1. 產品概述
本文件詳細說明一款微型、低成本紅外線發射器與接收器元件的規格，其採用透明塑膠封裝。此元件專為端視型應用設計，意指其主動感測/發射區域位於封裝末端。元件依據特定的輻射強度與孔徑輻射入射度範圍進行篩選與分級，確保在需要精確光學輸出或靈敏度的應用中提供一致的性能。透明封裝能有效傳輸紅外線，同時為半導體晶粒提供物理保護。
2. 深入技術參數分析
2.1 絕對最大額定值
此元件在以下絕對極限內可確保可靠運作，超出此範圍可能導致永久損壞。其功率耗散額定為90 mW。在脈衝操作下，於每秒300個脈衝、脈衝寬度10微秒的條件下，可承受1安培的峰值順向電流。最大連續順向電流為60 mA。元件可承受最高5伏特的反向電壓。操作溫度範圍為-40°C至+85°C，儲存溫度範圍則為-55°C至+100°C。在組裝方面，引腳可在距離封裝本體1.6mm處，以260°C的溫度進行焊接，持續時間最長5秒。
2.2 電氣與光學特性
所有電氣與光學參數均在環境溫度(TA)為25°C下指定。關鍵參數定義了元件在標準測試條件下的性能。
- 孔徑輻射入射度(Ee):此參數以mW/cm²為單位，代表入射於接收器主動區域的光功率密度。測試條件為順向電流(IF) 20mA。其數值經過分級，範圍從最低0.096 mW/cm² (等級A1) 到典型最高1.020 mW/cm² (等級C)。
- 輻射強度(IE):以mW/sr (毫瓦每球面度) 為單位，定義了紅外線發射器每單位立體角所發射的光功率。同樣在IF=20mA的條件下測試，範圍從0.722 mW/sr (等級A1) 到7.669 mW/sr (等級C)。
- 峰值發射波長(λ峰值):紅外線發射器的輸出中心波長標稱為940奈米。
- 譜線半高寬(Δλ):強度至少為峰值一半的光譜頻寬，典型值為50 nm，表示這是一個相對窄頻的紅外線光源。
- 順向電壓(VF):當元件導通20mA電流時，其兩端的電壓降典型值為1.6伏特，最大值為1.6V。
- 反向電流(IR):當施加5V反向偏壓時，最大漏電流為100 µA。
- 視角(2θ1/2):輻射強度降至0度（軸上）值一半時的角度範圍為60度。這定義了光束模式或視野。
3. 分級系統說明
此元件採用主要基於其光學輸出特性的分級系統。這確保了特定等級內的元件具有高度匹配的性能，對於需要一致性的應用（例如陣列或配對的發射器-接收器系統）至關重要。
- 輻射強度 / 孔徑輻射入射度分級:元件被分類為A1、A、B、C和D等級。每個等級對應於輻射強度(IE) 和孔徑輻射入射度(Ee) 的特定最小值和典型/最大值範圍。例如，C等級的元件在驅動電流為20mA時，其IE值介於3.910至7.669 mW/sr之間，Ee值介於0.520至1.020 mW/cm²之間。這讓設計師能根據應用所需的光功率水平精確選擇元件，優化訊號強度與系統性能。
4. 性能曲線分析
規格書包含數張圖表，說明元件在不同條件下的行為。
- 圖1 - 光譜分佈:此曲線顯示相對輻射強度隨波長的變化。它確認了940nm的峰值發射以及約50nm的半高寬，有助於了解紅外線輸出的光譜純度。
- 圖2 - 順向電流 vs. 環境溫度:此圖描繪了最大允許連續順向電流隨著環境溫度升高而降額的情況。這對於熱管理及確保元件在其安全工作區內運作至關重要。
- 圖3 - 順向電流 vs. 順向電壓:這是電流-電壓特性曲線。它顯示了施加的順向電壓與所產生電流之間的關係，突顯了元件的典型導通電壓與動態電阻。
- 圖4 - 相對輻射強度 vs. 環境溫度:此曲線說明光學輸出功率（相對於其在20mA和25°C時的值）如何隨溫度變化。通常，LED的輸出會隨著溫度上升而下降，此圖量化了該關係。
- 圖5 - 相對輻射強度 vs. 順向電流:這顯示了光學輸出功率作為驅動電流函數的關係。通常這是一個超線性關係，但此曲線有助於設計師了解在不同電流水平下的效率與飽和點。
- 圖6 - 輻射圖:此極座標圖以視覺化方式呈現視角或輻射模式。同心圓表示相對強度（從中心的0到外緣的1.0），角度線則顯示分佈情況。2θ1/2= 60°的規格由曲線與0.5相對強度圓相交的點所確認。
5. 機械與封裝資訊
5.1 封裝尺寸
此元件採用微型塑膠端視型封裝。關鍵尺寸註記包括：所有尺寸單位為毫米（括號內為英吋）；除非另有說明，標準公差為±0.25mm；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測量。確切的尺寸圖參見規格書，定義了總長度、本體直徑、引腳直徑和間距，這些對於PCB佔位設計至關重要。
5.2 極性識別
對於軸向引腳封裝的紅外線發射器/接收器，極性通常由元件的物理特徵指示，例如封裝本體上的平面或其中一支引腳較短。具體的識別方法應與詳細的封裝圖交叉參照。正確的極性連接對於正常運作至關重要。
