LTE-S9511T-E 紅外線發射器與偵測器規格書 - 940nm峰值波長 - 25度視角 - 100mW功耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTE-S9511T-E是一款分離式紅外線元件，專為廣泛的光電應用而設計。它隸屬於一個旨在為需要高功率、高速度及特定光學特性的應用提供解決方案的元件系列。該元件採用紅外線發射器的標準技術——砷化鎵技術製造，以達成其目標性能指標。

1.1 核心特性與優勢

本元件整合了多項關鍵特性，使其適用於現代電子組裝與環保標準。它符合RoHS指令，歸類為綠色產品。其封裝設計兼容於大量生產，以8mm載帶包裝於7英吋直徑捲盤上供應，適用於自動貼片設備。此外，本元件可承受紅外線迴焊製程，這是表面黏著技術組裝線的關鍵要求。封裝本身符合EIA標準，確保了機械兼容性。

1.2 目標應用與市場

此元件的主要應用是作為紅外線發射器。其特性使其非常適合整合至系統中，例如消費性電子產品的遙控器、基於紅外線的無線資料傳輸鏈路、安全警報器以及其他感測應用。它設計用於PCB安裝配置，提供一個緊湊且可靠的紅外線光源。

2. 技術規格與客觀解讀

本節根據規格書定義，對元件的電氣、光學及熱參數進行詳細且客觀的分析。

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應力極限，並非用於正常操作。

• 功耗 (Pd)：100 mW。這是元件在不超過其熱極限下，能以熱能形式消散的最大功率。
• 峰值順向電流 (I_FP)：1 A。這是在脈衝條件下（每秒300個脈衝，10 μs脈衝寬度）允許的最大電流。它遠高於直流額定值，突顯了元件在資料傳輸和遙控中常見的脈衝操作能力。
• 直流順向電流 (I_F)：50 mA。元件可處理的最大連續順向電流。
• 逆向電壓 (V_R)：5 V。施加高於此值的逆向電壓可能導致半導體接面崩潰。
• 操作溫度範圍 (T_op)：-40°C 至 +85°C。元件被指定能正常運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度範圍 (T_stg)：-55°C 至 +100°C。非操作狀態下的儲存溫度範圍。
• 紅外線焊接條件：可承受260°C最長10秒。這定義了迴焊溫度曲線的耐受度。

2.2 電氣與光學特性

這些是在環境溫度(T_A)為25°C、特定測試條件下測得的典型性能參數。

• 輻射強度 (I_E)：在 I_F= 20mA 時為 6.0 mW/sr（典型值）。此參數量測每單位立體角（球面度）發射的光功率。它是決定應用中有效距離與訊號強度的關鍵參數。
• 峰值發射波長 (λ_p)：940 nm（典型值）。發射光功率達到最大值時的波長。此波長位於近紅外線光譜，人眼不可見，但可被矽光二極體和光電晶體偵測到。
• 譜線半高寬 (Δλ)：50 nm（典型值）。這表示頻譜頻寬，即發射的波長範圍。50 nm的數值對於標準砷化鎵紅外線發射二極體而言是常見的。
• 順向電壓 (V_F)：在 I_F= 20mA 時為 1.2 V（典型值），1.5 V（最大值）。元件導通電流時兩端的電壓降。這對於設計驅動電路和計算功耗至關重要。
• 逆向電流 (I_R)：在 V_R= 5V 時為 10 μA（最大值）。當元件處於逆向偏壓時流過的小量漏電流。
• 視角 (2θ_1/2)：25 度（典型值）。定義為輻射強度降至中心軸上值的一半時的全角。25度的角度表示光束相對集中，這對於定向通訊或感測是有益的。

3. 性能曲線分析

規格書包含數張圖表，用以說明關鍵參數之間的關係。這些曲線對於理解元件在非標準條件下的行為至關重要。

3.1 頻譜分佈

頻譜分佈曲線（圖1）顯示了相對輻射強度隨波長的變化。它確認了大約940nm處的峰值以及約50nm的半高寬，提供了發射光頻譜純度的視覺化呈現。

3.2 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V曲線)

