5mm 透明封装红外发射管技术规格书 - 直径5mm - 正向电压1.8V - 辐射强度4.81mW/sr

1. 产品概述

本文档详细阐述了一款采用透明塑料封装的高功率微型红外发光二极管的技术规格。该器件为端面发射型设计，适用于需要可靠红外照明的应用场景。其主要功能是将电流转换为红外辐射，通常用于传感、检测和通信系统，并常与兼容的光电探测器配对使用。

2. 深入技术参数分析

2.1 绝对最大额定值

本器件设计为在规定的环境和电气极限内可靠工作。超出这些额定值可能导致永久性损坏。

• 功耗：150 mW。这是器件在任何工作条件下可安全耗散为热量的最大功率。
• 峰值正向电流：2 A。这是最大允许脉冲电流，规定条件为每秒300个脉冲，脉冲宽度10微秒。该值远高于连续额定值，允许短暂的高强度光脉冲。
• 连续正向电流：100 mA。这是可无限期施加于LED而不致损坏的最大直流电流。
• 反向电压：5 V。施加超过此值的反向偏压可能导致半导体结击穿。
• 工作温度范围：-40°C 至 +85°C。保证器件在此环境温度范围内正常工作。
• 存储温度范围：-55°C 至 +100°C。器件可在此更宽的温度范围内非工作状态下存储。
• 引脚焊接温度：260°C 持续5秒，测量点距封装本体1.6mm。此定义了组装工艺的热分布容差。

2.2 电气与光学特性

这些参数在标准环境温度25°C下测量，定义了器件在正常工作条件下的性能。大多数光学参数的测试条件为正向电流（I_F）20 mA。

• 孔径辐射照度（E_e）：0.64 mW/cm²（最小值）。此参数测量发射器孔径处单位面积的辐射功率。对于发射器靠近探测器放置的应用，这是一个关键参数。
• 辐射强度（I_E）：4.81 mW/sr（最小值）。这是每单位立体角（球面度）发射的辐射功率。它是衡量LED在红外光谱中输出“亮度”的主要指标，对于计算远距离照度至关重要。
• 峰值发射波长（λ_峰值）：880 nm（典型值）。器件发射的红外光中心波长在此附近。这属于近红外区域，人眼不可见，但易被硅光电探测器检测。
• 光谱线半宽（Δλ）：50 nm（最大值）。此参数规定了发射光功率至少为其峰值一半时的波长范围。50 nm的值表明光谱输出宽度适中，这是标准红外LED的典型特征。
• 正向电压（V_F）：1.3 V（最小值），1.8 V（最大值），测试条件 I_F=20mA。这是LED工作时两端的电压降。对于设计限流电路至关重要。
• 反向电流（I_R）：100 µA（最大值），测试条件 V_R=5V。这是器件反向偏置时流过的微小漏电流。
• 视角（2θ_1/2）：40°（典型值）。这是辐射强度降至其最大值（轴向）一半时的全角。40°的宽光束适用于需要大面积覆盖的应用。

3. 性能曲线分析

规格书提供了器件在不同条件下行为的几种图形表示。

3.1 光谱分布

光谱输出曲线（图1）显示了相对辐射强度随波长的变化关系。它确认了峰值发射波长约为880 nm，呈典型的钟形曲线，向两侧逐渐减弱。半宽可从此图进行视觉估算。

3.2 正向电流与正向电压关系

I-V曲线（图3）说明了施加的正向电压与产生的电流之间的非线性关系。它显示了二极管的典型指数开启特性。规定的20mA下的V_F范围可在此曲线上交叉参考。

3.3 相对辐射强度与正向电流关系

此曲线（图5）展示了光输出功率如何随驱动电流增加而增加。在相当大的范围内通常是线性的，但在极高电流下可能表现出饱和或效率下降。此图对于确定达到所需输出水平所需的驱动电流至关重要。

3.4 相对辐射强度与环境温度关系

温度依赖性曲线（图4）显示LED的输出功率随结温升高而降低。这是半导体光源的基本特性。该图使设计者能够为高温工作环境降低预期输出。

3.5 辐射方向图

极坐标辐射图（图6）提供了视角的直观表示。它绘制了相对于中心轴角度的相对强度，清晰地显示了强度降至50%时的40°半角。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

