紅外線發射器 LTE-4208M 規格書 - 940nm 波長 - T-1 3/4 封裝 (5mm) - 1.6V 順向電壓 - 100mW 功率消耗

1. 產品概述

LTE-4208M 是一款高效能紅外線發光二極體，專為需要可靠且高效非可見光發射的應用而設計。其核心功能是將電能轉換為峰值波長 940 奈米的紅外線輻射。此波長非常適合必須最小化可見光干擾的應用，因為它對人眼幾乎不可見，但卻能被矽基光電探測器（如光電晶體和光電二極體）高度偵測。

本元件採用標準 T-1 3/4（直徑約 5mm）封裝，並配備透明鏡片。這種微型塑膠封裝提供了具成本效益的解決方案，同時具備機械穩固性。一個關鍵設計特點是其與對應光電晶體系列（例如 LTR-3208）在光譜和機械上的匹配，這確保了發射器與偵測器對之間的最佳對準和訊號耦合，從而簡化了光學系統設計。

1.1 核心優勢與目標市場

LTE-4208M 的主要優勢包括其高輻射強度輸出、透過嚴格分級流程確保的一致性能，以及其緊湊、低成本的體積。它被預先篩選到特定的輻射強度範圍（等級），讓設計師能夠選擇一個精確符合其系統靈敏度要求的元件，而無需外部校準或微調電路。這種可預測性提高了製造良率和系統可靠性。

此元件的目標市場主要是需要接近感測、物體偵測或光學編碼的工業與消費性電子產品。其最突出的應用是在煙霧偵測器中，透過測量光的散射或衰減來偵測煙霧粒子。其他潛在應用包括非接觸式開關、短距離資料傳輸（例如遙控系統）、工業自動化感測器以及物體計數器。

2. 深入技術參數分析

理解電氣和光學參數對於可靠的電路設計以及確保 LED 在其安全工作區內運作至關重要。

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。不建議長時間在或接近這些極限下運作。

• 功率消耗 (Pd)：100 mW。這是在環境溫度 25°C 下，元件能以熱能形式消耗的最大功率。超過此限制有熱失控和故障的風險。
• 峰值順向電流 (I_FP)：3 A。這是在脈衝條件下（每秒 300 個脈衝，10μs 脈衝寬度）允許的最大瞬時電流。它顯著高於連續電流額定值，突顯了元件處理短暫、高強度脈衝的能力。
• 連續順向電流 (I_F)：50 mA。這是在假設典型順向電壓下，可以持續施加而不超過功率消耗額定值的最大直流電流。
• 逆向電壓 (V_R)：5 V。此元件對逆向偏壓的耐受度非常低。施加超過 5V 的逆向電壓可能導致立即崩潰。規格書明確指出，此元件並非為逆向操作而設計。
• 工作與儲存溫度：分別為 -40°C 至 +85°C 和 -55°C 至 +100°C。這些範圍定義了可靠運作和非運作儲存的環境條件。
• 引腳焊接溫度：距離封裝本體 4.0mm 處，260°C 持續 5 秒。這對於波峰焊或迴流焊製程至關重要，可防止內部半導體晶片或塑膠封裝受損。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在標準測試條件下測量的（TA=25°C，I_F=20mA，除非另有說明），並定義了元件的典型性能。

• 輻射強度 (I_E)：這是核心的光學輸出參數，以毫瓦每球面度為單位測量。它表示每單位立體角發射的光功率。元件根據其在 20mA 標準測試電流下的測量輸出，被分級為 A 到 G 等級，最小值和典型值範圍從 3.6/13.2 mW/sr（A 級）到 28.8 mW/sr（G 級）。這種分級允許根據所需的訊號強度進行選擇。
• 峰值發射波長 (λ_Peak)：940 nm。這是發射光功率達到最大值的波長。它屬於近紅外光譜範圍。
• 光譜線半寬度 (Δλ)：50 nm。此參數也稱為半高全寬，定義了光譜頻寬。50nm 的寬度意味著發射光在峰值強度一半處覆蓋了約 915nm 至 965nm 的波長範圍。
• 順向電壓 (V_F)：1.2V（最小），1.6V（典型）。這是二極體在導通 20mA 時的壓降。對於計算驅動電路中的串聯電阻值至關重要：R = (V_supply- V_F) / I_F.
• 逆向電流 (I_R)：在 V_R=5V 時為 100 μA（最大）。這是當二極體在其最大額定值下被逆向偏壓時流過的小漏電流。
• 視角 (2θ_1/2)：20 度。這是輻射強度降至其最大值（軸上）一半時的全角。20° 的角度表示光束相對狹窄且集中，這對於定向感測應用是有益的。