6. 焊接與組裝指南
此元件適用於標準焊接製程。指定的關鍵參數是引腳焊接溫度：最高260°C，持續時間最長5秒，測量點定義為距離封裝本體1.6mm (0.063")。此指南對於波峰焊或手工焊接至關重要，可防止內部半導體晶粒或塑膠封裝受到熱損傷。對於迴流焊，應使用適用於具有類似熱限值的穿孔元件的標準溫度曲線。元件應儲存在指定的-55°C至+100°C溫度範圍內的乾燥環境中，以防止吸濕，這可能在迴流過程中導致爆米花現象。
7. 應用建議
7.1 典型應用場景
此紅外線發射器/接收器對適用於廣泛的接近感測、物體偵測及資料傳輸應用。常見用途包括：
- 物體/接近感測:用於自動販賣機、印表機或工業設備，以偵測物體的存在與否。
- 槽式感測器:用於偵測印表機中的紙張或驗票機中的票券。
- 簡易資料鏈路:用於遙控器或隔離通訊通道的低速、短距離紅外線資料傳輸。
- 編碼器:用於旋轉或線性編碼器中的位置回饋，其中斷光片會在發射器與接收器之間通過。
7.2 設計考量
使用此元件進行設計時，必須考慮以下幾個因素：
- 限流:對於發射器，必須串聯一個電阻以將順向電流限制在所需水平（≤60mA連續，≤1A脈衝）。其阻值使用電源電壓(VCC)、所需的IF以及典型的VF來計算（例如，R = (VCC- VF) / IF)。
- 接收器偏壓與放大:光電接收器通常需要反向偏壓（最高5V），且其輸出電流非常小（與Ee相關）。通常需要一個跨阻放大器將此微小光電流轉換為可用的電壓訊號。
- 光學對準:對於配對的發射器-接收器應用，精確的機械對準對於最大化訊號強度至關重要。60度的視角提供了一定的容錯空間。
- 環境光抑制:由於此元件對940nm光敏感，可能會受到陽光或其他紅外線光源的影響。使用調變的紅外線訊號和同步偵測（例如遙控器中常見的38kHz載波）可以顯著提高抗雜訊能力。
- 熱管理:在高溫環境下，必須參考降額曲線（圖2），以避免超過最大功率耗散。
8. 技術比較與差異化
與其他紅外線元件相比，此裝置的主要差異化特點是其透明塑膠封裝及其精確的光學分級。許多紅外線LED和光電二極體使用有色（例如藍色、黑色）封裝來過濾可見光，但也可能略微衰減所需的紅外線波長。透明封裝在940nm處可能提供更高的傳輸效率。對輻射強度和入射度的嚴格分級確保了可預測且一致的系統性能，這相對於未分級或分級寬鬆、性能可能因個體而異的元件是一大優勢。微型尺寸和低成本使其適合大量生產的消費性和商業應用。
9. 常見問題解答（基於技術參數）
問：孔徑輻射入射度(Ee) 與輻射強度(IE) 有何不同？
答：Ee是入射到表面（接收器的主動區域）的功率密度（mW/cm²）量度。IE是發射器每單位立體角的功率輸出（mW/sr）量度。兩者相關，但分別描述了接收器和發射器端的性能。
問：我可以用5V電源直接驅動發射器嗎？
答：不行。在典型VF為1.6V的情況下，直接連接5V會導致過大電流，很可能損壞LED。您必須使用限流電阻。
問：如何為我的應用選擇合適的等級？
答：根據所需的訊號強度進行選擇。對於長距離或低反射率的感測，較高的等級（C、D）提供更多的光功率。對於短距離或高靈敏度的接收器電路，較低的等級可能已足夠且更具成本效益。系統中多個單元之間的一致性也可能決定等級的選擇。
問：視角規格對接收器意味著什麼？
答：對於接收器，60度的視角(2θ1/2) 定義了其視野。從軸線±30度錐角內入射的光將以合理的靈敏度被偵測到。此角度外的光將在很大程度上被忽略，這有助於抑制來自不需要方向的雜散光。
10. 實際應用範例
設計案例：印表機中的缺紙感測器
在此應用中，紅外線發射器和接收器安裝在紙張路徑的兩側。當有紙張時，紙張會將發射器的紅外線光束反射到接收器。當紙匣為空時，光束不受阻礙地通過，不會反射回接收器（或照射到不同的反射面）。接收器電路監控接收到的訊號水平。一個關鍵的設計步驟是選擇合適的等級（例如B等級），以確保來自紙張的反射訊號足夠強，能夠與無紙狀態可靠地區分開來，即使紙張反射率有所變化。發射器的驅動電流透過一個電阻設定為20mA，提供參考光學輸出。接收器的輸出饋入一個比較器，其閾值設定在有紙和無紙電壓水平之間。60度的視角有助於確保感測器即使在印表機組裝過程中略有對準偏差時也能正常工作。
11. 運作原理介紹
此裝置由兩個主要半導體元件組成：紅外線發光二極體和光電二極體。紅外線LED基於電致發光原理運作。當施加順向偏壓時，電子和電洞在半導體的主動區域內復合，以光子的形式釋放能量。其材料組成（通常基於砷化鎵）經過設計，使此光子能量對應於紅外線光譜中的波長，特別是約940nm。光電二極體則以反向方式運作。能量大於半導體能隙的入射光子被吸收，產生電子-電洞對。這些電荷載子被反向偏壓接面的內部電場分開，產生與入射光強度成正比的光電流。透明塑膠封裝充當透鏡和視窗，保護精密的半導體晶片，同時允許940nm紅外線輻射有效通過。
