IR42-21C/TR8 1.8mm圆形超小型红外LED规格书 - 直径1.8mm - 电压1.2V - 功率130mW - 透明透镜 - 中文技术文档

1. 产品概述

IR42-21C/TR8是一款专为紧凑型光电应用设计的超小型表面贴装红外发射二极管。其采用1.8mm直径的圆形封装，由透明塑料模塑而成，顶部为球形透镜，以优化光输出。该器件采用砷化镓铝（GaAlAs）芯片材料，其光谱与硅光电二极管和光电晶体管相匹配，确保在传感器系统中实现高效探测。其主要设计目标是小型化、兼容自动化组装工艺，并在各类消费及工业电子设备中提供可靠性能。

1.1 核心优势与目标市场

这款LED为设计人员提供了多项关键优势。其低正向电压（典型值1.2V）有助于实现节能运行。该元件完全符合无铅（Pb-free）、RoHS、欧盟REACH及无卤素法规（溴<900ppm，氯<900ppm，溴+氯<1500ppm），适用于环保标准严格的全球市场。它兼容红外和汽相回流焊接工艺，便于大批量、自动化的PCB组装。主要目标市场包括：紧凑型红外传感器制造商、自动化微型光栅、软盘驱动器（用于传统或专用系统）、通用光电开关，以及需要不可见红外光源的烟雾探测系统。

2. 深入技术参数分析

IR42-21C/TR8的性能由一组绝对最大额定值和在标准环境温度（Ta）25°C下测量的电光特性所定义。理解这些参数对于可靠的电路设计以及确保LED在其安全工作区（SOA）内运行至关重要。

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应力极限，任何情况下均不得超出，即使是瞬态超出。连续正向电流（IF）额定值为65 mA。最大允许反向电压（VR）为5 V。器件可在-25°C至+85°C的环境温度范围（Topr）内工作，并可在-40°C至+85°C的温度范围（Tstg）内储存。在回流焊接过程中，焊接温度（Tsol）不得超过260°C，持续时间不超过5秒。在自由空气温度等于或低于25°C时，总功耗（Pd）为130 mW。超出任何一项极限都可能导致灾难性故障或加速性能退化。

2.2 电光特性

这些参数通常在正向电流（IF）为20 mA时测量，定义了器件的功能性能。辐射强度（Ie）是衡量单位立体角发射光功率的指标，其最小值为1.0 mW/sr，典型值为3.0 mW/sr。峰值波长（λp）典型值为940 nm，使其完全处于近红外光谱范围内，非常适合硅基探测器。光谱带宽（Δλ）典型值为45 nm，定义了发射的波长范围。正向电压（VF）在20 mA时的典型值为1.2 V，最大值为1.5 V。当施加5 V反向偏压时，反向电流（IR）最大为10 µA。视角（2θ1/2）定义为辐射强度降至其峰值一半时的全角，典型值为30度，提供中等聚焦的光束。

3. 性能曲线分析

规格书提供了多条特性曲线，用以说明关键参数如何随工作条件变化。这些图表对于理解25°C单点规格之外的实际行为至关重要。

3.1 正向电流与环境温度关系

该曲线显示了允许的连续正向电流与环境温度之间的关系。随着环境温度升高，最大允许正向电流线性下降。这种降额是必要的，以防止结温超过其极限，而结温极限与功耗额定值相关。设计人员必须使用此图表，根据其应用预期的最高环境温度选择合适的运行电流。

3.2 光谱分布

光谱分布曲线绘制了相对辐射强度与波长的关系。它直观地确认了940 nm的峰值波长和大约45 nm的光谱带宽。该曲线是非对称的，这是LED发射光谱的典型特征。此信息对于需要与光电探测器响应度曲线进行特定光谱匹配的应用至关重要。

3.3 正向电流与正向电压关系

这条IV（电流-电压）特性曲线与所有二极管一样是非线性的。它表明，正向电压超过“拐点”电压后，微小的增加会导致正向电流呈指数级大幅增长。这突显了使用串联限流电阻或恒流驱动器以防止LED因过流导致热失控和损坏的极端重要性。

