Dokumen Teknikal LED Inframerah 940nm - Spesifikasi dan Panduan Lengkap

1. Gambaran Keseluruhan Produk

Dokumen ini memberikan gambaran teknikal komprehensif untuk komponen diod pemancar cahaya (LED) inframerah (IR). Fungsi utama peranti ini adalah untuk memancarkan cahaya dalam spektrum inframerah-dekat, khususnya pada panjang gelombang puncak (λp) 940 nanometer (nm). Panjang gelombang ini tidak kelihatan oleh mata manusia tetapi sangat berkesan untuk pelbagai aplikasi penderiaan dan kawalan jauh. Komponen ini direka untuk diintegrasikan ke dalam pemasangan elektronik yang memerlukan sumber cahaya IR yang boleh dipercayai dan konsisten.

Kelebihan teras LED IR ini terletak pada pancaran 940nm yang ditentukan, yang merupakan piawaian biasa untuk elektronik pengguna seperti alat kawalan jauh TV dan sensor jarak. Panjang gelombang ini menawarkan keseimbangan yang baik antara kepekaan pengesan fotosilikon dan penolakan cahaya ambien. Pasaran sasaran termasuk elektronik pengguna, automasi perindustrian, sistem keselamatan, dan sebarang aplikasi yang memerlukan cahaya tidak kelihatan untuk isyarat, pengesanan, atau penghantaran data.

2. Analisis Parameter Teknikal Mendalam

Serpihan PDF yang diberikan menonjolkan satu parameter fotometrik kritikal: panjang gelombang puncak.

2.1 Ciri-Ciri Fotometrik

Panjang Gelombang Puncak (λp): 940nm

Ini adalah panjang gelombang paling ketara yang dipancarkan oleh LED, di mana keamatan sinaran berada pada tahap maksimum. Puncak 940nm adalah signifikan atas beberapa sebab:

• Keserasian Pengesan Silikon:Fotodiod dan fototransistor silikon, pengesan IR yang paling biasa, mempunyai kepekaan puncak biasanya dalam julat 800nm hingga 950nm. Sumber 940nm selaras dengan ini, memastikan pengesanan cekap dan kekuatan isyarat yang kuat.
• Pancaran Cahaya Nampak Rendah:Walaupun sesetengah LED IR-dekat memancarkan cahaya merah samar, LED 940nm hampir tidak kelihatan, menjadikannya sesuai untuk aplikasi tersembunyi atau di mana kebocoran cahaya nampak tidak diingini.
• Kekebalan terhadap Cahaya Matahari:Spektrum sinaran suria mempunyai minimum tempatan sekitar 940nm, yang membantu sensor menggunakan panjang gelombang ini kurang terdedah kepada gangguan dari cahaya matahari ambien berbanding, contohnya, LED 850nm.

Walaupun petikan PDF hanya menunjukkan panjang gelombang puncak, datasheet lengkap biasanya akan termasuk parameter fotometrik tambahan seperti keamatan sinaran (dalam miliwatt per steradian, mW/sr), sudut pandangan (sudut separuh keamatan dalam darjah), dan lebar jalur spektrum (lebar penuh pada separuh maksimum, FWHM, dalam nm).

2.2 Parameter Elektrik

Walaupun tidak disenaraikan secara eksplisit dalam teks yang diberikan, memahami ciri-ciri elektrik adalah asas untuk reka bentuk.

• Voltan Ke Hadapan (Vf):Susutan voltan merentasi LED apabila beroperasi pada arus yang ditentukan. Untuk LED IR biasa, ini selalunya dalam julat 1.2V hingga 1.6V, tetapi nilai tepat bergantung pada bahan semikonduktor dan reka bentuk cip. Parameter ini adalah penting untuk memilih perintang pembatas arus atau litar pemacu yang sesuai.
• Arus Ke Hadapan (If):Arus operasi berterusan yang disyorkan, biasanya antara 20mA dan 100mA untuk pakej standard. Melebihi arus ke hadapan maksimum boleh menyebabkan degradasi pantas atau kegagalan bencana.
• Voltan Songsang (Vr):Voltan maksimum yang boleh ditahan oleh LED apabila terpincang songsang tanpa kerosakan, biasanya sekitar 5V. Melebihi ini boleh merosakkan simpang PN.
• Pelesapan Kuasa:Dikira sebagai Vf * If, ini menentukan beban terma pada komponen dan mempengaruhi keperluan untuk penyingkiran haba.