器件采用标准的5mm直径、端面发射、透明塑料封装（通常称为T-1 3/4封装）。关键尺寸说明包括：

• 所有尺寸均以毫米为单位提供，并附有英寸等效值。
• 除非另有说明，否则适用±0.25mm的标准公差。
• 凸缘下方树脂的最大突出量为1.5mm。
• 引脚间距在引脚伸出封装本体的位置测量。

封装为透明材质，允许红外光以最小吸收通过。引脚通常由镀锡铜合金制成。

4.2 极性识别

对于此类封装，较长的引脚通常表示阳极（正极连接），较短的引脚表示阴极（负极连接）。此外，封装边缘靠近阴极引脚处可能有一个平面标记。必须正确识别极性，器件才能发光。

5. 焊接与组装指南

引脚焊接的绝对最大额定值为260°C，持续5秒，测量点距封装本体1.6mm。此额定值适用于手工焊接或波峰焊接工艺。

• 回流焊接：虽然未明确指定用于回流焊，但260°C的极限表明它可能耐受某些回流焊温度曲线。然而，强烈建议采用峰值温度较低（例如245°C）且升温速率受控的温度曲线，以最大限度地减少对塑料封装和内部键合线的热应力。
• 一般注意事项：避免对引脚施加过大的机械应力。不要在封装根部弯曲引脚。必要时，在焊接过程中使用适当的散热措施。
• 存储条件：在规定的温度范围（-55°C至+100°C）内，储存在干燥、防静电的环境中，以防止吸湿和其他性能退化。

6. 应用建议

6.1 典型应用场景

这款红外发射管非常适合各种光电应用，包括：

• 物体检测与传感：用于接近传感器、物体计数器、液位检测系统，通常与提及的LTR-3208系列等光电晶体管配对，形成光断续器或反射式传感器。
• 遥控系统：作为消费电子产品红外遥控器中的发射器。
• 光数据链路：实现短距离无线串行数据通信。
• 安防系统：用于夜视摄像机的红外照明或作为入侵检测光束的一部分。

6.2 设计考量

• 限流：LED是电流驱动器件。务必使用串联限流电阻或恒流驱动电路，以防止超过最大连续正向电流，特别是因为正向电压存在一个范围（1.3V-1.8V）。
• 热管理：虽然功耗较低，但在高连续电流或高环境温度下工作会降低输出和寿命。必要时确保充分通风。
• 光学匹配：规格书指出，该器件在机械和光谱上与特定的光电晶体管匹配。使用推荐的探测器可确保在880nm峰值波长处获得最佳灵敏度，并在组装模块中实现物理对准。
• 电路保护：考虑增加针对反向电压尖峰或静电放电的保护，因为最大反向电压仅为5V。

7. 技术对比与差异化

区分此红外发射管的关键特性包括：

• 精选强度范围：器件经过分选或精选以满足特定的辐射强度规格，确保生产一致性。
• 高功率输出：在20mA下4.81 mW/sr的最小辐射强度对于标准5mm封装具有竞争力，可提供良好的信号强度。
• 宽视角（40°）：提供宽广的覆盖范围，这对于对准要求不高的接近传感和反射式传感应用具有优势。
• 透明封装：与有色或漫射封装不同，透明透镜可最大化正向光输出，并且对发射光的颜色呈中性，非常适合红外应用。
• 与探测器系列匹配：这简化了使用配对光电晶体管的系统设计和采购，保证了光学和机械兼容性。

8. 常见问题解答（基于技术参数）

8.1 使用5V电源时应使用多大阻值的电阻？

使用欧姆定律（R = (V_电源- V_F) / I_F) 并假设目标 I_F为20mA，电阻值取决于实际的 V_F。为确保电流绝不超过20mA的最坏情况设计，使用最小 V_F（1.3V）。R = (5V - 1.3V) / 0.02A = 185 欧姆。最接近的标准值为180欧姆。这提供了约20.6mA的最大电流，是安全的。额定功率：P = I²R = (0.02)² * 180 = 0.072W，因此1/8W或1/4W的电阻足够。

8.2 我可以用微控制器引脚直接驱动它吗？

通常不行。大多数微控制器GPIO引脚的电流源/灌电流限制为20-40mA，这正好处于此LED工作点的边缘。即使在限制范围内，引脚的输出电压也会在负载下下降，使得电流控制不精确。始终建议使用晶体管（例如NPN BJT或N沟道MOSFET）作为由微控制器引脚驱动的开关，以独立控制LED电流。