此曲線（圖3）是任何半導體元件的基礎。它顯示了流經紅外線發射二極體的電流與其兩端電壓之間的非線性關係。該曲線會隨溫度而偏移，這在設計中的熱管理方面至關重要。

3.3 溫度相依性

圖2和圖4描繪了元件性能如何隨環境溫度變化。通常，二極體的順向電壓具有負溫度係數（隨溫度升高而降低），而光輸出功率通常也隨溫度升高而降低。這些圖表讓設計師能夠為高溫環境進行性能降額設計。

3.4 相對輻射強度 vs. 順向電流

圖5顯示了光輸出如何隨驅動電流變化。它通常是次線性的；電流加倍並不會使光輸出加倍。此關係對於設定工作點以有效達成所需亮度或訊號強度非常重要。

3.5 輻射圖案

極座標圖（圖6）提供了發射強度隨中心軸角度變化的詳細圖譜。這個25度視角的元件顯示出中心最強、向邊緣遞減的光束圖案，這對於光學系統設計（例如與接收器的視場對準）至關重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外型尺寸

規格書提供了元件的詳細機械圖。關鍵尺寸包括本體尺寸、引腳間距和總高度。元件採用帶有側視透鏡的水晶透明塑膠封裝，用以塑造發射光的輻射圖案。所有關鍵尺寸均提供±0.15mm的標準公差，除非另有說明。

4.2 建議焊接墊佈局

包含了一個建議的PCB設計焊墊圖案（Footprint）。遵循這些尺寸對於確保迴焊過程中形成良好的焊點、獲得良好的機械強度以及促進元件的熱消散至關重要。

4.3 極性識別

適用標準LED極性慣例。陰極通常由封裝本體上的平面邊、凹口或較短的引腳來標示。組裝時必須注意正確的極性，以防止損壞。

5. 組裝、操作與可靠性指南

5.1 焊接與組裝指南

本元件適用於紅外線迴焊。規格書指定了關鍵的溫度曲線參數：

• 預熱：150–200°C。
• 預熱時間：最長120秒。
• 峰值溫度：最高260°C。
• 液相線以上時間：最長10秒（最多進行兩次迴焊循環）。

5.2 儲存條件

本元件的濕度敏感等級為3級。這意味著：

• 密封袋內：可在≤30°C、≤90%相對濕度下儲存長達一年。
• 開封後：應儲存在≤30°C、≤60%相對濕度的環境中。元件應在一週（168小時）內進行迴焊。若在原包裝袋外儲存更長時間，必須將其存放在乾燥櫃或帶有乾燥劑的密封容器中。若暴露超過一週，則在焊接前需要以60°C烘烤至少20小時，以防止迴焊時發生爆米花效應導致裂痕。

5.3 清潔

若焊接後需要清潔，僅應使用酒精類溶劑，如異丙醇。強烈或侵蝕性的化學品可能會損壞塑膠封裝或透鏡。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 載帶與捲盤規格

元件以帶有蓋帶的壓紋載帶包裝，捲繞在7英吋（178mm）直徑的捲盤上供應。每捲包含3000個元件。包裝符合ANSI/EIA-481-1-A-1994標準。規格包括口袋尺寸、載帶寬度和捲盤軸心尺寸，以確保與自動取放機器的兼容性。

7. 應用設計考量

7.1 驅動電路設計

一個關鍵的設計注意事項是LED是電流驅動元件。規格書強烈建議不要將多個LED直接並聯到單一電壓源並使用單個限流電阻（電路模型B）。由於各個元件的順向電壓(V_F)存在自然差異，電流將無法平均分配，導致亮度顯著不同，並可能使某個元件承受過大應力。推薦的方法是使用獨立的限流電阻與每個LED串聯（電路模型A）。這確保了電流均勻，從而使陣列中所有元件的輻射強度一致。

7.2 熱管理

雖然絕對最大功耗為100mW，但實際操作應遠低於此限制，特別是在較高的環境溫度下。必須參考降額曲線（圖2、圖4）。需要足夠的PCB銅箔面積（使用建議的焊墊佈局有助於此）將熱量從元件接面導出，以維持性能和壽命。