12. 技術趨勢與發展
在感測用光電領域，有幾項趨勢與此類元件相關。持續的驅動力是微型化，表面黏著元件封裝在自動化組裝中變得比穿孔型更為普遍。更高整合度是另一趨勢，發射器、接收器和訊號調理電路（放大器、比較器）被整合到單一模組中，簡化了終端使用者的設計。對改善訊噪比和環境光抑制的需求，推動了特定波長段的使用以及整合到封裝中的先進光學濾波技術。此外，物聯網和穿戴式裝置的應用，驅動了對更低功耗元件的需求，同時仍需維持足夠的感測範圍和可靠性。雖然此特定元件代表了一個成熟且具成本效益的解決方案，但較新的設計通常會納入這些不斷演進的需求。
LED規格術語詳解
LED技術術語完整解釋
一、光電性能核心指標
| 術語 | 單位/表示 | 通俗解釋 | 為什麼重要 |
|---|---|---|---|
| 光效（Luminous Efficacy） | lm/W（流明/瓦） | 每瓦電能發出的光通量，越高越節能。 | 直接決定燈具的能效等級與電費成本。 |
| 光通量（Luminous Flux） | lm（流明） | 光源發出的總光量，俗稱"亮度"。 | 決定燈具夠不夠亮。 |
| 發光角度（Viewing Angle） | °（度），如120° | 光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。 | 影響光照範圍與均勻度。 |
| 色溫（CCT） | K（開爾文），如2700K/6500K | 光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。 | 決定照明氛圍與適用場景。 |
| 顯色指數（CRI / Ra） | 無單位，0–100 | 光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。 | 影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。 |
| 色容差（SDCM） | 麥克亞當橢圓步數，如"5-step" | 顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。 | 保證同一批燈具顏色無差異。 |
| 主波長（Dominant Wavelength） | nm（奈米），如620nm（紅） | 彩色LED顏色對應的波長值。 | 決定紅、黃、綠等單色LED的色相。 |
| 光譜分佈（Spectral Distribution） | 波長 vs. 強度曲線 | 顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。 | 影響顯色性與顏色品質。 |
二、電氣參數
| 術語 | 符號 | 通俗解釋 | 設計注意事項 |
|---|---|---|---|
| 順向電壓（Forward Voltage） | Vf | LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。 | 驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。 |
| 順向電流（Forward Current） | If | 使LED正常發光的電流值。 | 常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。 |
| 最大脈衝電流（Pulse Current） | Ifp | 短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。 | 脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。 |
| 反向電壓（Reverse Voltage） | Vr | LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。 | 電路中需防止反接或電壓衝擊。 |
| 熱阻（Thermal Resistance） | Rth（°C/W） | 熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。 | 高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。 |
| 靜電放電耐受（ESD Immunity） | V（HBM），如1000V | 抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。 | 生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。 |
