5mm 紅外線 LED HIR7393C 規格書 - 5.0mm 直徑 - 1.45V 順向電壓 - 850nm 波長 - 150mW 功率消耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本元件為一款高強度紅外線發光二極體 (IRED)，封裝於標準 T-1 3/4 (5.0mm) 透明塑膠透鏡封裝內。其設計為發射峰值波長 850nm 的光線，使其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，確保在感測與通訊系統中可靠運作。

1.1 主要特色與核心優勢

• 高輻射強度：在順向電流 20mA 下，提供典型 15 mW/sr 的輻射強度，實現強勁的信號傳輸。
• 低順向電壓：在 20mA 下，典型順向電壓 (V_F) 為 1.45V，有助於降低電路功耗。
• 高可靠性：採用堅固的材料與製程，適用於工業應用。
• 無鉛且符合 RoHS 規範：製造過程符合環保法規。
• 標準接腳間距：2.54mm (0.1 英吋) 接腳間距，相容於標準麵包板與印刷電路板。

1.2 目標市場與應用領域

此紅外線 LED 主要針對需要非可見光源的電子系統設計師與工程師。其主要應用於紅外線應用系統，廣泛包含：

• 物體偵測與接近感測
• 紅外線資料傳輸 (例如：遙控器、短距離通訊)
• 光學編碼器與位置感測
• 障礙系統與安全感測器
• 工業自動化與機器視覺照明

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

150mW 的功率消耗額定值是在環境溫度 25°C 或更低時指定的。隨著環境溫度升高，最大允許功率消耗會降低。設計師必須參考降額曲線 (規格書中暗示) 以確保接面溫度不超過安全限制，這對於長期可靠性至關重要。其 -40°C 至 +85°C 的工作溫度範圍使其適用於嚴苛環境。

• 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 25°C 或更低之自由空氣溫度下)
• 焊接溫度 (T_sol)：260°C，持續時間 ≤5 秒

2.2 電氣與光學特性 (Ta=25°C)

這些是在指定測試條件下的典型性能參數。

• 輻射強度 (I_e)：最小 7.8，典型 15 mW/sr @ I_F=20mA。在脈衝條件下，於 I_F=100mA 時可達約 50 mW/sr。
• 峰值波長 (λ_p)：850 nm (典型) @ I_F=20mA。此波長接近矽偵測器的峰值靈敏度。
• 光譜頻寬 (Δλ)：45 nm (典型) @ I_F=20mA。定義在半最大強度處的光譜寬度。
• 順向電壓 (V_F)：典型 1.45V，最大 1.65V @ I_F=20mA。典型 1.80V，最大 2.40V @ I_F=100mA (脈衝)。
• 逆向電流 (I_R)：最大 10 μA @ V_R=5V。
• 視角 (2θ_1/2)：45 度 (典型) @ I_F=20mA。此為半強度處的全角。

2.3 熱特性

The power dissipation rating of 150mW is specified at or below 25°C ambient temperature. As ambient temperature increases, the maximum allowable power dissipation decreases. Designers must refer to the derating curve (implied in the datasheet) to ensure the junction temperature does not exceed safe limits, which is critical for long-term reliability. The operating temperature range of -40°C to +85°C makes it suitable for harsh environments.

3. 分級系統說明

HIR7393C 根據在 I_F= 20mA 下測量的輻射強度，提供不同的性能等級或 "分級"。這允許選擇符合特定亮度要求的元件。

輻射強度分級 (單位：mW/sr)：

• M 級：最小 7.8，最大 12.5
• N 級：最小 11.0，最大 17.6
• P 級：最小 15.0，最大 24.0
• Q 級：最小 21.0，最大 34.0

選擇較高等級 (例如 Q 級) 可確保較高的最小輻射強度，這對於在感測應用中最大化信噪比或增加紅外線傳輸距離非常重要。

4. 性能曲線分析

4.1 順向電流 vs. 環境溫度

降額曲線顯示了最大允許連續順向電流與環境溫度之間的關係。隨著溫度升高，必須降低最大電流以防止過熱，並確保接面溫度保持在安全範圍內。此曲線對於設計可靠的電路至關重要，特別是在高溫環境中。

4.2 光譜分佈

光譜分佈曲線繪製了相對輻射強度與波長的關係。它確認了 850nm 的峰值發射以及約 45nm 的光譜頻寬。該曲線相對對稱且以 850nm 為中心，非常適合與峰值靈敏度在 800-900nm 左右的矽基偵測器匹配。

4.3 輻射強度 vs. 順向電流

此曲線顯示輻射強度隨順向電流增加而增加，但關係並非完全線性，特別是在較高電流下，由於發熱和效率下降。在脈衝模式下運作 (如 100mA 測試所指定) 允許更高的峰值強度，而無需承受連續運作所伴隨的熱累積。

