目錄
- 1. 產品概述
- 1.1 核心優勢
- 1.2 目標市場與應用
- 2. 深入技術參數分析
- 2.1 絕對最大額定值
- 2.2 電氣與光學特性
- 2.3 熱特性
- 3. 分級系統說明
- 4. 性能曲線分析
- 4.1 順向電流 vs. 環境溫度
- 4.2 光譜分佈
- 4.3 峰值發射波長 vs. 環境溫度
- 4.4 順向電流 vs. 順向電壓 (IV 曲線)
- 4.5 輻射強度 vs. 順向電流
- 4.6 相對輻射強度 vs. 角度位移
- 5. 機械與封裝資訊
- 5.1 封裝尺寸
- 5.2 極性辨識
- 6. 焊接與組裝指南
- 6.1 引腳成型
- 6.2 儲存條件
- 6.3 焊接參數
- 6.4 清潔
- 7. 包裝與訂購資訊
- 7.1 包裝規格
- 7.2 標籤格式規格
- 8. 應用設計考量
- 8.1 典型應用電路
- 8.2 光學設計注意事項
- 8.3 熱管理
- 9. 技術比較與差異化
- 10. 常見問題 (FAQ)
- 11. 設計與使用案例研究
- 12. 工作原理
- 13. 技術趨勢
1. 產品概述
本文件詳細說明一款 5.0mm (T-1 3/4) 穿孔式紅外線發光二極體的規格。此元件設計用於發射峰值波長為 850nm 的光線，適用於各種紅外線感測與傳輸應用。它採用透明塑膠封裝，可實現高輻射輸出。
1.1 核心優勢
此元件的核心優勢包括高可靠度與高輻射強度。其具備低順向電壓特性，有助於電路設計的能源效率。元件採用無鉛材料製造，並符合主要環境與安全法規，包括 RoHS、歐盟 REACH 以及無鹵素標準 (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm)。
1.2 目標市場與應用
此紅外線 LED 的光譜與常見的矽光電晶體、光電二極體及紅外線接收模組相匹配。其典型應用包括：
- 用於數據通訊的自由空間傳輸系統。
- 需要較高功率輸出的紅外線遙控裝置。
- 煙霧偵測系統。
- 用於感測與偵測的通用紅外線應用系統。
2. 深入技術參數分析
以下章節提供元件電氣、光學及熱特性的詳細分析。
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條件，不適用於連續操作。
- 連續順向電流 (IF)：100 mA
- 峰值順向電流 (IFP)：1.0 A (脈衝寬度 ≤100μs，工作週期 ≤1%)
- 逆向電壓 (VR)：5 V
- 操作溫度 (Topr)：-40°C 至 +85°C
- 儲存溫度 (Tstg)：-40°C 至 +85°C
- 焊接溫度 (Tsol)：260°C，持續時間 ≤5 秒
- 25°C 下的功率消耗 (Pd)：150 mW
2.2 電氣與光學特性
這些參數在環境溫度 (Ta) 25°C 下量測，定義了元件在特定條件下的典型性能。
- 輻射強度 (Ie)：在順向電流 (IF) 20mA 下，最小典型值為 7.8 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 80 mW/sr。在相同脈衝條件下，峰值電流 1A 時可達 800 mW/sr。
- 峰值波長 (λp)：在 IF=20mA 下為 850 nm (典型值)。
- 頻譜頻寬 (Δλ)：在 IF=20mA 下為 45 nm (典型值)，表示最大強度一半處的光譜寬度。
- 順向電壓 (VF)：在 IF=20mA 下，範圍從 1.45V (典型值) 到最大值 1.65V。電壓隨電流增加而升高，在 100mA 時最高達 2.40V，在脈衝操作 1A 時最高達 5.25V。
- 逆向電流 (IR)：在 VR=5V 下，最大值為 10 μA。
- 視角 (2θ1/2)：在 IF=20mA 下為 30 度 (典型值)，定義輻射強度至少為峰值一半的角度範圍。
2.3 熱特性
元件的性能與溫度相關。在 25°C 自由空氣中，最大額定功率消耗為 150 mW。設計人員必須在較高環境溫度下操作時考慮降額使用此值，以確保長期可靠性並防止熱失控。
3. 分級系統說明
本產品根據在 IF=20mA 下量測的輻射強度，提供不同的性能等級或分級。這讓設計師能選擇精確符合其應用靈敏度需求的元件。
輻射強度的分級結構如下：
- 等級 M：7.8 - 12.5 mW/sr
- 等級 N：11.0 - 17.6 mW/sr
- 等級 P：15.0 - 24.0 mW/sr
- 等級 Q：21.0 - 34.0 mW/sr
- 等級 R：30.0 - 48.0 mW/sr
規格書亦指出，本元件提供主波長 (HUE) 與順向電壓 (REF) 的等級，但提供的摘錄中未詳述這些參數的特定分級代碼。
4. 性能曲線分析
圖形數據提供了在不同條件下元件行為的深入見解。
4.1 順向電流 vs. 環境溫度
此曲線顯示當環境溫度超過 25°C 時，最大允許順向電流的降額情況。為維持可靠性，必須在較高溫度下降低操作電流。
4.2 光譜分佈
此圖表說明了以 850nm 峰值為中心，跨波長光譜的相對輻射功率輸出。45nm 頻寬表示發射的波長範圍。
4.3 峰值發射波長 vs. 環境溫度
此關係顯示峰值波長 (λp) 如何隨接面溫度變化而偏移。通常，波長會隨溫度升高而略微增加，這在需要與偵測器精確光譜匹配的應用中是關鍵因素。
4.4 順向電流 vs. 順向電壓 (IV 曲線)
此基本曲線描繪了施加於二極體兩端的電壓與所產生電流之間的指數關係。對於設計限流電路（例如選擇串聯電阻）至關重要。
