LTE-3273L 紅外線發射器與接收器規格書 - 940nm 波長 - 高功率 - 廣視角 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTE-3273L 是一款分離式紅外線元件，專為需要可靠紅外線發射與偵測的應用而設計。它屬於光電元件家族，針對紅外線信號傳輸至關重要的環境進行性能優化。此元件的核心功能是在電驅動時發射特定波長的紅外線，和/或偵測入射的紅外線輻射，並將其轉換為電信號。

本產品定位為滿足高光學輸出、高效電氣特性與寬廣發射/偵測模式之間平衡需求的解決方案。其設計迎合了元件能在脈衝條件下有效運作的需求，這在數位通訊協定中很常見，旨在節省功率並提高信號清晰度。

核心優勢：LTE-3273L 透過多項關鍵特性脫穎而出。它專為高電流操作而設計，同時保持相對較低的順向電壓，這有助於提高整體電氣效率並減少熱應力。該元件提供高輻射強度，能夠在遠距離或穿透障礙物時實現強勁的信號傳輸。其廣視角確保了寬廣的覆蓋範圍，使發射器與接收器在系統設計中的對準要求不那麼嚴格。最後，透明的封裝允許光線以最小的內部吸收或散射進行最大傳輸。

目標市場與應用：此元件主要針對消費性電子、工業自動化和安防領域。其典型應用包括但不限於：電視和音響設備的紅外線遙控器、短距離無線資料傳輸鏈路、接近感測器、物體計數器，以及偵測光束中斷的安全警報系統。其高速能力也使其適用於基本的紅外線資料通訊協定。

2. 深入技術參數分析

本節對規格書中列出的關鍵參數提供詳細、客觀的解釋，說明其對設計與應用的重要性。

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。為確保可靠、長期的性能，不建議在這些極限值或接近極限值下操作。

• 功率耗散 (Pd)：150 mW- 這是元件在環境溫度 (TA) 25°C 下能以熱量形式耗散的最大功率。超過此限制有導致半導體接面過熱的風險，從而加速劣化或造成災難性故障。設計人員必須確保操作條件（順向電流和電壓）導致的功率耗散 (IF * VF) 低於此值，並留有安全餘量。
• 峰值順向電流 (I_FP)：2 A- 這是脈衝操作下允許的最大電流，指定條件為每秒 300 個脈衝 (pps)，脈衝寬度 10 µs。此高額定值使元件能夠在短時間內提供非常高的瞬時光學輸出，非常適合遠距離遙控器或嘈雜環境中的強信號脈衝。
• 連續順向電流 (I_F)：100 mA- 這是可以連續施加的最大直流電流。對於大多數持續點亮的應用，操作電流必須保持在此水平或以下。典型操作電流通常要低得多（例如 20-50 mA），以確保使用壽命並管理熱量。
• 逆向電壓 (V_R)：5 V- 可以施加在 LED 兩端的逆向最大電壓。超過此值可能導致擊穿並損壞元件。通常會使用電路保護，例如串聯電阻或並聯保護二極體，以防止逆向電壓尖峰。
• 操作與儲存溫度範圍：此元件額定操作溫度為 -40°C 至 +85°C，儲存溫度為 -55°C 至 +100°C。這些寬廣的範圍使其適用於可能遇到極端溫度的汽車、工業和戶外應用。
• 引腳焊接溫度：260°C，持續 5 秒- 這定義了迴流焊接曲線的耐受度。距離本體 1.6mm 的規格至關重要；在更靠近塑膠封裝的位置加熱可能導致變形或內部損壞。

2.2 電氣與光學特性

這些是在指定測試條件 (TA=25°C) 下測量的典型性能參數。它們定義了元件在電路中的行為。

• 輻射強度 (I_E)：
  • 5.6 - 8.0 mW/sr @ I_F= 20mA- 這是每單位立體角（球面度）發射的光功率。它是從正面衡量 IR 光源亮度的直接指標。範圍表示典型的單元間差異。
  • 28.0 - 40.0 mW/sr @ I_F= 100mA- 顯示電流與輸出之間的非線性關係。電流增加 5 倍，輻射強度約增加 5 倍，表明即使在較高電流下也具有良好效率。
• 峰值發射波長 (λ_Peak)：940 nm- 元件發射最大光功率的波長。940nm 位於近紅外光譜，人眼不可見。這是遙控器的常見波長，因為它避免了可見的紅光，並且與矽光電偵測器的靈敏度良好匹配。
• 光譜線半寬度 (Δλ)：50 nm- 此參數也稱為半高全寬 (FWHM)，表示發射光的光譜純度。值為 50 nm 意味著發射光跨越一個約 50nm 寬的波長帶，中心在 940nm 峰值處。這是標準 GaAs 紅外線發射二極體的典型值。
• 順向電壓 (V_F)：
  • 1.25 - 1.6 V @ I_F= 50mA- 當導通 50mA 時，元件兩端的電壓降。此低 V_F是一個關鍵特性，可減少功率損耗和熱量產生。
  • 1.85 - 2.3 V @ I_F= 500mA- V_F由於二極體的內部電阻而隨電流增加。此值對於設計高電流脈衝驅動器至關重要。
• 逆向電流 (I_R)：最大 100 µA @ V_R= 5V- 施加最大逆向電壓時流動的小漏電流。理想情況是此值較低。
• 視角 (2θ_1/2)：40°- 這是輻射強度降至其最大值（軸上）一半時的全角。40° 角提供了相當寬廣的光束，適用於難以精確對準的應用。

