LTE-R38381L-S 紅外線發射器與偵測器規格書 - 940nm 波長 - 1A 順向電流 - 1.8W 功率 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件提供一款分離式紅外線發射元件的完整技術規格。此元件專為需要高功率、可靠紅外線光源的應用而設計。它採用砷化鎵晶片，發射峰值波長為 940 奈米的紅外光，此波長位於近紅外光譜，人眼不可見。此元件的主要功能是在各種電子系統中作為受控的紅外線發射源。

1.1 核心優勢與目標市場

此元件為紅外線應用提供多項關鍵優勢。其具備高輻射強度，能實現強勁的信號傳輸。它專為高驅動電流設計，有助於提升輸出功率。此元件亦以其長使用壽命與高性能可靠性著稱。它符合 RoHS 等環保法規，屬於綠色產品。此紅外線發射器的目標應用廣泛，主要聚焦於紅外線遙控系統的發射器，以及用於接近偵測、物體感測或資料傳輸的 PCB 安裝式紅外線感測器等領域。

2. 技術參數：深入客觀解讀

以下章節將根據其規格限制，對元件的關鍵技術參數進行詳細、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。在這些極限下或超出極限的操作無法保證，在可靠的設計中應予以避免。

• 功率消耗 (Pd)：1.8 瓦特。此為元件在環境溫度 25°C 下，能以熱能形式消耗的最大功率。超過此值將導致接面溫度過度升高。
• 峰值順向電流 (IFP)：5 安培。此為脈衝條件下（每秒 300 個脈衝，10 微秒脈衝寬度）允許的最大電流。它遠高於直流額定值，利用了元件的熱慣性。
• 直流順向電流 (IF)：1 安培。此為元件可承受的最大連續順向電流。
• 逆向電壓 (VR)：5 伏特。施加高於此值的逆向電壓可能導致半導體接面崩潰。
• 熱阻 (RθJ)：10 K/W。此參數表示熱量從半導體接面傳遞到環境的效率。數值越低表示散熱效果越好。
• 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。

2.2 電氣與光學特性

這些是在指定測試條件下（除非註明，否則 TA=25°C）測得的典型與保證性能參數。

• 輻射強度 (I_E)：160 mW/sr (最小值)。此為沿軸線方向，每單位立體角（球面度）所發射的光功率。它定義了光束在特定方向上的強度。
• 總輻射通量 (Φ_e)：590 mW (典型值)。此為元件向所有方向（4π 球面度）發射的總光功率。
• 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。
• 譜線半高寬 (Δλ)：50 nm (典型值)。此為輻射強度至少為峰值一半時的光譜頻寬。它描述了發射光色（波長）的純度。
• 順向電壓 (V_F)：1.8V (典型值)，2.3V (最大值) 於 I_F=1A 時。當元件導通指定順向電流時，其兩端的電壓降。
• 逆向電流 (I_R)：10 μA (最大值) 於 V_R=5V 時。當元件處於逆向偏壓時流過的微小漏電流。
• 上升/下降時間 (t_r/t_f)：30 ns (典型值)。光學輸出響應於階躍電流，從最終值的 10% 上升到 90%（或從 90% 下降到 10%）所需的時間。這決定了最大調變速度。
• 視角 (2θ_1/2)：90 度 (典型值)。輻射強度降至中心（0°）值一半時的全角。90° 的角度表示寬廣的光束模式。

3. 性能曲線分析

規格書包含數個圖表，說明元件在不同條件下的行為。這些曲線對於理解非線性與溫度依賴性至關重要。

3.1 光譜分佈

圖表（圖 1）顯示了相對輻射強度與波長的關係。曲線以 940 nm 為中心，典型半高寬為 50 nm。這證實了元件發射近紅外光，對於許多能濾除可見光的感測器和遙控器而言是最佳選擇。

3.2 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V 曲線)

I-V 曲線（圖 3）展示了二極體典型的指數關係。在額定電流 1A 時，順向電壓典型值為 1.8V。設計者必須確保驅動電路能在所需電流下提供此電壓。

3.3 溫度依賴性

關鍵圖表說明了溫度的影響：

• 順向電流 vs. 環境溫度（圖 2）：顯示隨著環境溫度升高，最大允許順向電流如何降額，這是由於固定的功率消耗限制。
• 相對輻射強度 vs. 環境溫度（圖 4）：表明光學輸出功率隨著接面溫度上升而降低。這是維持一致性能的關鍵因素。
• 相對輻射強度 vs. 順向電流（圖 5）：顯示驅動電流與光輸出之間的次線性關係，特別是在較高電流下，效率可能下降且發熱增加。

3.4 輻射模式

輻射圖（圖 6）是一個極座標圖，顯示了發射光的角分佈。90° 的視角得到視覺確認，顯示強度在中心軸 ±45° 處降至一半。此模式對於將發射器與偵測器對準，或在感測應用中確保足夠的覆蓋範圍非常重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外型尺寸