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。45 度視角 (半高全寬) 表示光束寬度適中。強度在 0 度 (軸上) 最高，並向邊緣平滑遞減。此模式對於設計光學系統以確保足夠的覆蓋範圍或聚焦非常重要。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

本元件採用標準 T-1 3/4 (直徑 5.0mm) 圓形封裝。關鍵尺寸包括：

• 整體直徑：5.0mm。
• 接腳間距：2.54mm (標準)。
• 接腳直徑：典型 0.45mm。
• 封裝高度：從安裝平面到圓頂頂部約 8.6mm。
• 公差：除非詳細尺寸圖另有規定，否則為 ±0.25mm。

對於印刷電路板上的關鍵放置與佔位設計，應查閱確切的機械圖面。

5.2 極性辨識

LED 在塑膠透鏡邊緣有一個平坦處或凹口，通常表示陰極 (負極) 側。陰極接腳通常也較短，儘管在組裝過程中可能會被修剪。焊接前務必驗證極性，以防止逆向偏壓損壞。

6. 焊接與組裝指南

6.1 接腳成型

• 在距離環氧樹脂燈泡底部至少 3mm 處彎曲接腳。
• 執行接腳成型必須在 soldering.
• 焊接前進行。彎曲時避免對 LED 封裝施加應力。
• 在室溫下剪裁接腳。
• 確保印刷電路板孔與 LED 接腳完美對齊，以避免安裝應力。

6.2 儲存

• 建議儲存條件：≤30°C 且相對濕度 (RH) ≤70%。
• 在此條件下的保存期限：自出貨日起 3 個月。
• 如需更長時間儲存 (最長 1 年)：請使用帶有氮氣氣氛和吸濕劑的密封容器。
• 避免在潮濕環境中快速溫度轉換，以防止凝結。

6.3 焊接製程

一般規則：保持焊點與環氧樹脂燈泡之間的最小距離為 3mm。

手工焊接：

• 烙鐵頭溫度：最高 300°C (適用於最大 30W 烙鐵)。
• 每個接腳焊接時間：最長 3 秒。

浸焊/波峰焊：

• 預熱溫度：最高 100°C (最長 60 秒)。
• 焊錫槽溫度：最高 260°C。
• 在焊錫中停留時間：最長 5 秒。

關鍵注意事項：

• 在高溫階段避免對接腳施加應力。
• 請勿進行超過一次的浸焊/手工焊接。
• 焊接後，在 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。
• 使用能實現可靠焊點的最低可能溫度。

6.4 清潔

• 如有必要，僅在室溫下使用異丙醇清潔，時間 ≤1 分鐘。
• 使用前在室溫下乾燥。
• 避免超音波清潔，除非絕對必要且經過預先驗證，因為它可能導致機械損壞。

6.5 熱管理

必須在電路設計階段考慮熱管理。必須根據環境溫度適當降低電流，如降額曲線所示。LED 接腳周圍足夠的印刷電路板銅箔面積 (散熱墊) 有助於散熱。對於高電流或高工作週期的脈衝運作，可能需要額外的冷卻措施。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 包裝規格

• 主包裝：每防靜電袋 500 個。
• 內盒：每內盒 5 袋 (共 2500 個)。
• 外箱/主箱：每外箱 10 個內盒 (共 25,000 個)。

7.2 標籤資訊

產品標籤包含幾個關鍵識別碼：

• CPN：客戶產品編號。
• P/N：製造商產品編號 (例如：HIR7393C)。
• QTQ：袋內包裝數量。
• CAT：發光強度等級 (分級代碼，例如 M, N, P, Q)。
• HUE：主波長等級。
• REF：順向電壓等級。
• LOT No：製造批號，用於追溯。

8. 應用建議與設計考量

8.1 典型應用電路

最常見的電路是與限流電阻的簡單串聯。電阻值使用歐姆定律計算：R = (V_電源- V_F) / I_F。例如，使用 5V 電源，V_F=1.45V，且期望 I_F=20mA：R = (5 - 1.45) / 0.02 = 177.5Ω。標準 180Ω 電阻將是合適的。對於需要更高強度的脈衝運作，通常使用由微控制器控制的電晶體或 MOSFET 開關。

8.2 設計考量

• 電流驅動：始終使用恆定電流或限流電壓源驅動 LED，以防止熱失控。
• 逆向電壓保護：最大逆向電壓僅為 5V。在可能出現逆向偏壓的電路中 (例如：交流耦合、電感性負載)，請並聯一個保護二極體與 LED (陰極對陽極)。
• 光學設計：為您的系統設計透鏡、反射器或光圈時，請考慮 45 度視角。透明透鏡適合與外部光學元件一起使用。
• 偵測器匹配：確保配對的光偵測器 (光電晶體、光電二極體、接收器 IC) 對 850nm 區域敏感，以獲得最佳性能。