3.4 相对辐射强度与角位移关系

该极坐标图展示了LED的空间发射模式。强度在0度（轴上）处归一化为最大值。曲线显示了强度如何随着观察角度的增加而下降，定义了强度为峰值50%时的30度视角。对于这种穹顶形封装，其模式大致为朗伯型（余弦型），这对于计算探测器处的辐照度非常有用。

4. 机械与封装信息

4.1 封装尺寸

该器件采用紧凑的圆形SMD封装，直径为1.8mm。规格书中的详细机械图纸提供了所有关键尺寸，包括本体高度、引脚间距和透镜几何形状。所有尺寸均以毫米为单位，除非另有说明，标准公差为±0.1mm。提供了建议的焊盘布局供PCB设计参考，但明确指出仅供参考，应根据具体的工艺要求和热管理需求进行修改。

4.2 极性识别与载带包装

封装上有一个平面或类似标记来指示阴极（负极）引脚，这对于组装过程中的正确方向至关重要。对于大批量生产，元件以载带卷盘形式提供。规格书包含载带尺寸，详细说明了凹槽尺寸、间距和卷盘直径。标准卷盘包含1000个元件，这是自动贴片机的典型配置。

5. 焊接与组装指南

正确的处理和焊接对于可靠性至关重要。该LED对湿气敏感，包装在带有干燥剂的防潮袋中。

5.1 储存与湿气敏感性

在打开密封袋之前，LED必须储存在30°C或以下、相对湿度（RH）90%或以下的环境中。保质期为一年。打开袋子后，元件应保持在30°C/60%RH或以下的环境中，并必须在168小时（7天）内使用。如果储存时间超过规定或干燥剂显示湿气侵入，则在使用前需要进行烘烤处理，在60 ± 5°C下烘烤24小时，以去除吸收的湿气，防止回流焊接过程中出现“爆米花”现象。

5.2 回流焊接参数

该器件兼容无铅（Pb-free）回流焊接温度曲线。建议使用特定的温度曲线，通常包括预热阶段、保温区、峰值温度区（不超过260°C，最长5秒）以及受控的冷却阶段。回流焊接次数不应超过两次。在加热过程中，不应对LED本体或引脚施加机械应力，且焊接后PCB不应翘曲。

5.3 手工焊接与返修

如果必须进行手工焊接，则必须格外小心。电烙铁头温度应低于350°C，与每个端子的接触时间应限制在3秒或更短。建议使用低功率烙铁（25W或以下）。焊接每个引脚之间应至少间隔2秒。强烈不建议在初次焊接后进行返修。如果绝对必要，应使用专用的双头烙铁同时加热两个引脚并取下元件，以避免对封装造成应力。返修过程中损坏的风险很高。

6. 应用建议与设计考量

6.1 典型应用电路

最基本的应用电路是LED、限流电阻和电压源的简单串联。电阻值（R）使用欧姆定律计算：R = (电源电压 - LED正向电压) / 正向电流。例如，使用5V电源，VF为1.2V，期望IF为20mA，则R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190欧姆。200欧姆的电阻将是合适的标准值。为了获得更稳定的运行，尤其是在电源电压可变的情况下，首选恒流驱动电路。

6.2 红外系统设计考量

在设计红外传感系统时，必须考虑几个因素。红外LED与光电探测器之间的光学对准至关重要，尤其是对于30度光束。通常需要抑制环境光；这可以通过调制LED驱动电流并使用同步探测器电路来滤除直流环境光来实现。辐射强度与探测器灵敏度必须与所需的传感距离相匹配。如果在接近最大额定值的情况下运行，应考虑热管理，因为结温升高会降低光输出和寿命。

