紅外線發射LED 5mm透明封裝 - 直徑5mm - 順向電壓1.8V - 輻射強度4.81mW/sr - 繁體中文技術規格書

1. 產品概述

本文件詳細說明一款採用透明塑膠封裝的高功率微型紅外線（IR）發光二極體（LED）之規格。此元件為端視型發射器，專為需要可靠紅外線照明的應用而設計。其主要功能是將電流轉換為紅外線輻射，通常用於感測、偵測及通訊系統中，並常與相容的光電偵測器配對使用。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

此元件設計為在指定的環境與電氣限制內可靠運作。超過這些額定值可能會導致永久性損壞。

• 功率消耗：150 mW。此為元件在任何操作條件下可安全以熱能形式消耗的最大功率。
• 峰值順向電流：2 A。此為最大允許脈衝電流，條件為每秒300個脈衝、脈衝寬度10微秒。此值遠高於連續額定值，允許短暫的高強度光脈衝。
• 連續順向電流：100 mA。此為可無限期施加於LED而不致損壞的最大直流電流。
• 逆向電壓：5 V。施加超過此值的逆向偏壓可能會擊穿半導體接面。
• 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。元件可在此更寬的溫度範圍內存放而不運作。
• 引腳焊接溫度：260°C 持續5秒，測量點距離封裝本體1.6mm。此定義了組裝製程的熱耐受曲線。

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，定義了元件在正常操作條件下的性能。大多數光學參數的測試條件為順向電流（I_F）20 mA。

• 孔徑輻射照度（E_e）：0.64 mW/cm²（最小值）。此參數量測發射器孔徑處單位面積的輻射功率。對於發射器靠近偵測器放置的應用而言，此為關鍵參數。
• 輻射強度（I_E）：4.81 mW/sr（最小值）。此為每單位立體角（球面度）發射的輻射功率。這是LED在紅外線光譜中輸出亮度的主要量度，對於計算遠距離照度至關重要。
• 峰值發射波長（λ_峰值）：880 nm（典型值）。元件發射以此波長為中心的紅外線光。此波長位於近紅外線（NIR）區域，人眼不可見，但易於被矽光電偵測器偵測。
• 譜線半高寬（Δλ）：50 nm（最大值）。此參數指定發射光功率至少為其峰值一半時的波長範圍。50 nm的值表示光譜輸出為中等寬度，這是標準IR LED的典型特徵。
• 順向電壓（V_F）：1.3 V（最小值），1.8 V（最大值），於 I_F=20mA 條件下。此為LED運作時的跨元件電壓降。對於設計限流電路至關重要。
• 逆向電流（I_R）：100 µA（最大值），於 V_R=5V 條件下。此為元件處於逆向偏壓時流動的小量漏電流。
• 視角（2θ_1/2）：40°（典型值）。此為輻射強度降至其最大值（軸上）一半時的全角。40°的角度提供寬廣的光束，適用於需要廣域覆蓋的應用。

3. 性能曲線分析

規格書提供了數種圖形，展示元件在不同條件下的行為。

3.1 光譜分佈

光譜輸出曲線（圖1）顯示相對輻射強度隨波長的變化。它確認了峰值發射約在880 nm處，呈現典型的鐘形曲線，向兩側遞減。半高寬可從此圖中目視估算。

3.2 順向電流 vs. 順向電壓

I-V曲線（圖3）說明了施加的順向電壓與所產生電流之間的非線性關係。它顯示了二極體典型的指數型導通特性。規格中20mA下的V_F範圍可在此曲線上交叉參照。

3.3 相對輻射強度 vs. 順向電流

此曲線（圖5）展示了光學輸出功率如何隨驅動電流增加。在相當大的範圍內通常是線性的，但在極高電流下可能出現飽和或效率下降。此圖對於決定要達到所需輸出水平所需的驅動電流至關重要。

3.4 相對輻射強度 vs. 環境溫度

溫度相依性曲線（圖4）顯示LED的輸出功率隨著接面溫度升高而降低。這是半導體光源的基本特性。此圖讓設計者能為高溫操作環境下調降預期輸出。

3.5 輻射圖

極座標輻射圖（圖6）提供了視角的視覺化表示。它繪製了相對於中心軸角度的相對強度，清楚顯示強度降至50%時的40°半角。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

