LTE-4206 紅外線發射LED規格書 - 940nm波長 - 20mA順向電流 - 1.6V順向電壓 - 20°視角 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTE-4206是一款低成本、微型紅外線發射器，專為光電感測與通訊應用而設計。其核心功能是發射峰值波長為940奈米的紅外光。元件採用透明塑膠端視封裝，能實現高效的光線發射。其關鍵特色在於與對應系列的光電晶體實現了機械與光譜匹配，這確保了物理尺寸與光譜響應的相容性，從而簡化了接收電路的設計。

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極限。它們是在環境溫度（T_A）為25°C時指定的。

• 功率消耗（P_D）：90 mW。這是元件能以熱形式散發的最大允許功率。
• 峰值順向電流（I_FP）：1 A。這是最大允許的脈衝電流，在每秒300個脈衝、脈衝寬度10微秒的條件下指定。
• 連續順向電流（I_F）：60 mA。這是可以持續施加的最大直流電流。
• 逆向電壓（V_R）：5 V。在逆向偏壓下超過此電壓可能損壞LED接面。
• 操作溫度範圍：-40°C 至 +85°C。保證元件在此環境溫度範圍內正常運作。
• 儲存溫度範圍：-55°C 至 +100°C。
• 引腳焊接溫度：260°C 持續5秒，測量點距離封裝本體1.6mm。

2.2 電氣與光學特性

這些參數在T_A=25°C下量測，定義了元件在正常工作條件下的性能。用於測試光學參數的順向電流（I_F）通常為20mA。

• 孔徑輻射照度（E_e）：以mW/cm²為單位量測，這是入射到單位面積表面的輻射功率。其數值依分級而異（見第3節）。
• 輻射強度（I_E）：以mW/sr為單位量測，這是每單位立體角發射的輻射功率。這是表徵紅外光源亮度的關鍵參數。數值已分級。
• 峰值發射波長（λ_Peak）：940 nm（典型值）。這是發射光功率達到最大值時的波長，位於近紅外光譜範圍內。
• 光譜線半寬度（Δλ）：50 nm（典型值）。此參數亦稱為半高全寬，表示光譜頻寬。50 nm的數值意味著發射光涵蓋了以峰值為中心、約50 nm寬的波長範圍。
• 順向電壓（V_F）：在I_F=20mA時為1.2 V（最小值），1.6 V（典型值）。這是LED在導通指定電流時的跨壓。
• 逆向電流（I_R）：在V_R=5V時為100 μA（最大值）。這是元件處於逆向偏壓時流過的小量漏電流。
• 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集中。

3. 分級系統說明

LTE-4206針對其關鍵光學輸出參數——孔徑輻射照度（E_e）與輻射強度（I_E）——採用了分級系統。分級是一種製造過程，將元件按性能分組，以確保在定義範圍內的一致性。元件分為A、B、C、D四個等級。

• 等級A： E_e= 0.184 - 0.54 mW/cm²；I_E= 1.383 - 4.06 mW/sr。
• 等級B： E_e= 0.36 - 0.78 mW/cm²；I_E= 2.71 - 5.87 mW/sr。
• 等級C： E_e= 0.52 - 1.02 mW/cm²；I_E= 3.91 - 7.67 mW/sr。
• 等級D： E_e= 0.68 mW/cm²（最小值）；I_E= 5.11 mW/sr（最小值）。此等級代表最高輸出群組。

