5mm 紅外線發光二極體 IR323 規格書 - 5.0mm 封裝 - 940nm 波長 - 1.5V 順向電壓 - 150mW 功率消耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件提供一款高強度5mm紅外線發光二極體（LED）的完整技術規格。此元件採用藍色透明塑膠封裝，設計用於發射峰值波長為940奈米（nm）的光線，使其穩定位於近紅外線光譜範圍。此波長是為感測與遙控應用達到最佳效能而策略性選擇的，因為它能與常見的矽光電晶體、光電二極體及紅外線接收模組的光譜靈敏度良好匹配。此元件的首要設計目標是高可靠性、高輻射輸出與低順向電壓操作，使其適用於各種基於紅外線的電子系統。

1.1 核心特色與優勢

此LED提供多項關鍵優勢，有助於其效能與易於整合：

• 高輻射強度：在標準驅動電流20mA下，提供典型的6.4 mW/sr輻射強度，確保強勁的信號傳輸。
• 低順向電壓：在20mA下，典型的順向電壓（Vf）為1.2V，有助於降低整體系統的功耗。
• 標準化封裝：採用常見的5mm徑向引腳封裝，引腳間距為2.54mm（0.1英吋），與標準PCB佈局和麵包板相容。
• 環保合規性：產品製造符合無鉛標準，遵循歐盟RoHS與REACH法規，並符合無鹵素標準（Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm）。
• 明確的視角：提供典型的半強度視角（2θ1/2）為30度，產生適合定向應用的聚焦光束。

2. 技術參數分析

本節提供對元件電氣、光學及熱極限與特性的詳細、客觀解讀。

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操作。

• 連續順向電流（I_F）：100 mA。在環境溫度25°C下，可無限期通過LED的最大直流電流。
• 峰值順向電流（I_FP）：1.0 A。此高脈衝電流僅在嚴格條件下允許：脈衝寬度 ≤ 100μs 且工作週期 ≤ 1%。這對於短暫、高強度的信號傳輸很有用。
• 逆向電壓（V_R）：5 V。可施加於逆向偏壓方向的最大電壓。超過此值可能導致接面崩潰。
• 功率消耗（P_d）：在自由空氣溫度等於或低於25°C時為150 mW。這是封裝能以熱量形式散發的最大功率。此額定值會隨著環境溫度升高而降額。
• 溫度範圍：操作溫度（T_opr）：-40°C 至 +85°C；儲存溫度（T_stg）：-40°C 至 +100°C。
• 焊接溫度（T_sol）：最高260°C，持續時間不超過5秒，定義了波峰焊或手工焊接的製程窗口。

2.2 電光特性

這些參數在Ta=25°C下量測，定義了元件在正常操作條件下的典型性能。

• 輻射強度（I_e）：光學輸出的主要量度。在I_F=20mA時，最小值為4.0 mW/sr，典型值為6.4 mW/sr。在最大連續電流100mA時，典型強度上升至30 mW/sr。
• 峰值波長（λ_p）：940 nm（典型值）。這是發射光功率達到最大值時的波長。
• 頻譜頻寬（Δλ）：45 nm（典型值）。這定義了發射的波長範圍，通常以峰值功率的一半（半高全寬 - FWHM）量測。
• 順向電壓（V_F）：在20mA時為1.2V（典型值），1.5V（最大值）。在100mA時，由於二極體的串聯電阻，上升至1.4V（典型值），1.8V（最大值）。
• 逆向電流（I_R）：當施加5V逆向偏壓時，最大值為10 μA。
• 視角（2θ_1/2）：30度（典型值）。輻射強度降至0度（軸上）值一半時的點之間的角度擴散。

3. 分級系統說明

元件根據其在標準測試條件I_F= 20mA下量測的輻射強度進行分級（Binning）。這讓設計師可以選擇具有保證最小和最大輸出水平的零件，以確保一致的系統性能。

例如，標記為分級"L"的零件保證其輻射強度在5.6至8.9 mW/sr之間。較高的分級字母（例如P）對應於較高輸出的元件。此規格書未顯示此特定產品其他參數（如順向電壓或峰值波長）的分級，表明對這些特性的製造控制嚴格。

4. 性能曲線分析

提供的特性曲線提供了關於元件在不同條件下行為的寶貴見解。

4.1 順向電流 vs. 環境溫度

此圖顯示最大允許連續順向電流隨著環境溫度升高而降額。在25°C時，允許完整的100mA。隨著溫度上升，必須降低最大電流以防止超過150mW的功率消耗極限，並確保長期可靠性。此曲線對於設計在高溫環境中運作的系統至關重要。

4.2 輻射強度 vs. 順向電流

此圖說明了驅動電流（I_F）與光學輸出（I_e）之間的關係。輻射強度在較低電流水平下隨電流超線性增加，在較高電流下趨於更線性，儘管最終會飽和。該曲線確認了表格中所述的典型值（例如，20mA時約6.4 mW/sr，100mA時約30 mW/sr）。

