3.0mm 紅外線發光二極體 IR204C-A 規格書 - 3mm T-1 封裝 - 940nm 峰值波長 - 100mA 順向電流 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

IR204C-A 是一款高強度紅外線發光二極體，採用標準 3mm (T-1) 透明塑膠封裝。其主要功能是發射峰值波長為 940nm 的紅外光，其光譜與常見的矽光電晶體、光電二極體及紅外線接收模組相匹配。此元件專為需要可靠且高效紅外線傳輸的應用而設計。

1.1 核心優勢

• 高輻射強度：提供強勁的光學輸出，適用於中長距離應用。
• 高可靠性：專為穩定且長期的性能表現而設計。
• 低順向電壓：在 20mA 下典型值為 1.5V，有助於實現節能運作。
• 環保合規：產品為無鉛製程，符合歐盟 REACH 規範，並達到無鹵素標準 (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm)。
• 標準封裝：熟悉的 T-1 (3mm) 外型與 2.54mm 引腳間距，確保能輕鬆整合至現有設計與原型電路板。

1.2 目標應用

• 高功率需求的紅外線遙控器裝置。
• 自由空間光學資料傳輸系統。
• 煙霧偵測感測器。
• 通用紅外線感測與遮斷系統。
• 工業自動化與物體偵測。

2. 深入技術參數分析

本節針對規格書中定義的關鍵電氣與光學參數，提供詳細且客觀的詮釋。理解這些極限值與典型值對於設計穩健的電路至關重要。

2.1 絕對最大額定值

這些是任何情況下（即使是瞬間）都不可超越的應力極限。超出這些額定值運作可能導致永久性損壞。

• 連續順向電流 (I_F)：100 mA。只要功率損耗與溫度限制得到遵守，LED 可在此電流水準下持續運作。
• 峰值順向電流 (I_FP)：1.0 A。此高電流僅允許在脈衝條件下使用（脈衝寬度 ≤ 100μs，工作週期 ≤ 1%）。這對於在長距離遙控器等突發模式應用中實現極高的瞬時輻射輸出非常有用。
• 逆向電壓 (V_R)：5 V。此 LED 的逆向電壓耐受度有限。電路設計時必須注意防止逆向偏壓超過此限制，這可能由電感性負載或電源順序不當所引起。
• 功率損耗 (P_d)：在 25°C 或更低的自在空氣溫度下為 150 mW。此額定值會隨著環境溫度升高而降低。實際工作電流必須根據接面溫度進行降額，以保持在安全範圍內。
• 焊接溫度 (T_sol)：最高 260°C，持續時間不超過 5 秒。此定義了迴焊製程的溫度曲線限制。

2.2 電氣與光學特性

這些參數定義了元件在正常工作條件下 (Ta=25°C) 的性能。

• 輻射強度 (I_e)：這是衡量單位立體角光學輸出功率的主要指標 (mW/sr)。
  • 在 I_F= 20mA (直流)：典型值為 7.8 mW/sr，最小值為 4.0 mW/sr。
  • 在 I_F= 100mA (脈衝)：典型輻射強度顯著上升。
  • 在 I_F= 1A (脈衝)：可提供典型輸出 390 mW/sr，展現其高功率脈衝運作能力。
• 峰值波長 (λ_p)：940 nm (典型值)。此波長非常理想，因為它與矽基光電偵測器的峰值靈敏度良好匹配，同時對人眼幾乎不可見，且具有良好的大氣穿透性。
• 頻譜頻寬 (Δλ)：約 45 nm (典型值)。此定義了發射光在半高全寬 (FWHM) 下的頻譜寬度。
• 順向電壓 (V_F)：
  • 在 20mA 時：典型值 1.5V，最小值 1.2V，對於計算串聯電阻值至關重要。
  • 在 100mA (脈衝) 時：典型值 1.4V，最大值 1.8V。V_F會因二極體電阻而隨電流增加。
  • 在 1A (脈衝) 時：典型值 2.6V，最大值 4.0V，顯示在高電流脈衝條件下顯著增加。
• 視角 (2θ_1/2)：40 度 (典型值)。這是輻射強度降至軸心值一半時的全角。40° 的視角在光束集中度與覆蓋範圍之間提供了良好的平衡。

3. 分級系統說明

規格書包含輻射強度的分級表，這是根據測量性能對 LED 進行分類的常見做法。

3.1 輻射強度分級

在 I_F= 20mA 的條件下，LED 會根據其測得的輻射強度被分級 (K, L, M, N)。

• K 級：4.0 - 6.4 mW/sr
• L 級：5.6 - 8.9 mW/sr
• M 級：7.8 - 12.5 mW/sr
• N 級：11.0 - 17.6 mW/sr