此系統讓設計師能根據特定應用的靈敏度或距離需求，選擇合適的等級。

4. 性能曲線分析

規格書提供了數條特性曲線，用以說明元件在不同條件下的行為。

4.1 光譜分佈（圖1）

此曲線顯示相對輻射強度隨波長的變化。它確認了940 nm的峰值發射以及約50 nm的光譜半寬度。曲線形狀是典型的GaAlAs紅外線LED。

4.2 順向電流 vs. 順向電壓（IV曲線）（圖3）

此圖繪製了I_F與V_F的關係。它展示了二極體的指數關係特性。此曲線對於設計限流驅動電路至關重要。20mA時典型的V_F值1.6V可在此驗證。

4.3 相對輻射強度 vs. 順向電流（圖5）

此圖顯示，在相當大的範圍內，光學輸出（輻射強度）與順向電流幾乎呈線性關係。這種線性簡化了控制；增加驅動電流可直接且可預測地增加光輸出。

4.4 相對輻射強度 vs. 環境溫度（圖4）

這條關鍵曲線說明了LED輸出對溫度的依賴性。輻射強度隨著環境溫度升高而降低。在設計需於全溫度範圍（-40°C至+85°C）內運作的系統時，必須考慮此降額效應，以確保在高溫下仍有足夠的信號強度。

4.5 輻射圖（圖6）

這是一個極座標圖，描繪了發射光的空間分佈。它直觀地確認了20°的視角，顯示了強度如何隨著偏離中心軸（0°）的角度而下降。

5. 機械與封裝資訊

元件採用微型塑膠端視封裝。規格書中關鍵的尺寸註記包括：

• 所有尺寸單位為毫米（括號內為英吋）。
• 除非另有說明，一般公差為±0.25mm（±0.010"）。
• 法蘭下方樹脂的最大凸出量為1.0mm（0.039"）。
• 引腳間距在引腳從封裝本體伸出的位置量測。
• 封裝為透明材質。

（註：文本摘錄中未提供圖紙中的具體數值尺寸，但通常會包含本體直徑、長度、引腳直徑和間距）。

6. 焊接與組裝指南

提供的主要指南是針對手工焊接：引腳可在260°C下焊接，最長持續時間為5秒，且加熱點距離塑膠封裝本體至少1.6mm（0.063"）。這是為了防止環氧樹脂受到熱損傷。對於波峰焊或迴流焊，應遵循標準紅外線LED的溫度曲線，注意峰值溫度及液相線以上的時間，以確保在封裝的熱限值內。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 物體偵測與接近感測：與匹配的光電晶體（例如LTR-4206系列）配對，用於反射式或對射式配置。應用於印表機、影印機、自動販賣機和工業自動化。
• 紅外線資料傳輸：適用於短距離、低資料速率的序列通訊鏈路、遙控器或光學編碼器。
• 煙霧偵測：用於基於光學腔室的煙霧偵測器。

7.2 設計考量

• 電流限制：務必使用串聯電阻或恆流驅動器將I_F限制在所需值（例如，規格性能的20mA），切勿直接連接到電壓源。
• 熱管理：考慮輸出隨溫度的降額（圖4）。在考慮環境條件下，確保功率消耗（I_F* V_F）不超過90mW。
• 光學對準：20°的視角需要與配對的偵測器仔細對準，以實現最佳信號耦合，尤其是在對射式設置中。
• 電氣雜訊：在感測應用中，調變LED驅動電流，並在接收電路中使用同步偵測，以抑制可能包含940nm紅外線成分的環境光（例如陽光、白熾燈泡）。

8. 技術比較與差異化

LTE-4206的主要差異化優勢在於其與特定光電晶體系列的機械與光譜匹配。這保證了接收器的主動區域和光譜靈敏度曲線與發射器的輸出模式和波長達到最佳對齊，從而最大化系統效率並簡化機械設計。透明封裝相較於有色或擴散封裝，提供了更高的外部效率。分級系統提供了選擇所需輸出等級的靈活性。其低成本與微型尺寸使其適合大量生產、空間受限的消費性與工業應用。

9. 常見問題（基於技術參數）

問：940nm波長的用途是什麼？

答：940nm位於近紅外線範圍，人眼不可見。這是一個常見的波長，因為它避免了可見光干擾，許多矽光偵測器（如光電晶體）在此波長具有良好的靈敏度，且與850nm LED相比，較不易受到環境白熾燈光（峰值約在1000nm範圍）的干擾。