7. 技术对比与差异化

与较大的通孔式红外LED相比，IR42-21C/TR8的主要优势在于其微型SMD封装尺寸，可实现更小、更轻、自动化程度更高的PCB设计。与其他SMD红外LED相比，其主要差异化特点在于其特定的1.8mm圆形封装尺寸、为硅探测器优化的940nm峰值波长，以及其符合最新的环保法规（无卤素、REACH）。与有色或漫射透镜不同，透明透镜最大限度地透射红外光，在给定的电输入下产生更高的辐射强度。

8. 常见问题解答（基于技术参数）

问：为什么限流电阻是绝对必需的？

答：IV曲线显示了LED电压与电流之间的指数关系。电源电压的轻微升高或LED正向电压的下降（由于温度）都可能导致电流出现巨大、不受控制的激增，从而导致立即烧毁。电阻提供了线性、稳定的阻抗。

问：我可以用3.3V微控制器引脚直接驱动这个LED吗？

答：可能可以，但不是最佳方式。由于VF为1.2V，需要一个串联电阻。GPIO引脚可提供的电流通常有限（例如20-25mA）。您必须确保总电流消耗，包括根据电阻计算（R = (3.3V - 1.2V) / 期望电流）得出的值，不超过GPIO的电流输出能力。对于更高电流或多个LED，需要使用晶体管驱动器。

问：“光谱与硅光电探测器匹配”是什么意思？

答：硅光电二极管和光电晶体管在近红外区域（约800-900nm）具有峰值灵敏度。这款LED的940nm峰值发射波长正好落在这个高响应度区域内，确保了从光源到探测器的最大信号传输效率，从而获得更好的系统信噪比和探测距离。

问：湿气敏感性和烘烤说明有多重要？

答：对于SMD元件来说极其重要。吸收的湿气在高温回流焊接过程中会迅速汽化，导致内部分层、开裂或“爆米花”现象，从而损坏器件。遵循MSL（湿气敏感等级）处理程序对于生产良率和长期可靠性至关重要。

9. 实际设计与使用案例研究

场景：设计一个紧凑型物体检测传感器。一位设计人员需要为一个小型自动化设备创建一个非接触式物体检测传感器。空间有限，需要使用SMD元件。他们选择了IR42-21C/TR8，因为其尺寸小巧。他们将其与一个光电晶体管配对，采用反射式配置：两个元件并排安装在同一个PCB上，面向同一方向。物体从前方经过时，将红外光束反射回光电晶体管。设计人员使用典型的辐射强度（3.0 mW/sr）和光电晶体管的灵敏度来计算实现10cm期望检测距离所需的电流。他们实现了一个简单的555定时器电路，以1kHz的频率脉冲驱动LED，探测器电路包含一个调谐到1kHz的带通滤波器，以抑制环境50/60Hz光闪烁和直流阳光。选择的限流电阻提供15mA驱动电流，远在LED额定值之内，以确保使用寿命。紧凑的SMD封装使得整个传感器组件可以安装在宽度小于15mm的外壳内。

10. 工作原理与技术趋势

10.1 工作原理

红外发光二极管（IR LED）基于半导体p-n结中的电致发光原理工作。当施加正向电压时，来自n型区域的电子和来自p型区域的空穴被注入到结区。当这些载流子在有源区（本例中为GaAlAs芯片）复合时，能量以光子（光）的形式释放。GaAlAs半导体材料的特定能带隙决定了发射光子的波长，对于该器件而言，波长位于红外光谱（940nm）。透明环氧树脂封装充当透镜，将发射的光塑造成指定的视角。

10.2 行业趋势

与所有电子技术一样，光电技术的发展趋势是进一步小型化、更高效率和更高集成度。虽然红外LED的基本原理保持稳定，但在封装技术（更小的尺寸，如0402或芯片级封装）、改进的外延材料以提高电光转换效率（每瓦电输入产生更多光输出）以及将驱动器和控制逻辑集成到“智能”LED模块方面取得了进展。同时，业界也在不断推动更广泛的光谱选择以及能够以更高调制速度运行以用于数据通信应用（如IRDA）的器件。环保合规性（无卤素、低碳足迹制造）仍然是整个行业的强劲驱动力。