3. 分級系統說明

LTE-4208M 採用單一關鍵的分級參數：輻射強度。元件根據其在 20mA 標準測試電流下的測量輸出進行測試並分組（A 到 G 級）。此系統提供了以下幾個好處：

1. 設計一致性：工程師可以選擇特定等級，以確保在整個生產批次中的所有單元都具有一致的光學訊號水平，從而提高產品均勻性。
2. 性能匹配：當與匹配的光電探測器一起使用時，選擇發射器等級可以更精確地控制光學感測器系統的整體靈敏度和動態範圍。
3. 成本優化：對於靈敏度要求不那麼嚴格的應用，可以使用較低等級（例如 A、B 級）的元件，這可能更具成本效益。

規格書未指出此型號在順向電壓或波長上進行分級，這表明對這些參數的製程控制嚴格，或者它們並非其目標應用的關鍵區分因素。

4. 性能曲線分析

典型特性曲線提供了元件在不同條件下行為的視覺化洞察，這對於超越標稱 25°C 點的穩健系統設計至關重要。

4.1 光譜分佈 (圖1)

該曲線顯示了一個以 940nm 為中心、半高全寬約為 50nm 的類高斯分佈。這證實了 LED 輸出的單色性質，這對於在感測應用中濾除環境光干擾至關重要。此曲線形狀是典型的基於 AlGaAs 的紅外線 LED。

4.2 順向電流 vs. 環境溫度 (圖2)

此降額曲線對於熱管理至關重要。它顯示了最大允許連續順向電流隨著環境溫度升高而降低。在 85°C（最高工作溫度）時，允許的電流顯著低於 25°C 時的 50mA 額定值。設計師必須使用此圖來確保工作電流在系統預期最高環境溫度下不超過曲線。

4.3 順向電流 vs. 順向電壓 (圖3)

這是二極體的標準 I-V 曲線。它顯示了電流與電壓之間的指數關係。該曲線允許設計師估算在非 20mA 測試條件下的 V_F，這對於電源設計和效率計算很重要。

4.4 相對輻射強度 vs. 環境溫度 (圖4)

此圖說明了光學輸出的溫度依賴性。相對輻射強度隨著溫度升高而降低。例如，在 85°C 時，輸出可能僅為其在 25°C 時值的約 60-70%。在設計用於寬溫度範圍運作的系統時，必須考慮此負溫度係數，以避免在高溫下訊號損失。

4.5 相對輻射強度 vs. 順向電流 (圖5)

此曲線顯示，在典型工作範圍內（例如，高達 50mA），光學輸出大致與順向電流成正比。然而，這種關係並非完全線性，並且在非常高的電流下，由於半導體內熱效應增加和其他非理想因素，效率（每毫安的輻射強度）可能會略微下降。

4.6 輻射圖 (圖6)

此極座標圖視覺化地定義了視角。歸一化強度相對於與中心軸（0°）的角度繪製。該圖確認了 20° 的半角，顯示在偏離中心約 ±10° 後強度迅速下降。這種模式是具有簡單圓頂透鏡的 LED 的特徵，提供了適合定向應用的聚焦光束。

5. 機械與封裝資訊

5.1 外型尺寸

本元件符合標準 T-1 3/4 穿孔式封裝尺寸。關鍵尺寸包括本體直徑約 5mm、引腳從封裝伸出處的典型間距為 2.54mm（0.1 英寸）以及總長度。註明法蘭下方樹脂凸起最大為 1.0mm。引腳通常由鍍錫銅合金製成。封裝採用透明無色的環氧樹脂透鏡。