4.3 頻譜分佈

頻譜圖繪製了相對輻射強度與波長的關係。它直觀地確認了940nm的峰值波長（λ_p）以及在FWHM點處約45nm的頻譜頻寬（Δλ）。該曲線是GaAlAs（砷化鎵鋁）半導體材料系統的特徵。

4.4 相對輻射強度 vs. 角度位移

此極座標圖描繪了LED的輻射模式。它顯示了強度如何隨著與中心軸（0°）角度的增加而降低。強度降至軸上值50%時的角度定義了半強度視角，此處顯示約為30度，從而產生中等聚焦的光束。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

元件採用標準5mm徑向引腳封裝。尺寸圖指定了關鍵尺寸：總直徑（典型值5.0mm）、引線直徑、從透鏡底部到引線彎曲處的距離，以及引線間距（2.54mm）。圖中包含註明，除非另有說明，公差為±0.25mm。較長的引腳通常表示陽極（正極）連接。

6. 焊接與組裝指南

正確的處理對於保持元件完整性與性能至關重要。

6.1 引腳成型

• 彎曲必須在距離環氧樹脂透鏡底部至少3mm的位置進行，以避免對密封處造成應力。
• 成型應在任何焊接操作之前完成。
• 剪裁引腳應在室溫下進行，以防止熱衝擊。
• PCB孔必須與LED引腳精確對齊，以避免安裝應力。

6.2 儲存

• 建議的儲存條件為溫度≤30°C，相對濕度（RH）≤70%，自出貨日起最多3個月。
• 對於更長時間的儲存（最多一年），請使用帶有氮氣氣氛和乾燥劑的密封容器。
• 避免在潮濕環境中溫度快速變化，以防止凝結。

6.3 焊接製程

關鍵規則：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≤300°C（適用於最大30W烙鐵），每引腳焊接時間≤3秒。
• 波峰/浸焊：預熱≤100°C，時間≤60秒。焊錫槽溫度≤260°C，浸入時間≤5秒。
• 在高溫階段避免對引腳施加應力。
• 浸焊或手工焊接不應執行超過一次。
• 焊接後讓LED逐漸冷卻至室溫；避免快速淬冷。

6.4 清潔

• 如有必要，僅在室溫下使用異丙醇清潔，時間不超過一分鐘。
• 除非絕對必要且僅在經過徹底的預先資格測試後，否則請勿使用超音波清潔，因為它可能導致機械損壞。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 標籤規格

包裝上的標籤包含多個代碼：客戶產品編號（CPN）、製造商產品編號（P/N）、包裝數量（QTY），以及發光強度（CAT）、主波長（HUE）和順向電壓（REF）的性能等級。它還包括批號和日期代碼（月份）。

7.2 包裝規格

• LED以抗靜電袋包裝。
• 典型包裝：每袋200-500片，每內盒5袋，每主（外）箱10個內盒。

8. 應用建議與設計考量

8.1 典型應用場景

• 紅外線遙控器：用於電視、音響系統和其他消費電子產品。940nm波長是理想的，因為它對人眼不可見，但能被矽接收器有效偵測。
• 接近與物體偵測感測器：用於自動水龍頭、烘手機、安全系統和工業計數設備。配對光電偵測器的IR LED可以感測其光束的中斷或反射。
• 光學開關與編碼器：用於偵測印表機、馬達控制和旋轉編碼器中的運動或位置。
• 夜視照明：為配備紅外線敏感感測器的安全攝影機提供隱蔽照明。
• 資料傳輸：用於短距離、視線光學資料鏈路（例如，舊式IrDA系統）。

8.2 設計考量

• 限流：從電壓源驅動LED時，務必使用串聯限流電阻。使用公式 R = (V_supply- V_F) / I_F 計算電阻值。請勿直接連接到電壓源。
• 熱管理：當在接近最大電流或高環境溫度下操作時，請參考降額曲線。如有必要，確保足夠的通風或散熱，特別是對於密集排列的陣列。
• 光學設計：30度的視角提供了聚焦光束。對於更廣泛的覆蓋範圍，請使用多個LED或二次光學元件（如擴散片）。對於更長的距離，可以使用透鏡進一步準直光束。
• 電氣抗雜訊能力：在感測應用中，調變IR信號（例如，使用38kHz載波）以將其與環境紅外線光（陽光、白熾燈泡）區分開來。這大大提高了信噪比。
• 接收器匹配：確保所選的光電偵測器或接收模組（例如，調諧至38kHz的整合接收器）在940nm附近具有頻譜靈敏度，以獲得最佳性能。

