紅外線發射器 LED LTE-7377LM1-TA 規格書 - 高速、高功率、藍色封裝 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳述一款高效能紅外線發射元件的規格。此元件專為需要快速響應時間與顯著光學輸出功率的應用所設計。其核心設計理念著重於脈衝操作環境下的可靠性與效率，使其適用於多種感測與通訊系統。元件封裝於獨特的藍色透明外殼中，有助於組裝時的視覺辨識，並可能對發射波長提供特定的濾波或透射特性。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了元件的應力極限，超過此極限可能導致永久性損壞。這些數值並非用於連續操作，而是代表在任何情況下都不得超越的門檻。

• 功率消耗 (P_D):200 mW。這是元件能以熱能形式消散的最大功率。超過此限制有引發熱失控與故障的風險。
• 峰值順向電流 (I_FP):2 A。此額定值適用於特定脈衝條件下（每秒100個脈衝，10 µs脈衝寬度）。它表示元件在短時間內承受極高瞬時電流的能力，這對於產生高強度光學脈衝至關重要。
• 連續順向電流 (I_F):100 mA。這是可連續通過元件而不會降低其性能或壽命的最大直流電流。
• 逆向電壓 (V_R):5 V。這是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。
• 操作溫度範圍 (T_A):-40°C 至 +85°C。這是保證元件能符合其公佈規格的環境溫度範圍。
• 儲存溫度範圍 (T_stg):-55°C 至 +100°C。這是元件在不運作狀態下儲存而不會劣化的溫度範圍。
• 引腳焊接溫度:260°C 持續5秒，測量點距離封裝本體1.6mm。這定義了波峰焊或手工焊接製程的熱耐受曲線。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在標準環境溫度25°C下量測，定義了元件在指定測試條件下的典型性能。

• 輻射強度 (I_E):35 mW/sr (最小值)。在順向電流 (I_F) 為50mA時量測。輻射強度描述每單位立體角（球面度）發射的光功率，表示光源在特定方向上的亮度。
• 峰值發射波長 (λ_P):880 nm (典型值)。這是光學輸出功率達到最大值的波長。880nm屬於近紅外光譜，人眼不可見，但可被矽光電二極體及許多感測器偵測。
• 光譜線半寬度 (Δλ):50 nm (最大值)。此參數亦稱為半高全寬，表示發射光的光譜頻寬。50nm的數值顯示它並非單色光源，而是發射以880nm為中心的一系列波長。
• 順向電壓 (V_F):1.5V (最小), 1.75V (典型), 2.1V (最大)。在高脈衝電流350mA (100pps, 10µs脈衝) 下量測。這是二極體在順向偏壓導通時的跨壓。對於設計驅動電路與計算功率消耗至關重要。
• 逆向電流 (I_R):100 µA (最大值)。施加5V逆向偏壓時的漏電流。數值越低越好。
• 上升/下降時間 (T_r/T_f):40 nS (最大值)。這定義了元件的切換速度，量測光學輸出從最終值的10%過渡到90%所需的時間（上升）及反之（下降）。40ns的規格確認了其適用於高速調變與脈衝應用。
• 視角 (2θ_1/2):16 度 (典型值)。這是輻射強度降至其最大值（軸向）一半時的全角。16°的角度表示光束相對較窄，適用於定向照明或特定路徑的感測。

3. 性能曲線分析

規格書中引用了典型的特性曲線，對於詳細的設計分析至關重要。雖然具體圖表未在提供的文字中重現，但其典型內容與意義說明如下。

3.1 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V 曲線)

此圖顯示流經二極體的電流與其跨壓之間的關係。它是非線性的，呈現一個導通/臨界電壓（對於GaAs紅外線LED約為1.2-1.4V），之後電流會隨著電壓的微小增加而迅速增加。設計人員使用此曲線來選擇適當的限流電阻或設計恆流驅動器。

3.2 輻射強度 vs. 順向電流

此圖說明光學輸出功率如何隨著驅動電流增加。在很大範圍內通常是線性的，但在極高電流下可能因熱效應和內部效率下降而飽和。此線的斜率與元件的外部量子效率相關。

3.3 輻射強度 vs. 環境溫度

此曲線展示了光學輸出的溫度依賴性。對於LED，輻射強度通常隨著接面溫度升高而降低。此降額因子對於設計需在整個溫度範圍（-40°C至+85°C）內運作的系統至關重要，以確保性能一致。

