3mm 紅外線 LED HIR204C/H0 規格書 - 尺寸 3.0mm - 峰值波長 850nm - 順向電壓 1.45V - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

HIR204C/H0 是一款高強度紅外線發光二極體，封裝於 3.0mm 水色透明塑膠外殼中。其設計旨在滿足需要特定光譜特性之可靠紅外線發射的應用。

1.1 核心特色與優勢

本元件為紅外線系統設計提供了數項關鍵優勢：

• 高可靠性：專為穩定效能與長使用壽命而設計。
• 高輻射強度：提供強勁的紅外線輸出，適用於中距離應用。
• 峰值波長：發射光譜中心位於典型波長 (λp) 850 奈米，此為多數紅外線接收器與感測器的通用標準。
• 低順向電壓：在 20mA 電流下，典型值為 1.45V，有助於降低驅動電路的功耗。
• 環保合規性：本產品為無鉛設計，符合歐盟 REACH 法規，並滿足無鹵素要求 (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm)。產品本身亦符合 RoHS 規範。
• 標準接腳間距：採用 2.54mm (0.1 英吋) 接腳間距，與標準原型板及 PCB 佈局相容。

1.2 目標應用

此紅外線 LED 的光譜與常見的光電晶體、光電二極體及紅外線接收器模組相匹配，使其適用於多種系統，包括：

• 用於資料或訊號通訊的自由空間傳輸系統。
• 需要更高功率輸出以延伸距離或穿透障礙物的紅外線遙控裝置。
• 煙霧偵測器，其中使用紅外線光束進行粒子偵測。
• 其他通用紅外線應用系統，例如物體感測、接近偵測與工業自動化。

2. 技術規格深入解析

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 (IF)：100 mA
• 峰值順向電流 (IFP)：1.0 A。此額定值適用於脈衝寬度 ≤ 100μs 且工作週期 ≤ 1% 的脈衝條件下。
• 逆向電壓 (VR)：5 V
• 工作溫度 (Topr)：-40°C 至 +85°C
• 儲存溫度 (Tstg)：-40°C 至 +85°C
• 焊接溫度 (Tsol)：最高 260°C，持續時間不超過 5 秒。
• 功率耗散 (Pd)：在環境溫度 25°C 或以下之自由空氣中為 150 mW。

2.2 電光特性

這些參數是在環境溫度 (Ta) 25°C 下量測，定義了元件的典型效能。

• 輻射強度 (Ie)：量測單位立體角所發射的紅外線功率。
  • 在順向電流 (IF) 20mA 驅動下，典型值為 20 mW/sr。
  • 在脈衝條件下 (IF=100mA, 脈衝寬度 ≤100μs, 工作週期 ≤1%)，典型輻射強度為 40 mW/sr。
• 峰值波長 (λp)：在 IF=20mA 時為 850 nm (典型值)。此為發射強度最高的波長。
• 頻譜頻寬 (Δλ)：在 IF=20mA 時為 45 nm (典型值)。此定義了以峰值為中心所發射的波長範圍。
• 順向電壓 (VF)：
  • 在 IF=20mA 時為 1.45V (典型值)，1.65V (最大值)。
  • 在脈衝條件下 IF=100mA 時為 1.80V (典型值)，2.40V (最大值)。
• 逆向電流 (IR)：施加 5V 逆向電壓 (VR) 時，最大值為 10 μA。
• 視角 (2θ1/2)：在 IF=20mA 時為 40 度 (典型值)。此為輻射強度降至其軸上最大值一半時的全角。

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

3. 分級系統說明

HIR204C/H0 提供不同的效能等級或分級，主要依據輻射強度。這讓設計師能選擇符合其應用特定輸出要求的元件。

3.1 輻射強度分級

分級定義於標準測試條件 IF = 20mA。輻射強度單位為 mW/sr。

• 等級 N：最小值 11.0，最大值 17.6
• 等級 P：最小值 15.0，最大值 24.0
• 等級 Q：最小值 21.0，最大值 34.0
• 等級 R：最小值 30.0，最大值 48.0

