5mm 紅外線 LED HIR333/H0 規格書 - 5mm 直徑 - 1.45V 順向電壓 - 850nm 波長 - 150mW 功率消耗

1. 產品概述

HIR333/H0 是一款高強度紅外線發射二極體，封裝於標準 T-1 3/4 (5mm) 穿孔式封裝中，並配備黃色塑膠透鏡。此元件專為在紅外線感測與通訊系統中提供可靠效能而設計。其主要功能是發射峰值波長為 850nm 的紅外光，此波長經過光譜優化，能與常見的矽基光電探測器（如光電晶體、光電二極體及整合式紅外線接收模組）完美相容。本產品著重於高可靠性與穩定的輸出表現。

1.1 核心優勢與目標市場

此元件的關鍵優勢包括其高輻射強度，能實現強勁的信號傳輸，以及其低順向電壓，有助於節能運作。它採用無鉛材料製造，並符合主要環境與安全指令，包括 RoHS、歐盟 REACH 及無鹵素標準（Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm）。這些特性使其廣泛適用於各種商業與工業紅外線應用，尤其是在法規遵循與長期可靠性至關重要的領域。目標市場包括安全系統、遙控器、光學開關、物體偵測感測器，以及各種需要不可見光源的消費性電子產品製造商。

2. 深入技術參數分析

本節詳細解析定義 LED 操作邊界與效能的電氣、光學及熱規格。

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。這些額定值絕不可被超越，即使是瞬間超過也不允許。為確保可靠效能，操作應維持在建議的工作條件範圍內。

• 連續順向電流 (I_F)): 100 mA。這是可連續施加於 LED 的最大直流電流。
• 峰值順向電流 (I_FP)): 1.0 A。此高電流僅允許在脈衝條件下使用，且脈衝寬度 ≤ 100μs、工作週期 ≤ 1%，以防止過熱。
• 逆向電壓 (V_R)): 5 V。超過此逆向偏壓可能導致接面崩潰。
• 功率消耗 (P_d)): 在自由空氣溫度 25°C 或以下時為 150 mW。此額定值會隨著環境溫度升高而降低。
• 溫度範圍: 操作溫度: -40°C 至 +85°C；儲存溫度: -40°C 至 +100°C。
• 焊接溫度 (T_sol)): 最高 260°C，持續時間最長 5 秒，定義了波焊或迴焊製程的極限。

2.2 電氣-光學特性

電氣-光學特性是在環境溫度 (T_a) 為 25°C 的標準測試條件下所指定。這些參數定義了元件的典型效能。

• 輻射強度 (I_e)): 這是每單位立體角所發射的光功率，以毫瓦每球面度 (mW/sr) 為單位。在順向電流 (I_F) 為 20mA 時，典型值為 15 mW/sr。在 100mA 的脈衝電流下，輻射強度可達 80 mW/sr。
• 峰值波長 (λ_p)): 850 nm (典型值)。這是光輸出功率達到最大值時的波長。此波長人眼不可見，但能被矽感測器有效偵測。
• 頻譜頻寬 (Δλ): 45 nm (典型值)。這表示 LED 發射的波長範圍，以最大強度的一半處量測（半高全寬 - FWHM）。
• 順向電壓 (V_F)): 在 I_F=20mA 時為 1.45V (典型值)，最大值為 1.65V。在 I_F=100mA (脈衝) 時，典型 V_F會上升至 1.80V，最大值為 2.40V。
• 逆向電流 (I_R)): 在 V_R=5V 時最大為 10 μA，表示在關閉狀態下的漏電流非常低。
• 視角 (2θ_1/2)): 30 度 (典型值)。這是輻射強度降至中心 (0°) 值一半時的全角度。30° 的角度提供了適度聚焦的光束。

3. 分級系統說明

LED 的輻射強度會被分選到不同的等級或級別，以確保終端使用者的一致性。分級是在 I_F= 20mA 的標準測試條件下進行。可用的等級由字母代碼 (M, N, P, Q, R) 定義，並對應最小與最大輻射強度值。這讓設計師可以選擇符合其特定靈敏度或距離需求的元件。例如，選擇 'P' 級可保證最小輻射強度為 15.0 mW/sr，最大為 24.0 mW/sr。此特定料號的規格書未標示波長 (色調) 或順向電壓 (REF) 的獨立分級，但標籤規格顯示這些參數在製造過程中會被追蹤。

4. 性能曲線分析

典型性能曲線提供了元件在不同條件下行為的視覺化洞察，這對於電路設計與熱管理至關重要。

4.1 順向電流 vs. 環境溫度

此降額曲線顯示了最大允許連續順向電流如何隨著環境溫度升高超過 25°C 而降低。為確保接面溫度維持在安全限度內並保持長期可靠性，在高溫環境中必須降低操作電流。設計師在密閉空間或高環境溫度下操作 LED 時，必須參考此曲線。

4.2 頻譜分佈

頻譜分佈圖繪製了相對輻射強度與波長的關係。它直觀地確認了 850nm 的峰值波長與大約 45nm 的頻譜頻寬。此曲線是 GaAlAs (砷化鎵鋁) 半導體材料的特徵。其窄而明確的峰值確保了與可見光的最小重疊，並能與峰值靈敏度約在 800-900nm 的矽偵測器達到最佳耦合。