設計意涵：對於需要一致光學訊號強度的應用（例如，具有定義距離的遙控器），指定較窄的分級（如單一級別）或較高的最低級別，可確保生產單位間的效能更為均勻。分級代碼通常會在訂購資訊或產品標籤上標示。

4. 性能曲線分析

典型特性曲線提供了元件在不同條件下行為的寶貴見解。

4.1 順向電流 vs. 順向電壓 (圖4)

此 IV 曲線顯示了指數關係。曲線會隨溫度偏移；對於給定的電流，順向電壓通常會隨著接面溫度升高而降低。

4.2 相對強度 vs. 環境溫度 (圖7)

此圖表對於熱管理至關重要。LED 的輻射輸出會隨著其接面溫度升高而降低。此曲線量化了此降額效應，告知設計者較高的環境溫度或不足的散熱將導致較低的光學輸出。在設計於 -40°C 至 +85°C 全溫度範圍內運作的系統時，必須考慮此點。

4.3 光譜分佈與峰值波長 vs. 溫度 (圖2 & 圖3)

圖2 顯示了以 940nm 為中心的典型發射光譜。圖3 說明了峰值波長如何隨溫度偏移。紅外線 LED 的波長通常具有正溫度係數（即 λ_p隨溫度升高而增加）。此偏移在偵測器具有窄頻譜響應的應用中非常重要。

4.4 角度輻射圖 (圖6)

此極座標圖描繪了相對輻射強度作為與中心軸角度位移的函數。40° 的視角在此得到確認。對於此類封裝，輻射圖通常為朗伯分佈或接近朗伯分佈，這意味著強度大致與視角的餘弦值成正比。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

此元件採用標準 T-1 (直徑 3mm) 圓形封裝。規格書中的關鍵尺寸註記包括：

• 所有尺寸單位為毫米 (mm)。
• 標準公差為 ±0.25mm，除非另有說明。
• 引腳間距為 2.54mm (0.1 英吋)，與標準穿孔電路板和許多插座相容。

5.2 極性辨識

對於標準 T-1 LED，陰極通常由塑膠透鏡邊緣的平坦處和/或較短的引腳來識別。應查閱此元件的規格書以確認其具體標記方式。

6. 焊接與組裝指南

• 迴焊：最高焊接溫度為 260°C，在此溫度或以上的時間不得超過 5 秒。標準的無鉛迴焊溫度曲線適用。
• 手工焊接：若需進行手工焊接，應使用溫控烙鐵，並將每個引腳的焊接時間降至最低（通常在 350°C 下 < 3 秒），以防止對塑膠封裝和半導體晶片造成熱損傷。
• 儲存條件：儲存溫度範圍為 -40°C 至 +85°C。元件在使用前應保存在其原始的防潮袋中，以防止吸濕，這可能導致在迴焊過程中發生 \"爆米花效應\"。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 包裝規格

• 標準包裝：每袋 200 至 1000 顆。
• 5 袋裝入 1 盒。
• 10 盒裝入 1 箱。

7.2 標籤資訊

產品標籤包含關鍵的可追溯性與規格資料：

• CPN (客戶料號)
• P/N (製造商料號：IR204C-A)
• QTY (包裝數量)
• 等級/分級代碼 (例如，輻射強度)
• HUE (峰值波長資訊)
• LOT No. (可追溯批號)

8. 應用設計建議

8.1 驅動電路設計

LED 必須使用限流元件驅動，通常是與電壓源串聯的電阻。電阻值 (R_s) 計算如下：R_s= (V_supply- V_F) / I_F。使用規格書中針對所選工作電流的最大 V_F值，以確保電流不超過期望值。例如，對於 5V 電源，目標 I_F為 20mA，使用最大 V_F值 1.5V：R_s= (5 - 1.5) / 0.02 = 175 Ω。標準的 180 Ω 電阻將是合適的。對於高電流的脈衝運作，則需要電晶體開關 (BJT 或 MOSFET)。

8.2 熱管理考量

雖然 T-1 封裝的散熱能力有限，但在高達 100mA 的連續電流下，確保足夠的氣流或考慮功率損耗 (P_d= V_F* I_F) 非常重要。如果在高環境溫度下接近最大電流連續運作，接面溫度可能會升高，從而降低輸出並可能影響使用壽命。

8.3 光學設計

透明透鏡適合與外部透鏡或反射器搭配使用，以針對長距離傳輸等特定應用進行光束準直或塑形。940nm 波長能很好地穿透許多用於透鏡和視窗的常見塑膠材料。

9. 技術比較與差異化

IR204C-A 以其關鍵差異化優勢定位：

• 高脈衝功率能力：1A 的峰值電流額定值允許極高的瞬時光學輸出，相較於僅適用於較低脈衝電流的 LED 具有優勢。
• 標準封裝與高性能：它在常見且易於使用的 T-1 封裝中提供了比許多基礎紅外線 LED 更高的輻射強度。
• 環保合規：完全符合現代環保法規 (RoHS, REACH, 無鹵素)，對於瞄準全球市場的產品是一大優勢。
• 光譜匹配：明確提及與常見偵測器光譜匹配，簡化了設計師構建完整光學系統時的選擇過程。