選擇較高的等級（例如 R 相對於 N）可確保更高的最低保證輻射輸出，這在應用中可轉化為更長的距離或更強的訊號強度。

4. 效能曲線分析

規格書提供了數條特性曲線，說明元件在不同條件下的行為。理解這些對於穩健的電路設計至關重要。

4.1 順向電流 vs. 環境溫度

此曲線顯示最大允許連續順向電流隨著環境溫度升高而遞減。在 25°C 時，最大值為 100mA。隨著溫度上升，必須降低此最大電流以防止超過元件的功率耗散極限並造成熱損壞。曲線通常顯示從 25°C 時的 100mA 線性下降至 85°C 時的較低值。

4.2 頻譜分佈

此圖表繪製相對輻射強度與波長的關係。它直觀地確認了 850nm 的峰值波長 (λp) 以及約 45nm 的頻譜頻寬 (Δλ)。曲線通常呈高斯分佈，中心位於 850nm。

4.3 輻射強度 vs. 順向電流

這是一條關鍵的設計曲線。它顯示輻射強度 (Ie) 隨順向電流 (IF) 增加而增加，但關係並非完全線性，特別是在較高電流時。存在一個報酬遞減點，增加電流所產生的額外光輸出較少，卻會產生顯著更多的熱量。設計師通常根據此曲線與熱考量，將 LED 操作於建議的連續電流（20mA 或 100mA 脈衝）或以下。

4.4 相對輻射強度 vs. 角度位移

此極座標圖說明了 LED 的空間發射模式。它顯示當您偏離中心軸 (0°) 時強度如何下降。40° 的視角定義於強度降至軸上值 50% 的位置。此資訊對於光學設計、決定光束覆蓋範圍以及將 LED 與接收器對準至關重要。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

LED 封裝於標準 3.0mm 圓形外殼中。規格書中的詳細機械圖提供了所有關鍵尺寸，包括：

• 環氧樹脂透鏡的總直徑與高度。
• 接腳直徑與長度。
• 從透鏡底部到接腳彎曲處的距離。
• 安裝基準面。

一般公差：除非另有說明，尺寸公差為 ±0.25mm。必須參考確切的圖面進行 PCB 孔位放置與機械配合。

5.2 極性識別

6. 焊接與組裝指南

正確的操作對於維持元件可靠性與效能至關重要。

6.1 接腳成型

• 彎曲必須在距離環氧樹脂燈泡底部至少 3mm 的位置進行。
• 務必在焊接元件之前
• 成型接腳。在成型過程中避免對 LED 封裝或其底座施加應力，這可能損壞內部連接或使環氧樹脂產生裂痕。
• 在室溫下剪裁接腳。高溫剪裁可能導致故障。
• 確保 PCB 孔位與 LED 接腳完美對齊，以避免安裝應力。

6.2 儲存條件

• 建議收到貨後的儲存條件：≤ 30°C 且相對濕度 ≤ 70%。
• 在此條件下的保存期限為 3 個月。
• 如需更長時間儲存（最長 1 年），請將元件置於充有氮氣並放置乾燥劑的密封容器中。
• 一旦開啟原始包裝，請在 24 小時內使用元件。
• 避免在潮濕環境中溫度劇烈變化，以防止凝結。

6.3 焊接建議

焊點必須距離環氧樹脂燈泡至少 3mm。

• 手工焊接：烙鐵頭溫度 ≤ 300°C（適用於最大 30W 烙鐵）。每支接腳焊接時間 ≤ 3 秒。
• 波峰焊/浸焊：預熱溫度 ≤ 100°C，時間 ≤ 60 秒。焊錫槽溫度 ≤ 260°C，時間 ≤ 5 秒。
• 一般規則：
  • 在焊接期間及焊接後元件仍熱時，避免對接腳施加應力。
  • 不要進行超過一次的浸焊/手工焊接。
  • 在焊接後 LED 冷卻至室溫前，保護其免受機械衝擊/振動。
  • 避免快速冷卻過程。
  • 始終使用最低的有效焊接溫度與時間。

6.4 清潔

• 如需清潔，請使用室溫下的異丙醇，時間不超過一分鐘。在室溫下風乾。
• 避免超音波清洗。若絕對必要，則需要進行廣泛的預先驗證，以確保特定的超音波功率與組裝條件不會損壞 LED 晶粒或打線接合。