三、熱管理與可靠性
| 術語 | 關鍵指標 | 通俗解釋 | 影響 |
|---|---|---|---|
| 結溫（Junction Temperature） | Tj（°C） | LED晶片內部的實際工作溫度。 | 每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。 |
| 光衰（Lumen Depreciation） | L70 / L80（小時） | 亮度降至初始值70%或80%所需時間。 | 直接定義LED的"使用壽命"。 |
| 流明維持率（Lumen Maintenance） | %（如70%） | 使用一段時間後剩餘亮度的百分比。 | 表徵長期使用後的亮度保持能力。 |
| 色漂移（Color Shift） | Δu′v′ 或 麥克亞當橢圓 | 使用過程中顏色的變化程度。 | 影響照明場景的顏色一致性。 |
| 熱老化（Thermal Aging） | 材料性能下降 | 因長期高溫導致的封裝材料劣化。 | 可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。 |
四、封裝與材料
| 術語 | 常見類型 | 通俗解釋 | 特點與應用 |
|---|---|---|---|
| 封裝類型 | EMC、PPA、陶瓷 | 保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。 | EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。 |
| 晶片結構 | 正裝、倒裝（Flip Chip） | 晶片電極佈置方式。 | 倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。 |
| 螢光粉塗層 | YAG、矽酸鹽、氮化物 | 覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。 | 不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。 |
| 透鏡/光學設計 | 平面、微透鏡、全反射 | 封裝表面的光學結構，控制光線分佈。 | 決定發光角度與配光曲線。 |
五、質量控制與分檔
| 術語 | 分檔內容 | 通俗解釋 | 目的 |
|---|---|---|---|
| 光通量分檔 | 代碼如 2G、2H | 按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。 | 確保同一批產品亮度一致。 |
| 電壓分檔 | 代碼如 6W、6X | 按順向電壓範圍分組。 | 便於驅動電源匹配，提高系統效率。 |
| 色區分檔 | 5-step MacAdam橢圓 | 按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。 | 保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。 |
| 色溫分檔 | 2700K、3000K等 | 按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。 | 滿足不同場景的色溫需求。 |
六、測試與認證
| 術語 | 標準/測試 | 通俗解釋 | 意義 |
|---|---|---|---|
| LM-80 | 流明維持測試 | 在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。 | 用於推算LED壽命（結合TM-21）。 |
| TM-21 | 壽命推演標準 | 基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。 | 提供科學的壽命預測。 |
| IESNA標準 | 照明工程學會標準 | 涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。 | 行業公認的測試依據。 |
| RoHS / REACH | 環保認證 | 確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。 | 進入國際市場的准入條件。 |
| ENERGY STAR / DLC | 能效認證 | 針對照明產品的能效與性能認證。 | 常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。 |