紅外線LED發射器 LTE-3271T-A 規格書 - 940nm波長 - 高電流與低順向電壓 - 透明封裝

1. 產品概述

LTE-3271T-A是一款高效能紅外線發光二極體，專為需要強勁光學輸出並能在嚴苛電氣條件下可靠運作的應用而設計。其核心設計理念在於提供高輻射功率，同時維持相對較低的順向電壓，這對於功耗考量的系統而言非常有效率。元件採用透明樹脂封裝，能將紅外線的吸收降至最低，從而最大化外部輻射效率。其設計支援連續與脈衝驅動模式，為近紅外光譜中的各種感測、通訊與照明應用提供靈活性。

2. 深入技術參數分析

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應力極限。不保證在或超過這些極限下運作。

• 功率消耗（P_D）：150 mW。這是元件內部允許的最大功率損耗（主要為熱能），計算方式為順向電流與順向電壓的乘積。
• 峰值順向電流（I_FP）：2 A。此極高的電流額定值僅在特定脈衝條件下允許：脈衝寬度10微秒，且脈衝重複率不超過每秒300次。這使得元件能為短距離測距或高速資料傳輸提供極高的瞬時光學輸出。
• 連續順向電流（I_F）：100 mA。在不超過功率消耗或熱極限下，可持續施加的最大直流電流。
• 逆向電壓（V_R）：5 V。在逆向偏壓方向超過此電壓可能導致接面崩潰。
• 操作與儲存溫度：元件的環境操作溫度（T_A）範圍為-40°C至+85°C，並可儲存於-55°C至+100°C的環境中。
• 引腳焊接溫度：距離封裝本體4.0mm處測量，溫度為320°C，持續3秒。此指南對於防止PCB組裝過程中的熱損傷至關重要。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在環境溫度（T_A）為25°C時所指定，定義了元件的典型性能。

• 輻射強度（I_E）：關鍵的光學輸出指標。在順向電流（I_F）為100 mA時，典型輻射強度為30 mW/sr。在較低的測試電流20 mA時，其範圍為6 mW/sr（最小值）至10.5 mW/sr（典型值）。輻射強度描述每單位立體角所發射的光功率。
• 孔徑輻射照度（E_e）：在I_F=20mA時為0.80至1.4 mW/cm²。此參數有時稱為輻照度，對於計算距離發射器特定距離處表面上的入射光功率密度很有用。
• 峰值發射波長（λ_P）：940 nm。這是光學輸出功率達到最大值的標稱波長。它落在近紅外光譜範圍內，人眼不可見，但可被矽光電二極體及許多CMOS/CCD感測器偵測到。
• 光譜線半寬度（Δλ）：50 nm（典型值）。這表示輻射強度至少為峰值一半時的光譜頻寬。50 nm的數值是標準GaAlAs紅外線LED材料的特徵。
• 順向電壓（V_F）：這是一個隨電流變化的關鍵電氣參數。
  • 在I_F= 50 mA時：V_F（典型值）= 1.25V，（最大值）= 1.6V。
  • 在I_F= 250 mA時：V_F（典型值）= 1.65V，（最大值）= 2.1V。
  • 在I_F= 450 mA時：V_F（典型值）= 2.0V，（最大值）= 2.4V。
  • 在I_F= 1 A時：V_F（典型值）= 2.4V，（最大值）= 3.0V。規格書強調低順向電壓為其特點，從這些數值（特別是在中等電流下）可明顯看出，這有助於提高電光轉換效率。
• 逆向電流（I_R）：在逆向電壓（V_R）為5V時，最大值為100 µA。這是元件處於逆向偏壓時的漏電流。
• 視角（2θ_1/2）：50°（典型值）。這是輻射強度降至0°（軸上）值一半時的全角。50°的角度提供了寬廣的輻射模式，對於對準要求不高的區域照明或感測應用非常有用。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數個對於電路設計及理解非標準條件下性能至關重要的特性圖表。

3.1 光譜分佈圖（圖1）

此曲線顯示了相對輻射強度與波長的關係圖。它確認了峰值波長約在940 nm，並具有寬廣的光譜半寬度。其形狀是紅外線LED的典型特徵，輸出在峰值兩側逐漸減弱。光學系統的設計者必須考慮此光譜，以確保與目標偵測器（例如帶濾光片的電晶體或矽光電二極體）的光譜靈敏度相容。

3.2 順向電流 vs. 環境溫度（圖2）

此圖說明了隨著環境溫度升高，最大允許連續順向電流的降額情況。在25°C時，允許完整的100 mA。隨著溫度上升，必須線性降低最大電流，以防止超過150 mW的功率消耗極限並管理接面溫度。這對於確保在高溫環境下的長期可靠性至關重要。

