3mm 紅外線發光二極體 HIR234C 規格書 - T-1 封裝 - 峰值波長 850nm - 順向電壓 1.65V - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

HIR234C是一款高強度紅外線發光二極體，採用標準3mm (T-1) 透明塑膠封裝。其設計峰值發射波長為850nm，使其在光譜上與常見的矽光電晶體、光電二極體及紅外線接收模組相容。此元件專為需要可靠且高效紅外線傳輸的應用而設計。

1.1 核心優勢

• 高輻射強度：提供強勁的光學輸出，適用於長距離或低靈敏度接收器系統。
• 高可靠性：為穩定性能與長使用壽命而設計。
• 低順向電壓：在20mA下典型值為1.65V，有助於降低設計中的功耗。
• 環保合規：產品符合RoHS、歐盟REACH及無鹵素標準 (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm)。
• 標準封裝：熟悉的T-1 (3mm) 外型與2.54mm引腳間距，確保易於整合至現有設計與PCB佈局。

1.2 目標應用

此紅外線LED適用於各種需要非可見光通訊或感測的系統。

• 紅外線遙控器單元，特別是那些有較高功率需求的應用。
• 自由空間光學資料傳輸鏈路。
• 煙霧偵測系統。
• 通用紅外線應用系統，包括接近感測器與物件計數器。

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
• 功率消耗 (P_d)：150 mW (在環境溫度25°C或以下)
• 焊接溫度 (T_sol)：260°C，持續時間 ≤ 5 秒

2.2 電氣與光學特性

這些參數在環境溫度 (T_a) 25°C下量測，定義了元件的典型性能。

• 輻射強度 (I_e)：
  • 7.8 mW/sr (最小值) / 15 mW/sr (典型值)，於 I_F= 20mA (直流)。
  • 50 mW/sr (典型值)，於 I_F= 100mA (脈衝)。
  • 300 mW/sr (典型值)，於 I_F= 1A (脈衝)。
• 峰值波長 (λ_p)：850 nm (典型值)，於 I_F= 20mA。
• 頻譜頻寬 (Δλ)：45 nm (典型值)，於 I_F= 20mA。
• 順向電壓 (V_F)：
  • 1.45V (最小值) / 1.65V (典型值) / 1.65V (最大值)，於 I_F= 20mA。
  • 1.80V (典型值) / 2.40V (最大值)，於 I_F= 100mA (脈衝)。
  • 4.10V (典型值) / 5.25V (最大值)，於 I_F= 1A (脈衝)。
• 逆向電流 (I_R)：10 μA (最大值)，於 V_R= 5V。
• 視角 (2θ_1/2)：30 度 (典型值)，於 I_F= 20mA。

量測公差：順向電壓 ±0.1V，輻射強度 ±10%，峰值波長 ±1.0nm。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數個特性曲線，對於理解元件在不同工作條件下的行為至關重要。

3.1 溫度與電流依賴性

順向電流 vs. 環境溫度 (圖1)：此曲線顯示了最大允許順向電流隨著環境溫度升高而降低的關係。為確保可靠性並保持在功率消耗限制內，必須在較高溫度下降低驅動電流。

峰值發射波長 vs. 環境溫度 (圖3)：LED的峰值波長具有溫度係數，通常會隨溫度輕微偏移。此曲線量化了HIR234C的偏移量，對於需要精確光譜匹配的應用非常重要。

順向電流 vs. 順向電壓 (圖4)：這是二極體的基本I-V曲線。它顯示了電流與電壓之間的指數關係。此曲線有助於設計限流電路，並理解LED在不同驅動條件下的電壓降。

3.2 光學輸出特性

頻譜分佈 (圖2)：此圖表繪製了相對輻射強度與波長的關係。它直觀地確認了850nm峰值與約45nm的頻譜頻寬，顯示了發射的波長範圍。

輻射強度 vs. 順向電流 (圖5)：此曲線展示了光學輸出功率 (以 mW/sr 表示) 與電氣輸入電流之間的關係。在中間範圍內通常是線性的，但在極高電流下可能因熱效應與效率影響而飽和。

相對輻射強度 vs. 角度位移 (圖6)：此極座標圖定義了LED的輻射模式。它顯示了當您遠離中心軸 (0°) 時強度如何下降，最終定義了強度降至峰值一半時的30度視角。