4.3 輻射強度 vs. 順向電流

此曲線說明了驅動電流與光輸出之間的關係。輻射強度在較低電流時隨電流呈超線性增加，在較高電流時趨於線性，最終因熱效應導致內部效率下降而飽和。脈衝條件 (100mA) 下的曲線顯示輸出顯著高於直流條件，突顯了脈衝操作在實現高峰值強度且無熱損傷方面的優勢。

4.4 相對輻射強度 vs. 角度位移

此極座標圖描繪了 LED 的空間發射模式。它顯示了光強度如何隨著視角偏離中心軸 (0°) 而減弱。對於此類封裝，其模式大致符合朗伯分佈，在半角點 (約 ±15°) 的強度為軸上強度的 50%，從而定義了 30° 的視角。

5. 機械與封裝資訊

本元件採用標準 5mm (T-1 3/4) 徑向引腳封裝。引腳具有標準的 2.54mm (0.1 英吋) 間距，與常見的穿孔原型板及 PCB 佈局相容。封裝尺寸圖提供了關鍵尺寸，包括整體直徑、透鏡高度、引腳長度及引腳直徑。本體由黃色塑膠模製而成，該材料對 850nm 紅外光是透明的，但呈現顏色以助於視覺識別並與可見光 LED 區分。陰極通常可透過透鏡邊緣的平面標記和/或較短的引腳來識別。除非另有說明，所有尺寸的公差均為標準的 ±0.25mm。

6. 焊接與組裝指南

組裝過程中的正確處理對於防止 LED 受到機械或熱損傷至關重要。

6.1 引腳成型

若需彎曲引腳，必須在距離環氧樹脂燈泡底部至少 3mm 的位置進行。成型應始終在焊接前、於室溫下進行，並小心避免將應力直接施加於環氧樹脂本體，否則可能導致封裝破裂或損壞內部接線。PCB 孔洞必須與 LED 引腳精確對齊，以避免安裝應力。

6.2 儲存

LED 應儲存在陰涼、乾燥的環境中 (≤30°C，相對濕度 ≤70%)。建議出貨後的儲存壽命為 3 個月。如需更長時間儲存 (最長一年)，元件應保存在帶有乾燥劑的密封防潮袋中，最好是在氮氣環境下，以防止吸濕以及在焊接過程中可能發生的 \"爆米花\" 現象。

6.3 焊接製程

必須在焊點與環氧樹脂燈泡之間保持至少 3mm 的距離。建議的焊接參數如下：
手工焊接: 烙鐵頭溫度 ≤300°C (適用於最大 30W 烙鐵)，每引腳焊接時間 ≤3 秒。
波焊/浸焊: 預熱溫度 ≤100°C，時間 ≤60 秒；焊錫槽溫度 ≤260°C，時間 ≤5 秒。
提供的焊接溫度曲線圖建議採用快速的溫度上升、一個平穩區 (均熱)、在 260°C 的短暫峰值，以及受控的冷卻過程。應避免快速冷卻或熱衝擊。不建議進行重複焊接 (超過一次的浸焊或手工焊接循環)。

6.4 清潔

若焊接後需要清潔，請在室溫下使用異丙醇，時間不超過一分鐘。除非其效果 (功率、頻率、持續時間) 已在樣品組裝件上經過充分預先驗證，否則請勿使用超音波清洗，因為超音波能量可能損壞精密的內部半導體結構。

5.5 熱管理

有效的熱管理是關鍵的設計考量。150mW 的功率消耗額定值是在 25°C 下指定的。在實際應用中，實際消耗的功率 (V_F* I_F) 必須隨著環境溫度升高而降額，如降額曲線所示。對於在高電流或高環境溫度下的連續操作，應考慮使用散熱片、增加氣流或實施脈衝驅動，以降低平均接面溫度並確保長期可靠性。

7. 包裝與訂購資訊

LED 包裝在防靜電袋中，以防靜電放電 (ESD) 損壞。這些袋子被放入內盒中，然後再裝入更大的外箱以便運輸。典型的包裝數量為每袋 200-500 顆，每內盒 5 袋，每主外箱 10 個內盒。袋子上的標籤包含用於追溯與識別的關鍵資訊，包括客戶產品編號 (CPN)、製造商產品編號 (P/N)、包裝數量 (QTY) 及發光強度等級 (CAT)。其他代碼可能表示主波長等級 (HUE)、順向電壓等級 (REF)、批號及日期代碼。

8. 應用建議與設計考量

8.1 典型應用場景

• 紅外線遙控器: 用作電視、音響及機上盒遙控器中的發射器。
• 接近與物體偵測: 與光電晶體配對，以感測物體的存在、不存在或位置。
• 光學開關: 用於槽型感測器 (例如，印表機中的紙張偵測) 或反射式感測器。
• 安全系統: 用於閉路電視攝影機的夜視照明，或作為紅外線入侵偵測光束的一部分。
• 工業自動化: 用於計數、對準及液位偵測應用中的非接觸式感測。

