通过引脚）的典型值为280 °C/W。

3. 性能曲线分析

规格书提供了多个图表来说明关键关系。

3.1 正向电流与相对辐射强度关系

该曲线显示，光学输出强度随正向电流超线性增加，尤其是在较高电流下。它突显了电流驱动对于实现所需亮度的重要性。

3.2 正向电压与正向电流关系

该IV特性曲线展示了二极管的典型指数关系。正向电压随电流增加而增加，并且也依赖于温度。

3.3 正向电压与环境温度关系

此图显示了正向电压的负温度系数。在恒定电流下，Vf随温度升高而降低，这对于恒压驱动电路是一个关键考虑因素。

3.4 直流正向电流降额与环境温度关系

这是关乎可靠性的关键图表。它定义了最大允许连续正向电流与环境温度的函数关系。随着温度升高，必须降低最大允许电流，以防止结温超过其110°C的极限。例如，在85°C时，最大直流电流显著低于25°C时的值。

3.5 辐射模式图

该极坐标图说明了发射红外光的空间分布。HSDL-4261的典型视角为26度（半峰全宽），形成中等聚焦的光束，适用于定向通信链路。

4. 机械与封装信息

4.1 外形尺寸

该器件采用标准的通孔LED封装。关键尺寸包括引脚间距、本体直径和总高度。引脚设计为在距离透镜基座至少3mm处进行弯折。规定了法兰盘下方树脂的最小突出量。除非另有说明，所有尺寸公差通常为±0.25mm。

4.2 极性识别

该组件使用标准的LED极性标记。通常，较长的引脚表示阳极（正极连接），而较短的引脚表示阴极（负极连接）。在组装过程中必须进行验证以确保正确操作。

5. 焊接与组装指南

5.1 存储条件

对于长期存储，环境温度不应超过30°C或相对湿度70%。如果从原装防潮袋中取出，组件应在三个月内使用。对于在原包装外进行更长时间的存储，应使用带有干燥剂的密封容器或充氮干燥器。

5.2 清洁

如果需要清洁，仅使用酒精类溶剂，如异丙醇。应避免使用刺激性化学品。

5.3 引脚成型

弯曲必须在室温下并在焊接前进行。弯曲点应距离LED透镜基座至少3mm。弯曲时不应将封装本体作为支点，以免损坏内部芯片粘接或引线键合。

5.4 焊接参数

手工焊接（烙铁）：最高温度260°C，每个引脚最长5秒。烙铁头必须距离环氧树脂透镜基座不小于1.6mm。

波峰焊：预热最高至100°C，最长60秒。焊波温度最高应为260°C，接触时间为5秒。器件浸入深度不应低于环氧树脂灯泡基座2mm。

重要提示：必须避免将透镜浸入焊料中。红外回流焊不适用于这种通孔封装类型。过高的温度或时间会导致透镜变形或灾难性故障。

6. 应用设计注意事项

6.1 驱动电路设计

LED是电流驱动器件。为了确保在并联驱动多个LED时亮度均匀，强烈建议为每个LED串联一个独立的限流电阻。不建议将LED直接并联而不使用单独的电阻，因为它们正向电压（Vf）特性的差异会导致显著的电流不平衡和亮度不均。

6.2 热管理

考虑到280°C/W的热阻（RθJA），必须仔细管理功耗。在最大连续电流（100mA）和典型Vf为1.7V下工作，会产生170mW的功耗。这将导致结温比环境温度升高约47.6°C（170mW * 280°C/W）。在85°C的环境温度下，结温将达到132.6°C，超过了110°C的最大额定值。因此，必须严格遵守图6中的降额曲线。

6.3 静电放电（ESD）防护

该组件易受静电放电损坏。建议的处理预防措施包括：

- 使用接地腕带或防静电手套。

- 确保所有设备、工作站和存储架正确接地。

- 使用离子发生器中和处理过程中可能在塑料透镜上积聚的静电荷。

6.4 光学设计

26度的视角和870nm的波长应与适当的光电探测器（例如，具有匹配光谱响应的PIN光电二极管）相匹配。为了获得最佳范围和信号完整性，尤其是在定向通信链路中，应考虑使用透镜或孔径来准直或聚焦光束。透明封装允许使用外部光学元件，而不会产生固有的过滤效应。

