HSDL-4261 紅外線發射器規格書 - 870nm 波長 - 1.4V 順向電壓 - 190mW 功率損耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

HSDL-4261 是一款分離式紅外線發射元件，專為需要高速光學資料傳輸的應用而設計。它採用 AlGaAs（砷化鋁鎵）LED 技術，產生峰值波長為 870 奈米的紅外光。此元件的特點在於其快速的開關能力，使其適用於數位通訊介面。

1.1 核心優勢

• 高速運作：典型光學上升與下降時間為 15 奈秒，可在高頻寬應用中實現資料傳輸。
• 高光學功率：提供高輻射強度，為可靠的紅外線通訊提供強勁訊號。
• 符合 RoHS 規範：以無鉛產品製造，符合環保法規。
• 透明封裝：採用透明外殼封裝，不會過濾發射的紅外光。

1.2 目標應用

• 工業紅外線設備
• 紅外線攜帶式儀器
• 消費性電子產品（例如：光學滑鼠）
• 高速紅外線通訊（例如：紅外線區域網路、數據機、傳輸器）

2. 深入技術參數分析

除非另有說明，所有規格均在環境溫度 (TA) 25°C 下定義。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能對元件造成永久損壞的極限。不保證在此條件下運作。

• 連續順向電流 (IFDC)：最大 100 mA。
• 峰值順向電流 (IFPK)：最大 500 mA，於脈衝條件下（工作週期=20%，脈衝寬度=100µs）。
• 功率損耗 (PDISS)：最大 190 mW。必須隨著環境溫度升高而降低額定值，如特性曲線所示。
• 逆向電壓 (VR)：最大 5 V。
• 儲存溫度範圍 (TS)：-40°C 至 +100°C。
• 操作溫度範圍 (TO)：-40°C 至 +85°C。
• 接面溫度 (TJ)：最大 110°C。
• 導線焊接溫度：最高 260°C，持續時間最長 5 秒，烙鐵頭距離封裝本體至少 1.6mm。

2.2 電氣與光學特性

這些是在指定測試條件下的典型性能參數。

• 輻射光功率 (Po)：典型值為 IF=20mA 時 9 mW，IF=100mA 時 45 mW。
• 軸上輻射強度 (IE)：典型值為 IF=20mA 時 36 mW/sr，IF=100mA 時 180 mW/sr。
• 峰值發射波長 (λPeak)：典型值 870 nm（範圍：850 nm 至 890 nm），於 IF=20mA 時。
• 光譜線半寬度 (Δλ)：約 47 nm，於 IF=20mA 時。
• 順向電壓 (Vf)：典型值為 IF=20mA 時 1.4 V，IF=100mA 時 1.7 V。
• 順向電壓溫度係數 (△V/△T)：約 -1.5 mV/°C，於 IF=20mA 時。
• 視角 (2θ1/2)：典型值 26 度，定義了發射輻射的角度擴散範圍。
• 強度溫度係數 (△IE/△T)：約 -0.22 %/°C，於 IF=100mA 時，表示輸出隨溫度升高而降低。
• 波長溫度係數 (△λ/△T)：約 +0.18 nm/°C，於 IF=20mA 時。
• 光學上升/下降時間 (Tr/Tf)：典型值 15 ns，從光學輸出的 10% 量測到 90%。
• 串聯電阻 (RS)：典型值 4.1 歐姆，於 IF=100mA 時。
• 二極體電容 (CO)：典型值 80 pF，於 0V 偏壓及 1 MHz 頻率下。
• 熱阻 (RθJA)：典型值 280 °C/W，從接面經由接腳到環境。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數張圖表來說明關鍵關係。

3.1 順向電流 vs. 相對輻射強度

此曲線顯示光學輸出強度隨順向電流呈超線性增加，特別是在較高電流時。它突顯了電流驅動對於達到所需亮度的重要性。

3.2 順向電壓 vs. 順向電流

此 IV 特性曲線展示了二極體典型的指數關係。順向電壓隨電流增加，同時也與溫度相關。

3.3 順向電壓 vs. 環境溫度

此圖表顯示了順向電壓的負溫度係數。在恆定電流下，Vf 隨溫度升高而降低，這是恆壓驅動電路設計的關鍵考量。

3.4 直流順向電流降額 vs. 環境溫度

這是確保可靠性的關鍵圖表。它定義了最大允許連續順向電流與環境溫度的函數關係。隨著溫度升高，必須降低最大允許電流，以防止接面溫度超過其 110°C 的極限。例如，在 85°C 時，最大直流電流顯著低於 25°C 時。