2.3 Ciri-Ciri Terma

Prestasi dan jangka hayat LED sangat bergantung pada suhu simpang.

• Rintangan Terma (Rθj-a):Rintangan kepada aliran haba dari simpang semikonduktor ke udara ambien, dinyatakan dalam darjah Celsius per watt (°C/W). Nilai yang lebih rendah menunjukkan keupayaan penyingkiran haba yang lebih baik.
• Suhu Simpang Maksimum (Tj max):Suhu tertinggi yang dibenarkan pada simpang semikonduktor. Beroperasi di atas had ini memendekkan jangka hayat LED dengan ketara. Susun atur PCB yang betul (via terma, kawasan kuprum) adalah penting untuk mengekalkan Tj dalam had.
• Keluk Penurunan Kadar (Derating):Graf yang menunjukkan bagaimana arus ke hadapan maksimum yang dibenarkan berkurangan apabila suhu ambien meningkat. Ini adalah alat reka bentuk kritikal untuk memastikan kebolehpercayaan di bawah semua keadaan operasi.

3. Penjelasan Sistem Pengelasan (Binning)

Variasi pembuatan bermakna LED tidak sama. Sistem pengelasan mengkategorikan komponen berdasarkan parameter utama untuk memastikan konsistensi dalam kelompok pengeluaran.

• Pengelasan Panjang Gelombang/Panjang Gelombang Puncak:LED disusun ke dalam kelas berdasarkan panjang gelombang puncak sebenar mereka, contohnya, 935-945nm, 940-950nm. Ini memastikan konsistensi warna untuk aplikasi.
• Pengelasan Keamatan Sinaran/Fluks:Komponen dikumpulkan mengikut kuasa output cahaya yang diukur. Sebagai contoh, kelas mungkin ditakrifkan sebagai nilai Min/ Tip/ Maks keamatan sinaran pada arus ujian tertentu.
• Pengelasan Voltan Ke Hadapan:LED disusun mengikut Vf mereka pada arus ujian. Ini membantu dalam mereka bentuk litar yang lebih seragam, terutamanya apabila berbilang LED disambung secara bersiri.

Pereka mesti menentukan kelas yang diperlukan semasa membuat pesanan untuk menjamin prestasi yang diperlukan untuk aplikasi mereka.

4. Analisis Keluk Prestasi

Data grafik memberikan pemahaman yang lebih mendalam daripada spesifikasi titik tunggal.

4.1 Keluk Arus vs. Voltan (I-V)

Keluk ini menunjukkan hubungan antara voltan ke hadapan dan arus ke hadapan. Ia adalah tidak linear, mempamerkan voltan "lutut" (biasanya ~1.2V untuk LED IR) di mana arus meningkat dengan pantas dengan peningkatan kecil dalam voltan. Ini menekankan kepentingan kawalan arus, bukan kawalan voltan, untuk memacu LED.

4.2 Ciri-Ciri Suhu

Graf utama termasuk:

• Voltan Ke Hadapan vs. Suhu Simpang:Vf mempunyai pekali suhu negatif, bermakna ia berkurangan apabila suhu meningkat. Ini boleh digunakan untuk penderiaan suhu.
• Keamatan Sinaran vs. Suhu Simpang:Output cahaya biasanya berkurangan apabila suhu meningkat. Kecerunan keluk ini menunjukkan kestabilan terma output.
• Keamatan Relatif vs. Arus Ke Hadapan:Menunjukkan bagaimana output cahaya berskala dengan arus pacuan, biasanya dalam hubungan linear atau sedikit sub-linear sehingga kesan terma mendominasi.

