3.1mm 紅色 LED 發光強度 180-400mcd - 電壓 2.4V - 功率 75mW - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

本文件詳細說明一款封裝於 3.1mm 直徑插件式外殼內的高效率、低功耗紅色 LED 之規格。此元件採用 AlInGaP（磷化鋁銦鎵）晶片作為光源，並封裝於透明透鏡內。其設計適用於多種印刷電路板（PCB）或面板的安裝，並因其低電流需求而具備與積體電路相容的特性。主要應用目標包括各種電子設備中需要可靠、可見信號指示的通用指示燈。

1.1 核心優勢

• 高發光強度：在 20mA 順向電流下，典型輸出可達 400 毫燭光（mcd），確保高可見度。
• 能源效率：具備低功耗特性，並能在標準驅動電流下高效運作。
• 緊湊且多功能：3.1mm 封裝可靈活整合於空間受限的設計中。
• 驅動器相容性：適合由低電流邏輯電路直接驅動，簡化系統設計。

2. 深入技術參數分析

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。不保證在此條件下運作。

• 功率消耗（P_D）：最大 75 mW。這是 LED 封裝可處理的總功率，計算方式為順向電壓（V_F）× 順向電流（I_F）。
• 順向電流：不得超過 30 mA 的直流順向電流（I_F）。僅在脈衝條件下（1/10 工作週期，0.1ms 脈衝寬度）允許 90 mA 的較高峰值順向電流。
• 熱降額：當環境溫度（T_A）每升高 1°C 超過 50°C 時，最大允許直流順向電流必須線性降低 0.4 mA。
• 逆向電壓（V_R）：5 V。在逆向偏壓下超過此電壓可能導致接面崩潰。
• 溫度範圍：元件可在 -40°C 至 +100°C 下運作，並可在 -55°C 至 +100°C 下儲存。
• 焊接溫度：引腳在距離 LED 本體 1.6mm 處測量時，可承受 260°C 達 5 秒。

2.2 電氣與光學特性

這些參數在環境溫度（T_A）為 25°C 下量測，定義了元件的典型性能。

• 發光強度（I_V）：在 I_F= 20mA 時，範圍從最小 180 mcd 到典型值 400 mcd。量測遵循 CIE 明視覺人眼響應曲線。
• 視角（2θ_1/2）：45 度。這是光強度降至其軸向峰值一半時的全角。
• 波長：峰值發射波長（λ_P）典型值為 632 nm。決定感知顏色的主波長（λ_d）典型值為 624 nm。頻譜頻寬（Δλ）為 20 nm。
• 順向電壓（V_F）：典型值為 2.4V，在 I_F= 20mA 時最大值為 2.4V。
• 逆向電流（I_R）：當施加 5V 逆向電壓（V_R）時，最大為 100 µA。
• 電容（C）：在零偏壓和 1MHz 頻率下量測，典型值為 40 pF。

3. 分級系統說明

LED 根據關鍵光學參數進行分級，以確保生產批次內的一致性。料號 LTL1CHJETNN 包含分級代碼。

3.1 發光強度分級

單位為在 20mA 下量測的 mcd。每個分級限值的容差為 ±15%。

• 分級 HJ：180 mcd（最小）至 310 mcd（最大）。料號表示此 LED 屬於 HJ 分級。
• 分級 KL：310 mcd 至 520 mcd。
• 分級 MN：520 mcd 至 880 mcd。

3.2 主波長分級

單位為在 20mA 下量測的 nm。每個分級限值的容差為 ±1nm。料號未指定波長分級，因此元件使用典型值 624 nm。

• 分級 H27：613.5 nm 至 617.0 nm
• 分級 H28：617.0 nm 至 621.0 nm
• 分級 H29：621.0 nm 至 625.0 nm
• 分級 H30：625.0 nm 至 629.0 nm
• 分級 H31：629.0 nm 至 633.0 nm