3.5 輻射模式圖

此極座標圖說明了發射紅外光的空間分佈。HSDL-4261 的典型視角為 26 度（半功率角），產生適度聚焦的光束，適合定向通訊鏈路。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外型尺寸

此元件為標準穿孔式 LED 封裝。關鍵尺寸包括接腳間距、本體直徑和總高度。接腳設計為可在距離透鏡底座至少 3mm 處彎折。規定了法蘭下方樹脂的最小突出量。除非另有說明，所有尺寸公差通常為 ±0.25mm。

4.2 極性識別

此元件使用標準 LED 極性標記。較長的接腳通常表示陽極（正極連接），而較短的接腳為陰極（負極連接）。組裝時必須確認此點以確保正確運作。

5. 焊接與組裝指南

5.1 儲存條件

長期儲存時，環境溫度不應超過 30°C 或相對濕度 70%。若從原廠防潮袋中取出，元件應在三個月內使用。若需在原包裝外長期儲存，請使用帶有乾燥劑的密封容器或充氮乾燥箱。

5.2 清潔

若需清潔，僅使用酒精類溶劑，如異丙醇。應避免使用刺激性化學品。

5.3 導線成型

彎折必須在室溫下並於焊接前進行。彎折點應距離 LED 透鏡底座至少 3mm。彎折時不應以封裝本體作為支點，以避免損壞內部晶片黏著或打線。

5.4 焊接參數

手工焊接（烙鐵）：最高溫度 260°C，每支接腳最長 5 秒。烙鐵頭必須距離環氧樹脂透鏡底座至少 1.6mm。

波峰焊接：預熱最高至 100°C，最長 60 秒。焊錫波溫度最高應為 260°C，接觸時間 5 秒。元件浸入深度不應低於環氧樹脂燈泡底座 2mm。

重要事項：必須避免將透鏡浸入焊錫中。紅外線迴焊不適用於此穿孔式封裝類型。過高的溫度或時間可能導致透鏡變形或災難性故障。

6. 應用設計考量

6.1 驅動電路設計

LED 是電流驅動元件。為了確保並聯驅動多個 LED 時亮度均勻，強烈建議為每個 LED 串聯一個獨立的限流電阻。由於 LED 的順向電壓 (Vf) 特性存在差異，不建議將 LED 直接並聯而不使用獨立電阻，這可能導致嚴重的電流不平衡和亮度不均。

6.2 熱管理

考慮到 280°C/W 的熱阻 (RθJA)，必須謹慎管理功率損耗。在最大連續電流 (100mA) 和典型 Vf 1.7V 下運作，會產生 170mW 的功率損耗。這將導致接面溫度相對於環境溫度上升約 47.6°C (170mW * 280°C/W)。在環境溫度 85°C 下，接面溫度將達到 132.6°C，超過 110°C 的最大額定值。因此，必須嚴格遵循圖 6 中的降額曲線。

6.3 靜電放電 (ESD) 防護

此元件易受靜電放電損壞。建議的處理預防措施包括：

- 使用接地腕帶或防靜電手套。

- 確保所有設備、工作站和儲存架妥善接地。

- 使用離子產生器來中和處理過程中可能在塑膠透鏡上積累的靜電荷。

6.4 光學設計

26 度的視角和 870nm 的波長應與適當的光電探測器（例如，具有匹配光譜響應的 PIN 光電二極體）搭配使用。為了獲得最佳距離和訊號完整性，尤其是在定向通訊鏈路中，可考慮使用透鏡或光圈來準直或聚焦光束。透明封裝允許使用外部光學元件，而無需內建濾光功能。

7. 技術比較與差異化

HSDL-4261 透過特定的參數組合在紅外線發射器市場中定位：

速度 vs. 功率：它在高速開關 (15ns) 和相對較高的光學功率輸出 (100mA 時典型值 45mW) 之間取得了平衡。有些發射器可能速度更快但功率較低，或功率更高但響應較慢。