4.5 輻射強度 vs. 順向電流
此圖表顯示輻射強度隨順向電流呈超線性增加。然而，在極高電流（尤其是直流）下操作會導致熱量增加和潛在的效率損失，因此對於高強度需求，脈衝操作更為可取。
4.6 相對輻射強度 vs. 角度位移
此極座標圖直觀地呈現了視角 (2θ1/2 = 30°)。它顯示了當觀察角度偏離中心軸 (0°) 時，強度如何減弱，這對於設計光學系統以及對準發射器與偵測器至關重要。
5. 機械與封裝資訊
5.1 封裝尺寸
本元件符合標準 T-1 3/4 (5mm) 徑向引腳封裝。關鍵尺寸包括整體直徑約 5.0mm，以及標準引腳間距 2.54mm (0.1 英吋)，與標準穿孔板相容。除非另有說明，尺寸圖標示的公差為 ±0.25mm。透鏡圓頂的確切形狀和引腳長度在詳細的封裝圖中定義。
5.2 極性辨識
陰極通常可透過塑膠透鏡邊緣的平坦處或較短的引腳來識別。在電路組裝時必須注意正確的極性，以防止逆向偏壓損壞。
6. 焊接與組裝指南
正確的操作對於防止機械和熱損壞至關重要。
6.1 引腳成型
- 彎曲必須在環氧樹脂燈泡基座至少 3mm 以外進行。
- 在焊接前完成引腳成型。
- 彎曲時避免對封裝施加應力。
- 在室溫下剪裁引腳。
- 確保 PCB 孔洞與 LED 引腳完美對齊，以避免安裝應力。
6.2 儲存條件
- 儲存於 ≤30°C 且 ≤70% 相對濕度 (RH) 的環境中。
- 在原包裝中的最長儲存壽命為 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劇烈變化，以防止凝結。
6.3 焊接參數
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。保持焊點與環氧樹脂燈泡之間的最小距離為 3mm。
波峰焊/浸焊：預熱溫度 ≤100°C，持續時間 ≤60 秒。焊錫槽溫度 ≤260°C，持續時間 ≤5 秒。遵守 3mm 距離規則。
通用規則：勿在高溫下對引腳施加應力。避免對同一元件進行多次焊接。在冷卻至室溫的過程中，保護元件免受衝擊/振動。勿使用快速冷卻製程。遵循建議的波峰焊溫度曲線。
6.4 清潔
規格書提到僅在必要時進行清潔，但提供的摘錄中未詳述特定的清潔劑建議或超音波清潔參數。標準做法是使用與環氧樹脂相容的溫和、非侵蝕性清潔劑。
7. 包裝與訂購資訊
7.1 包裝規格
元件以防靜電袋包裝以提供 ESD 保護。標準包裝流程為：
1. 每防靜電袋裝 500 件。
2. 每內盒裝 5 袋 (共 2,500 件)。
3. 每外主箱裝 10 個內盒 (共 25,000 件)。
7.2 標籤格式規格
產品標籤包含用於追溯和識別的關鍵資訊：
- CPN (客戶料號)
- P/N (製造商料號：HIR333C/H0)
- QTY (包裝數量)
- CAT (發光/輻射強度等級，例如 M, N, P, Q, R)
- HUE (主波長等級)
- REF (順向電壓等級)
- LOT No. (批號，用於追溯)
- Date Code (日期代碼)
8. 應用設計考量
8.1 典型應用電路
最常見的驅動電路是簡單的串聯電阻，用於限制順向電流。電阻值 (R) 使用歐姆定律計算：R = (Vcc - Vf) / If，其中 Vcc 是電源電壓，Vf 是 LED 的順向電壓（為可靠性起見使用最大值），If 是所需的順向電流。對於脈衝操作（例如在遙控器中），通常使用電晶體開關來提供高峰值電流（高達 1A），同時保持低工作週期，使平均功率保持在限制範圍內。
8.2 光學設計注意事項
30 度視角在光束集中度與覆蓋範圍之間提供了良好的平衡。對於更長距離或更窄光束的應用，可能需要二次光學元件（透鏡）。透明透鏡最適合 850nm 傳輸。確保接收器（光電晶體、光電二極體或 IC）在 850nm 區域具有光譜靈敏度，以實現最大的系統效率。
8.3 熱管理
儘管封裝在 25°C 下可消耗 150mW，但在高電流或高環境溫度下連續操作時，仍需透過引腳或謹慎的電路板佈局進行有效的散熱。使用脈衝驅動模式可顯著降低平均功率消耗和熱應力。
9. 技術比較與差異化
與標準可見光 LED 或其他紅外線 LED 相比，此元件的關鍵差異在於其結合了高輻射強度(等級 R 中高達 48 mW/sr)、低順向電壓(典型值 1.45V)，以及全面的環境合規性(RoHS、REACH、無鹵素)。使用 GaAlAs 晶片材料是高效率 850nm 發射的標準做法。5mm 封裝提供了堅固的穿孔式外形規格，適用於表面黏著元件可能不理想的廣泛工業和消費性應用。
10. 常見問題 (FAQ)
問：我可以讓這個 LED 在 100mA 下連續驅動嗎？
答：連續順向電流的絕對最大額定值為 100mA。然而，在此最大電流下連續操作將產生顯著的熱量 (Pd ≈ Vf * If)。為了可靠的長期操作，建議對電流進行降額，特別是當環境溫度高於 25°C 時，或者使用散熱片。
問：分級 (M, N, P, Q, R) 之間有什麼區別？
答：分級根據 LED 在 20mA 驅動下的最小和最大輻射強度進行分類。等級 M 的輸出最低 (7.8-12.5 mW/sr)，等級 R 的輸出最高 (30.0-48.0 mW/sr)。請根據接收器電路所需的訊號強度和靈敏度選擇分級。
問：為什麼在 1A 時的順向電壓比在 20mA 時高？
答：這是由於半導體晶粒和接合線的內部串聯電阻所致。隨著電流增加，此電阻上的電壓降 (V = I*R) 增加，導致總順向電壓更高。