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，HIR7393C 提供特定優勢：

• 相較於可見光 LED：發射近紅外光譜，人眼不可見，使其成為隱蔽感測和通訊的理想選擇。
• 相較於 940nm 紅外線 LED：850nm 光線更容易被標準矽偵測器偵測 (其在 800-900nm 附近更靈敏)，並且在某些數位相機下通常可見為微弱的紅光，有助於原型設計期間的對準。
• 相較於低功率紅外線 LED：其較高的輻射強度等級 (P, Q) 提供更強的輸出，在嘈雜環境中實現更長的距離或更好的信號完整性。
• 相較於非標準封裝：T-1 3/4 封裝無處不在，使其易於採購、製作原型和更換。

10. 常見問題 (FAQ)

Q1：我可以直接從微控制器引腳驅動這個 LED 嗎？

A：這取決於微控制器引腳的電流供應能力。許多微控制器引腳可以提供 20mA，但這通常處於上限。通常更安全且建議使用簡單的電晶體 (例如：NPN 如 2N3904) 作為開關來驅動 LED，由微控制器引腳控制。

Q2：為什麼最大脈衝電流 (1A) 遠高於連續電流 (100mA)？

A：熱產生與電流的平方成正比 (I²R)。一個非常短的脈衝 (≤100μs) 加上低工作週期 (≤1%) 沒有足夠的時間讓熱量在 LED 晶片中顯著累積，從而防止熱損壞。在高電流下連續運作會導致過熱。

Q3："光譜匹配"是什麼意思？

A：這意味著此 LED 的峰值發射波長 (850nm) 與常見矽基光偵測器的峰值光譜靈敏度良好匹配。這種匹配在給定紅外線光量的情況下，最大化偵測器中產生的電信號，從而提高系統效率和信噪比。

Q4：如何選擇正確的分級 (M, N, P, Q)？

A：根據您系統的靈敏度要求進行選擇。如果您需要一致的高輸出 (例如：用於更長距離或穿透衰減材料)，請指定 P 級或 Q 級。對於成本敏感且最低亮度要求不那麼關鍵的應用，M 級或 N 級可能就足夠了。請查閱分級表以獲取確切的最小/最大值。

11. 實用設計與使用範例

11.1 簡易物體接近感測器

一個經典應用是反射式物體感測器。將 HIR7393C 放置在光電晶體旁邊。LED 照亮感測器前方的區域。當物體靠近時，它將紅外線光反射回光電晶體，導致其集極電流增加。此變化可由比較器或微控制器 ADC 偵測以觸發動作。LED 的 45 度光束在此類感測中提供了光點尺寸與強度之間的良好平衡。

11.2 紅外線資料鏈路

對於簡單的串列資料傳輸 (如電視遙控器)，可以根據調變的數位信號 (例如：38kHz 載波) 以高電流 (例如：100mA 脈衝) 脈衝驅動 LED。脈衝模式下的高輻射強度允許合理的傳輸距離。接收端將使用調諧到相同頻率的匹配紅外線接收模組 (帶內建解調器)。

12. 工作原理

紅外線發光二極體 (IRED) 是一種半導體 p-n 接面二極體。當正向偏壓時，來自 n 區的電子和來自 p 區的電洞被注入到主動區。當這些電荷載子復合時，它們會釋放能量。在由砷化鎵鋁 (GaAlAs) 製成的 IRED 中，此能量主要以紅外光譜中的光子形式釋放 (本例中約為 850nm)。透明環氧樹脂封裝充當透鏡，將發射的光塑造成特徵光束模式。此電致發光過程的效率決定了給定驅動電流下的輻射強度。

13. 技術趨勢

雖然基本的 T-1 3/4 封裝和 850nm 技術已經成熟，但紅外線 LED 的趨勢包括：

• 更高效率：持續的材料科學改進旨在每單位電輸入功率產生更多的光功率 (輻射強度)，減少熱產生和能耗。
• 更窄的光譜：某些應用，如氣體感測或高速通訊，受益於具有非常特定、窄發射波長的 LED。
• 整合元件：趨勢包括將紅外線 LED 和光偵測器結合在單一封裝中 (光耦合器風格) 或與驅動電路結合，以實現更簡單的系統整合。
• 小型化：雖然 5mm 仍然流行，但表面黏著元件 (SMD) 封裝在自動化組裝和緊湊設計中越來越常見。
• 眼睛安全：越來越重視確保紅外線發射，尤其是高功率元件的發射，符合國際眼睛安全標準 (IEC 62471)。

HIR7393C 代表了一個可靠、廣為人知的元件，繼續作為廣泛電子感測與控制系統的基本建構模組。