9. 技術比較與差異化

雖然存在許多5mm IR LED，但此元件的參數組合提供了特定的優勢：

• 與較高波長IR LED（例如850nm）比較：940nm發射光作為微弱的紅光較不可見，使其更適合隱蔽應用。然而，矽光電偵測器在940nm的靈敏度略低於850nm，這可以由此LED的高輻射強度來補償。
• 與標準亮度IR LED比較：提供較高輸出的分級（例如N級、P級），允許設計需要更長距離或相同信號強度下更低驅動電流的應用，從而提高電源效率。
• 與表面黏著IR LED比較：穿孔封裝更易於原型製作、業餘愛好者使用，以及優先考慮連接機械穩健性而非電路板空間的應用。
• 關鍵差異化因素：明確且相對嚴格的強度分級結構，結合全面的環保合規性（RoHS、REACH、無鹵素），使此零件適合現代、受監管的電子產品。

10. 常見問題（基於技術參數）

10.1 "輻射強度"與"發光強度"有何不同？

輻射強度（以mW/sr為單位）是每單位立體角發射的光功率，與所有波長相關。發光強度（以燭光、mcd為單位）根據人眼靈敏度（明視覺曲線）對光功率進行加權。由於人眼對940nm紅外線光幾乎不敏感，因此此LED的發光強度基本上為零。輻射強度是用於電子感測器的紅外線元件的正確度量標準。

10.2 我可以在100mA下連續驅動此LED嗎？

可以，但僅在環境溫度（Ta）等於或低於25°C時，根據絕對最大額定值。如果環境溫度更高，您必須參考"順向電流 vs. 環境溫度"降額曲線以找到新的最大允許連續電流。例如，在85°C時，最大連續電流將顯著低於100mA。

10.3 為什麼峰值順向電流（1A）比連續電流（100mA）高這麼多？

1A額定值適用於非常短的脈衝（≤100μs）且工作週期低（≤1%）。在如此短的脈衝期間，半導體接面沒有時間顯著升溫。100mA連續額定值受封裝的穩態散熱能力限制。高脈衝電流使得遠距離、短脈衝信號傳輸等應用成為可能。

10.4 如何識別陽極和陰極？

在標準徑向LED封裝中，較長的引腳通常是陽極（正極）。此外，從底部觀察LED，塑膠透鏡邊緣有平坦處一側的引腳通常是陰極（負極）。如果不確定，請務必使用三用電錶的二極體測試模式進行驗證。

11. 實用設計與使用範例

11.1 簡易接近感測器電路

可以通過將此IR LED和一個光電晶體並排放置，指向同一方向來構建基本的反射式感測器。LED通過一個20-30Ω電阻由微控制器引腳驅動（對於3.3V電源約50mA：R = (3.3V - 1.2V)/0.05A ≈ 42Ω）。光電晶體的集極通過上拉電阻（例如10kΩ）連接到電源，射極接地。集極節點連接到微控制器的ADC或數位輸入。當物體接近時，它將紅外線光反射到光電晶體上，導致其集極電壓下降，從而被微控制器偵測到。

11.2 驅動紅外線接收模組

對於遙控應用，將此LED與一個3引腳IR接收模組（例如，調諧至38kHz）配對。LED與一個限流電阻和一個NPN電晶體串聯。電晶體的基極由來自微控制器的調變信號驅動，該信號使用如NEC或RC5等協定對遙控命令進行編碼。38kHz載波頻率落在LED上升/下降時間的頻寬內。接收模組解調此信號並向微控制器輸出乾淨的數位資料流。

12. 工作原理

紅外線發光二極體（IR LED）是一種半導體p-n接面二極體。當正向偏壓（陽極相對於陰極施加正電壓）時，來自n型區域的電子和來自p型區域的電洞被注入跨越接面。當這些電荷載子在接面的主動區域復合時，它們釋放能量。在此特定元件中，半導體材料是砷化鎵鋁（GaAlAs）。此材料的能隙決定了發射光子的波長。對於調諧至發射940nm的GaAlAs，復合能量對應於電磁頻譜近紅外線部分的光子。藍色透明環氧樹脂封裝充當透鏡，將發射的光塑造成指定的視角，並且對紅外線波長是透明的。

13. 技術趨勢

雖然像此5mm LED這樣的穿孔元件在原型製作、教育和某些工業應用中仍然很受歡迎，但更廣泛的產業趨勢是朝向表面黏著元件（SMD）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，並且由於與PCB的散熱墊連接更大，通常具有更好的熱性能。對於紅外線LED，具體趨勢包括開發具有更高電光轉換效率（每瓦電輸入產生更多光輸出）的元件、針對特定感測應用（如氣體感測）的更嚴格波長公差，以及將驅動器或感測器整合到多晶片模組中。GaAlAs和類似III-V族半導體紅外線發射器背後的基本物理和材料科學不斷完善，以追求性能和成本。