紅外線發射器 LTE-2871 規格書 - T-1 3/4 封裝 - 順向電壓 1.6V - 峰值波長 940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件提供一款高效能紅外線發射元件的完整技術規格。此元件設計用於在窄視角內提供高輻射強度，使其非常適合需要定向紅外線照明的應用。其核心優勢包括具成本效益的設計，以及專為高強度輸出而設的特殊性能特性。主要目標市場包括工業自動化、感測系統、接近偵測以及光學通訊鏈路，這些應用都需要可靠且聚焦的紅外線光源。

2. 深入技術參數分析

2.1 絕對最大額定值

所有額定值均在環境溫度 (T_A) 為 25°C 時指定。超過這些限制可能會對元件造成永久性損壞。

• 功率消耗：90 mW
• 峰值順向電流：1 A (於脈衝條件下：300 pps，10 μs 脈衝寬度)
• 連續順向電流 (I_F)：60 mA
• 逆向電壓 (V_R)：5 V
• 操作溫度範圍：-40°C 至 +85°C
• 儲存溫度範圍：-55°C 至 +100°C
• 引腳焊接溫度：260°C 持續 5 秒 (測量點距離封裝本體 1.6mm)

2.2 電氣與光學特性

關鍵性能參數在 T_A=25°C 且標準測試電流 I_F= 20 mA 下量測，除非另有說明。

• 順向電壓 (V_F)：典型值 1.6 V，最大值 1.6 V (於 I_F=20mA 時)。此參數定義了發射器工作時的跨元件電壓降。
• 逆向電流 (I_R)：最大值 100 μA (於 V_R=5V 時)。這表示元件處於逆向偏壓時的漏電流。
• 峰值發射波長 (λ_Peak)：940 nm。這是發射器輻射最大光功率的波長，位於近紅外線光譜範圍。
• 光譜線半寬度 (Δλ)：50 nm。此參數指定了發射光的頻寬，以光譜分佈曲線的半高全寬 (FWHM) 量測。
• 視角 (2θ_1/2)：16 度。此窄光束角度確認了元件的聚焦輸出，定義為輻射強度降至峰值一半時的全角。

3. 分級系統說明

此元件根據其輻射輸出被分類為不同的性能等級。這允許根據所需的強度等級進行選擇。關鍵的分級參數為孔徑輻射照度 (E_e，單位 mW/cm²) 和輻射強度 (I_E，單位 mW/sr)，兩者均在 I_F=20mA 下量測。

• 等級 A： E_e：0.44 - 0.96 mW/cm²；I_E：3.31 - 7.22 mW/sr。
• 等級 B： E_e：0.64 - 1.20 mW/cm²；I_E：4.81 - 9.02 mW/sr。
• 等級 C： E_e：0.80 - 1.68 mW/cm²；I_E：6.02 - 12.63 mW/sr。
• 等級 D： E_e：1.12 mW/cm² (最小值)；I_E：8.42 mW/sr (最小值)。此為最高輸出等級。

設計人員必須指定所需的分級代碼，以確保光功率符合偵測器系統應用的靈敏度要求。

4. 性能曲線分析

規格書包含數張圖形，展示元件在不同條件下的行為。

4.1 光譜分佈

光譜輸出曲線 (圖1) 尖銳地集中在 940nm 峰值波長附近，並具有定義的 50nm 半寬度。此特性對於與矽光電偵測器匹配 (其在此區域具有峰值靈敏度) 以及確保與光學濾波器的相容性以抑制環境光至關重要。

4.2 順向電流 vs. 順向電壓 (I-V 曲線)

I-V 特性曲線 (圖3) 顯示了半導體二極體的典型指數關係。在 20mA 時指定的 1.6V (最大值) 順向電壓為設計限流驅動電路提供了必要的數據。該曲線有助於計算不同工作電流下的功率消耗 (V_F* I_F)。

4.3 相對輻射強度 vs. 順向電流

此曲線 (圖5) 說明了光輸出功率如何隨驅動電流變化。在相當大的範圍內通常是線性的，但在極高電流下可能會出現飽和或效率下降。此數據對於確定工作點以達到所需的光輸出，同時不超過絕對最大額定值至關重要。

