5.0mm 紅外線發光二極體 SIR323-5 規格書 - 5mm 封裝 - 1.3V 順向電壓 - 875nm 波長 - 150mW 功率消耗

1. 產品概述

SIR323-5是一款高強度紅外線發射二極體，封裝於標準T-1 3/4（5mm）透明塑膠外殼中。其設計為發射峰值波長為875奈米的紅外光，屬於近紅外光譜範圍。此元件專為需要可靠且強力紅外光源的應用而設計，其光譜輸出特別匹配常見的矽光電晶體、光電二極體及紅外線接收模組。封裝採用標準2.54mm引腳間距，易於整合至通孔印刷電路板設計中。

1.1 核心優勢與目標市場

此元件的核心優勢包括其高輻射強度，確保強勁的信號傳輸，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RoHS（有害物質限制指令）、歐盟REACH法規及無鹵素標準（Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm），使其適用於具有嚴格環保要求的全球市場。該元件以高可靠性著稱，這是消費性及工業電子產品的關鍵因素。其主要目標應用於無線、非接觸式信號傳輸系統。

2. 深入技術參數分析

本節對規格書中定義的關鍵電氣、光學及熱參數提供詳細、客觀的解讀。

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應力極限。不保證在或超過這些極限下運作。

• 連續順向電流（I_F)）：100 mA。這是可連續施加於LED而不致劣化的最大直流電流。
• 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，脈衝寬度 ≤ 100μs 且工作週期 ≤ 1%。這允許產生非常明亮的短暫光脈衝，適用於長距離傳輸。
• 逆向電壓（V_R)）：5 V。施加超過此值的逆向偏壓可能導致接面崩潰。
• 功率消耗（P_d)）：在環境溫度25°C或以下時為150 mW。這是封裝能以熱形式散發的最大功率。超過此限制會提高接面溫度，縮短壽命並降低輸出。
• 工作與儲存溫度：元件可在-40°C至+85°C下運作，並可在-40°C至+100°C下儲存。
• 焊接溫度：260°C，持續時間不超過5秒，符合標準無鉛迴焊溫度曲線。

2.2 電光特性

這些參數是在標準測試條件（Ta=25°C）下量測，定義了元件的性能。

• 輻射強度（I_e)）：這是每單位立體角（球面度）發射的光功率。在順向電流20mA下，典型值為7.8 mW/sr，最小值為4.0 mW/sr。在脈衝條件下（I_F=100mA，脈衝 ≤100μs，工作週期 ≤1%），典型輻射強度可達40 mW/sr，展現其高功率脈衝能力。
• 峰值波長（λ_p)）：875 nm（典型值）。這是發射光功率達到最大值的波長。光譜頻寬（Δλ）典型值為45 nm，表示圍繞峰值發射的波長範圍。
• 順向電壓（V_F)）：在20mA時，典型順向電壓為1.3V，最大值為1.65V。在100mA脈衝條件下，典型值升至1.4V（最大1.8V）。此低V_F有利於低電壓電路設計。
• 逆向電流（I_R)）：在逆向電壓5V下最大為10 μA，表示良好的接面隔離。
• 視角（2θ_1/2)）：35度（典型值）。這是輻射強度降至其最大值（軸向）一半時的全角。35度角提供中等聚焦的光束，適用於定向應用。

量測不確定度註記：規格書指定了關鍵量測的容差：V_F（±0.1V）、I_e（±10%）及λ_p（±1.0nm）。在精密設計計算中必須考慮這些容差。

3. 性能曲線分析

規格書包含數條特性曲線，說明元件在不同條件下的行為。

3.1 順向電流 vs. 環境溫度

此曲線（圖1）通常顯示最大允許順向電流隨著環境溫度升高而降額。為防止超過最大接面溫度及150mW功率消耗限制，當工作溫度高於25°C時，必須降低連續順向電流。設計人員在高溫應用中必須參考此圖。

3.2 光譜分佈

光譜分佈圖（圖2）繪製相對強度與波長的關係。它直觀地確認了875nm的峰值波長及約45nm的光譜頻寬。此曲線對於確保與目標接收器（光電晶體、光電二極體或IC）的光譜靈敏度相容至關重要。

3.3 相對強度 vs. 順向電流

此圖（圖3）展示了驅動電流與光輸出之間的關係。對於LED，在正常工作範圍內，光輸出通常與順向電流成正比。然而，在極高電流下，由於熱效應及其他非線性因素，效率可能會下降。此曲線有助於設計人員選擇適當的驅動電流以達到所需的輻射強度。