輻射強度 vs. 環境溫度 (圖7)：光學輸出會隨著接面溫度上升而降低。此曲線量化了輻射強度隨著環境 (以及接面) 溫度升高而典型減少的程度，對於設計在寬廣溫度範圍內運作的系統至關重要。

相對順向電壓 vs. 環境溫度 (圖8)：二極體的順向電壓具有負溫度係數。此曲線顯示了 V_F通常如何隨著溫度升高而降低，這在恆壓驅動方案或將LED用作溫度感測器時可能是一個考量因素。

4. 機械與封裝資訊

4.1 元件選擇與結構

• 晶片材料：GaAlAs (砷化鎵鋁)。
• 透鏡/顏色：透明塑膠。

4.2 封裝尺寸 (T-1, 3mm)

此元件符合標準T-1 (3mm) 圓形LED封裝尺寸。規格書中的關鍵機械註記包括：

• 所有尺寸單位為毫米 (mm)。
• 標準尺寸公差為 ±0.25mm，除非另有說明。
• 圖面通常顯示本體直徑 (3.0mm)、引腳間距 (2.54mm)，以及包含透鏡形狀和引腳長度/直徑的整體尺寸。

極性識別：陰極通常由塑膠透鏡邊緣的平坦處和/或較短的引腳來識別。請務必參考封裝圖面以進行明確識別。

5. 焊接與組裝指南

• 手工焊接：使用溫控烙鐵。每個引腳的焊接時間最多不超過3秒，溫度不超過350°C。
• 波峰焊接：可以使用，但應控制預熱和暴露時間，以最小化對塑膠封裝的熱應力。
• 迴流焊接：根據絕對最大額定值，此元件可承受峰值焊接溫度260°C，最長5秒。這與標準無鉛迴流焊曲線 (例如 IPC/JEDEC J-STD-020) 相容。
• 一般注意事項：
  • 在處理過程中避免對引腳或透鏡施加機械應力。
  • 請勿超過指定的儲存溫度範圍。
  • 在處理和組裝過程中，請採取適當的靜電放電 (ESD) 防護措施。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 包裝規格

• 標準包裝：每袋200至1000顆。
• 5袋裝入1盒。
• 10盒裝入1箱。

6.2 標籤資訊

產品標籤包含用於追溯與驗證的關鍵識別資訊：

• CPN：客戶料號
• P/N：生產編號 (HIR234C)
• QTY：包裝內數量
• CAT：等級/類別 (例如，亮度分級)
• HUE：峰值波長資訊
• REF：參考
• LOT No：製造批號 (用於追溯)

7. 應用設計考量

7.1 LED驅動

恆流驅動：LED是電流驅動元件。為獲得穩定且可預測的光學輸出，請使用恆流源或與電壓源串聯的限流電阻。電阻值可使用歐姆定律計算：R = (V_supply- V_F) / I_F。為保守設計，請始終使用規格書中的最大 V_F值。

脈衝操作：對於需要極高瞬時強度的應用 (如長距離遙控器)，可以按照規格以短時間、高電流脈衝 (最高1A) 驅動LED。此操作必須嚴格遵守脈衝寬度 (≤100μs) 和工作週期 (≤1%) 限制，以防止過熱。

7.2 光學設計

透鏡選擇：透明透鏡發射出30度光束。對於更窄或不同形狀的光束，可以使用二次光學元件 (塑膠透鏡、反射器)。

接收器匹配：850nm峰值波長最適合由矽基感測器偵測。請確保所選的光電晶體、光電二極體或紅外線接收模組在800-900nm範圍內具有峰值靈敏度。

抗環境光干擾：在具有強烈環境光 (尤其是含有紅外線的陽光) 的環境中，請考慮以特定頻率調變LED驅動信號，並使用調諧至該頻率的接收器來抑制背景雜訊。

8. 技術比較與定位

HIR234C定位為一款通用、高可靠性的紅外線發射器，採用普及的3mm封裝。

• 與標準5mm紅外線LED比較：3mm封裝佔用空間更小，在小型化設計中具有優勢，同時仍能提供可觀的輻射強度。
• 與SMD紅外線LED比較：相較於表面黏著元件，穿孔式T-1封裝通常更適合原型製作、手工組裝，或需要更高機械強度或透過引腳更容易散熱的應用。
• 關鍵差異化優勢：其結合了高脈衝輻射強度 (300 mW/sr)與標準封裝，使其適合需要從常見外型尺寸發出強勁紅外線脈衝的應用。