問：如何達到 800 mW/sr 的輻射強度？
答：此強度是在脈衝條件下指定的：順向電流為 1A，脈衝寬度為 100 微秒或更短，工作週期為 1% 或更低。這在允許極高瞬時光學輸出的同時，將加熱效應降至最低。
11. 設計與使用案例研究
案例研究 1：長距離紅外線遙控器
設計師需要一個距離超過 30 公尺的遙控器。他們選擇 HIR333C/H0 等級 R 以獲得最大輸出。電路使用微控制器產生調變數據脈衝。LED 透過 NPN 電晶體開關以 1A 脈衝（100μs 寬度，1% 工作週期）驅動。高峰值強度確保強訊號到達遠處的接收器，而低工作週期則使電池消耗和元件發熱最小化。
案例研究 2：工業環境中的接近感測器
自動化機器需要一個堅固的接近感測器。一個紅外線 LED 和一個光電晶體相對放置在輸送帶路徑的兩側。LED 以恆定的 50mA 電流驅動（為可靠性從 100mA 最大值降額）。與可見紅光 LED 相比，850nm 波長較不易受到環境可見光的干擾。30 度光束提供了足夠的覆蓋範圍而不會過度擴散。當物體阻斷光束時，感測器會偵測到。
12. 工作原理
紅外線發光二極體是一種半導體 p-n 接面二極體。當施加順向電壓時，來自 n 區的電子與來自 p 區的電洞在晶片的主動區內復合。此復合過程以光子（光）的形式釋放能量。晶片主動區中使用的特定材料（在本例中為砷化鎵鋁 - GaAlAs）決定了發射光子的波長。對於 GaAlAs，這會產生峰值波長約為 850nm 的紅外光，人眼不可見，但易於被矽基光電偵測器偵測到。
13. 技術趨勢
紅外線 LED 的趨勢持續朝向更高效率（每瓦電輸入產生更多輻射輸出）發展，這使得相同封裝下可以實現更低的功耗或更高的輸出。對於 IrDA 和光學無線網路等數據通訊應用，也趨向於更高的調變速度能力。封裝技術正在演進，包括針對高功率應用具有改善熱性能的表面黏著元件，儘管像 5mm 這樣的穿孔式封裝因其機械堅固性和易於原型製作而仍然流行。將驅動電路和光電偵測器整合到單一模組中是簡化系統設計的另一個常見趨勢。
LED規格術語詳解
LED技術術語完整解釋
一、光電性能核心指標
| 術語 | 單位/表示 | 通俗解釋 | 為什麼重要 |
|---|---|---|---|
| 光效（Luminous Efficacy） | lm/W（流明/瓦） | 每瓦電能發出的光通量，越高越節能。 | 直接決定燈具的能效等級與電費成本。 |
| 光通量（Luminous Flux） | lm（流明） | 光源發出的總光量，俗稱"亮度"。 | 決定燈具夠不夠亮。 |
| 發光角度（Viewing Angle） | °（度），如120° | 光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。 | 影響光照範圍與均勻度。 |
| 色溫（CCT） | K（開爾文），如2700K/6500K | 光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。 | 決定照明氛圍與適用場景。 |
| 顯色指數（CRI / Ra） | 無單位，0–100 | 光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。 | 影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。 |
| 色容差（SDCM） | 麥克亞當橢圓步數，如"5-step" | 顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。 | 保證同一批燈具顏色無差異。 |
| 主波長（Dominant Wavelength） | nm（奈米），如620nm（紅） | 彩色LED顏色對應的波長值。 | 決定紅、黃、綠等單色LED的色相。 |
| 光譜分佈（Spectral Distribution） | 波長 vs. 強度曲線 | 顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。 | 影響顯色性與顏色品質。 |
二、電氣參數
| 術語 | 符號 | 通俗解釋 | 設計注意事項 |
|---|---|---|---|
| 順向電壓（Forward Voltage） | Vf | LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。 | 驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。 |
| 順向電流（Forward Current） | If | 使LED正常發光的電流值。 | 常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。 |
| 最大脈衝電流（Pulse Current） | Ifp | 短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。 | 脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。 |
| 反向電壓（Reverse Voltage） | Vr | LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。 | 電路中需防止反接或電壓衝擊。 |
