IR204C-A 3mm 红外发光二极管规格书 - T-1封装 - 940nm峰值波长 - 100mA正向电流 - 中文技术文档

1. 产品概述

IR204C-A是一款采用标准3毫米（T-1）透明塑料封装的高强度红外发光二极管。其主要功能是发射峰值波长为940nm的红外光，其光谱与常见的硅光敏晶体管、光电二极管及红外接收模块完美匹配。该器件专为需要可靠、高效红外传输的应用而设计。

1.1 核心优势

• 高辐射强度：提供强大的光输出，适用于中远距离应用。
• 高可靠性：专为稳定和长期性能而设计。
• 低正向电压：在20mA电流下典型值为1.5V，有助于实现节能运行。
• 环保合规：产品无铅，符合欧盟REACH法规，并满足无卤标准（Br < 900ppm，Cl < 900ppm，Br+Cl < 1500ppm）。
• 标准封装：采用熟悉的T-1（3mm）外形，引脚间距为2.54mm，确保易于集成到现有设计和原型板中。

1.2 目标应用

• 高功率要求的红外遥控单元。
• 自由空间光数据传输系统。
• 烟雾探测传感器。
• 通用红外传感与屏障系统。
• 工业自动化与物体检测。

2. 深入技术参数分析

本节对规格书中定义的关键电气和光学参数提供详细、客观的解读。理解这些极限值和典型值对于设计稳健的电路至关重要。

2.1 绝对最大额定值

这些是任何条件下（即使是瞬间）都不得超越的应力极限。超出这些额定值运行可能导致永久性损坏。

• 连续正向电流 (I_F)：100 mA。只要功耗和温度限制得到遵守，LED可以在此电流水平下连续工作。
• 峰值正向电流 (I_FP)：1.0 A。此高电流仅在脉冲条件下允许（脉冲宽度 ≤ 100μs，占空比 ≤ 1%）。这对于在突发模式应用（如远距离遥控）中实现非常高的瞬时辐射输出非常有用。
• 反向电压 (V_R)：5 V。LED的反向电压耐受能力有限。电路设计中必须注意防止超过此限制的反向偏置，这可能是由感性负载或不当的上电时序引起的。
• 功耗 (P_d)：在25°C或更低的环境空气温度下为150 mW。此额定值随环境温度升高而降低。实际工作电流必须根据结温进行降额，以确保在安全限值内。
• 焊接温度 (T_sol)：最高260°C，持续时间不超过5秒。这定义了回流焊温度曲线的约束条件。

2.2 光电特性

这些参数定义了器件在正常工作条件下（Ta=25°C）的性能。

• 辐射强度 (I_e)：这是单位立体角内光输出功率的主要度量单位（mW/sr）。
  • 在 I_F= 20mA (DC) 时：典型值为 7.8 mW/sr，最小值为 4.0 mW/sr。
  • 在 I_F= 100mA (脉冲) 时：典型辐射强度显著上升。
  • 在 I_F= 1A (脉冲) 时：可提供 390 mW/sr 的典型输出，展示了其高功率脉冲工作的能力。
• 峰值波长 (λ_p)：940 nm（典型值）。此波长非常理想，因为它与硅基光电探测器的峰值灵敏度良好匹配，同时对人眼基本不可见，并且具有良好的大气透射率。
• 光谱带宽 (Δλ)：约 45 nm（典型值）。这定义了发射光在半峰全宽（FWHM）处的光谱宽度。
• 正向电压 (V_F)：
  • 在20mA时：典型值1.5V，最小值1.2V，对于计算串联电阻值至关重要。
  • 在100mA（脉冲）时：典型值1.4V，最大值1.8V。V_F随电流增加而增加，这是由于二极管内阻所致。
  • 在1A（脉冲）时：典型值2.6V，最大值4.0V，显示在高电流脉冲条件下显著增加。
• 视角 (2θ_1/2)：40度（典型值）。这是辐射强度下降到其轴向值一半时的全角。40°的视角在光束集中度和覆盖范围之间提供了良好的平衡。

3. 分档系统说明

规格书中包含辐射强度的分档表，这是根据实测性能对LED进行分类的常见做法。

3.1 辐射强度分档

在 I_F= 20mA 的条件下，LED根据其测量的辐射强度被分入不同的档位（K, L, M, N）。

• K档：4.0 - 6.4 mW/sr
• L档：5.6 - 8.9 mW/sr
• M档：7.8 - 12.5 mW/sr
• N档：11.0 - 17.6 mW/sr