9. 常見問題 (FAQ)

Q1：輻射強度 (mW/sr) 與功率輸出 (mW) 有何不同？

A1：輻射強度量測的是單位立體角 (球面度) 的光功率。它表示光束的集中程度。總輻射通量 (mW) 需要將強度在整個發射模式上積分。對於30度LED，總功率遠低於峰值強度值。

Q2：我可以讓此LED持續在100mA下工作嗎？

A2：連續順向電流的絕對最大額定值為100mA。然而，在此最大電流下持續工作會產生大量熱量，提高接面溫度。為了可靠的長期運作，建議在較低電流 (例如20-50mA) 下工作，或實施足夠的散熱措施，特別是在高環境溫度下。

Q3：為什麼在1A脈衝 (最大值5.25V) 時的順向電壓比20mA直流 (最大值1.65V) 高出這麼多？

A3：這是由於LED晶片和封裝內的串聯電阻所致。在極高電流下，此內部電阻上的電壓降變得顯著，導致總 V_F更高。這是所有LED的常見特性。

Q4：850nm LED是可見的嗎？

A4：850nm屬於近紅外線 (NIR) 頻譜。通常人眼不可見。然而，有些人可能會從高功率850nm LED感知到非常微弱的深紅色光暈，因為其發射頻譜有一小部分"尾部"延伸到可見紅光區域。對於完全隱蔽的操作，通常使用940nm LED。

10. 設計與使用案例研究

案例：長距離紅外線遙控發射器

目標：設計一個遙控器，必須在典型客廳環境中於15公尺距離可靠運作。

設計選擇：

1. LED選擇：選擇HIR234C是因為其高脈衝輻射強度 (在1A下典型值為300 mW/sr)。
2. 使用簡單的電晶體開關從3V電池電源脈衝驅動LED。計算串聯電阻以將脈衝電流限制在大約800mA (安全低於1A最大值)，並考慮電池電壓降和高電流下的LED VA simple transistor switch is used to pulse the LED from a 3V battery supply. A series resistor is calculated to limit the pulse current to approximately 800mA (safely below the 1A max), accounting for battery voltage drop and LED V_F。
3. 信號調變：驅動脈衝以38kHz載波頻率編碼，這是紅外線遙控器的常見標準。
4. 光學：在LED前方放置一個簡單的塑膠準直透鏡，將光束從30度縮窄至約10度，將更多發射能量集中到遠處的接收器。

結果：高強度脈衝驅動與光束準直的結合，確保了即使在存在中等環境紅外線雜訊的情況下，強勁、可偵測的信號也能到達目標距離的紅外線接收模組。

11. 工作原理

紅外線發光二極體 (IR 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區的電子和來自p區的電洞被注入接面區域。當這些電荷載子復合時，能量被釋放。就HIR234C的GaAlAs材料而言，此能量對應於波長中心約850奈米的光子，位於電磁頻譜的紅外線部分。特定波長由半導體材料的能隙能量決定。透明環氧樹脂封裝充當透鏡，將發射的光塑造成指定的視角。

12. 技術趨勢

紅外線LED技術與可見光LED技術同步持續發展。與HIR234C等元件相關的總體趨勢包括：

• 效率提升：持續的材料和外延生長改進帶來更高的電光轉換效率 (每瓦電輸入產生更多光輸出)，降低功耗和熱量產生。
• 更高速度調變：光學資料通訊 (IrDA, Li-Fi) 和先進感測 (如飛時測距) 應用推動了能夠更快切換的LED發展。
• 小型化：雖然穿孔式封裝仍然流行，但市場正強烈轉向表面黏著元件 (SMD) 封裝 (例如0805, 0603, 晶片級)，以適應自動化組裝和空間受限的設計。
• 多波長與VCSEL：對於專業感測 (例如氣體分析、生物辨識)，多波長紅外線光源正在興起。垂直腔面發射雷射 (VCSEL) 也因其精確的光束特性，在高性能3D感測和結構光應用中越來越受歡迎。

HIR234C代表了在這個不斷發展的領域中一個成熟、可靠且具成本效益的解決方案，非常適合其在消費性電子和工業感測中的目標應用。