3.4 光譜分佈

顯示相對光功率隨波長變化的圖表。它會在典型的880nm處達到峰值，並具有由50nm半高全寬規格定義的寬度。這對於將發射器與所用偵測器的光譜靈敏度相匹配非常重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

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

• 所有尺寸單位為毫米，括號內為英吋。
• 除非特定特徵有不同標註，否則適用一般公差 ±0.25mm (±0.010")。
• 凸緣下方的樹脂可能突出最多1.5mm (0.059")。
• 引腳間距是在引腳離開封裝本體的點進行量測，這對於PCB焊盤設計至關重要。

具體的尺寸圖將提供本體長度、寬度、高度、引腳直徑和間距的確切數值。

4.2 極性辨識

紅外線LED是極性元件。封裝通常有一平面或邊緣有凹口來指示陰極（負極）引腳。較長的引腳也可能表示陽極（正極），但封裝標記是確定的參考依據。正確的極性對於運作至關重要。

5. 焊接與組裝指南

遵守焊接規格對於防止機械或熱損壞至關重要。

• 焊接溫度:引腳可承受260°C長達5秒，前提是熱源施加在距離塑膠封裝本體至少1.6mm (0.063") 處。這可防止樹脂熔化或承受熱應力。
• 製程建議:對於迴流焊，採用峰值溫度不超過260°C的標準無鉛溫度曲線是合適的。應控制高於液相線的時間，以最小化總熱輸入。
• 清潔:如需清潔，請使用與藍色透明環氧樹脂相容的製程。應避免使用強力溶劑。
• 儲存條件:在指定的儲存溫度範圍（-55°C至+100°C）內，儲存於乾燥、防靜電的環境中。濕度敏感等級資訊（如適用）可在單獨的包裝規格中找到。

6. 包裝與訂購資訊

規格書的最後一頁專門說明包裝細節。通常包括：

• 包裝形式:元件可能以捲帶包裝供應，便於自動貼裝，這是表面黏著元件的標準。此處定義了捲盤尺寸、帶寬、凹槽尺寸和方向。
• 每捲數量:每捲的標準數量（例如，1000、2000、4000）。
• 型號:料號LTE-7377LM1-TA是完整的訂購代碼。像 "-TA" 這樣的後綴可能表示捲帶包裝或特定的分級選項。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 紅外線感測:接近感測器、物體偵測、循線機器人、遮斷式光學開關（例如，印表機中的紙張偵測）。窄視角與高速特性在此有益。
• 光學通訊:短距離資料鏈路、遙控器發射器（用於電視等）、以及需要抗電磁干擾的工業紅外線資料傳輸。40ns的上升/下降時間支援中等的資料傳輸率。
• 機器視覺與照明:為具有夜視功能的閉路電視攝影機或專業機器視覺系統提供不可見的照明。

7.2 設計考量要點

• 驅動電路:由於允許的高脈衝電流（2A），幾乎總是需要專用的驅動電晶體（BJT或MOSFET）。對於如此高的電流脈衝，簡單的串聯電阻是不夠的，且會浪費過多功率。
• 電流限制:對於直流或脈衝操作，必須主動限制電流以防止超過絕對最大額定值。使用恆流驅動器以獲得穩定的光學輸出。
• 熱管理:雖然封裝帶有凸緣，但在高電流（接近100mA）下連續操作時，應考慮PCB佈局以作為散熱片，特別是在高環境溫度下操作時。
• 光學設計:如果需要不同的光束模式，16度的視角可能需要透鏡或擴散片。880nm的波長需要對該範圍敏感的偵測器（例如，矽光電二極體、光電晶體）。
• 電氣保護:儘管有5V的逆向電壓額定值，仍建議使用小型串聯電阻或瞬態電壓抑制器來防止電壓突波，特別是在工業環境中。

8. 技術比較與差異化

根據其規格，此紅外線發射器透過以下關鍵屬性的組合在市場上實現差異化：

• 高速與高功率結合:40ns的切換速度結合高輻射強度（最小35 mW/sr）和極高的脈衝電流能力（2A），對於需要明亮脈衝和快速資料傳輸率或精確定時的應用來說是一大優勢。
• 針對脈衝操作優化:明確的峰值脈衝電流額定值以及在脈衝條件下指定的順向電壓，表明此元件是為這種嚴苛模式而設計，比僅針對直流額定的LED提供更好的性能和可靠性。
• 窄視角:16度的光束比許多標準紅外線LED（可達30-60度）更窄，提供更定向的光線和更高的軸向強度，從而提高了定向感測應用中的訊噪比。