| 熱阻（Thermal Resistance） | Rth（°C/W） | 熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。 | 高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。 |
| 靜電放電耐受（ESD Immunity） | V（HBM），如1000V | 抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。 | 生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。 |
三、熱管理與可靠性
| 術語 | 關鍵指標 | 通俗解釋 | 影響 |
|---|---|---|---|
| 結溫（Junction Temperature） | Tj（°C） | LED晶片內部的實際工作溫度。 | 每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。 |
| 光衰（Lumen Depreciation） | L70 / L80（小時） | 亮度降至初始值70%或80%所需時間。 | 直接定義LED的"使用壽命"。 |
| 流明維持率（Lumen Maintenance） | %（如70%） | 使用一段時間後剩餘亮度的百分比。 | 表徵長期使用後的亮度保持能力。 |
| 色漂移（Color Shift） | Δu′v′ 或 麥克亞當橢圓 | 使用過程中顏色的變化程度。 | 影響照明場景的顏色一致性。 |
| 熱老化（Thermal Aging） | 材料性能下降 | 因長期高溫導致的封裝材料劣化。 | 可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。 |
四、封裝與材料
| 術語 | 常見類型 | 通俗解釋 | 特點與應用 |
|---|---|---|---|
| 封裝類型 | EMC、PPA、陶瓷 | 保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。 | EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。 |
| 晶片結構 | 正裝、倒裝（Flip Chip） | 晶片電極佈置方式。 | 倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。 |
| 螢光粉塗層 | YAG、矽酸鹽、氮化物 | 覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。 | 不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。 |
| 透鏡/光學設計 | 平面、微透鏡、全反射 | 封裝表面的光學結構，控制光線分佈。 | 決定發光角度與配光曲線。 |
五、質量控制與分檔
| 術語 | 分檔內容 | 通俗解釋 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 光通量分檔 | 代碼如 2G、2H | 按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。 | 確保同一批產品亮度一致。 |
| 電壓分檔 | 代碼如 6W、6X | 按順向電壓範圍分組。 | 便於驅動電源匹配，提高系統效率。 |
| 色區分檔 | 5-step MacAdam橢圓 | 按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。 | 保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。 |
| 色溫分檔 | 2700K、3000K等 | 按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。 | 滿足不同場景的色溫需求。 |
六、測試與認證
| 術語 | 標準/測試 | 通俗解釋 | 意義 |
|---|---|---|---|
| LM-80 | 流明維持測試 | 在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。 | 用於推算LED壽命（結合TM-21）。 |
| TM-21 | 壽命推演標準 | 基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。 | 提供科學的壽命預測。 |
| IESNA標準 | 照明工程學會標準 | 涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。 | 行業公認的測試依據。 |
| RoHS / REACH | 環保認證 | 確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。 | 進入國際市場的准入條件。 |
| ENERGY STAR / DLC | 能效認證 | 針對照明產品的能效與性能認證。 | 常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。 |