4.3 Taburan Spektrum

Graf yang memplot keamatan relatif terhadap panjang gelombang. Untuk LED 940nm, keluk ini akan berpusat sekitar 940nm dengan FWHM tipikal 40-50nm. Bentuk dan lebar keluk ini mempengaruhi bagaimana cahaya berinteraksi dengan penapis dan pengesan.

5. Maklumat Mekanikal dan Pakej

PDF menyebut istilah pembungkusan tetapi tiada lukisan dimensi.

• Jenis Pakej:Pakej biasa untuk LED IR termasuk 3mm, 5mm lead radial, dan pakej peranti permukaan-pasang (SMD) seperti 0805, 1206, atau pakej IR khusus.
• Dimensi:Lukisan mekanikal terperinci akan menentukan panjang, lebar, tinggi, diameter/jarak lead (untuk through-hole), atau dimensi pad (untuk SMD).
• Reka Bentuk Pad/Corak Land:Untuk bahagian SMD, jejak PCB yang disyorkan (saiz pad, bentuk, dan jarak) adalah kritikal untuk pateri yang boleh dipercayai dan kekuatan mekanikal.
• Pengenalpastian Polarity:LED adalah diod dan mesti disambung dengan polarity yang betul. Pengenalpastian biasanya melalui tepi rata pada kanta, lead anod yang lebih panjang, atau katod bertanda pada badan pakej SMD.

6. Garis Panduan Pateri dan Pemasangan

Pengendalian yang betul memastikan kebolehpercayaan.

• Profil Pateri Reflow:Untuk komponen SMD, profil masa-suhu yang menentukan pra-pemanasan, rendaman, suhu puncak reflow (biasanya 260°C maks untuk beberapa saat), dan kadar penyejukan mesti diikuti.
• Pateri Tangan:Jika berkenaan, garis panduan untuk suhu besi (<350°C) dan masa pateri maksimum per lead (contohnya, 3 saat) disediakan untuk mengelakkan kerosakan terma pada kanta epoksi atau semikonduktor.
• Langkah Berjaga-jaga ESD:LED sensitif kepada nyahcas elektrostatik. Pengendalian harus berlaku di stesen kerja yang dilindungi ESD menggunakan peralatan dibumikan. Sebutan mengenai "beg elektrostatik" dalam PDF menekankan keperluan ini.
• Keadaan Penyimpanan:Komponen harus disimpan dalam persekitaran kering dan terkawal (contohnya, <40°C/40% RH) untuk mengelakkan penyerapan lembapan, yang boleh menyebabkan "popcorning" semasa reflow.

7. Maklumat Pembungkusan dan Pesanan

Serpihan PDF menyenaraikan beberapa tahap pembungkusan.

• Beg Elektrostatik:Halangan lembapan dan ESD utama untuk komponen pukal atau gegelung.
• Karton Dalaman:Mengandungi berbilang beg elektrostatik atau gegelung.
• Karton Luar:Karton penghantaran utama yang mengandungi berbilang karton dalaman.
• Kuantiti Pembungkusan:Kuantiti piawai per gegelung (contohnya, 1000pcs), per beg, atau per karton.
• Pelabelan:Label harus termasuk nombor bahagian, kuantiti, kod tarikh, nombor lot/batch, dan tahap kepekaan ESD/lembapan (MSL).
• Peraturan Penomboran Model:Nombor bahagian lengkap biasanya mengkodkan atribut utama seperti jenis pakej, kelas panjang gelombang, kelas keamatan, dan kelas voltan ke hadapan.

8. Cadangan Aplikasi

8.1 Senario Aplikasi Biasa

• Alat Kawalan Jauh Inframerah:Untuk TV, set-top box, sistem audio. Panjang gelombang 940nm adalah piawaian industri.
• Sensor Jarak dan Kehadiran:Digunakan dalam telefon pintar (untuk melumpuhkan skrin sentuh semasa panggilan), paip automatik, dispenser sabun.
• Pengesanan dan Pengiraan Objek:Dalam automasi perindustrian, mesin layan diri, dan pancaran keselamatan.
• Penghantaran Data Optik:Untuk pautan data jarak pendek, kelajuan rendah (IrDA adalah piawaian biasa).
• Pencahayaan Penglihatan Malam:Digandingkan dengan kamera sensitif IR untuk pengawasan dalam keadaan cahaya rendah.