5.2 極性辨識

對於像 T-1 3/4 這樣的穿孔式封裝，極性通常由引腳長度指示（較長的引腳通常是陽極或正極）和/或陰極（負極）引腳附近塑膠法蘭上的平面標記。應查閱規格書圖紙以了解此元件使用的具體標記。

6. 焊接與組裝指南

遵守焊接規範對於防止熱衝擊和潛在故障至關重要。

• 手工焊接：使用溫控烙鐵。每個引腳的焊接時間限制在 3-5 秒，溫度不超過 350°C。對引腳加熱，而非封裝本體。
• 波峰焊/迴流焊：指定條件為距離封裝本體 4.0mm 處，260°C 持續 5 秒。這意味著元件可以承受典型的紅外線或對流迴流焊溫度曲線，但必須考慮引腳的熱質量，以確保封裝本身不會過熱。
• 清潔：如果焊接後需要清潔，請使用與環氧樹脂封裝材料相容的溶劑。除非經確認對元件安全，否則避免使用超音波清洗。
• 儲存：在指定的溫度範圍內（-55°C 至 +100°C）儲存在乾燥、防靜電的環境中。對濕氣敏感的元件如果使用前未烘烤，應保存在帶有乾燥劑的密封袋中。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用：煙霧偵測器

在光電式煙霧偵測器中，LTE-4208M 被放置在一個腔室中，使其光束在空氣清澈的條件下不會直接照射到配對的光電晶體上。當煙霧粒子進入腔室時，它們會散射紅外線光，導致部分光線偏轉到光電晶體上。由此產生的偵測器電流增加會觸發警報。對於此應用：

• 選擇一個能提供足夠訊號以進行可靠煙霧偵測，同時最小化功耗的輻射強度等級。
• 使用脈衝電流驅動 LED（例如，短暫的高脈衝，如 100mA 持續 10μs），而非直流，以提高峰值訊號以獲得更好的訊噪比，並降低平均功耗，延長電池壽命。
• 考慮輻射強度和最大電流的溫度降額，因為偵測器可能安裝在閣樓或其他溫度變化大的環境中。

7.2 通用設計考量

• 電流限制：始終使用串聯電阻或恆流驅動器來限制順向電流。切勿將 LED 直接連接到電壓源。
• 逆向電壓保護：在可能出現逆向電壓瞬變的電路中（例如，感性負載、熱插拔），考慮並聯一個保護二極體（陰極對陽極）以鉗制任何低於 0.7V 的逆向電壓。
• 散熱：對於接近最大電流額定值的連續運作，請考慮 PCB 佈局。在引腳周圍提供足夠的銅面積有助於散熱。
• 光學設計：20° 的窄視角簡化了準直的光學設計，但需要與接收器進行精確的機械對準。對於更寬的覆蓋範圍，可能需要擴散片或透鏡。

8. 技術比較與差異化

與通用的、未分級的紅外線 LED 相比，LTE-4208M 的關鍵區別在於其保證的輻射強度等級，提供了可預測的性能。與表面黏著型紅外線 LED 相比，T-1 3/4 穿孔式封裝由於其更大的熱質量和更長的引腳，可能允許更高的連續或脈衝驅動電流，從而提供更高的可能功率消耗。當需要最大的正向光輸出和光束定義時，其透明封裝比著色或擴散封裝更具優勢，儘管它本身不提供對可見光的屏蔽。

9. 常見問題 (基於技術參數)

問：既然峰值額定值是 3A，我可以用 3A 連續驅動這個 LED 嗎？

答：不行。3A 額定值適用於特定工作週期下的極短脈衝（10μs）。最大連續電流是 50mA。超過此值將因過熱而迅速損壞元件。

問：為什麼逆向電壓額定值只有 5V？

答：紅外線 LED 針對順向導通進行了優化。其半導體結構並非設計用於承受高逆向偏壓。務必確保電路防止施加逆向電壓。

問：我該如何選擇正確的等級（A 到 G）？

答：根據您的系統在接收端所需的訊號強度進行選擇。如果您的偵測器電路增益高且您需要最小化功耗，較低的等級（A、B）可能就足夠了。對於更長的距離、較弱的偵測器或需要高訊噪比的系統，請選擇較高的等級（E、F、G）。建議使用您的特定光路進行測試。