此元件採用標準穿孔式封裝形式。尺寸圖標明了本體尺寸、引腳間距與引腳直徑。除非另有說明，所有尺寸均以毫米為單位，典型公差為 ±0.1 mm。陰極在封裝上有標示，這對於 PCB 組裝時的正確方向至關重要。

4.2 建議焊墊尺寸

圖表提供了 PCB 設計的建議焊墊圖案（佔位面積）尺寸。遵循這些建議有助於確保可靠的焊點，以及在波峰焊或迴焊後獲得適當的機械穩定性。

5. 焊接與組裝指南

5.1 焊接條件

規格書為兩種焊接方法提供了明確的指導方針：

• 迴焊：建議用於表面黏著組裝。溫度曲線必須包含預熱階段（150-200°C），峰值溫度不得超過 260°C，且溫度高於 260°C 的時間限制在最多 10 秒。元件最多可承受此溫度曲線兩次。
• 手焊（烙鐵）：烙鐵頭溫度不應超過 300°C，且每個引腳的接觸時間應限制在 3 秒內。此操作僅應執行一次。

提供符合 JEDEC 標準的迴焊溫度曲線作為通用參考目標，強調需同時遵守 JEDEC 限制與焊膏製造商的規格。

5.2 儲存與處理

• 儲存（密封袋）：元件應儲存在 ≤30°C 且相對濕度 ≤90% 的環境中。在帶有乾燥劑的防潮袋中，保存期限為一年。
• 儲存（已開封袋）：開封後，環境條件不應超過 30°C / 60% RH。元件應在一週內使用。若需在原始包裝袋外長時間儲存，必須將其置於帶有乾燥劑的密封容器或氮氣乾燥器中。
• 烘烤：若元件暴露於環境空氣中超過一週，建議在焊接前以 60°C 烘烤至少 20 小時，以去除吸收的水分，防止迴焊過程中發生 "爆米花效應"。

5.3 清潔

若焊接後需要清潔，僅應使用異丙醇等酒精類溶劑，以避免損壞封裝或透鏡材料。

5.4 驅動方法

一個關鍵的設計注意事項強調，LED 是電流驅動元件。為了確保並聯驅動多個 LED 時亮度均勻，必須為每個 LED 串聯一個獨立的限流電阻。這可以補償個別元件順向電壓 (V_F) 的微小差異，防止電流不均與照明或輸出功率不一致。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 捲帶包裝尺寸

詳細的機械圖標明了載帶、容納元件的凹槽以及整體捲盤（提及為 7 英吋直徑）的尺寸。載帶以覆蓋帶密封，以在運輸和自動化組裝過程中保護元件。

6.2 包裝規格

關鍵包裝細節包括：

• 捲盤尺寸：7 英吋。
• 數量：每捲 600 個。
• 品質：載帶中連續缺失元件的最大數量為兩個。
• 標準：包裝符合 ANSI/EIA 481-1-A-1994 規範。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用場景

根據其規格，此紅外線發射器非常適合用於：

• 紅外線遙控器：用於電視、音響系統和其他消費性電子產品。940nm 波長是大多數 IR 接收器的標準。
• 接近與物體感測：搭配光電二極體或光電晶體，透過反射其紅外光來偵測物體的存在、不存在或距離。
• 光學開關與編碼器：中斷發射器與偵測器之間的光束，以建立非接觸式開關或測量旋轉/位置。
• 短距離資料傳輸：用於類似 IrDA 的應用或簡單的無線資料鏈路，利用其快速的上升/下降時間進行調變。

7.2 設計考量

• 熱管理：由於功率消耗為 1.8W 且熱阻為 10 K/W，以最大直流電流驅動元件將產生顯著的熱量。對於連續操作，尤其是在高環境溫度下，可能需要足夠的 PCB 銅箔面積（散熱焊盤）或散熱片。
• 電流驅動電路：使用恆流驅動器或帶有串聯電阻的電壓源來設定電流。避免直接從邏輯引腳或未穩壓的電壓源驅動。
• 光學設計：考慮 90° 的視角。對於長距離或定向光束，可能需要透鏡來準直光線。對於廣區域照明，原生角度可能已足夠。
• 與偵測器配對：確保所選的光偵測器（PIN 光電二極體、光電晶體）對 940nm 區域敏感。使用帶有日光阻擋濾光片的偵測器，將改善在環境光條件下的信噪比。

8. 技術比較與差異化

雖然直接比較需要特定的競爭對手數據，但根據其自身的規格書，此元件的關鍵差異化特點包括：

• 高功率能力：1A 直流順向電流和 5A 脈衝電流額定值，表明其具有能夠實現高輸出的穩健晶片和封裝設計。
• 寬視角：90° 的角度提供廣泛的覆蓋範圍，適用於對準要求不嚴格或需要區域照明的感測應用。
• 快速切換速度：典型的 30ns 上升/下降時間允許高頻調變，與較慢的元件相比，能在通訊應用中實現更快的資料傳輸速率。
• 成熟的可靠性：對 JEDEC 標準的引用以及詳細的焊接/濕度敏感度指南，表明此元件是為穩健的製造流程而設計。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