8.2 Pertimbangan Reka Bentuk

• Litar Pacuan:Sentiasa gunakan perintang pembatas arus bersiri atau pemacu arus malar. Kira nilai perintang menggunakan R = (Voltan Bekalan - Vf) / If.
• Susun Atur PCB:Sediakan kawasan kuprum atau via terma yang mencukupi di bawah pad terma LED (jika SMD) untuk menyingkirkan haba.
• Reka Bentuk Optik:Pertimbangkan kanta atau apertur untuk membentuk pancaran. Sudut pandangan LED mesti sepadan dengan medan pandang pengesan.
• Penapisan:Gunakan penapis lulus-IR pada pengesan untuk menyekat cahaya nampak dan meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi.
• Modulasi:Untuk aplikasi penderiaan, memodulasi isyarat IR (contohnya, pada 38kHz) dan menggunakan pengesan segerak boleh menolak gangguan cahaya ambien dengan berkesan.

9. Perbandingan Teknikal

Berbanding dengan sumber IR lain:

• vs. LED IR 850nm:LED 850nm selalunya mempunyai cahaya merah samar dan lebih terdedah kepada gangguan cahaya matahari tetapi mungkin menawarkan keamatan sinaran yang sedikit lebih tinggi untuk arus pacuan yang sama disebabkan kecekapan bahan. 940nm lebih disukai untuk operasi tersembunyi dan penolakan cahaya matahari yang lebih baik.
• vs. Diod Laser:Laser menyediakan pancaran koheren dan sempit yang sesuai untuk penderiaan jarak jauh atau ketepatan tetapi lebih mahal, memerlukan langkah pemacu dan keselamatan yang lebih kompleks, dan mempunyai spektrum pancaran yang lebih sempit.
• vs. Sumber IR Lampu Pijar:Sumber berasaskan filamen memancarkan IR spektrum luas tetapi tidak cekap, perlahan, rapuh, dan menghasilkan haba yang ketara.

LED 940nm menawarkan keseimbangan optimum kos, kecekapan, kebolehpercayaan, dan prestasi untuk aplikasi pengguna dan perindustrian arus perdana.

10. Soalan Lazim (FAQ)

S: Mengapa LED 940nm saya tidak kelihatan?

J: Kepekaan mata manusia menurun dengan mendadak melebihi kira-kira 750nm. 940nm jauh ke dalam spektrum inframerah dan pada dasarnya tidak kelihatan, yang merupakan ciri utama untuk banyak aplikasi.

S: Bolehkah saya memacu LED ini terus dari pin mikropengawal 5V atau 3.3V?

J: Tidak. Anda mesti sentiasa menggunakan perintang pembatas arus bersiri. Pin GPIO mikropengawal tidak dapat membekalkan arus stabil dan mungkin rosak oleh voltan ke hadapan rendah LED, yang boleh mewujudkan keadaan hampir litar pintas.

S: Bagaimana saya menentukan nilai perintang optimum?

J: Gunakan Hukum Ohm: R = (Vs - Vf) / If. Sebagai contoh, dengan Vs=5V, Vf=1.4V (tipikal), dan If=20mA: R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 Ohm. Gunakan nilai piawai seterusnya (contohnya, 180Ω atau 220Ω).

S: Apakah tujuan "beg elektrostatik" yang disebut?

J: Ia melindungi LED daripada nyahcas elektrostatik (ESD) semasa penyimpanan dan pengangkutan, yang boleh merosakkan simpang semikonduktor sensitif walaupun kerosakan itu tidak kelihatan serta-merta.

S: Adakah suhu ambien mempengaruhi prestasi?

J: Ya, dengan ketara. Keamatan sinaran berkurangan apabila suhu meningkat, dan voltan ke hadapan berkurangan. Untuk aplikasi kritikal, rujuk keluk penurunan kadar dan reka bentuk pengurusan terma sewajarnya.