波長：870nm 的峰值波長是許多紅外線資料鏈路和遙控系統的常見標準，與可見光或近可見光波長相比，它在矽光電探測器靈敏度和較低的環境光雜訊之間提供了良好的平衡。

封裝：標準穿孔式封裝使其適用於原型製作和使用波峰焊接的應用，這與需要迴焊製程的表面黏著替代方案有所區別。

8. 常見問題 (FAQ)

8.1 我可以用恆壓源驅動這個 LED 嗎？

不建議這樣做。LED 的指數型 I-V 特性意味著電壓的微小變化會導致電流大幅變化，如果直接由電壓源驅動，很容易超過最大額定值。應始終使用串聯電阻或恆流驅動器來設定工作點。

8.2 為什麼輸出強度會隨溫度降低？

輻射強度的負溫度係數 (-0.22%/°C) 是半導體材料的基本特性。隨著溫度升高，半導體內部的非輻射復合過程變得更加主導，從而降低了發光效率。

8.3 降額曲線的目的是什麼？

降額曲線（圖 6）對於確保長期可靠性至關重要。它透過限制功率損耗（從而限制順向電流）來防止 LED 接面溫度超過其最大額定值 (110°C)。忽略此曲線可能導致快速劣化和故障。

8.4 這個 LED 適合連續運作嗎？

是的，但必須在絕對最大額定值和降額曲線定義的範圍內。對於連續直流運作，在 25°C 環境溫度下，順向電流不得超過 100mA，並且必須根據圖 6 在更高的環境溫度下降低。對於具有高峰值電流的脈衝運作，必須遵守工作週期和脈衝寬度規格。

9. 實際應用範例

情境：設計一個用於短距離序列通訊的簡單紅外線資料發射器。

1. 電路設計：使用微控制器 GPIO 接腳驅動 LED。在 LED 的陽極串聯一個限流電阻。使用公式 R = (Vcc - Vf_LED) / I_desired 計算電阻值。對於 3.3V 電源、期望電流 50mA 和典型 Vf 1.5V：R = (3.3V - 1.5V) / 0.05A = 36 歐姆。使用下一個標準值（例如：39 歐姆）。

2. 熱檢查：LED 的功率損耗：P = Vf * I = 1.5V * 0.05A = 75mW。接面溫升：ΔTj = P * RθJA = 0.075W * 280°C/W = 21°C。在最高環境溫度 85°C 下，Tj = 106°C，低於 110°C 的極限。

3. 軟體：配置微控制器在 GPIO 接腳上產生所需的數位調變（例如：開關鍵控）。LED 15ns 的上升/下降時間允許高資料傳輸率。

4. 佈局：將 LED 及其串聯電阻靠近驅動接腳，以最小化寄生電感。確保接收器（光電二極體）對準在發射器 26 度的視角範圍內。

10. 工作原理

HSDL-4261 是一款基於 AlGaAs 材料的半導體 p-n 接面二極體。當施加順向偏壓時，來自 n 區的電子和來自 p 區的電洞被注入到對面的區域。這些注入的少數載子與多數載子復合。在像 AlGaAs 這樣的直接能隙半導體中，這些復合有很大一部分是輻射性的，意味著它們以光子的形式釋放能量。所用 AlGaAs 合金的特定能隙決定了發射光子的波長，在本例中，波長中心位於紅外光譜的 870nm 附近。透明的環氧樹脂封裝保護半導體晶片，提供機械保護，並作為透鏡來塑造輸出光束。

11. 產業趨勢

紅外線發射器在幾個與 HSDL-4261 等元件相關的關鍵領域持續發展：

速度提升：光學無線通訊（Li-Fi、高速 IrDA）中對更高資料傳輸率的需求，推動了具有更快上升/下降時間的發射器開發。

效率增強：磊晶生長和晶片設計的改進旨在提高每單位電輸入功率（瓦特）所產生的光功率（流明或輻射通量），從而減少熱量產生並提高系統效率。

整合化：趨勢是將發射器與驅動電路，甚至與光電探測器整合在單一封裝中，以創建完整的光學收發器模組，簡化終端使用者的設計。

新波長：雖然 870-940nm 對於矽基接收器來說仍是標準，但針對特定應用（如氣體感測或人眼安全 LiDAR）的其他波長也在研究中。