4.4 溫度依存性

兩條曲線詳細說明了熱性能。圖 2 顯示了最大允許順向電流如何隨著環境溫度超過 25°C 而遞減，這是可靠性的關鍵考量。圖 4 描繪了相對輻射強度作為環境溫度的函數，顯示了輸出效率隨著溫度升高而典型下降的情況，在精密感測應用中必須對此進行補償。

4.5 輻射模式圖

極座標輻射圖 (圖6) 直觀地確認了 16 度的窄視角。該圖顯示了發射紅外線的空間分佈，對於設計光學對準以及確保照射光斑尺寸符合應用需求至關重要。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝類型與尺寸

此元件採用改良型 T-1 3/4 (5mm) 穿孔式封裝。圖面中的關鍵尺寸註記包括：

• 所有尺寸單位為毫米 (括號內為英吋)。
• 標準公差為 ±0.25mm (±0.010")，除非特定特徵要求不同的公差。
• 封裝凸緣下方樹脂的最大突出量為 1.0mm (0.039")。
• 引腳間距在引腳離開封裝本體的點上量測，這對於 PCB 焊盤設計很重要。

此封裝設計用於標準波峰焊接或手工焊接製程。

5.2 極性辨識

對於穿孔式封裝，極性通常由封裝邊緣的平坦處或不同長度的引腳 (較長的引腳通常為陽極) 來指示。應查閱規格書的尺寸圖以獲取確切的標記方案。正確的極性對於防止施加超過 5V 限制的逆向偏壓至關重要。

6. 焊接與組裝指南

必須嚴格遵守焊接溫度曲線，以防止對半導體晶粒和環氧樹脂透鏡造成熱損壞。

• 焊接溫度：引腳可承受 260°C 的溫度，最長 5 秒。此測量點距離封裝本體 1.6mm (0.063")。
• 製程建議：對於波峰焊接，適用包含預熱、停留和冷卻階段的標準溫度曲線。引腳與本體連接處的 260°C/5s 限制不應被超過。
• 清潔：如果需要清潔，請使用與封裝環氧樹脂材料相容的溶劑，以避免透鏡霧化或破裂。
• 儲存條件：元件應儲存在原裝防潮袋中，溫度在指定的儲存範圍內 (-55°C 至 +100°C)，並處於低濕度環境中，以防止引腳氧化。

7. 應用建議

7.1 典型應用情境

高強度與窄光束的結合使此發射器非常適合以下應用：

• 接近與存在感測：用於自動水龍頭、皂液器、烘手機和佔位偵測。
• 工業光學感測器：生產線上的物件計數、邊緣偵測和位置感測。
• 光學屏障與遮斷器：為安防系統或機械安全光幕中的物件偵測創建聚焦光束。
• 短距離資料鏈路：紅外線資料傳輸 (IrDA)，其中定向光可減少干擾和功耗。
• 夜視照明：作為具有紅外線敏感感測器的 CCTV 攝影機的不可見光源。

7.2 設計考量

• 驅動電路：必須使用恆流源或與 LED 串聯的限流電阻來設定 I_F。使用公式 R = (V_supply- V_F) / I_F 計算電阻值，並使用最大 V_F 值以確保設計安全。
• 熱管理：雖然功率消耗較低，但在高環境溫度或接近最大連續電流下工作時，需要注意遞減曲線。確保 PCB 上有足夠的通風。
• 光學對準：窄光束需要與配對的光電偵測器或目標區域進行精確的機械對準。使用輻射模式圖進行光學設計。
• 電氣保護：由於最大逆向電壓僅為 5V，應加入防止逆向電壓連接和電源線電壓突波的保護措施。
• 等級選擇：根據接收器的靈敏度以及應用所需的訊噪比，選擇適當的輸出等級 (A 至 D)。較高的等級提供更多的光功率，但可能影響成本。