問：順向電壓典型值為 1.6V。對於 20mA 電流，使用 5V 電源時應該使用多大的電阻？

答：R = (V_supply- V_F) / I_F= (5V - 1.6V) / 0.020A = 170 歐姆。使用最接近的標準值（例如 180 歐姆）並檢查實際電流：I_F= (5V - 1.6V) / 180 = ~18.9mA，這是可以接受的。

10. 實務設計案例研究

情境：為工業輸送帶設計一個低功耗、電池供電的物體計數器。系統使用對射式感測器，其中 LTE-4208M 與 LTR-3208 光電晶體在輸送帶兩側相對。

設計步驟：

1. 目標：在確保可靠偵測所有物體的同時，最大化電池壽命。
2. 使用脈衝操作。微控制器產生 100Hz、10% 工作週期的脈衝（1ms 開啟，9ms 關閉）。電流計算：
3. 為了保持在平均功率限制內，選擇脈衝電流。假設 Pd=100mW 且 V~1.6V，平均 I_F可達 ~62.5mA。對於 10% 的工作週期，脈衝 I_F可高達 625mA。選擇一個保守的 100mA 脈衝電流以獲得強訊號。_F元件選擇：
4. 選擇 D 或 E 級的 LTE-4208M 以獲得良好的訊號強度。選擇匹配的 LTR-3208 光電晶體。電路：
5. 使用微控制器 GPIO 引腳驅動一個電晶體（例如 NPN BJT 或 N 通道 MOSFET），該電晶體切換流經 LED 的 100mA 脈衝。一個串聯電阻設定電流：R = (3.3V- V_GPIOCE(sat)_{- V}) / I_F。光電晶體輸出連接到比較器或微控制器 ADC。_F考量：
6. 透過將偵測與 LED 脈衝同步（同步偵測）來應對環境光。考慮溫度對輸出強度的影響。這種方法將平均電流消耗降低到大約 10mA（100mA * 10%），而不是連續的 20-50mA，在保持強勁、可偵測的光脈衝的同時，顯著延長了電池壽命。

11. 工作原理

LTE-4208M 是一種由砷化鋁鎵等材料製成的半導體 p-n 接面二極體。當施加超過材料能隙能量的順向電壓時，來自 n 區的電子和來自 p 區的電洞被注入接面區域。當這些電荷載子復合時，它們會釋放能量。在發光二極體中，此能量主要以光子（光）的形式釋放。發射光的波長（顏色）由半導體材料的能隙能量決定。對於調諧到 940nm 的 AlGaAs，能隙能量約為 1.32 電子伏特。透明的環氧樹脂封裝充當透鏡，塑造發射模式並提供環境保護。

12. 技術趨勢

紅外線發射器技術持續發展。與 LTE-4208M 等元件相關的趨勢包括：

效率提升：

• 持續的材料科學研究旨在提高紅外線 LED 的電光轉換效率，在相同光學輸出的情況下減少熱量產生和功耗。更高速度調變：
• 開發能夠更快切換的 LED，用於光學數據通訊（例如 IrDA、Li-Fi）和高速感測應用。整合化：
• 朝向整合光電組件的發展，將發射器、偵測器，有時還包括驅動電路整合在單一模組中，簡化設計並提高對準和性能一致性。替代波長：
• 擴展到其他近紅外波長（例如 850nm、880nm），用於特定應用，如眼球追蹤（940nm 因其較不可見而更受青睞）或與不同矽偵測器靈敏度的兼容性。封裝微型化：
• 雖然穿孔式封裝在高功率或高可靠性應用中仍然流行，但對於自動化組裝和空間受限的設計，存在朝向表面黏著技術的強烈趨勢。LTE-4208M 以其成熟的 T-1 3/4 封裝、高輻射輸出和嚴格的分級，代表了一個成熟可靠的解決方案，非常適合其主要應用，特別是在偏好或需要穿孔式安裝的場合。

The LTE-4208M, with its proven T-1 3/4 package, high radiant output, and rigorous binning, represents a mature and reliable solution well-suited for its primary applications, particularly where through-hole mounting is preferred or required.