4. 性能曲線分析

規格書參考了典型的特性曲線，這些曲線以圖形方式說明關鍵參數之間的關係。這對設計至關重要。

• I-V 曲線（電流 vs. 電壓）：顯示順向電壓與電流之間的指數關係。20mA 時典型的 V_F值 2.4V 是此曲線上的一個點。
• 發光強度 vs. 順向電流：展示光輸出如何隨電流增加，通常在操作範圍內呈近線性關係。
• 發光強度 vs. 環境溫度：說明當接面溫度升高時，光輸出會下降，突顯了熱管理的重要性。
• 頻譜分佈：相對強度與波長的關係圖，顯示峰值約在 632 nm 以及 20 nm 半高寬，確認了純紅色。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

LED 封裝於直徑 3.1mm 的圓柱形外殼中。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，一般公差為 ±0.25mm（±0.010\"）。
• 法蘭下方樹脂的最大突出量為 1.0mm（0.04\"）。
• 引腳間距在引腳離開封裝本體處量測。

5.2 極性識別

對於插件式 LED，較長的引腳通常表示陽極（正極）。陰極（負極）通常由 LED 透鏡上的平邊或較短的引腳表示。應查閱本元件的規格書圖表以了解具體的極性標記。

6. 焊接與組裝指南

6.1 引腳成型

• 彎曲必須在距離 LED 透鏡基座至少 3mm 處進行。
• 不得使用引線框架的基座作為支點。
• 成型必須在室溫下進行，並且在焊接過程之前完成。
• 在 PCB 組裝過程中應使用最小的夾緊力，以避免機械應力。

6.2 焊接製程

• 保持透鏡基座到焊點之間至少有 2mm 的間隙。
• 避免將透鏡浸入焊料中。
• 當 LED 因焊接而發熱時，請勿對引腳施加應力。
• 建議焊接條件：
  • 烙鐵：最高溫度 300°C，最長時間 3 秒（僅限一次）。
  • 波峰焊：預熱最高 100°C，最長 60 秒；焊波最高 260°C，最長 10 秒。
• 警告：過高的溫度或時間可能導致透鏡變形或造成災難性故障。

6.3 儲存與處理

• 儲存：建議環境不超過 30°C 和 70% 相對濕度。
• 保存期限：從原始包裝中取出的 LED 應在三個月內使用。如需更長時間儲存，請使用帶有乾燥劑的密封容器或氮氣環境。
• 清潔：必要時使用酒精類溶劑，如異丙醇。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 包裝規格

LED 以防靜電袋包裝，以防止 ESD 損壞。

• 包裝袋：每袋 1000、500 或 250 件。
• 內盒：10 個包裝袋，總計 10,000 件。
• 外箱：8 個內盒，每批出貨總計 80,000 件。批次中的最後一包可能未裝滿。

8. 應用設計建議

8.1 驅動電路設計

LED 是電流驅動元件。為確保亮度均勻，特別是在並聯多個 LED 時，必須為每個 LED 串聯一個限流電阻。

• 推薦電路（模型 A）：每個 LED 都有其專用的串聯電阻。這可以補償個別 LED 之間順向電壓（V_F）的差異，確保每個 LED 獲得相同的電流，從而發出相同的亮度。
• 不推薦電路（模型 B）：不建議將多個 LED 並聯並共用單一電阻。V_F的微小差異可能導致顯著的電流不平衡，從而導致亮度不均。

串聯電阻值（R_S）使用歐姆定律計算：R_S= (V_電源- V_F) / I_F。使用典型的 V_F值 2.4V 和期望的 I_F值 20mA，以及 5V 電源：R_S= (5V - 2.4V) / 0.02A = 130 Ω。標準的 130Ω 或 150Ω 電阻將是合適的。

8.2 靜電放電（ESD）防護

LED 對靜電放電敏感。必須採取預防措施：

• 人員必須佩戴接地腕帶或防靜電手套。
• 所有設備、工作台和儲物架必須妥善接地。
• 使用離子風機來中和可能積聚在塑膠透鏡上的靜電荷。
• 實施人員 ESD 認證檢查表，並在工作區域設置適當的標誌。