8.3 温度如何影响性能？

如图4所示，相对辐射强度随环境温度升高而降低。在+85°C时，输出可能仅为25°C时的60-80%。相反，在极低温度下，输出可能更高。这必须纳入系统灵敏度计算中，特别是对于户外或高可靠性应用。正向电压（V_F）也具有负温度系数，意味着它随温度升高而略有下降。

8.4 辐射照度与辐射强度有何区别？

辐射强度（I_E，mW/sr）是功率的角度度量——它描述了向特定方向（每球面度）发射了多少功率。它与距离无关。孔径辐射照度（E_e，mW/cm²）是功率密度的面积度量——它描述了在光源孔径处单位面积上通过了多少功率。E_e更适用于探测器基本位于发射器表面的极近距离应用，而I_E则与平方反比定律结合使用，以计算远距离的辐照度。

9. 设计与使用案例研究

场景：为打印机设计纸张计数器。

需要一个光断续器传感器来计算通过打印机机构的纸张张数。一个U型支架将红外发射管固定在一侧，将匹配的光电晶体管固定在另一侧。当没有纸张时，来自发射管的红外光直接照射到探测器上，使其导通。当一张纸通过间隙时，它会阻挡红外光束，导致探测器的导通下降。

元件选择依据：

• 选择此红外发射管是因为其高辐射强度（最小值4.81 mW/sr），确保即使支架对准不完美或有灰尘积聚，也能有强信号到达探测器。
• 其40°的宽视角是有益的，因为它为安装在U型支架不同臂上的发射管和探测器之间的轻微机械错位提供了容差。
• 其与LTR-3208光电晶体管的光谱匹配保证了探测器在发射的880nm波长处最敏感，从而最大化信噪比。
• 其透明封装是理想的，因为它不会不必要地衰减红外光。

电路实现：发射管由恒定的20mA电流源驱动，以获得一致的输出。光电晶体管以共发射极配置连接，并带有上拉电阻。比较器或微控制器ADC引脚监测光电晶体管集电极的电压。通过的纸张会引起明显的电压跳变，该跳变由微控制器的固件进行计数。

10. 工作原理简介

红外发光二极管是一种半导体p-n结二极管。当施加超过结内建电势的正向电压时，来自n区的电子被注入穿过结进入p区，而来自p区的空穴被注入到n区。这些注入的少数载流子（p区中的电子，n区中的空穴）与多数载流子复合。在用于红外发射的直接带隙半导体材料（如砷化镓或类似化合物）中，这些复合的很大一部分是辐射复合.

。在辐射复合过程中，复合的电子-空穴对的能量以光子的形式释放。该光子的波长（λ）由半导体材料的带隙能量（E_g）决定，根据公式 λ = hc / E_g，其中h是普朗克常数，c是光速。对于880 nm的发射峰值，相应的带隙能量约为1.41 eV。透明的环氧树脂封装保护半导体芯片，提供机械保护，并作为透镜来塑造发射光的辐射方向图。

11. 技术趋势

虽然红外LED的基本原理保持稳定，但有几个趋势影响着它们的发展和应用：

• 功率与效率提升：持续的材料科学和芯片设计改进带来了具有更高辐射强度和电光转换效率（光功率输出/电功率输入）的器件，从而实现更亮的信号或更低的功耗。
• 存在向表面贴装器件封装（如0805、0603、芯片级）的强烈趋势，以实现自动化组装，减小尺寸和成本。通孔5mm封装在原型制作、教育用途以及需要更高单器件输出或更容易手动组装的应用中仍然很受欢迎。波长专业化：
• 除了常见的850-940 nm LED外，特定波长在专业应用中的使用日益增长，例如用于医疗脉搏血氧仪的810nm或用于人眼安全激光雷达的1450nm。集成化：
• 发射管越来越多地与驱动器、调制器，有时甚至与探测器集成到单个模块或集成电路中，从而简化了数据通信和传感的系统设计。应用扩展：
• 物联网、可穿戴设备、汽车激光雷达和先进生物特征传感（如面部识别、静脉检测）的普及，持续推动着对具有特定性能特征的可靠、低成本红外发射管的需求。The proliferation of the Internet of Things (IoT), wearable devices, automotive LiDAR, and advanced biometric sensing (e.g., facial recognition, vein detection) continues to drive demand for reliable, low-cost IR emitters with specific performance characteristics.