红外发射器与探测器数据手册 - 透明封装 - 正向电压1.6V - 辐射强度最高7.669 mW/sr - 中文技术文档

1. 产品概述

本文档详述了一款微型、低成本红外发射与探测组件的规格，该组件采用透明塑料封装。器件设计用于端视应用，即其有效传感/发射区域位于封装末端。它根据特定的辐射强度和孔径辐射入射度范围进行筛选和分级，确保在需要精确光学输出或灵敏度的应用中性能一致。透明封装在有效传输红外光的同时，为半导体芯片提供了物理保护。

2. 深入技术参数分析

2.1 绝对最大额定值

器件在以下绝对极限范围内可保证可靠工作，超出此范围可能导致永久性损坏。其功耗额定值为90 mW。在脉冲工作模式下，当脉冲频率为300Hz、脉宽为10微秒时，可承受1安培的峰值正向电流。最大连续正向电流为60 mA。组件可承受高达5伏的反向电压。工作温度范围为-40°C至+85°C，存储温度范围为-55°C至+100°C。在组装时，引脚可在260°C的温度下焊接，持续时间最长为5秒，测量点距离封装本体1.6mm。

2.2 电气与光学特性

所有电气和光学参数均在环境温度（T_A）为25°C时规定。关键参数定义了器件在标准测试条件下的性能。

• 孔径辐射入射度（E_e）：该参数以mW/cm²为单位，表示入射到探测器有效区域的光功率密度。测试条件为正向电流（I_F）20mA。其值按等级划分，范围从最小值0.096 mW/cm²（等级A1）到典型最大值1.020 mW/cm²（等级C）。
• 辐射强度（I_E）：以mW/sr（毫瓦每球面度）为单位，定义了红外发射器每单位立体角发射的光功率。同样在I_F=20mA条件下测试，范围从0.722 mW/sr（等级A1）到7.669 mW/sr（等级C）。
• 峰值发射波长（λ_峰值）：红外发射器的输出中心波长为标称940纳米。
• 光谱线半宽（Δλ）：强度至少为峰值一半的光谱带宽通常为50 nm，表明这是一个相对窄带的红外光源。
• 正向电压（V_F）：器件在导通20mA电流时，其两端的压降典型值为1.6伏，最大值为1.6V。
• 反向电流（I_R）：当施加5V反向偏压时，最大漏电流为100 µA。
• 视角（2θ_1/2）：辐射强度降至0度（轴向）值一半时的角度展宽为60度。这定义了光束模式或视场角。

3. 分级系统说明

该组件采用主要基于其光学输出特性的分级系统。这确保了特定等级内的器件具有高度匹配的性能，这对于需要一致性的应用（如阵列或成对的发射器-探测器系统）至关重要。

• 辐射强度 / 孔径辐射入射度分级：器件被分为A1、A、B、C和D等级。每个等级对应辐射强度（I_E）和孔径辐射入射度（E_e）的最小值和典型/最大值范围。例如，C等级器件在20mA驱动下，其I_E值介于3.910至7.669 mW/sr之间，E_e值介于0.520至1.020 mW/cm²之间。这使得设计人员能够根据应用所需的光功率水平精确选择组件，从而优化信号强度和系统性能。

4. 性能曲线分析

数据手册包含多张图表，说明了器件在不同条件下的行为。

• 图1 - 光谱分布：该曲线显示了相对辐射强度随波长的变化关系。它确认了940nm处的峰值发射以及大约50nm的半宽，有助于了解红外输出的光谱纯度。
• 图2 - 正向电流与环境温度关系：此图描绘了最大允许连续正向电流随环境温度升高而降额的情况。这对于热管理和确保器件在其安全工作区内运行至关重要。
• 图3 - 正向电流与正向电压关系：这是电流-电压特性曲线。它显示了施加的正向电压与产生的电流之间的关系，突出了器件的典型开启电压和动态电阻。
• 图4 - 相对辐射强度与环境温度关系：该曲线说明了光输出功率（相对于其在20mA和25°C时的值）如何随温度变化。通常，LED输出会随温度升高而降低，此图量化了这种关系。
• 图5 - 相对辐射强度与正向电流关系：这显示了光输出功率随驱动电流变化的函数关系。通常呈超线性关系，但该曲线有助于设计人员了解不同电流水平下的效率和饱和点。
• 图6 - 辐射方向图：这个极坐标图直观地表示了视角或辐射模式。同心圆表示相对强度（从中心的0到外缘的1.0），角度线显示了分布情况。曲线与0.5相对强度圆相交的点证实了2θ_1/2= 60°的规格。

5. 机械与封装信息

5.1 封装尺寸

器件采用微型塑料端视封装。关键尺寸说明包括：所有尺寸单位为毫米（括号内为英寸）；除非另有说明，标准公差为±0.25mm；法兰下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。数据手册中引用了精确的尺寸图，定义了总长度、本体直径、引脚直径和间距，这些对于PCB焊盘设计至关重要。

5.2 极性识别

对于径向引线封装的IR发射器/探测器，极性通常通过器件的物理特征来指示，例如封装本体上的平面或一个引脚比另一个短。具体的识别方法应与详细的封装图纸交叉参考。正确的极性连接对于正常工作至关重要。

6. 焊接与组装指南

该组件适用于标准焊接工艺。规定的关键参数是引脚焊接温度：260°C，最长5秒，测量点定义为距离封装本体1.6mm（0.063英寸）。此指南对于波峰焊或手工焊至关重要，可防止内部半导体芯片或塑料封装受到热损伤。对于回流焊，应使用具有类似热限值的通孔元件的标准温度曲线。组件应在规定的-55°C至+100°C温度范围内、干燥环境中存储，以防止吸湿，吸湿可能导致回流焊时出现“爆米花”现象。