8.3 應用範圍與注意事項

此 LED 適用於普通電子設備（辦公室、通訊、家用）。對於故障可能危及生命或健康的應用（航空、醫療、安全系統），使用前需要進行具體諮詢和批准。這突顯了該元件適用於通用指示，但未經進一步認證不適用於安全關鍵角色。

9. 技術比較與差異化

與 GaAsP（磷化鎵砷）等舊技術紅色 LED 相比，此 AlInGaP 元件提供了顯著更高的發光效率，從而在相同電流下產生更亮的輸出。3.1mm 封裝是常見的業界標準，確保了與現有 PCB 佈局和面板開孔的廣泛相容性。詳細的分級系統為設計師提供了可預測的性能參數，這相對於未分級或規格寬鬆的元件是一大優勢。本規格書中包含的全面應用注意事項（ESD、焊接、驅動方法）標誌著這是一個文件完善的元件，旨在確保現場可靠性。

10. 常見問題（FAQ）

10.1 使用 5V 電源時，我應該使用多大的電阻？

對於典型的順向電流 20mA 和順向電壓 2.4V，請使用 130Ω 電阻。請始終根據您的特定電源電壓和期望電流進行計算。

10.2 我可以用一個電阻驅動多個 LED 嗎？

不建議這樣做。並聯連接時，請始終為每個 LED 使用單獨的限流電阻，以確保亮度均勻。

10.3 為什麼視角很重要？

45 度視角表示光束相對集中。對於廣角照明，擴散透鏡或具有更寬視角（例如 120°）的 LED 會更合適。此 LED 非常適合定向指示。

10.4 溫度如何影響性能？

發光強度隨著溫度升高而降低。為保持亮度一致，如果 LED 在高環境溫度或高電流下運作，請考慮熱管理。必須應用超過 50°C 時每°C 0.4 mA 的降額因子。

11. 實用設計案例研究

情境：設計一個帶有十個相同紅色 LED 的狀態指示面板，顯示系統運作中。

設計步驟：

1. 電源供應：使用穩壓的 5V 直流電源軌。
2. 電流選擇：選擇 I_F= 20mA，以在 30mA 最大值內獲得良好的亮度。
3. 電路拓撲：將所有十個 LED 並聯到 5V 電源軌。
4. 電流限制：在每個 LED 的陽極串聯一個 130Ω 電阻。
5. 功率計算：每個 LED 的功率：P = V_F× I_F≈ 2.4V × 0.02A = 48mW，遠低於 75mW 最大值。電源總電流：10 × 20mA = 200mA。
6. 佈局：在 PCB 設計時確保 3mm 引腳彎曲半徑和 2mm 焊接間隙。提供一個共用的、穩固的接地層。
7. 組裝：遵循指定的波峰焊溫度曲線，以防止熱損壞。

此方法保證所有指示燈亮度均勻，並實現可靠的長期運作。

12. 工作原理

LED 是一種半導體二極體。當施加超過其接面電位（此 AlInGaP 元件約為 2.4V）的順向電壓時，電子和電洞在半導體晶片的主動區域內復合。此復合過程以光子（光）的形式釋放能量。半導體的特定材料成分（AlInGaP）決定了發射光的波長（顏色），在本例中為紅色光譜（~624 nm 主波長）。透明的環氧樹脂透鏡用於保護半導體晶粒、塑造光輸出光束（45° 視角），並增強晶片的光提取效率。

13. 技術趨勢

使用 AlInGaP 材料代表了對舊 LED 技術的進步，提供了更高的效率和更好的溫度穩定性。產業趨勢持續朝向更高效率的材料和封裝發展。雖然像這種 3.1mm LED 的插件式元件對於原型製作、維修以及某些需要堅固機械安裝的應用仍然至關重要，但更廣泛的市場已顯著轉向表面黏著元件（SMD）封裝（例如 0603、0805、3528）。SMD LED 在自動化組裝、節省電路板空間和熱管理方面具有優勢。然而，插件式 LED 在教育環境、業餘愛好者專案以及偏好手動焊接或高機械結合強度的應用中仍保持其相關性。