7.3 光學設計

25度視角和側視透鏡封裝影響了紅外線能量的導向方式。為了在感測或通訊鏈路中獲得最佳性能，發射器的輻射圖案應與接收器的角度靈敏度分佈對準。輻射圖（圖6）對此對準至關重要。對於需要不同光束圖案的應用，可能需要外部透鏡或反射器。

8. 技術比較與差異化

LTE-S9511T-E以其940nm峰值波長定位於通用紅外線應用。關鍵差異點包括其側視封裝（適用於側光或特定光路要求）以及其與自動組裝製程的兼容性。與具有更寬視角的元件（例如60-120度）相比，此元件在給定的驅動電流下提供更高的軸向強度，這對於定向鏈路可以轉化為更長的距離或更低的功耗。其940nm波長是常見標準，確保了與為該頻譜設計的矽基紅外線接收器和濾波器的廣泛兼容性。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

Q1: 我可以直接用微控制器GPIO引腳驅動這個紅外線發射二極體嗎？

A: 這取決於GPIO的電流供應能力。在典型的20mA驅動電流下，GPIO必須能夠提供至少這麼大的電流。始終需要一個串聯電阻來限制電流，計算公式為 R = (V_supply- V_F) / I_F。對於3.3V電源，在20mA下V_F為1.2V，則 R = (3.3 - 1.2) / 0.02 = 105 歐姆。100歐姆的電阻將是標準選擇。

Q2: 峰值波長(λ_p)與主波長(λ_d)有何不同？

A: 峰值波長是頻譜功率分佈曲線最高點對應的波長。主波長源自色度學，代表感知的顏色。對於單色紅外線發射器，它們通常非常接近，但λ_p是光電性能的標準技術規格。

Q3: 為什麼脈衝電流額定值（1A）遠高於直流額定值（50mA）？

A: 這是由於熱限制。在非常短的脈衝（10μs）期間，半導體接面沒有時間顯著升溫，因此允許更高的瞬時電流而不超過最大接面溫度。在直流操作中，熱量持續累積，因此必須限制電流以將溫度保持在安全範圍內。

10. 實際應用範例

範例1：簡易紅外線遙控發射器。LTE-S9511T-E可用作基本遙控器中的發射器。微控制器產生對應於指令協定（例如NEC、RC5）的調變數位訊號（例如38kHz載波）。此訊號切換一個電晶體，該電晶體以高達1A峰值額定值的脈衝電流驅動紅外線發射二極體，產生紅外線光脈衝。集中的25度光束有助於確保訊號指向接收器。

範例2：接近或物體偵測感測器。與獨立的光電晶體或光二極體接收器配對，發射器可用於偵測物體的存在與否。發射器將紅外線光照射過一個間隙。當物體阻斷光束時，接收器的訊號下降，觸發偵測事件。側視封裝在設計光路平行於PCB的緊湊感測器組件時具有優勢。

11. 運作原理

LTE-S9511T-E是一種基於砷化鎵半導體材料的發光二極體。當在P-N接面上施加順向電壓時，電子和電洞被注入活性區域，在那裡它們復合。在像砷化鎵這樣的直接能隙半導體中，這種復合以光子（光）的形式釋放能量。材料的特定能隙決定了發射光的波長；對於砷化鎵，這導致了大約940nm的紅外線發射。側視透鏡由水晶透明環氧樹脂製成，封裝了半導體晶片，並將發射光塑造成指定的輻射圖案。

12. 產業背景與趨勢

像LTE-S9511T-E這樣的分離式紅外線元件仍然是電子產品的基本組成部分。雖然整合式感測器模組（將發射器、偵測器和邏輯電路整合在一個封裝中）在特定應用（如手勢感測）中不斷增長，但分離式元件提供了設計靈活性、對大量應用的成本效益，以及獨立優化光路的能力。產業趨勢包括對小型化、更高效率（每單位電輸入獲得更多光輸出）以及與無鉛高溫焊接製程更高兼容性的持續需求。本元件的RoHS和綠色產品合規性符合推動電子產業發展的全球環保法規。