3.3 順向電流 vs. 順向電壓（圖3）

這是電流-電壓特性曲線。它顯示了二極體典型的指數關係。此曲線對於設計限流驅動電路至關重要。工作區域內曲線的斜率有助於確定LED的動態電阻。圖表直觀地確認了在寬廣電流範圍內的低V_F特性。

3.4 相對輻射強度 vs. 順向電流（圖4）

此圖顯示光學輸出（歸一化至20 mA時的值）如何隨順向電流增加。在較低電流下，關係大致呈線性，但在極高電流下，由於熱效應增加和內部量子效率下降，可能會出現飽和或效率降低的跡象。此曲線有助於設計者選擇一個平衡輸出功率、效率與元件應力的工作點。

3.5 相對輻射強度 vs. 環境溫度（圖5）

此圖描述了光學輸出的溫度依賴性。通常，LED的輻射強度會隨著接面溫度升高而降低。此曲線量化了該下降幅度，顯示了在-20°C至80°C溫度範圍內，相對於20 mA時值的歸一化輸出功率。此資訊對於需要在變化環境條件下保持穩定光學輸出的應用至關重要。

3.6 輻射圖（圖6）

此極座標圖提供了空間發射模式的詳細視覺化。同心圓代表相對輻射強度等級（例如1.0、0.9、0.7）。該圖確認了寬廣的視角，顯示了強度如何從0°到90°的不同角度分佈。此圖對於光學設計不可或缺，讓工程師能夠模擬目標表面上的照明輪廓。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

該元件採用標準LED封裝形式，帶有凸緣以提供機械穩定性與散熱。規格書中的關鍵尺寸註記包括：

• 所有尺寸均以毫米為單位提供，除非另有說明，公差通常為±0.25mm。
• 允許凸緣下方有樹脂小凸起，最大高度為1.5mm。
• 引腳間距是在引腳離開封裝本體的點測量，這對於PCB焊盤設計至關重要。
• 引腳經過鍍錫處理以確保良好的可焊性。

透明封裝材料是專為紅外線發射器選擇的，因為它在940 nm區域的吸收極小，不同於用於可見光LED的彩色環氧樹脂封裝，後者會阻擋紅外光。

5. 焊接與組裝指南

為確保PCB組裝期間元件的完整性，必須遵守以下指南：

• 手工焊接：若必須進行手工焊接，應快速操作，對引腳加熱而非封裝本體。
• 波峰焊接：可使用標準波峰焊接曲線，但應盡量減少暴露於焊錫熱量的總時間。
• 迴流焊接：如規格所述，元件可承受引腳溫度320°C最多3秒。峰值溫度低於此限制的標準紅外線或對流迴流曲線均適用。4.0mm的距離規格確保了引腳的熱質量能保護封裝內敏感的半導體接面。
• 清潔：焊接後，可使用標準PCB清潔製程，但應驗證與透明樹脂的相容性。
• 儲存：元件應儲存在其原始的防潮袋中，環境應在指定的儲存溫度範圍（-55°C至+100°C）內且濕度低，以防止引腳氧化。

6. 應用建議

6.1 典型應用情境

• 紅外線照明：用於需要不可見照明的監控攝影機、夜視系統和機器視覺照明。
• 接近與存在感測：用於自動水龍頭、皂液器、烘手機和非接觸式開關。其寬廣視角在此處非常有益。
• 光學開關與編碼器：透過阻斷或反射紅外線光束來偵測位置、旋轉或移動。
• 短距離資料通訊：用於IrDA相容裝置或簡單的串列資料鏈路（例如遙控器、裝置間通訊）。其高脈衝電流能力支援調變資料傳輸。
• 工業感測：物件計數、液位偵測和遮斷光束感測器。

6.2 設計考量

• 電流驅動：LED是電流驅動裝置。務必使用串聯限流電阻或恆流驅動電路。電阻值使用公式 R = (V_電源- V_F) / I_F計算，並使用規格書中的最大V_F值，以確保電流不超過期望值。
• 熱管理：對於高電流（例如接近100 mA）下的連續操作，需考慮功率消耗（P_D= V_F* I_F）。確保足夠的PCB銅箔面積或散熱措施，以將接面溫度維持在安全限度內，特別是在高環境溫度下。
• 脈衝操作：為實現極高的峰值光功率，請使用脈衝模式規格（2A，10µs，300pps）。這需要能夠提供高電流脈衝的驅動電路，例如由脈衝產生器切換的MOSFET。
• 光學設計：在設計透鏡、反射器或孔徑以針對特定應用塑形光束時，需考慮輻射圖（圖6）。透明透鏡是半球形的，會影響初始發散角。
• 偵測器匹配：將發射器與峰值靈敏度約在940 nm的光偵測器（光電二極體、光電晶體）配對。在偵測器上使用紅外線濾光片有助於抑制環境可見光。