8. 技術比較與差異化

與標準的非聚焦紅外線發射器相比，此元件具有明顯優勢：

• 窄光束中的更高輻射強度：標準發射器的視角通常為 30° 或更大，將光線分散在更廣的區域。此元件將其輸出集中到 16° 的光束中，在軸向上提供更高的強度，這意味著可能實現更長的感測距離，或在相同接收訊號下需要更低的驅動電流。
• 為感測優化：窄光束減少了多感測器陣列中光學串擾的可能性，並最小化了來自非預期表面的反射，從而提高了系統的準確性和可靠性。
• 具成本效益的性能：它提供了通常與更昂貴的帶透鏡封裝相關的聚焦光束特性，但採用了標準、低成本的 T-1 3/4 格式。

9. 常見問題解答 (基於技術參數)

Q1: 孔徑輻射照度 (E_e) 和輻射強度 (I_E) 有何不同？

A1: 輻射強度 (I_E，單位 mW/sr) 是每單位立體角發射的光功率量度，描述了光束的集中度。孔徑輻射照度 (E_e，單位 mW/cm²) 是在特定距離下入射到表面 (如偵測器) 上的功率密度，取決於強度和距離兩者。I_E 是發射器的固有屬性；E_e 則取決於系統幾何結構。

Q2: 我可以用 3.3V 電源驅動此發射器嗎？

A2: 通常可以。在 20mA 時典型 V_F 為 1.6V，可以使用一個串聯電阻來降低剩餘電壓 (3.3V - 1.6V = 1.7V)。電阻值為 R = 1.7V / 0.02A = 85 歐姆。標準的 82 或 100 歐姆電阻將是合適的，需重新計算實際電流。

Q3: 為什麼峰值波長是 940nm 而不是 850nm？

A3: 與 850nm 相比，940nm 對人眼較不可見 (呈現較暗的紅色或不可見)，使其更適合隱蔽照明。矽光電二極體對這兩種波長都能有效偵測，儘管在 850nm 的靈敏度略高。選擇取決於對可見性與最大偵測器響應的需求。

Q4: 我該如何解讀分級代碼 (A, B, C, D)？

A4: 這些等級代表工廠根據量測的光輸出進行分類的組別。等級 D 具有最高的保證最小輸出，而等級 A 最低。請根據您的接收器電路在所有條件下 (包括溫度效應和老化) 可靠運作所需的最小光功率來選擇等級。

10. 設計與使用案例研究

情境：為印表機設計紙張計數器。

發射器和光電晶體被放置在紙張路徑的兩側。LTE-2871 的 16° 窄光束至關重要。它確保光線直接聚焦穿過間隙到達偵測器，最小化來自印表機內部機構的散射和反射，這些可能導致錯誤計數。將選擇等級 C 或 D 的發射器，以提供強勁的訊號，即使透鏡上輕微積聚紙塵。驅動電路將使用 20-40mA 的恆定電流，而接收器電路將被設計成偵測當一張紙中斷聚焦光束時訊號的明顯下降。將參考溫度遞減曲線，以確保在印表機內部 (環境溫度可能達到 50-60°C) 的可靠運作。

11. 運作原理介紹

紅外線發射器是一種半導體 p-n 接面二極體。當施加順向偏壓 (陽極相對於陰極為正電壓) 時，電子和電洞在半導體材料 (通常基於砷化鋁鎵 - AlGaAs) 的主動區域中復合。此復合過程以光子 (光粒子) 的形式釋放能量。半導體層的特定成分決定了發射光子的波長；對於此元件，其被設計為 940nm，位於近紅外線範圍。改良的封裝包含一個環氧樹脂透鏡，將發射的光塑造成指定的窄光束模式，為定向應用準直輸出。

12. 技術趨勢

在紅外線發射器領域，總體趨勢集中在提高效率 (每瓦電輸入產生更多的光輸出功率)、實現更高的數據通訊操作速度，以及開發用於自動化組裝的表面黏著元件封裝。同時，持續進行的工作包括為特定感測應用 (例如氣體感測) 擴展波長選項，以及將發射器與驅動器和控制邏輯整合到智慧模組中。半導體材料中電致發光的基本原理仍然是這項技術的基礎。