2.3 熱特性

雖然未在單獨的表格中明確列出，但熱行為可從多個參數推斷。功率耗散額定值 (150mW) 本質上是一個熱極限。性能曲線（稍後討論）顯示了輸出和順向電壓如何隨環境溫度變化。有效的熱管理（透過 PCB 銅箔面積或散熱片）對於維持性能和可靠性至關重要，尤其是在接近最大連續電流操作時。

3. 性能曲線分析

典型曲線提供了在不同條件下元件行為的視覺化和量化洞察，這對於穩健的電路設計至關重要。

3.1 順向電流 vs. 順向電壓 (圖 3)

此 IV 曲線顯示了二極體典型的指數關係。在低電流時，電壓較低。隨著電流增加，電壓上升。該曲線允許設計人員為給定的電源電壓選擇適當的限流電阻。例如，要從 5V 電源以 100mA 驅動 LED，電阻值 R = (V_supply- V_F) / I_F。使用在 100mA 時典型的 V_F約 1.6V（外推），R 將為 (5 - 1.6) / 0.1 = 34 歐姆。電阻上的功率將為 I²R = 0.34W。

3.2 相對輻射強度 vs. 順向電流 (圖 5)

此圖表展示了光學輸出對驅動電流的依賴性。在較低電流下通常是線性的，但在非常高的電流下，由於熱效應和內部量子效率效應，可能會顯示飽和或效率降低的跡象。該曲線證實，在 2A 下的脈衝操作（來自絕對最大額定值）將產生比連續 100mA 操作顯著更高的瞬時輸出，這證明了其在遠距離信號傳輸中的使用是合理的。

3.3 相對輻射強度 vs. 環境溫度 (圖 4)

這是理解環境影響的關鍵曲線。它顯示隨著環境溫度升高，輻射強度降低。這是 LED 的特性；較高的接面溫度會降低內部量子效率。例如，在 +85°C 時的輸出可能僅為 +25°C 時輸出的 60-70%。設計人員必須在必須在整個溫度範圍內可靠運作的系統中考慮此降額。這可能需要在高溫下以略高的電流驅動 LED 以補償損失的輸出，前提是不超過功率耗散限制。

3.4 光譜分佈 (圖 1)

此圖可視化了發射光譜，中心在 940nm，FWHM 為 50nm。它確認了元件在近紅外光發射，並有助於選擇相容的光學濾波器或評估來自環境光源（如具有寬廣光譜的陽光或白熾燈泡）的潛在干擾。

3.5 輻射圖 (圖 6)

此極座標圖提供了發射光角度分佈的詳細視圖。它以圖形方式表示了 40° 視角 (2θ_1/2)。曲線的形狀對於設計透鏡或反射器以準直或進一步擴散光束以用於特定應用非常重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外型尺寸與公差

此元件採用標準通孔封裝，帶有凸緣以提供機械穩定性及潛在的散熱功能。關鍵尺寸包括本體直徑、引腳間距和總長度。所有尺寸均以毫米為單位指定。標準公差為 ±0.25mm，除非特定特徵有不同的標註。引腳間距是在引腳離開封裝本體的點測量的，這是 PCB 孔放置的標準參考。凸緣下方樹脂的最大突出量為 1.5mm，這對於 PCB 間隙和清潔很重要。

4.2 極性辨識

對於紅外線發射器 (LED)，較長的引腳通常是陽極（正極），較短的引腳是陰極（負極）。規格書的外型圖應清楚標示此點，通常在封裝上有一個平面或在陰極引腳附近有一個凹口。正確的極性至關重要；超過 5V 的逆向偏壓可能損壞元件。