此元件採用標準5mm直徑、端視型、透明塑膠封裝（常稱為T-1 3/4封裝）。關鍵尺寸註記包括：

• 所有尺寸均以公釐提供，並附英吋等效值。
• 除非另有說明，否則適用±0.25mm的標準公差。
• 法蘭下方樹脂的最大突出量為1.5mm。
• 引腳間距在引腳離開封裝本體的點上量測。

封裝為透明，使紅外線光能以最小吸收通過。引腳通常由鍍錫銅合金製成。

4.2 極性識別

對於此類封裝，較長的引腳通常表示陽極（正極連接），較短的引腳表示陰極（負極連接）。此外，封裝可能在靠近陰極引腳的邊緣處有一個平面。必須遵守正確的極性，元件才會發光。

5. 焊接與組裝指南

引腳焊接的絕對最大額定值為260°C持續5秒，測量點距離封裝本體1.6mm。此額定值適用於手工焊接或波峰焊接製程。

• 迴流焊接：雖然未明確指定迴流焊接，但260°C的限制表明它可能耐受某些迴流曲線。然而，強烈建議使用較低峰值溫度（例如245°C）且控制升溫速率的曲線，以最小化塑膠封裝和內部接線的熱應力。
• 一般注意事項：避免對引腳施加過度的機械應力。請勿在封裝根部彎曲引腳。必要時，在焊接過程中使用適當的散熱措施。
• 儲存條件：在指定的溫度範圍（-55°C至+100°C）內，儲存於乾燥、防靜電的環境中，以防止吸濕和其他劣化。

6. 應用建議

6.1 典型應用場景

此紅外線發射器非常適合各種光電應用，包括：

• 物體偵測與感測：用於接近感測器、物體計數器和液位偵測系統，常與提及的LTR-3208系列等光電晶體配對，形成光學遮斷器或反射式感測器。
• 遙控系統：作為消費性電子產品紅外線遙控器中的發射器。
• 光學數據鏈路：實現短距離無線串列數據通訊。
• 安全系統：用於夜視攝影機的紅外線照明，或作為入侵偵測光束的一部分。

6.2 設計考量

• 電流限制：LED是電流驅動元件。務必使用串聯限流電阻或恆流驅動電路，以防止超過最大連續順向電流，特別是考慮到順向電壓有一個範圍（1.3V-1.8V）。
• 熱管理：雖然功率消耗低，但在高連續電流或高環境溫度下運作將降低輸出和壽命。必要時確保足夠的通風。
• 光學匹配：規格書註明此元件在機械和光譜上與特定光電晶體匹配。使用推薦的偵測器可確保在880nm峰值波長處的最佳靈敏度，以及在組裝模組中的物理對準。
• 電路保護：考慮增加對逆向電壓突波或靜電放電（ESD）的保護，因為最大逆向電壓僅為5V。

7. 技術比較與差異化

區分此紅外線發射器的關鍵特點包括：

• 選定強度範圍：元件經過分選或挑選以符合特定的輻射強度規格，確保生產的一致性。
• 高功率輸出：在20mA下，最小輻射強度4.81 mW/sr，對於標準5mm封裝具有競爭力，提供良好的訊號強度。
• 寬視角（40°）：提供廣泛的覆蓋範圍，這對於對準要求不那麼嚴格的接近感測和反射式感測應用具有優勢。
• 透明封裝：與有色或擴散封裝不同，透明鏡頭能最大化正向光輸出，且對發射光的顏色呈中性，這對於紅外線應用是理想的。
• 與偵測器系列匹配：這簡化了使用配對光電晶體的系統之設計與採購，保證了光學和機械的相容性。

8. 常見問題（基於技術參數）

8.1 使用5V電源時，我應該使用多大的電阻值？

使用歐姆定律（R = (V_電源- V_F) / I_F），並假設目標I_F為20mA，電阻值取決於實際的V_F。為了確保電流絕不超過20mA的最壞情況設計，請使用最小的V_F（1.3V）。R = (5V - 1.3V) / 0.02A = 185歐姆。最接近的標準值為180歐姆。這提供了約20.6mA的最大電流，是安全的。功率額定值：P = I²R = (0.02)² * 180 = 0.072W，因此1/8W或1/4W的電阻已足夠。

8.2 我可以直接用微控制器引腳驅動它嗎？

通常不行。大多數微控制器GPIO引腳的電流源/汲極限制為20-40mA，這剛好在此LED的工作點邊緣。即使在限制內，引腳的輸出電壓在負載下也會下降，使得電流控制不精確。始終建議使用電晶體（例如NPN BJT或N通道MOSFET）作為由微控制器引腳驅動的開關，以獨立控制LED電流。