3.4 相對輻射強度 vs. 角度位移

此極座標圖（圖4）描繪了LED的發射模式。它顯示了當觀察角度偏離中心軸（0°）時，強度如何降低。35度視角（強度為峰值的50%）即由此曲線得出。此資訊對於光學系統設計、決定光束覆蓋範圍與對準公差至關重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

此元件採用標準5mm（T-1 3/4）圓形LED封裝。規格書中的詳細機械圖提供了所有關鍵尺寸，包括本體直徑、透鏡形狀、引腳長度及引腳間距。引腳間距確認為2.54mm（0.1英吋），這是通孔元件的標準。除非另有說明，所有尺寸公差為±0.25mm。透鏡材料為透明塑膠，針對紅外線傳輸進行優化，吸收極小。

4.2 極性辨識

對於通孔LED，極性通常透過兩個特徵來指示：引腳長度和內部結構。較長的引腳是陽極（正極），較短的引腳是陰極（負極）。此外，許多封裝在透鏡基座邊緣靠近陰極引腳處有一個平面。焊接前務必確認極性，以防止逆向偏壓損壞。

5. 焊接與組裝指南

此元件適用於波焊或手焊。關鍵參數是最高焊接溫度260°C，持續時間不超過5秒。這符合IPC/JEDEC J-STD-020無鉛迴焊溫度曲線標準。長時間暴露於高溫可能損壞塑膠封裝及內部接合線。手焊時，請使用溫控烙鐵並盡量縮短接觸時間。確保元件根據儲存溫度範圍（-40至+100°C）儲存在乾燥環境中，以防止吸濕，這可能在迴焊過程中導致爆米花現象。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 包裝規格

元件以防靜電袋包裝保護。標準包裝數量為每袋200至500件。五袋裝入一個盒子。最後，十個盒子裝入一個出貨紙箱。

6.2 標籤規格

包裝標籤包含數個關鍵識別碼：

• CPN：客戶生產編號（客戶特定料號）。
• P/N：生產編號（製造商料號，例如SIR323-5）。
• QTY：包裝數量。
• CAT：等級（可能表示性能分級）。
• HUE：峰值波長（例如875nm）。
• REF：參考編號。
• LOT No：批號，用於追溯。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 紅外線遙控器：高輻射強度，特別是在脈衝模式下（典型40 mW/sr），使其成為電視、音響系統及其他消費性電子產品長距離遙控器的理想選擇。
• 自由空間傳輸系統：用於短距離無線資料鏈路、入侵警報及物體偵測系統，其中紅外線光束透過空氣傳輸至接收器。
• 煙霧偵測器：常用於光學（光電式）煙霧偵測器。紅外線LED光束被煙霧粒子散射到光電二極體上，觸發警報。
• 通用紅外線應用系統：包括工業自動化（物件計數、位置感測）、觸控螢幕及光學編碼器。

7.2 設計考量與電路保護

• 限流：LED是電流驅動裝置。務必使用串聯限流電阻（或恆流驅動器），以防止超過最大連續順向電流（100mA）。電阻值使用歐姆定律計算：R = (V_電源- V_F) / I_F.
• 脈衝操作：對於高強度脈衝，確保驅動電路能夠提供1A峰值電流，同時嚴格遵守脈衝寬度（≤100μs）和工作週期（≤1%）限制。簡單的微控制器GPIO接腳通常無法直接提供如此大的電流，可能需要電晶體開關（例如MOSFET）。
• 逆向電壓保護：雖然元件可耐受高達5V的逆向電壓，但避免逆向偏壓是良好的做法。在交流耦合電路或可能出現逆向電壓的情況下，考慮在LED兩端並聯一個保護二極體（陰極對陽極）。
• 熱管理：雖然封裝體積小，但在較高電流和環境溫度下，功率消耗變得重要。確保通風良好，並在操作溫度高於25°C時考慮降額曲線。
• 光學設計：考慮35度視角。對於聚焦光束，可能需要外部透鏡或反射器。對於廣域照明，原生角度可能已足夠。確保接收器的光譜與875nm峰值匹配。