9. 常見問題 (FAQ)

Q1: 我能否僅使用一個串聯電阻，透過5V微控制器引腳來驅動此LED？

A: 對於低電流（例如20-50mA）的短暫脈衝，可以計算串聯電阻（R = (V_CC- V_F) / I_F）。然而，對於此元件設計用於的高電流脈衝操作（350mA或2A），微控制器引腳無法提供足夠的電流。必須使用由MCU控制的電晶體開關（如MOSFET）從獨立電源提供所需電流。

Q2: 藍色封裝的目的是什麼？只是為了顏色嗎？

A: 藍色透明環氧樹脂充當短波長通濾波器。它對發射的880nm紅外光是透明的，但會阻擋或衰減可見光。這有助於減少偵測器中來自環境可見光的干擾，提高紅外線系統的訊噪比。它同時也作為視覺識別標記。

Q3: 在我的設計中應如何解讀輻射強度值？

A: 輻射強度 (mW/sr) 是衡量發射到給定立體角中的光功率。要估算光軸上距離 (d) 處的輻照度（單位面積功率），可使用近似公式：對於小角度，E ≈ I_E/ d²，其中若d單位為cm，則E單位為mW/cm²。這有助於判斷是否有足夠的光線到達您的偵測器。

Q4: 儲存溫度最高為100°C，但焊接溫度是260°C。這不矛盾嗎？

A: 不矛盾。儲存溫度適用於長期、非運作狀態，此時整個封裝均勻處於該溫度。焊接額定值適用於非常短暫、局部的熱暴露（5秒），且僅施加於金屬引腳，這些引腳會將熱量從敏感的半導體接面和封裝本體導走。

10. 實務設計案例分析

情境: 設計高速光學編碼器。

光學旋轉編碼器需要光源穿過編碼盤照射到光電偵測器陣列上。編碼器必須在高速旋轉下運作，要求光源快速切換以避免模糊並實現精確的邊緣偵測。

• 元件選擇理由:選擇LTE-7377LM1-TA是因為其40ns的上升/下降時間允許產生非常銳利的光學脈衝，使系統能夠高速解析細微的位置變化。16度的窄視角有助於將光線集中通過編碼盤的狹窄縫隙，提高對比度。
• 電路設計:實現了使用高速MOSFET的恆流驅動電路。MOSFET由計時器或FPGA輸出控制切換。電流設定為100mA（連續最大值）或像350mA這樣的脈衝值以獲得更高強度的脈衝，並保持在規格書限制內。此電流下的順向電壓用於計算驅動器中的功率消耗。
• 佈局與散熱:PCB焊盤圖案與封裝圖的引腳間距相匹配。在凸緣下方放置一個連接到接地層的小型散熱焊盤，以幫助連續操作時的散熱。
• 光學對準:發射器和偵測器對準在編碼盤的兩側。窄光束確保了盤上相鄰軌道之間的最小串擾。

11. 運作原理

此裝置是一種基於半導體p-n接面的發光二極體，通常使用砷化鎵或砷化鋁鎵等材料來產生紅外光。當施加超過接面導通電壓的順向電壓時，電子和電洞被注入跨越接面。當這些電荷載子復合時，能量以光子的形式釋放。半導體材料的特定能隙決定了發射光子的波長，在本例中中心波長約為880奈米。藍色環氧樹脂封裝保護了半導體晶片，提供機械保護，並作為主透鏡塑造輸出光束，同時濾除較短的波長。

12. 技術趨勢

紅外線發射器技術隨著更廣泛的光電趨勢持續演進。不斷追求更高的效率（每瓦電輸入產生更多光輸出）以降低功耗和熱量產生。這使得在可攜式裝置中能實現更亮的光源或更長的電池壽命。另一個趨勢是將發射器與驅動器和控制邏輯整合到智慧模組中，簡化系統設計。此外，正朝著更快的切換速度發展，以支援光學通訊中的更高資料傳輸率（例如，用於Li-Fi）以及用於3D成像和LiDAR應用的更精確的飛時測距感測。小型化的推動也在持續進行，導致封裝尺寸更小，同時保持或改善性能特性。