8.3 溫度如何影響性能？

如圖4所示，相對輻射強度隨著環境溫度升高而降低。在+85°C時，輸出可能僅為25°C時值的60-80%。相反地，在非常低的溫度下，輸出可能更高。這必須納入系統靈敏度計算中，特別是對於戶外或高可靠性應用。順向電壓（V_F）也具有負溫度係數，意味著它會隨著溫度升高而略微下降。

8.4 輻射照度與輻射強度有何不同？

輻射強度（I_E, mW/sr）是功率的角度量度——它描述有多少功率發射到特定方向（每球面度）。它與距離無關。孔徑輻射照度（E_e, mW/cm²）是功率密度的面積量度——它描述在光源孔徑處有多少功率通過單位面積。E_e更適用於偵測器基本上位於發射器表面的極近距離應用，而I_E則與平方反比定律一起用於計算遠距離的輻照度。

9. 設計與使用案例研究

情境：設計印表機用紙張計數器。

需要一個光學遮斷器感測器來計算通過印表機機構的紙張。一個U型支架將紅外線發射器固定在一側，配對的光電晶體固定在另一側。當沒有紙張時，來自發射器的紅外線光直接照射到偵測器，使其導通。當一張紙通過間隙時，它會阻擋紅外線光束，導致偵測器的導通下降。

元件選擇理由：

• 選擇此紅外線發射器是因為其高輻射強度（最小值4.81 mW/sr），確保即使支架對準不完美或有灰塵積聚，強訊號也能到達偵測器。
• 其寬廣的40°視角是有益的，因為它為安裝在U型支架不同臂上的發射器和偵測器之間的微小機械錯位提供了容差。
• 其與LTR-3208光電晶體的光譜匹配保證了偵測器在發射的880nm波長處最為靈敏，最大化訊噪比。
• 其透明封裝是理想的，因為它不會不必要地衰減紅外線光。

電路實現：發射器由恆定的20mA電流源驅動以獲得一致的輸出。光電晶體以共射極配置連接，並帶有一個上拉電阻。一個比較器或微控制器ADC引腳監測光電晶體集極的電壓。一張通過的紙張會引起明顯的電壓轉變，由微控制器的韌體進行計數。

10. 工作原理介紹

紅外線發光二極體（IR LED）是一種半導體p-n接面二極體。當施加超過接面內建電位的順向電壓時，來自n區的電子被注入穿過接面進入p區，而來自p區的電洞被注入到n區。這些注入的少數載子（p區中的電子，n區中的電洞）與多數載子復合。在用於紅外線發射的直接能隙半導體材料（如砷化鎵（GaAs）或類似化合物）中，這些復合的很大一部分是輻射性的.

。在輻射復合期間，復合的電子-電洞對的能量以光子的形式釋放。此光子的波長（λ）由半導體材料的能隙能量（E_g）決定，根據方程式 λ = hc / E_g，其中h是普朗克常數，c是光速。對於880 nm的發射峰值，對應的能隙能量約為1.41 eV。透明的環氧樹脂封裝保護半導體晶片，提供機械保護，並作為透鏡來塑造發射光的輻射圖案。

11. 技術趨勢

雖然紅外線LED的基本原理保持穩定，但幾個趨勢影響著它們的發展與應用：

• 功率與效率提升：持續的材料科學和晶片設計改進，導致元件具有更高的輻射強度和電光轉換效率（光功率輸出 / 電功率輸入），從而允許更亮的訊號或更低的功耗。
• 微型化：強烈的趨勢是採用表面黏著元件（SMD）封裝（例如0805、0603、晶片級）以實現自動化組裝，減少尺寸和成本。穿孔式5mm封裝在原型製作、教育用途以及需要更高單一元件輸出或更容易手工組裝的應用中仍然流行。
• 波長專門化：除了常見的850-940 nm LED外，特定波長在專業應用中的使用日益增長，例如用於醫療脈搏血氧儀的810nm或用於人眼安全LiDAR的1450nm。
• 整合化：發射器越來越多地與驅動器、調變器，有時甚至偵測器整合到單一模組或IC中，簡化了數據通訊和感測的系統設計。
• 應用擴展：物聯網（IoT）、穿戴式裝置、汽車LiDAR以及先進生物特徵感測（例如臉部辨識、靜脈偵測）的普及，持續推動對具有特定性能特徵的可靠、低成本紅外線發射器的需求。