3mm 紅外線 LED 850nm HIR204C 規格書 - T-1 封裝 - 1.45V 順向電壓 - 150mW 功率 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳述一款高強度 3mm (T-1) 紅外線發光二極體 (LED) 的規格。此元件設計用於發射峰值波長為 850 奈米 (nm) 的光線，使其適用於多種紅外線感測與傳輸應用。其主要優勢包括高可靠性、顯著的輻射輸出以及低順向電壓需求。

此 LED 採用砷化鎵鋁 (GaAlAs) 晶片材料製成，並封裝於水清色塑膠外殼中。其光譜輸出經過特別匹配，以兼容常見的紅外線接收器，如光電晶體、光電二極體及整合式接收模組。本產品符合 RoHS (有害物質限制指令) 規範。

1.1 目標應用

此元件專為需要強健紅外線訊號傳輸的系統而設計。主要應用領域包括：

• 自由空間光學資料傳輸系統。
• 紅外線遙控器單元，特別是那些需要較高輸出功率的應用。
• 採用光學感測原理的煙霧偵測與火災警報系統。
• 適用於工業或消費性用途的通用型紅外線應用系統。

2. 技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的極限。不保證在此條件下運作。

• 連續順向電流 (I_F)): 100 mA
• 峰值順向電流 (I_FP)): 1.0 A (脈衝寬度 ≤ 100μs，工作週期 ≤ 1%)
• 逆向電壓 (V_R)): 5 V
• 工作溫度 (T_opr)): -40°C 至 +85°C
• 儲存溫度 (T_stg)): -40°C 至 +100°C
• 焊接溫度 (T_sol)): 260°C (持續時間 ≤ 5 秒)
• 功率消耗 (P_d)): 150 mW (環境溫度在 25°C 或以下時)

2.2 電氣與光學特性 (T_a= 25°C)

這些參數定義了元件在指定測試條件下的典型性能。

• 輻射強度 (I_e):
  • ): 典型值：在 I_F= 20 mA 時為 17.6 mW/sr。
  • 典型值：在 I_F= 100 mA (脈衝) 時為 90 mW/sr。
  • 典型值：在 I_F= 1 A (脈衝) 時為 900 mW/sr。
• 峰值波長 (λ_p)): 典型值：在 I_F= 20 mA 時為 850 nm。
• 頻譜頻寬 (Δλ)): 典型值：在 I_F= 20 mA 時為 45 nm。
• 順向電壓 (V_F):
  • ): 典型值：1.45 V，最大值：在 I_F= 20 mA 時為 1.65 V。
  • 典型值：1.80 V，最大值：在 I_F= 100 mA (脈衝) 時為 2.40 V。
  • 典型值：4.10 V，最大值：在 I_F= 1 A (脈衝) 時為 5.25 V。
• 逆向電流 (I_R)): 最大值：在 V_R= 5 V 時為 10 μA。
• 視角 (2θ_1/2)): 典型值：在 I_F= 20 mA 時為 25 度。

註：順向電壓 (±0.1V)、輻射強度 (±10%) 與主波長 (±1.0nm) 的測量不確定度已於規格書中載明。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數條特性曲線，用以說明元件在不同條件下的行為。這些曲線對於設計工程師預測實際應用中的性能至關重要。

3.1 順向電流 vs. 環境溫度

此曲線顯示了最大允許順向電流隨著環境溫度升高而遞減的關係。元件的功率消耗能力隨溫度上升而下降，在熱設計中必須考慮此點以防止過熱。

3.2 光譜分佈

光譜輸出圖確認了在 850nm 處的峰值發射及其定義的頻寬。這對於確保與目標接收器（例如，對 800-900nm 範圍最為敏感的矽光電探測器）的光譜靈敏度相容至關重要。

3.3 輻射強度 vs. 順向電流

此圖表展示了驅動電流與光學輸出之間的關係。通常呈現次線性增長，意味著在極高電流下效率可能會下降。設計師利用此圖來選擇一個能平衡輸出功率、效率與元件壽命的工作點。

3.4 相對輻射強度 vs. 角度位移

此極座標圖定義了空間發射模式（視角）。典型的 25 度半角表示光束具有中等程度的聚焦，這對於將紅外線能量導向特定目標或感測器非常有用。

3.5 峰值發射波長 vs. 環境溫度

紅外線 LED 的峰值波長會隨溫度而偏移，典型值約為 0.2-0.3 nm/°C。此曲線量化了 HIR204C 的偏移量，對於波長精確匹配至關重要的應用來說非常重要。