设计影响：对于需要一致光信号强度的应用（例如，具有规定距离的遥控器），指定更窄的档位（如单一档位）或更高的最低档位可以确保生产批次间性能更均匀。档位代码通常在订购信息或产品标签上标明。

4. 性能曲线分析

典型特性曲线为了解器件在不同条件下的行为提供了宝贵的见解。

4.1 正向电流与正向电压关系 (图4)

此IV曲线显示了指数关系。该曲线会随温度变化；对于给定电流，正向电压通常随结温升高而降低。

4.2 相对强度与环境温度关系 (图7)

此图表对于热管理至关重要。LED的辐射输出随其结温升高而降低。该曲线量化了这种降额，告知设计者更高的环境温度或不足的散热将导致更低的光输出。在旨在全工作温度范围（-40°C 至 +85°C）内运行的系统设计中，必须考虑这一点。

4.3 光谱分布与峰值波长随温度变化 (图2 & 图3)

图2显示了以940nm为中心的典型发射光谱。图3说明了峰值波长如何随温度漂移。红外LED的波长通常具有正温度系数（即 λ_p随温度升高而增加）。这种漂移在探测器具有窄光谱响应的应用中非常重要。

4.4 角度辐射分布图 (图6)

此极坐标图描绘了相对辐射强度作为与中心轴角度位移的函数。40°的视角在此得到确认。对于此类封装，其分布模式通常是朗伯型或接近朗伯型，这意味着强度近似与视角的余弦值成正比。

5. 机械与封装信息

5.1 封装尺寸

该器件采用标准的T-1（直径3mm）圆形封装。规格书中的关键尺寸说明包括：

• 所有尺寸单位均为毫米（mm）。
• 除非另有说明，标准公差为 ±0.25mm。
• 引脚间距为2.54mm（0.1英寸），与标准穿孔板和许多插座兼容。

5.2 极性识别

对于标准的T-1 LED，阴极通常通过塑料透镜边缘的平口和/或较短的引脚来识别。应查阅本器件的规格书以获取具体的标记信息。

6. 焊接与组装指南

• 回流焊接：最高焊接温度为260°C，在此温度或以上的时间不得超过5秒。标准的无铅回流焊温度曲线适用。
• 手工焊接：如果必须进行手工焊接，应使用温控烙铁，并尽量减少每个引脚的焊接时间（通常在350°C下 < 3秒），以防止对塑料封装和半导体芯片造成热损伤。
• 储存条件：储存温度范围为-40°C至+85°C。元件在使用前应保存在其原始的防潮袋中，以防止吸湿，吸湿可能导致在回流焊过程中发生“爆米花”效应。

7. 包装与订购信息

7.1 包装规格

• 标准包装：每袋200至1000片。
• 5袋装为1盒。
• 10盒装为1箱。

7.2 标签信息

产品标签包含关键的可追溯性和规格数据：

• CPN（客户料号）
• P/N（制造商料号：IR204C-A）
• QTY（包装数量）
• 等级/分档代码（例如，辐射强度）
• HUE（峰值波长信息）
• LOT No.（可追溯的批次号）

8. 应用设计建议

8.1 驱动电路设计

LED必须通过限流元件驱动，通常是串联在电压源上的电阻。电阻值 (R_s) 的计算公式为：R_s= (V_supply- V_F) / I_F。使用规格书中针对所选工作电流的最大 V_F值，以确保电流不超过期望值。例如，对于5V电源，目标 I_F为20mA，使用最大 V_F1.5V：R_s= (5 - 1.5) / 0.02 = 175 Ω。一个标准的180 Ω电阻将是合适的。对于高电流脉冲操作，需要使用晶体管开关（BJT或MOSFET）。

8.2 热管理考量

虽然T-1封装的散热能力有限，但在高达100mA的连续电流下，确保足够的气流或考虑功耗 (P_d= V_F* I_F) 非常重要。如果在高环境温度下接近最大电流连续工作，结温可能会升高，从而降低输出并可能影响寿命。