6.5 熱管理

儘管本規格書未詳細說明特定的熱阻值，但強調了熱管理的重要性。150mW 的功率耗散 (Pd) 額定值適用於 25°C 的自由空氣中。在實際應用中，特別是在較高電流驅動或密閉空間內，LED 的接面溫度將會上升。這可能降低發光效率與使用壽命。設計師必須在應用設計階段考慮散熱、PCB 銅箔面積與環境條件，以確保 LED 在安全的溫度限制內運作。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 標籤規格

包裝上的標籤包含用於追溯與識別的關鍵資訊：

• CPN：客戶產品編號
• P/N：產品編號（例如 HIR204C/H0）
• QTY：包裝內數量
• CAT：發光強度等級（分級代碼，例如 N, P, Q, R）
• HUE：主波長等級
• REF：順向電壓等級
• LOT No：製造批號
• X：生產月份
• REF：標籤參考編號

7.2 包裝規格

• 一級包裝：防靜電袋。
• 二級包裝：內盒。
• 三級包裝：外箱。
• 標準包裝數量：
  • 每防靜電袋 200 至 1000 顆。
  • 5 袋裝入 1 個內盒。
  • 10 個內盒裝入 1 個外箱。

8. 應用設計考量

8.1 驅動電路設計

要驅動 LED，限流電路是必需的。對於基本應用，一個簡單的串聯電阻通常就足夠。電阻值 (R) 可使用歐姆定律計算：R = (電源電壓 - Vf) / If。例如，使用 5V 電源，Vf 為 1.45V，期望的 If 為 20mA：R = (5 - 1.45) / 0.02 = 177.5Ω。標準的 180Ω 電阻將是合適的。對於較高電流的脈衝操作（例如 100mA），建議使用電晶體或專用 LED 驅動器 IC 來提供必要的電流脈衝。

8.2 光學設計與對準

40 度的視角提供了相當寬廣的光束。對於長距離或聚焦應用，可在 LED 前方添加透鏡。相反地，對於非常寬的覆蓋範圍，可能需要多個 LED。與接收感測器（光電晶體、紅外線接收器模組）的精確機械對準對於最佳系統效能至關重要。應參考空間發射模式曲線以了解離軸角度下的訊號強度。

8.3 干擾與抗雜訊能力

紅外線系統可能容易受到環境光雜訊的影響，特別是來自陽光和白熾燈（含有紅外線成分）的雜訊。緩解策略包括：

• 使用調變的紅外線訊號（例如 38kHz 載波）以及調諧至相同頻率的接收器。
• 在接收器端添加可阻擋可見光但通過 850nm 紅外線的光學濾鏡。
• 物理上屏蔽 LED 與接收器對，使其免受直接環境光源影響。

9. 技術比較與定位

HIR204C/H0 在紅外線 LED 市場中佔據特定位置。與較小的 SMD 紅外線 LED 相比，由於其較大的晶粒尺寸與封裝，它提供了更高的潛在輻射輸出，使其適用於需要更多功率的應用。與較大、專用的高功率紅外線發射器相比，它更為緊湊且易於用簡單電路驅動。其 850nm 波長是最常見的，確保了與接收器的廣泛相容性。關鍵差異化特色包括其透明封裝（無色調）、標準 2.54mm 接腳間距便於原型製作，以及定義明確的分級結構以確保輸出一致性。

10. 常見問題（基於技術參數）

10.1 連續電流 (IF) 與峰值電流 (IFP) 有何不同？

連續順向電流 (IF=100mA)是在不造成損壞的前提下，可無限期通過 LED 的最大直流電流，假設熱限制得到遵守。峰值順向電流 (IFP=1.0A)是僅允許在極短脈衝條件下（≤100μs 脈衝寬度，≤1% 工作週期）的最大電流。這允許用於長距離遙控器等應用的短暫、高強度光脈衝，但平均功率必須保持在元件的耗散極限內。

10.2 如何選擇正確的分級 (N, P, Q, R)？

根據您的應用在操作距離及最壞情況條件下（例如低電量、高溫）所需的最低輻射強度來選擇。如果您的設計計算顯示您至少需要 18 mW/sr，則必須選擇等級 Q（最小值 21.0）或等級 R（最小值 30.0）。等級 N（最小值 11.0）無法保證能正常工作。選擇較高的等級可提供更多的設計餘裕。