5. 焊接與組裝指南

迴流焊接：指定的參數為 260°C，最多持續 5 秒，測量點距離封裝本體 1.6mm。這與常見的無鉛迴流焊接曲線（峰值溫度 240-260°C）一致。1.6mm 的距離對於防止塑膠封裝超過其玻璃轉化溫度並變形至關重要。

手工焊接：如果需要手工焊接，應使用溫控烙鐵。每個引腳的接觸時間應最小化，理想情況下少於 3 秒，並在烙鐵與封裝本體之間的引腳上使用散熱夾。

清潔：焊接後，可以使用標準的 PCB 清潔製程，但應與清潔劑製造商確認與透明樹脂封裝的相容性。

儲存條件：為防止吸濕（這可能導致迴流焊接時產生爆米花現象），元件應儲存在乾燥環境中，通常在室溫下相對濕度低於 40%，或如果延長儲存期限，則應儲存在帶有乾燥劑的密封防潮袋中。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用電路

發射器驅動電路：最簡單的電路是串聯限流電阻。對於脈衝操作，使用電晶體 (BJT 或 MOSFET) 來開關高電流。驅動器必須能夠提供峰值電流（高達 2A）且具有低飽和電壓，以最大化 LED 兩端的電壓。對於資料傳輸，需要快速的上升/下降時間。

接收器電路：當用作光電二極體時（如果根據型號適用），它通常在逆向偏壓或光伏（零偏壓）模式下操作，連接到跨阻放大器，將小的光電流轉換為可用的電壓。

6.2 關鍵設計考量

• 電流限制：始終使用串聯電阻或主動式恆流驅動器。切勿直接連接到電壓源。
• 脈衝操作：對於脈衝驅動，確保脈衝寬度和工作週期使平均功率耗散保持在限制範圍內。平均電流 = 峰值電流 * 工作週期。對於 300pps 和 10µs 寬度的 2A 脈衝，工作週期 = (10e-6 * 300) = 0.003 (0.3%)。平均電流 = 2A * 0.003 = 6mA，這完全在連續額定值範圍內。
• 光路：考慮 40° 視角。對於聚焦光束，可能需要透鏡。對於廣域偵測，此角度可能足夠。保持光路暢通無阻且清潔。
• 抗環境光干擾：在接收器應用中，環境紅外線光（來自太陽、燈具）是主要的雜訊源。使用調變的紅外線信號（例如 38kHz）和相應的調諧接收器電路是抑制此直流和低頻雜訊的標準方法。
• PCB 佈局：對於發射器，確保足夠的走線寬度以處理峰值脈衝電流而不會產生過大的電壓降。對於熱管理，將凸緣（如果電氣隔離或連接到引腳）連接到 PCB 上的銅箔區域以作為散熱片。

7. 技術比較與差異化

雖然未提及具體的競爭對手零件，但 LTE-3273L 的參數組合定義了其定位：

• 與標準 940nm 紅外線發射二極體相比：其高峰值電流額定值 (2A) 和在 100mA 時的高輻射強度，使其與用於簡單遙控器的低功率變體區分開來。這使其適用於更長距離或更高抗雜訊干擾的應用。
• 與高速 850nm 紅外線發射二極體相比：LTE-3273L 使用 940nm 的 GaAs，而高速變體通常使用 850nm 的 AlGaAs。850nm 元件通常具有更快的上升/下降時間以用於高速資料傳輸，但可能會有微弱的紅光。940nm 元件完全不可見，這對於隱蔽應用更為可取，且其 50nm FWHM 是標準的。
• 與相同封裝的光電晶體/光電二極體相比：規格書標題暗示了一個涵蓋發射器和接收器的系列。專用的光電偵測器版本將具有不同的特性（響應度、暗電流、速度）。來自同一系列的匹配對的關鍵優勢在於可以優化光譜匹配。

8. 常見問題 (基於技術參數)

Q1：我可以用 500mA 連續驅動這個 LED 嗎？

A：不行。連續順向電流的絕對最大額定值為 100mA。電氣特性表中列出的 500mA 條件是用於在高電流下測量 V_F的測試條件，可能與其脈衝操作額定值相關。連續操作不得超過 100mA。

Q2：為什麼我的紅外線遙控器在炎熱的汽車內範圍變短？

A：請參考圖 4（相對輻射強度 vs. 環境溫度）。LED 的輸出隨著溫度升高而降低。在 +85°C 時，輸出可能比室溫時低 30-40%，直接降低了有效範圍。

Q3：使用 3.3V 電源時，我應該使用什麼電阻來獲得典型輸出？

A：對於目標 I_F為 20mA（產生 5.6-8.0 mW/sr），以及在 50mA 時典型的 V_F為 1.6V（對於 20mA 使用約 1.5V 作為估計），R = (3.3V - 1.5V) / 0.02A = 90 歐姆。最接近的標準值是 91 歐姆。電阻上的功率：(0.02^2)*91 = 0.0364W，因此 1/8W 或 1/10W 的電阻就足夠了。