7. 技術比較與差異化

雖然規格書未比較特定競爭元件，但可推斷LTE-3271T-A的關鍵差異化特點：

• 高電流能力：2A脈衝額定值與100mA連續額定值的組合，對於標準LED封裝而言相當突出，提供了高輸出靈活性。
• 低順向電壓：在50mA時V_F約為1.25V，對於高功率紅外線發射器而言相對較低，與具有更高V_F.
• 的裝置相比，能帶來更好的電源效率並減少熱量產生。透明封裝：
• 與會衰減輸出的有色封裝不同，此封裝能最大化紅外光的外部量子效率。寬廣視角：

50°的半角提供了廣泛的覆蓋範圍，相較於窄光束替代方案，在區域照明方面具有優勢。

8. 常見問題（基於技術參數）

Q1：我可以直接用5V微控制器引腳驅動這個LED嗎？

A：不行。微控制器GPIO引腳通常無法提供超過20-50mA的電流，且其電壓固定接近5V或3.3V。您必須使用限流電阻，並且可能需要一個電晶體（BJT或MOSFET）作為開關來驅動LED，特別是在電流超過20mA時。

Q2：輻射強度（mW/sr）與孔徑輻射照度（mW/cm²）有何不同？A：輻射強度是衡量光源每單位立體角（球面度）發射多少功率的指標。它描述了光源的方向性。孔徑輻射照度（或輻照度）是每單位面積

在特定距離處入射到表面上的功率。它們透過平方反比定律（對於點光源）和視角相關聯。

Q3：為什麼峰值波長940nm很重要？

A：940nm是紅外線系統非常常見的波長，因為它在可見光譜之外（不可見），且矽基偵測器（光電二極體、相機感測器）在此波長仍有相當好的靈敏度。它也避開了850nm波長，後者在黑暗中可能會有微弱的紅光可見。

Q4：如何解讀相對輻射強度圖表？A：這些圖表顯示光輸出相對於參考條件（通常在I_F=20mA且T_A=25°C）的變化。它們不提供絕對輸出值。要找出不同電流下的絕對輸出，您需要將圖4中的相對因子乘以表格中給出的20mA時的絕對輻射強度值。

9. 實務設計案例分析

情境：為非接觸式開關設計接近感測器。

1. 目標：偵測距離感測器10公分內的手。
2. 設計選擇：
   • 以I_F= 50mA的連續模式操作LTE-3271T-A以獲得一致的照明。根據規格書，V_F≈ 1.4V（典型值）。
   • 電源為5V。串聯電阻 R = (5V - 1.4V) / 0.05A = 72Ω。使用標準75Ω電阻。
   • 將匹配的矽光電晶體放置在發射器對面，兩者之間留有小間隙（遮斷光束配置）。當手遮斷光束時，偵測器訊號下降。
   • 或者，使用反射式配置，讓發射器和偵測器都面向同一方向。LTE-3271T-A的50°寬廣視角有助於覆蓋更大的偵測區域。當手將光反射回來時，偵測器上的訊號會增加。
   • 使用運算放大器電路來放大來自偵測器的微小光電流，並將其與由電位器設定的閾值進行比較，以應對環境光變化。
   • 熱考量：功率消耗 P_D= 1.4V * 0.05A = 70mW，遠低於150mW的最大值。不需要特殊的散熱片。

10. 技術原理介紹

像LTE-3271T-A這樣的紅外線LED是基於砷化鎵鋁等材料的半導體元件。當施加順向電壓時，電子與電洞在半導體接面的主動區域內復合。復合過程中釋放的能量以光子（光）的形式發射出來。940 nm的特定波長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，塑造發射光的輻射模式並提供環境保護。低順向電壓特性是透過優化的摻雜分佈和材料品質實現的，減少了給定電流下接面兩端的電壓降，從而直接提高了電光轉換效率。

11. 產業趨勢與發展

紅外線光電領域持續發展。與LTE-3271T-A等元件相關的趨勢包括：

• 功率密度提升：受遠距離感測與照明需求的驅動，持續研究旨在將更多光功率整合到相同或更小的封裝尺寸中，同時管理散熱。
• 效率改善：新半導體材料和結構（例如多重量子井）的開發旨在提高電光轉換效率，即光輸出功率與電輸入功率的比率。
• 整合化：趨勢是將紅外線發射器與驅動IC甚至光偵測器整合在單一模組中，為終端使用者簡化系統設計。
• 波長特異性：雖然940nm仍佔主導地位，但其他紅外線波長（例如850nm、1050nm）在特定應用（如人眼安全LiDAR或與不同感測器類型相容）中的使用日益增加。
• 封裝創新：封裝材料和透鏡設計的進步旨在為專業應用提供更精確和可客製化的輻射模式（例如蝙蝠翼型、側向發射）。