10. 常見問題解答 (基於技術參數)

1. 問：我可以直接從 3.3V 微控制器引腳驅動此 LED 嗎？
   答：不行。微控制器引腳無法安全地持續提供 20mA 電流，且缺乏限流功能。您必須使用串聯電阻和電晶體開關。LED 的 V_F(1.5V) 低於 3.3V，因此在電壓方面是相容的，但電流必須由外部控制。
2. 問：輻射強度 (mW/sr) 和輻射功率 (mW) 有何不同？
   答：輻射強度是角密度——單位立體角的功率。輻射功率（或通量）是向所有方向發射的總功率。要計算總功率，您需要將強度在整個發射圖案上進行積分。規格書提供的是強度，這對於計算特定方向在特定距離上的輻照度更有用。
3. 問：為什麼峰值波長 940nm 比 850nm 更受青睞？
   答：940nm 比 850nm 對人眼更不可見（暗紅色光暈），因此在消費性裝置中較不引人注目。兩者都能被矽材料良好偵測，但 940nm 可能在某些光源（如陽光和白熾燈泡，它們在 850nm 區域有強烈發射）的環境光干擾下略低。
4. 問：如何選擇正確的分級？
   答：如果您的應用在接收端有最低要求的訊號強度，請使用某個分級的最小值來確保所有元件都能滿足。例如，如果您需要至少 6 mW/sr，請指定 L 級或更高。對於成本敏感且允許一定變化的應用，較寬的分級或預設供應可能就足夠了。

11. 實務設計與使用範例

11.1 長距離紅外線遙控器

情境：設計一個必須在光線適中的客廳中，於 15 公尺距離可靠工作的遙控器。
實作：以脈衝模式使用此 LED。使用由編碼器 IC 控制的 MOSFET 開關，以短脈衝（例如 50μs）、高電流脈衝（例如 500mA）驅動它。這能為長距離傳輸提供高峰值輻射強度（參考 1A 脈衝數據），同時保持低平均功率。可以添加簡單的塑膠透鏡來進一步準直光束。940nm 波長能將可見光暈降至最低。

11.2 接近或物體偵測感測器

情境：創建一個偵測範圍為 10-50 公分的非接觸式物體偵測系統。
實作：將 IR204C-A 與匹配的光電晶體配對。使用恆流源以中等連續電流（例如 50mA）驅動 LED，以獲得穩定的光輸出。以特定頻率（例如 38kHz）調變 LED 電流，並在光電晶體端使用調諧接收器。此調變技術使系統對環境光波動（如來自陽光或室內燈光）具有高度抗干擾性，大大提高了訊噪比與可靠性。

12. 工作原理

紅外線發光二極體 (IR LED) 是一種半導體 p-n 接面二極體。當施加順向偏壓時，來自 n 區的電子與來自 p 區的電洞在主動區複合。對於像 IR204C-A 這樣的紅外線 LED，半導體材料（通常為砷化鎵鋁 - GaAlAs）的能隙使得在此複合過程中釋放的能量對應於紅外線頻譜中的光子（約 940nm 波長）。透明環氧樹脂封裝充當透鏡，將發射光塑形為特定的視角。發射光的強度與流經二極體的順向電流成正比，直至達到元件的物理極限。

13. 技術趨勢

紅外線 LED 技術與可見光 LED 技術同步持續演進。影響 IR204C-A 等元件的關鍵趨勢包括：

• 效率提升：持續的材料科學研究旨在提高 IR LED 的電光轉換效率（光功率輸出 / 電功率輸入），從而在較低的驅動電流下實現更高的輸出或減少熱量產生。
• 更高功率密度：晶片級封裝的發展與改進的熱管理材料，使 IR LED 能夠在更小的外形尺寸中處理更高的連續與脈衝電流。
• 整合化：有趨勢將紅外線發射器與驅動 IC、光電偵測器，甚至微控制器整合到單一模組中，以用於特定應用（例如，接近感測器、手勢辨識）。
• 波長精度與穩定性：磊晶成長技術的進步允許對峰值波長和頻譜寬度進行更嚴格的控制，這對於氣體感測或使用波分複用的光通訊等應用至關重要。
• 應用領域擴展：汽車/機器人 LiDAR、臉部辨識和健康監測（例如，脈搏血氧儀）等領域的成長，推動了對各種波長和功率等級的高性能、可靠紅外線發射器的需求。