8. 技術比較與差異化

SIR323-5透過關鍵參數的組合，在5mm紅外線LED市場中脫穎而出。與通用5mm紅外線LED相比，它提供更高的典型輻射強度（20mA下7.8 mW/sr vs. 常見的5-6 mW/sr），在相同信號強度下實現更長距離或更低功耗。其低順向電壓（典型1.3V）對電池供電裝置有利。875nm波長是常見標準，確保與矽基接收器的廣泛相容性。其符合現代環保標準（RoHS、REACH、無鹵素）是當代大多數電子製造的強制要求，而較舊或低成本替代品可能不符合。

9. 常見問題（基於技術參數）

9.1 輻射強度與發光強度有何不同？

輻射強度（I_e，單位為mW/sr）是每單位立體角發射的光功率，與所有波長相關。發光強度（單位為燭光，cd）則根據人眼靈敏度（明視覺曲線）加權，僅對可見光有意義。由於這是紅外線LED，輻射強度是正確且指定的度量標準。

9.2 我可以直接用3.3V或5V微控制器接腳驅動這個LED嗎？

您不應直接連接。微控制器GPIO接腳有電流輸出限制（通常20-40mA），無法處理LED的潛在電流消耗或1A脈衝。更重要的是，您必須有一個串聯電阻來限制電流。例如，從5V電源供應，目標I_F=20mA且V_F=1.3V：R = (5V - 1.3V) / 0.02A = 185歐姆（使用標準180或220歐姆電阻）。然後，GPIO接腳將驅動電晶體的基極/閘極，由該電晶體開關控制LED電流。

9.3 為何峰值順向電流（1A）遠高於連續電流（100mA）？

這是由於熱限制。1A脈衝非常短暫（≤100μs）且不頻繁（工作週期≤1%），半導體接面沒有時間顯著升溫。100mA連續額定值考慮了穩態產生的熱量，封裝必須將此熱量散發到環境中，以保持接面溫度在安全範圍內。

9.4 如何為此LED選擇匹配的接收器？

尋找峰值光譜靈敏度約在875nm附近的光電晶體、光電二極體或紅外線接收模組。大多數矽基偵測器的峰值靈敏度在800nm至950nm之間，因此是良好的匹配。務必檢查接收器規格書中的光譜靈敏度曲線。

10. 實務設計與使用案例

案例：設計長距離紅外線遙控器
目標：在典型客廳中傳輸可靠信號達15公尺。
設計選擇:

1. 驅動模式：使用脈衝操作，I_FP= 1A，以最大化輻射強度（典型40 mW/sr），實現最長距離。
2. 電路：微控制器產生編碼脈衝序列。GPIO接腳控制一個N通道MOSFET。LED和一個小電流感測電阻串聯在電源（例如，2顆AA電池約3V）與MOSFET汲極之間。電阻值很小，僅用於設定峰值電流：R = (V_電池- V_{F_脈衝}- V_{DS_導通}) / 1A。MOSFET使用一個閘極電阻。
3. 脈衝時序：確保遙控器編碼（例如NEC協定）中的每個高脈衝寬度≤100μs。整個傳輸脈衝串的工作週期必須≤1%。對於簡短的遙控器編碼，這通常很容易滿足。
4. 光學：原生35度光束可能已足夠。為了更好的方向性和距離，可以在LED前方添加一個簡單的塑膠準直透鏡。

11. 工作原理介紹

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（陽極相對於陰極為正）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，會釋放能量。在標準矽二極體中，此能量主要以熱的形式釋放。在此LED使用的材料如砷化鎵鋁（GaAlAs）中，此復合能量的顯著部分以光子（光）的形式釋放。發射光的特定波長（本例中為875nm）由半導體材料的能隙決定，這是在晶體生長過程中設計的。透明環氧樹脂封裝充當透鏡，將發射光塑造成特徵光束模式。

12. 技術趨勢與發展

紅外線LED技術持續發展。雖然基本的5mm通孔封裝在傳統設計和業餘愛好者使用中仍然流行，但產業趨勢強烈朝向表面黏著裝置封裝（例如0805、1206或晶片級封裝）。SMD提供更小的尺寸、更適合自動化取放組裝，並且通常具有更好的熱性能。材料方面也在持續發展，以實現更高的效率（每瓦電輸入產生更多光輸出）、針對特定感測應用的不同峰值波長（例如940nm用於隱蔽操作，850nm用於帶紅外線照明的監視攝影機），以及將LED與驅動電路甚至接收器整合到單一模組中。然而，為SIR323-5描述的基本工作原理和關鍵參數，仍然是理解和指定任何紅外線LED的基石。