8.3 光学设计

透明透镜适合与外部透镜或反射器配合使用，以准直或塑形光束，适用于远距离传输等特定应用。940nm波长能被许多用于透镜和窗口的常见塑料良好透射。

9. 技术对比与差异化

IR204C-A凭借以下关键差异化因素定位自身：

• 高脉冲功率能力：1A的峰值电流额定值允许实现非常高的瞬时光输出，这优于仅额定较低脉冲电流的LED。
• 标准化封装与高性能：与许多基础红外LED相比，它在常见、易用的T-1封装中提供了更高的辐射强度。
• 环保合规：完全符合现代环保法规（RoHS、REACH、无卤），对于面向全球市场的产品是一个显著优势。
• 光谱匹配：明确提及与常见探测器光谱匹配，简化了设计师构建完整光学系统的选型过程。

10. 常见问题解答 (基于技术参数)

1. 问：我可以直接用3.3V微控制器引脚驱动这个LED吗？
   答：不可以。微控制器引脚无法安全地持续提供20mA电流，并且缺乏限流功能。您必须使用串联电阻和晶体管开关。LED的 V_F(1.5V) 低于3.3V，因此在电压上是兼容的，但电流必须由外部控制。
2. 问：辐射强度 (mW/sr) 和辐射功率 (mW) 有什么区别？
   答：辐射强度是角密度——单位立体角内的功率。辐射功率（或光通量）是所有方向发射的总功率。要找到总功率，需要在整个发射分布图上对强度进行积分。规格书提供的是强度，这对于计算给定方向、一定距离处的辐照度更有用。
3. 问：为什么峰值波长940nm比850nm更受青睐？
   答：940nm比850nm对人眼更不可见（暗红色光），在消费类设备中干扰更小。两者都能被硅良好探测，但940nm在某些光源（如阳光和白炽灯泡）产生的环境光干扰方面可能略低，因为这些光源在850nm区域有强发射。
4. 问：如何选择正确的分档？
   答：如果您的应用在接收端有最低要求的信号强度，请使用某个分档的最小值来确保所有部件都满足它。例如，如果您需要至少6 mW/sr，请指定L档或更高。对于成本敏感且允许一定变化的应用，较宽的分档或默认提供的档位可能就足够了。

11. 实际设计与使用示例

11.1 远距离红外遥控

场景：设计一个遥控器，必须在光线适中的客厅内15米距离处可靠工作。
实现方案：在脉冲模式下使用LED。使用由编码器IC控制的MOSFET开关，以短脉冲（例如50μs）、高电流脉冲（例如500mA）驱动它。这为远距离传输提供了高峰值辐射强度（参考1A脉冲数据），同时保持平均功率较低。可以添加一个简单的塑料透镜来进一步准直光束。940nm波长最大限度地减少了可见光。

11.2 接近或物体检测传感器

场景：创建一个检测范围为10-50厘米的非接触式物体检测系统。
实现方案：将IR204C-A与匹配的光敏晶体管配对。使用恒流源以适中的连续电流（例如50mA）驱动LED，以获得稳定的光输出。以特定频率（例如38kHz）调制LED电流，并在光敏晶体管侧使用调谐接收器。这种调制技术使系统对来自阳光或室内灯光等环境光波动具有高度免疫力，大大提高了信噪比和可靠性。

12. 工作原理

红外发光二极管（IR LED）是一种半导体p-n结二极管。当正向偏置时，来自n区的电子与来自p区的空穴在有源区复合。对于像IR204C-A这样的红外LED，半导体材料（通常为砷化镓铝 - GaAlAs）的能带隙使得此复合过程中释放的能量对应于红外光谱中的光子（波长约940nm）。透明的环氧树脂封装充当透镜，将发射光塑造成特征性的视角。发射光的强度与流过二极管的正向电流成正比，直至达到器件的物理极限。

13. 技术趋势

红外LED技术正与可见光LED技术同步发展。影响IR204C-A等器件的关键趋势包括：

• 效率提升：持续的材料科学研究旨在提高红外LED的插墙效率（光功率输出 / 电功率输入），从而在更低的驱动电流下实现更高的输出或减少发热。
• 更高功率密度：芯片级封装的发展和改进的热管理材料使得红外LED能够在更小的外形尺寸下承受更高的连续和脉冲电流。
• 集成化：存在将红外发射器与驱动IC、光电探测器甚至微控制器集成到单一模块中，用于特定应用（如接近传感器、手势识别）的趋势。
• 波长精度与稳定性：外延生长技术的进步允许对峰值波长和光谱宽度进行更严格的控制，这对于气体传感或使用波分复用的光通信等应用至关重要。
• 应用领域扩展：汽车/机器人领域的激光雷达、面部识别和健康监测（如脉搏血氧仪）等领域的增长，推动了对各种波长和功率级别的高性能、可靠红外发射器的需求。