9.1 我可以用 5V 微控制器引腳直接驅動這個 LED 嗎？

不，不建議這樣做，很可能會損壞 LED 或微控制器。LED 在 1A 時典型壓降為 1.8V。微控制器引腳無法提供 1A 電流，且若直接連接到 5V 而無電流限制，將試圖汲取破壞性的高電流。您必須使用帶有串聯電阻的驅動電路（電晶體/MOSFET）來將電流限制在所需值。

9.2 為什麼在高溫下輸出會降低？

半導體材料將電流轉換為光的效率（內部量子效率）隨著接面溫度升高而降低。這是一個基本的物理特性。圖 4 中的圖表量化了這種降額，在寬溫度範圍內運作的設計中必須考慮此點，以確保一致的光學性能。

9.3 輻射強度與總輻射通量有何不同？

輻射強度 (mW/sr)是一個方向性度量：發射到特定立體角（通常沿中心軸）的功率。對於偵測器放置在特定位置的應用至關重要。總輻射通量 (mW)是發射到所有方向（整個球體）的總積分功率。它代表了發射器不考慮方向的整體 "亮度"。如果光線擴散得非常寬，一個元件可能具有高總通量但低軸向強度。

9.4 開袋後一週的車間壽命有多關鍵？

對於可靠的焊接而言非常重要。塑膠封裝會從空氣中吸收水分。在高溫迴焊過程中，這些被困住的水分會迅速蒸發，導致內部分層、裂紋或 "爆米花效應"，從而損壞元件。一週的限制和烘烤要求是基於封裝的濕度敏感等級，以防止這些故障。

10. 實務設計與使用案例

案例：設計多發射器物體偵測屏障
一個系統需要紅外線光幕來偵測通過 50 公分寬閘門的物體。將使用五組發射器-偵測器對。

1. 驅動電路：每個發射器將由專用的 N 通道 MOSFET 驅動，由共用的微控制器 PWM 信號控制，以調變紅外光（例如，在 38kHz）。將為每個 LED 分支計算單一的限流電阻：R = (V_電源- V_{F_LED}) / I_F。假設電源為 5V，V_F=1.8V，且 I_F=500mA（為可靠性而降額），R = (5 - 1.8) / 0.5 = 6.4Ω（使用 6.2Ω 標準值）。電阻的額定功率必須至少為 I²R = (0.5)²*6.2 ≈ 1.55W，因此需要 2W 或 3W 的電阻。
2. 熱管理：每個 LED 消耗的功率 P = V_F* I_F= 1.8V * 0.5A = 0.9W。PCB 應有連接到 LED 陰極和陽極焊墊的大面積銅箔，以作為散熱片，將接面溫度保持在安全限度內。
3. 光學對準：90° 的視角簡化了與間隙對面相應偵測器的對準。可以在發射器和偵測器周圍放置小型管狀遮罩，以限制環境光干擾，而不過度限制光束。
4. 調變：以 38kHz 方波驅動發射器，可使偵測器調諧到相同頻率，有效濾除恆定的環境紅外光（如來自陽光或燈光），並大幅提高偵測可靠性。

11. 工作原理簡介

此元件是一種在紅外光譜中運作的發光二極體。其核心是由砷化鎵製成的半導體晶片。當在晶片的 P-N 接面上施加順向電壓時，來自 N 型材料的電子與來自 P 型材料的電洞復合。此復合過程會釋放能量。在標準的矽二極體中，此能量主要作為熱量釋放。而在像 GaAs 這樣的材料中，此能量的顯著部分以光子形式釋放。GaAs 材料的特定能隙決定了這些光子的波長，在本例中約為 940 nm，使其位於近紅外區域。發射光的強度與復合速率成正比，而復合速率由流經二極體的順向電流控制。

12. 技術趨勢（客觀視角）

紅外線發射器領域與更廣泛的光電趨勢同步持續發展。業界持續推動更高的功率密度與效率，使更小的封裝或更低的功耗能實現更亮的輸出。這使得感測器設計更緊湊，便攜式裝置的電池壽命更長。整合是另一個關鍵趨勢，元件將發射器、驅動電路，有時甚至是基本的偵測器或監控光電二極體，整合到單一模組或 IC 封裝中，簡化了系統設計。此外，材料的進步，例如開發更有效的外延結構或使用新的半導體化合物，旨在改善性能參數，如電光轉換效率與溫度穩定性。對支援更高調變速度的元件需求也持續存在，這是由於更快速的資料通訊和 LiDAR 系統的應用所驅動。這些趨勢著重於為系統設計者提升性能、可靠性和易用性。