Q4：發射和接收的視角相同嗎？

A：對於紅外線發射器 (LED)，40° 角指定了發射模式。對於光電二極體或光電晶體接收器，一個類似但獨立的參數稱為視野或靈敏度角將定義其角度接受範圍。它們通常相似但不一定完全相同。請查閱特定的接收器規格書。

9. 實務設計與使用案例

案例：設計遠距離車庫門開啟器發射器。

設計目標是在日光條件下實現可靠的 50 米範圍。選擇 LTE-3273L 是因為其高脈衝輸出能力。

設計步驟：

1. 驅動電路：使用由微控制器切換的 MOSFET 來脈衝驅動 LED。根據電池電壓（例如 12V）和所需的峰值電流計算串聯電阻。為最大化範圍，驅動接近峰值額定值：選擇 I_FP= 1.5A（在 2A 最大值內）。在 1.5A 時的 V_F（根據曲線外推）約 2.5V。電阻 R = (12V - 2.5V) / 1.5A = 6.33 歐姆。使用 6.2 歐姆、5W 的電阻來處理脈衝功率 (P = I²R = 1.5^2 * 6.2 ≈ 14W 峰值，但平均功率很低)。

2. 脈衝：使用由資料位元調變的 38kHz 載波對指令進行編碼。每個 38kHz 脈衝串的脈衝寬度保持在 10µs 或更短，以符合額定值。工作週期非常低。

3. 光學：在 LED 前方添加一個簡單的塑膠透鏡，將自然的 40° 光束準直成更窄、更聚焦的光束以實現更長距離。

4. 熱管理：由於工作週期低，平均功率和發熱極小。除了連接到凸緣的 PCB 銅箔外，不需要特殊的散熱片。

此設計利用了 LTE-3273L 的關鍵特性：高峰值電流、高輻射強度以及適用於脈衝操作。

10. 工作原理介紹

紅外線發射器 (IRED)：LTE-3273L 在作為發射器時，是一個基於砷化鎵 (GaAs) 半導體材料的發光二極體 (LED)。當施加順向電壓時，電子和電洞被注入半導體接面的主動區域。當這些電荷載子復合時，它們以光子（光）的形式釋放能量。GaAs 材料的特定能隙決定了這些光子的波長，即 940 奈米的紅外線區域。透明的封裝允許此光線以最小的損耗逸出。

紅外線接收器 (光電二極體)：如果配置為接收器，該元件包含一個半導體 PIN 接面。當能量大於半導體能隙的光子（即紅外線）撞擊空乏區時，它們會產生電子-電洞對。這些電荷載子隨後被內建電場（或施加的逆向偏壓）分開，產生與入射光強度成正比的光電流。這個小電流可以被外部電路放大和處理。

11. 技術趨勢與背景

像 LTE-3273L 這樣的分離式紅外線元件代表了一種成熟且穩定的技術。核心材料（GaAs、AlGaAs）和封裝類型經過數十年的優化，以實現可靠性和成本效益。該領域的持續趨勢不在於分離式元件本身的革命性變化，而在於其整合和應用背景：

• 整合：有朝向整合模組的趨勢，這些模組將發射器、接收器、驅動器、放大器和數位邏輯（如特定協定的解碼器）整合到一個表面黏著封裝中。這些簡化了設計，但對於專業應用，可能無法提供與分離式零件相同水平的客製化或性能優化。
• 小型化：雖然通孔封裝因其穩健性而仍然流行，但對更小的表面黏著元件 (SMD) 版本的需求日益增長，以節省現代 PCB 上的空間。
• 增強性能：對於消費性電子產品的 LiDAR 或先進手勢辨識等新應用，正在研究更快、更高效的紅外線發射器（例如使用 VCSEL 技術）以及具有更高靈敏度和更低雜訊的接收器。然而，對於遙控器、接近感測和基本資料鏈路等經典應用，像 LTE-3273L 這樣的傳統元件提供了性能、可靠性和成本的最佳平衡。
• 應用擴展：基本原理對於新興的物聯網 (IoT) 設備仍然相關，這些設備需要簡單、低功耗的無線通訊或感測，而無需射頻 (RF) 系統的複雜性。

總而言之，LTE-3273L 是一款規格明確、穩健的元件，基於經過驗證的技術。其價值在於其清晰、詳細的規格書，使工程師能夠準確預測其行為，並將其有效地設計到需要可靠紅外線功能以進行控制、感測或基本通訊的系統中。