問：我可以用5V電源驅動這個LED嗎？

答：可以，但您必須使用限流電阻。例如，要從5V電源達到I_F=20mA，典型V_F為1.6V：R = (5V - 1.6V) / 0.02A = 170Ω。使用最接近的標準值（例如180Ω）並檢查實際電流。

問：對於發射器來說，視角是什麼意思？

答：它定義了光束寬度。20°的全角意味著發射光集中在一個相對狹窄的錐形範圍內。峰值強度的一半出現在距離中心軸±10°的位置。較小的角度能產生更聚焦的光束，適用於更長距離或精確對準。

問：為什麼輸出要分級？

答：製造變異會導致輸出功率略有不同。分級將LED分類到保證了最小和最大輸出的群組中。這讓設計師可以選擇一個等級，確保其系統可靠運作，同時清楚知道元件的確切性能範圍。

10. 實務設計案例

案例：為印表機設計紙張偵測感測器。

需要一個對射式感測器來偵測紙張是否存在。將一個LTE-4206（等級C）放置在紙張路徑的一側，並將一個匹配的LTR-4206光電晶體直接放置在對面。

1. 驅動電路：LED由微控制器GPIO引腳透過一個180Ω電阻驅動，當引腳為高電位（3.3V或5V邏輯）時，將I_F設定為約20mA。
2. 調變：微控制器以1kHz（50%工作週期）脈衝驅動LED，以將其信號與環境光區分開來。
3. 接收電路：光電晶體的集極連接到一個上拉電阻。集極電壓由微控制器的ADC或比較器讀取。
4. 偵測邏輯：當沒有紙張時，紅外光到達光電晶體，使其導通，將集極電壓拉低。當紙張阻擋光束時，光電晶體關閉，集極電壓變高。微控制器在LED脈衝期間同步取樣此信號，以偵測狀態變化。
5. 考量事項：20°的視角確保光束足夠窄，能被紙張邊緣乾淨地阻斷。選擇等級C提供了足夠的輻射強度，即使在長時間使用後可能積塵的情況下，也能在接收器中產生強烈的信號。

11. 工作原理介紹

紅外線發光二極體是一種半導體p-n接面二極體。當施加超過其導通閾值（此元件約為1.2V）的順向電壓時，電子和電洞被注入跨越接面。這些電荷載子重新結合，對於這種特定的材料組成（通常是砷化鎵鋁 - GaAlAs），重新結合過程中釋放的能量以光子形式呈現，其波長中心約為940 nm，即紅外光。發射光的強度與重新結合的速率成正比，而該速率由順向電流（I_F）控制。透明的環氧樹脂封裝充當透鏡，將輸出光束塑造成指定的20°視角。

12. 技術趨勢

紅外線發射器技術的趨勢包括：

• 效率提升：開發新材料和結構（例如多重量子阱），以在相同驅動電流下實現更高的輻射強度（mW/sr），從而降低功耗。
• 微型化：持續縮小封裝尺寸（例如晶片級封裝），以便整合到更小的裝置中，如穿戴式裝置和超緊湊感測器。
• 增強可靠性與更高溫操作：改進封裝材料和晶片貼裝技術，以延長使用壽命並允許在更惡劣的環境中運作（例如汽車、工業）。
• 整合解決方案：將紅外線發射器、驅動器，有時連同偵測器或邏輯電路整合到單一模組或IC中，以簡化系統設計並減少佔用空間。
• 多波長與VCSEL：使用垂直腔面發射雷射，適用於需要非常精確、高速或結構化光圖案的應用，例如先進的接近感測、3D成像（飛時測距）和人臉辨識。

LTE-4206代表了針對標準紅外線感測需求的成熟、經濟高效的解決方案，而新興技術則滿足了對更高性能、整合度及專業應用的需求。