8.2 設計考量

• 限流: 務必使用串聯電阻或恆流驅動器，將順向電流限制在所需值，該值需根據電源電壓與 LED 的順向電壓計算。
• 脈衝操作: 對於需要高峰值強度的應用 (如遠距離感測)，請使用具有適當工作週期的脈衝驅動，以保持在峰值電流與平均功率額定值範圍內。
• 光學設計: 在設計透鏡、光圈或光路時，請考慮 30° 的視角。為獲得更長距離，可使用外部透鏡來準直光束。
• 偵測器匹配: 確保所選的光電探測器 (光電晶體、光電二極體或接收器 IC) 在 850nm 區域具有高靈敏度。
• 抗環境光干擾: 在具有強環境光 (尤其是含有紅外線的陽光) 的環境中，請在接收器中使用調變 (脈衝) 紅外線信號與同步偵測，以將信號與背景雜訊區分開來。

9. 技術比較與差異化

與標準可見光 LED 相比，此紅外線 LED 針對紅外線頻譜輸出進行了優化，採用能在 850nm 提供高效率的材料 (GaAlAs)。其在紅外線 LED 類別中的關鍵差異化特點，在於結合了相對較高的輻射強度 (典型值 15 mW/sr) 與低順向電壓 (典型值 1.45V)，這有助於降低電池供電裝置的功耗。30° 的視角在光束集中度與覆蓋範圍之間提供了良好的平衡。符合現代環境標準 (RoHS、REACH、無鹵素) 對於銷往全球市場的產品是一大優勢，消除了材料合規性的顧慮。

10. 基於技術參數的常見問題

問：我可以將此 LED 直接連接到 5V 電源驅動嗎？
答：不行。您必須使用限流電阻。例如，使用 5V 電源，目標電流為 20mA，並假設典型 V_F為 1.45V，則電阻值為 R = (5V - 1.45V) / 0.02A = 177.5Ω。使用標準的 180Ω 電阻是合適的。

問：直流與脈衝輻射強度額定值有何不同？
答：直流額定值 (20mA 時為 15 mW/sr) 適用於連續操作，此時熱效應會限制輸出。脈衝額定值 (100mA 時為 80 mW/sr) 之所以可以實現，是因為短暫的脈衝不允許接面顯著升溫，從而允許更高的瞬時電流，進而產生更高的光輸出。

問：如何識別陰極？
答：在標準 5mm 封裝中，陰極通常透過兩個特徵來指示：1) 圓形塑膠透鏡邊緣上的平面邊。2) 陰極引腳通常比陽極引腳短。焊接前務必驗證極性。

問：此 LED 對靜電放電敏感嗎？
答：與所有半導體元件一樣，它可能因靜電放電而損壞。它以防靜電包裝供應，並應在組裝過程中採取適當的 ESD 防護措施。

11. 實務設計與使用案例

案例：設計一個簡單的物體偵測感測器
一個常見的應用是遮斷光束式感測器。將 HIR333/H0 紅外線 LED 置於路徑的一側，並將一個光電晶體直接置於對面。當物體通過它們之間時，會中斷紅外線光束，導致光電晶體的輸出發生變化。對於此設計：
1. 使用簡單的電晶體開關或微控制器 GPIO 腳位 (帶串聯電阻) 以 20mA 恆定電流驅動 LED。
2. 為提高抗雜訊能力與偵測距離，可以特定頻率 (例如 38kHz) 脈衝驅動 LED，並使用內建 38kHz 濾波器的光電晶體模組。
3. 考慮到 30° 的發射錐角，仔細對準 LED 與偵測器。對於較長的間隙，可考慮在 LED 前方添加管子或準直透鏡以縮窄光束。
4. 將感測器遠離直射陽光或其他強紅外線光源，以防止誤觸發。

12. 工作原理簡介

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 區的電洞被注入跨越接面。當這些電荷載子在主動區複合時，能量以光子 (光) 的形式釋放。發射光的波長 (顏色) 由半導體材料的能隙能量決定。HIR333/H0 使用砷化鎵鋁 (GaAlAs)，其能隙對應於近紅外線頻譜中的光子，特別是約 850 奈米。黃色塑膠封裝經過摻雜，對此波長透明同時阻擋可見光，並且它也作為塑造輸出光束的初級透鏡。

13. 技術趨勢與發展

紅外線 LED 技術的趨勢持續朝向更高效率 (每輸入電瓦產生更多光輸出) 與更高功率密度發展。這使得光源可以更亮，或設計更節能。峰值波長的變化也在發展中；雖然 850nm 和 940nm 很常見，但其他波長正針對特定應用 (如氣體感測或醫療診斷) 進行優化。封裝技術正在演進以支援自動化組裝的表面黏著技術 (SMD)，儘管像 5mm 這樣的穿孔式封裝在原型製作、維修及某些高可靠性應用中仍然很受歡迎。整合是另一個趨勢，紅外線 LED 正與驅動器、調變器甚至偵測器結合到單一模組中，以簡化終端使用者的系統設計。