11. Kes Penggunaan Praktikal

Kajian Kes 1: Sensor Jarak Telefon Pintar

LED 940nm diletakkan berhampiran lubang suara. Apabila panggilan aktif, LED memancarkan denyutan ringkas. Pengesan foto berhampiran mengukur cahaya yang dipantulkan. Jika objek (seperti telinga pengguna) dekat, isyarat pantulan kuat, dan skrin sentuh dilumpuhkan untuk mengelakkan input tidak sengaja. Panjang gelombang 940nm memastikan tiada cahaya kelihatan semasa panggilan.

Kajian Kes 2: Penghitung Objek Penghantar Perindustrian

LED IR dan pengesan dipasang di sisi bertentangan tali pinggang penghantar, mencipta pancaran. Apabila objek melaluinya, ia memutuskan pancaran, mencetuskan penghitung. Menggunakan isyarat 940nm termodulasi membantu sistem mengabaikan sinaran IR berterusan dari objek panas atau jentera di lantai kilang.

12. Prinsip Operasi

LED inframerah adalah diod simpang p-n semikonduktor. Apabila terpincang ke hadapan (voltan positif dikenakan pada sisi p, anod), elektron dari rantau n disuntik merentasi simpang ke rantau p, dan lubang dari rantau p disuntik ke rantau n. Pembawa minoriti ini bergabung semula dengan pembawa majoriti di rantau bertentangan. Dalam bahan semikonduktor jurang jalur langsung seperti Gallium Arsenida (GaAs) atau Aluminium Gallium Arsenida (AlGaAs), yang biasa digunakan untuk LED IR, peristiwa penggabungan semula ini membebaskan tenaga dalam bentuk foton (zarah cahaya). Panjang gelombang (warna) foton yang dipancarkan ditentukan oleh tenaga jurang jalur (Eg) bahan semikonduktor, mengikut persamaan λ ≈ 1240 / Eg (eV), di mana λ dalam nanometer. Untuk panjang gelombang 940nm, tenaga jurang jalur adalah kira-kira 1.32 eV. Komposisi bahan khusus (contohnya, AlGaAs) direka untuk mencapai jurang jalur tepat ini.

13. Trend Teknologi

Pembangunan LED IR mengikut beberapa trend utama yang didorong oleh permintaan aplikasi:

• Peningkatan Kuasa dan Kecekapan:Peningkatan berterusan sains bahan dan reka bentuk cip menghasilkan keamatan sinaran dan kecekapan dinding-soket (kuasa optik keluar / kuasa elektrik masuk) yang lebih tinggi, membolehkan jarak lebih jauh atau penggunaan kuasa lebih rendah.
• Pengecilan:Saiz pakej terus mengecil (contohnya, pakej skala-cip) untuk muat ke dalam peranti pengguna yang semakin kecil seperti peranti boleh pakai dan telefon pintar ultra-nipis.
• Penyelesaian Bersepadu:Terdapat pergerakan ke arah modul yang menggabungkan LED, pemacu, pengesan foto, dan kadangkala mikropengawal ke dalam satu pakej, memudahkan reka bentuk untuk pengguna akhir (contohnya, modul sensor jarak lengkap).
• Pengembangan ke Spektrum Baru:Walaupun 850nm dan 940nm mendominasi, terdapat minat yang semakin meningkat terhadap panjang gelombang IR lain untuk aplikasi khusus, seperti penderiaan gas (menggunakan garis penyerapan khusus) atau pengimejan tisu biologi yang dipertingkatkan.
• Pengurusan Terma yang Diperbaiki:Reka bentuk pakej baru dengan rintangan terma lebih rendah membolehkan arus pacuan lebih tinggi dan output berterusan dalam persekitaran yang mencabar.

Trend ini bertujuan untuk menjadikan penderiaan IR lebih boleh dipercayai, padat, cekap tenaga, dan boleh diakses untuk pelbagai aplikasi yang lebih luas, dari LiDAR automotif dan pengesahan biometrik hingga pemantauan persekitaran maju.