3.6 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V 曲線)

這是二極體的基本電氣特性。此曲線用於確定 LED 在給定工作電流下的電壓降，這對於設計驅動電路（例如，選擇限流電阻或設計恆流驅動器）是必要的。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸 (T-1, 3mm)

此元件符合標準 T-1 (3mm) 徑向引腳封裝尺寸。關鍵機械規格包括：

• 整體封裝直徑約為 3.0mm。
• 標準引腳間距（中心對中心）為 2.54mm (0.1 英吋)。
• 規格書中提供了詳細的尺寸圖，標明了長度、直徑和引線線徑，除非另有說明，一般公差為 ±0.25mm。

4.2 極性識別

LED 的透鏡側有一個平面或較短的引腳，用以指示陰極（負極）端子。在電路組裝時必須注意正確的極性。

5. 焊接與組裝指南

正確的操作對於維持元件的可靠性和性能至關重要。

5.1 引腳成型

• 彎折必須在距離環氧樹脂透鏡底座至少 3mm 處進行，以避免對內部晶片和接合線造成應力。
• 請在焊接前完成引腳成型。
• 避免對封裝施加應力。PCB 孔位必須與 LED 引腳完美對齊，以防止安裝應力。
• 請在室溫下剪裁引腳。

5.2 儲存條件

• 建議儲存條件：溫度 ≤ 30°C，相對濕度 (RH) ≤ 70%。
• 在此條件下，出貨後的保存期限為 3 個月。
• 如需更長時間儲存（最長 1 年），請使用帶有氮氣環境和乾燥劑的密封容器。
• 避免在潮濕環境中溫度急劇變化，以防止凝結。

5.3 焊接建議

保持焊點與環氧樹脂燈泡之間的最小距離為 3mm。

• 手工焊接：烙鐵頭溫度 ≤ 300°C (最大 30W)，焊接時間 ≤ 3 秒。
• 波峰焊/浸焊：預熱 ≤ 100°C (最長 60 秒)，焊錫槽 ≤ 260°C，停留時間 ≤ 5 秒。
• 在高溫操作期間避免對引腳施加應力。
• 請勿進行超過一次的浸焊/手工焊接。
• 焊接後讓元件逐漸冷卻至室溫，冷卻過程中保護其免受衝擊或振動。

5.4 清潔

• 如有必要，僅在室溫下使用異丙醇清潔 ≤ 1 分鐘。風乾。
• 不建議使用超音波清洗。若無法避免，必須仔細評估其潛在影響。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 包裝材料與規格

元件使用防潮材料包裝，以防止在儲存和運輸過程中受損。包裝層級如下：

1. 元件置於防靜電袋中。
2. 防靜電袋置於內盒中。
3. 內盒裝入主出貨箱中。

6.2 包裝數量

• 每個防靜電袋最少 200 至 1000 顆。
• 每個內盒裝 5 袋。
• 每個主出貨箱裝 10 盒。

6.3 標籤說明

包裝上的標籤包含關鍵識別資訊：

• CPN：客戶生產編號
• P/N：生產編號 (料號)
• QTY：包裝數量
• CAT：等級 (性能分級)
• HUE：主波長
• REF：參考
• LOT No：用於追溯的批號

7. 應用設計考量

7.1 驅動電路設計

由於二極體具有指數型的 I-V 特性，必須使用恆流驅動器或限流電阻。電阻值 (R_limit) 可使用歐姆定律計算：R_limit= (V_supply- V_F) / I_F。對於給定的 I_F，請始終使用規格書中的最大 V_F值，以確保在所有條件下都有足夠的電流。對於脈衝操作（例如遙控器），請確保驅動器能夠以正確的工作週期提供高峰值電流（最高 1A）。

7.2 熱管理

雖然封裝在 25°C 時可消耗 150mW，但此額定值會隨環境溫度遞減。在密閉空間或高環境溫度下，請確保實際功率消耗 (I_F* V_F) 低於遞減後的極限。對於連續高電流操作，可能需要足夠的 PCB 銅箔面積或其他散熱措施。