7. 技术对比与差异化

HSDL-4261通过特定的参数组合在红外发射器市场中定位：

速度与功率：它在高速开关（15ns）和相对较高的光功率输出（100mA时典型值45mW）之间提供了平衡。一些发射器可能速度更快但功率较低，或者功率更高但响应较慢。

波长：870nm的峰值波长是许多红外数据链路和遥控系统的通用标准，与可见光或近可见光波长相比，在硅光电探测器灵敏度和较低环境光噪声之间提供了良好的平衡。

封装：标准的通孔封装使其既适用于原型制作，也适用于使用波峰焊的应用，这区别于需要回流焊工艺的表面贴装替代品。

8. 常见问题解答（FAQ）

8.1 我可以用恒压源驱动这个LED吗？

不建议这样做。LED的指数型I-V特性意味着电压的微小变化会导致电流的巨大变化，如果直接用电压源驱动，很容易超过最大额定值。应始终使用串联电阻或恒流驱动器来设定工作点。

8.2 为什么输出强度会随温度降低？

辐射强度的负温度系数（-0.22%/°C）是半导体材料的基本特性。随着温度升高，半导体内部的非辐射复合过程变得更加主导，从而降低了发光效率。

8.3 降额曲线的目的是什么？

降额曲线（图6）对于确保长期可靠性至关重要。它通过限制功耗（从而限制正向电流）来防止LED结温超过其最大额定值（110°C），因为环境温度会升高。忽略此曲线可能导致快速退化和故障。

8.4 这个LED适合连续工作吗？

是的，但必须在绝对最大额定值和降额曲线定义的范围内。对于连续直流工作，在25°C环境温度下正向电流不得超过100mA，并且必须根据图6在更高的环境温度下降低电流。对于具有高峰值电流的脉冲工作，必须遵守占空比和脉冲宽度规格。

9. 实际应用示例

场景：设计一个用于短距离串行通信的简单红外数据发射器。

1. 电路设计：使用微控制器GPIO引脚驱动LED。在LED的阳极串联一个限流电阻。使用公式 R = (Vcc - Vf_LED) / I_desired 计算电阻值。对于3.3V电源，期望电流为50mA，典型Vf为1.5V：R = (3.3V - 1.5V) / 0.05A = 36 欧姆。使用下一个标准值（例如，39 欧姆）。

2. 热检查：LED中的功耗：P = Vf * I = 1.5V * 0.05A = 75mW。结温升：ΔTj = P * RθJA = 0.075W * 280°C/W = 21°C。在最高环境温度85°C下，Tj = 106°C，低于110°C的极限。

3. 软件：配置微控制器在GPIO引脚上生成所需的数字调制（例如，开关键控）。LED的15ns上升/下降时间允许高数据速率。

4. 布局：将LED及其串联电阻靠近驱动引脚，以最小化寄生电感。确保接收器（光电二极管）在发射器26度视角内对准。

10. 工作原理

HSDL-4261是一种基于AlGaAs材料的半导体p-n结二极管。当施加正向偏置电压时，来自n区的电子和来自p区的空穴被注入到结对面的区域。这些注入的少数载流子与多数载流子复合。在像AlGaAs这样的直接带隙半导体中，这些复合中有相当一部分是辐射性的，意味着它们以光子的形式释放能量。所用AlGaAs合金的特定能带隙决定了发射光子的波长，在本例中，该波长在红外光谱中集中在870nm左右。透明的环氧树脂封装保护半导体芯片，提供机械保护，并作为透镜来塑形输出光束。

11. 行业趋势

红外发射器在与HSDL-4261等组件相关的几个关键领域持续发展：

速度提升：光学无线通信（Li-Fi、高速IRDA）中对更高数据速率的需求，推动着具有更快上升/下降时间的发射器的开发。

效率增强：外延生长和芯片设计的改进旨在每单位电输入功率（瓦特）产生更多的光功率（流明或辐射通量），从而减少发热并提高系统效率。

集成化：存在将发射器与驱动电路甚至光电探测器集成在单个封装中的趋势，以创建完整的光学收发模块，简化最终用户的设计。

新波长：虽然870-940nm对于基于硅的接收器仍然是标准，但针对特定应用（如气体传感或人眼安全激光雷达）的其他波长的研究也在进行中。