10.3 為什麼焊接距離（距離燈泡 3mm）如此重要？

構成透鏡的環氧樹脂具有與金屬接腳不同的熱膨脹係數。將高焊接熱量施加在過於靠近環氧樹脂的位置會導致熱應力，可能使環氧樹脂產生微裂痕或損壞內部晶粒黏著。這些裂痕後續可能導致濕氣侵入，造成早期故障。3mm 的距離允許熱量在到達敏感的封裝前沿著接腳消散。

11. 設計與使用案例研究

11.1 案例：提升消費型紅外線遙控器距離

情境：一位設計師正在開發一款通用遙控器，需要在典型客廳中，即使有輕微角度，也能在長達 10 公尺的距離可靠運作。

使用 HIR204C/H0 的設計選擇：

1. 驅動電流：設計師不使用典型的 20mA 連續電流，而是採用脈衝驅動電路。他們以 100mA 電流脈衝驅動 LED，並使用極短的工作週期（例如 0.5%），以產生高強度脈衝，利用 IFP 額定值。這顯著提升了峰值光功率，從而提高了有效距離。
2. 分級選擇：為了確保所有製造單位的效能一致，並考慮電池電壓下降，設計師指定使用等級 R 的 LED。這保證了即使在電池壽命末期也能有高的最低輸出。
3. 放置與透鏡：將兩個 LED 稍微分開放置，並彼此成幾度角，以創造更寬的有效光束模式，提高從各種角度擊中接收器的機會。在 LED 上方使用簡單、低成本的塑膠透鏡蓋，稍微準直光束以獲得更好的方向性。
4. 熱考量：由於工作週期非常低 (0.5%)，平均功率很小 (100mA * 1.65V * 0.005 = 0.825mW)，遠低於 150mW 的 Pd 額定值。PCB 上不需要特殊的散熱措施。

此方法展示了如何透過理解規格書的脈衝額定值、分級與熱參數，為要求嚴苛的應用實現優化且具成本效益的設計。

12. 工作原理

紅外線發光二極體 (IR LED) 的基本工作原理與標準可見光 LED 相同，但使用不同的半導體材料來產生紅外線頻譜的光。HIR204C/H0 使用砷化鎵鋁 (GaAlAs) 晶片。當順向電壓施加於 LED 的 P-N 接面時，電子與電洞在半導體的主動區複合。此複合過程以光子的形式釋放能量。GaAlAs 材料的特定能隙決定了這些光子的波長，在本例中中心約為 850 奈米，使其位於近紅外線區域，人眼不可見。水色環氧樹脂封裝不會過濾或著色光線，允許最大量的生成紅外線輻射逸出。

13. 技術趨勢

紅外線發射器領域持續演進。業界可觀察到的一般趨勢包括：

• 效率提升：開發新的半導體磊晶結構，以在相同的輸入電流 (mA) 下實現更高的輻射強度 (mW/sr)，從而提升整體系統電源效率。
• 微型化：雖然像 3mm 這樣的穿孔封裝因其穩固性與易用性而仍然流行，但存在朝向表面黏著元件 (SMD) 封裝（例如 0805, 0603）的強烈趨勢，適用於自動化組裝及空間受限的設計，如智慧型手機（用於接近感測器）和微型物聯網裝置。
• 波長多樣化：雖然 850nm 和 940nm 是主流，但其他波長在特定應用中的使用日益增長，例如用於醫療設備的 810nm 或用於氣體感測的特定窄頻帶。
• 整合化：將紅外線 LED 與驅動電路、調變器，甚至光偵測器結合在單一封裝中，以創造更智慧、更易於使用的感測器模組。
• 增強的可靠性數據：現代的規格書越來越多地提供更詳細的壽命與可靠性數據（例如，各種應力條件下的 L70, L50 數據），以支援對長期效能至關重要的汽車、工業與醫療應用設計。

HIR204C/H0 代表了一個成熟、可靠且廣為人知的元件，受益於這些持續的材料與製造技術進步，確保其在廣泛的電子設計中持續保持相關性。