7.3 光學設計

25 度的視角在光束集中度與覆蓋範圍之間提供了平衡。對於較長距離的應用，可以使用二次光學元件（透鏡）來準直光束。對於廣區域覆蓋，可能需要擴散片。請確保接收器的視野和光譜靈敏度與 LED 的輸出相匹配。

8. 技術比較與差異化

HIR204C 在其類別（3mm 紅外線 LED）中的關鍵差異化特點在於其結合了高輻射強度（脈衝下最高 900 mW/sr）與相對較低的順向電壓（在 20mA 時典型值為 1.45V）。這使其效率更高，與具有更高 V_F的元件相比，在給定的光輸出下減少了功耗和熱量產生。850nm 波長是矽基接收器的標準，在接收器靈敏度和相對不可見性之間提供了良好的平衡。其堅固的結構和透明的封裝材料有助於實現其聲稱的高可靠性。

9. 常見問題 (FAQ)

9.1 連續電流額定值與脈衝電流額定值有何不同？

連續電流額定值 (100mA) 是 LED 可以無限期承受而不會損壞的最大直流電流。脈衝電流額定值 (1A) 要高得多，但只能在極低的工作週期 (≤1%) 下應用於非常短的脈衝 (≤100μs)。這允許在短時間內產生非常高的亮度，常見於遙控器訊號，而不會使元件過熱。

9.2 為什麼在 1A 時的順向電壓比在 20mA 時高？

這是由於 LED 晶片和封裝內部固有的串聯電阻所致。隨著電流增加，此內部電阻上的電壓降 (V = I * R) 也會增加，導致總順向電壓更高。規格書提供此數據，以便設計驅動器能在目標工作電流下提供必要的電壓。

9.3 此 LED 可用於資料傳輸嗎？

可以，其快速切換能力（從其在遙控器中的應用可知）使其適用於自由空間系統中的調變資料傳輸。可實現的資料速率將取決於驅動電路快速切換電流的能力以及接收器的頻寬。

10. 實際使用案例

10.1 設計一個簡單的紅外線信標

目標：建立一個持續點亮的紅外線信標，用於數公尺範圍內的接近感測。

設計步驟:

1. 選擇工作點：選擇 I_F= 50mA，以平衡良好的輸出和適中的功率。根據 I-V 曲線，估算 V_F≈ 1.6V。
2. 計算驅動器：使用 5V 電源和一個串聯電阻：R = (5V - 1.6V) / 0.05A = 68Ω。電阻上的功率：P = I²R = (0.05)² * 68 = 0.17W。使用一個 68Ω，0.25W 的電阻。
3. 熱檢查：LED 功率消耗：P_LED= V_F* I_F= 1.6V * 0.05A = 80mW。這遠低於 25°C 時的 150mW 額定值。如果預期環境溫度為 50°C，請查閱遞減曲線以確保 80mW 仍然是安全的。
4. 安裝：將 LED 放置在 PCB 上，孔位與引腳對齊。焊接時，保持焊點距離透鏡本體 >3mm。
5. 配對：使用一個對 850nm 光線敏感的電晶體或接收器模組，將其置於 LED 的 25 度光束錐角內。

11. 工作原理

紅外線 LED 是一種半導體 p-n 接面二極體。當施加順向電壓時，來自 n 型區域的電子和來自 p 型區域的電洞被注入接面區域。當這些電荷載子復合時，它們以光子（光）的形式釋放能量。所使用的特定半導體材料（本例中為 GaAlAs）決定了能隙能量，這直接定義了發射光子的波長——在本例中，位於約 850nm 的近紅外線區域。水清色環氧樹脂封裝充當透鏡，塑造輸出光束，並保護精密的半導體晶片。

12. 技術趨勢

紅外線 LED 的發展持續聚焦於幾個關鍵領域：提高效率（每瓦電輸入產生更多光功率輸出）、更高的功率密度（更小的封裝能夠處理更大的電流），以及在惡劣環境條件下提升可靠性。同時，也在持續開發其他特定波長的元件（例如，940nm 以提高隱蔽性，或用於氣體感測的特定波長）。將驅動電路和接收器整合到緊湊模組中是另一個重要趨勢，簡化了終端使用者的系統設計。HIR204C 代表了一種成熟、可靠的技術，非常適合其預期的應用。