7. 应用建议

7.1 典型应用场景

这款红外发射/探测器对适用于广泛的接近感应、物体检测和数据传输应用。常见用途包括：

• 物体/接近感应：用于自动售货机、打印机或工业设备中，检测物体的存在与否。
• 槽式传感器：用于检测打印机中的纸张或验证器中的票据。
• 简单数据链路：用于遥控器或隔离通信通道的低速、短距离红外数据传输。
• 编码器：用于旋转或线性编码器中进行位置反馈，其中遮光片在发射器和探测器之间通过。

7.2 设计考量

使用此组件进行设计时，必须考虑以下几个因素：

• 限流：对于发射器，必须串联一个电阻以将正向电流限制在所需水平（≤60mA连续，≤1A脉冲）。电阻值使用电源电压（V_CC）、所需I_F和典型V_F计算（例如，R = (V_CC- V_F) / I_F）。
• 探测器偏置与放大：光电探测器通常需要反向偏置（最高5V），其输出电流非常小（与E_e相关）。通常需要一个跨阻放大器将这个小光电流转换为可用的电压信号。
• 光学对准：对于成对的发射器-探测器应用，精确的机械对准对于最大化信号强度至关重要。60度的视角提供了一定的容差。
• 环境光抑制：由于该器件对940nm光敏感，可能会受到阳光或其他红外光源的影响。使用调制的红外信号和同步检测（例如遥控器中常见的38kHz载波）可以显著提高抗噪能力。
• 热管理：在高温环境下，必须参考降额曲线（图2），以避免超过最大功耗。

8. 技术对比与差异化

与其他红外组件相比，此器件的关键差异化在于其透明塑料封装和精确的光学分档。许多红外LED和光电二极管使用有色（如蓝色、黑色）封装来过滤可见光，但也可能略微衰减所需的红外波长。透明封装在940nm处可能提供更高的传输效率。对辐射强度和入射度的严格分档确保了可预测且一致的系统性能，这优于未分档或分档宽松的部件，后者的性能可能在各个单元间差异很大。微型尺寸和低成本使其适合大批量消费和商业应用。

9. 常见问题解答（基于技术参数）

问：孔径辐射入射度（E_e）和辐射强度（I_E）有何区别？

答：E_e是入射到表面（探测器有效区域）的功率密度（mW/cm²）度量。I_E是发射器每单位立体角的功率输出（mW/sr）度量。两者相关，但分别描述了探测器和发射器侧的性能。

问：我可以用5V电源直接驱动发射器吗？

答：不可以。在典型V_F为1.6V的情况下，直接连接5V会导致电流过大，很可能损坏LED。必须使用限流电阻。

问：如何为我的应用选择正确的等级？

答：根据所需的信号强度选择。对于长距离或低反射率感应，较高等级（C、D）提供更强的光功率。对于短距离或高灵敏度探测器电路，较低等级可能就足够且更具成本效益。系统中多个单元间的一致性也可能决定等级的选择。

问：视角规格对探测器意味着什么？

答：对于探测器，60度视角（2θ_1/2）定义了其视场。从轴线±30度锥角内入射的光将以合理的灵敏度被检测到。此角度外的光基本被忽略，这有助于抑制来自不需要方向的杂散光。

10. 实际应用示例

设计案例：打印机缺纸传感器

在此应用中，红外发射器和探测器安装在纸张路径的两侧。当有纸张时，纸张将发射器的红外光束反射到探测器。当纸盘为空时，光束不受阻碍地传播，不会被反射回探测器（或照射到不同的反射面）。探测器电路监测接收到的信号电平。一个关键的设计步骤是选择合适的等级（例如B级），以确保即使纸张反射率有变化，来自纸张的反射信号也足够强，能够可靠地区分于“无纸”状态。发射器的驱动电流通过电阻设置为20mA，提供参考光输出。探测器的输出馈入比较器，其阈值设置在“有纸”和“无纸”电压电平之间。60度的视角有助于确保即使在打印机组装过程中存在轻微错位，传感器也能正常工作。

11. 工作原理简介

该器件由两个主要半导体组件组成：红外发光二极管和光电二极管。红外LED基于电致发光原理工作。当正向偏置时，电子和空穴在半导体有源区复合，以光子的形式释放能量。其材料成分（通常基于砷化镓）经过设计，使得该光子能量对应于红外光谱中的波长，具体约为940nm。光电二极管则以相反方式工作。能量大于半导体带隙的入射光子被吸收，产生电子-空穴对。这些电荷载流子被反向偏置结的内部电场分开，产生与入射光强度成正比的光电流。透明塑料封装充当透镜和窗口，保护精密的半导体芯片，同时允许940nm红外辐射高效通过。

12. 技术趋势与发展

在用于传感的光电领域，有几个趋势与此类组件相关。持续推动小型化，表面贴装器件封装比通孔类型更普遍，以适应自动化组装。更高集成度是另一个趋势，即将发射器、探测器和信号调理电路（放大器、比较器）组合成单个模块，简化最终用户的设计。对改善信噪比和环境光抑制的需求正在推动使用特定波长波段和集成到封装中的先进光学滤波技术。此外，物联网和可穿戴设备中的应用正在推动对更低功耗组件的需求，同时保持足够的感应范围和可靠性。虽然此特定组件代表了一种成熟且具有成本效益的解决方案，但更新的设计通常会融入这些不断发展的需求。