Техническая документация на инфракрасный светодиод 940 нм

1. Обзор продукта

В данном документе представлено всестороннее техническое описание компонента - инфракрасного (ИК) светоизлучающего диода (светодиода). Основная функция данного устройства - излучение света в ближнем инфракрасном диапазоне, с пиковой длиной волны (λp) 940 нанометров (нм). Эта длина волны невидима для человеческого глаза, но высокоэффективна для различных применений в сенсорике и системах дистанционного управления. Компонент предназначен для интеграции в электронные сборки, требующие надежного и стабильного источника ИК-излучения.

Ключевое преимущество данного ИК-светодиода заключается в его излучении на длине волны 940 нм, которая является общепринятым стандартом для потребительской электроники, такой как пульты дистанционного управления телевизоров и датчики приближения. Эта длина волны обеспечивает хороший баланс между чувствительностью кремниевых фотодетекторов и устойчивостью к фоновой засветке. Целевой рынок включает потребительскую электронику, промышленную автоматизацию, системы безопасности и любые приложения, требующие невидимого света для сигнализации, обнаружения или передачи данных.

2. Подробный анализ технических параметров

Представленный фрагмент PDF-файла выделяет один критически важный фотометрический параметр: пиковую длину волны.

2.1 Фотометрические характеристики

Пиковая длина волны (λp): 940 нм

Это наиболее интенсивная длина волны, излучаемая светодиодом, где излучательная сила достигает максимума. Пик на 940 нм важен по нескольким причинам:

• Совместимость с кремниевыми детекторами:Кремниевые фотодиоды и фототранзисторы, наиболее распространенные ИК-детекторы, имеют пиковую чувствительность обычно в диапазоне от 800 нм до 950 нм. Источник на 940 нм хорошо согласуется с этим, обеспечивая эффективное обнаружение и высокую силу сигнала.
• Низкий уровень видимого излучения:В то время как некоторые ближние ИК-светодиоды излучают слабое красное свечение, светодиоды на 940 нм практически невидимы, что делает их идеальными для скрытых применений или случаев, когда утечка видимого света нежелательна.
• Устойчивость к солнечному свету:Спектр солнечной радиации имеет локальный минимум около 940 нм, что помогает сенсорам, использующим эту длину волны, быть менее подверженными помехам от окружающего солнечного света по сравнению, например, со светодиодами на 850 нм.

Хотя в выдержке из PDF указана только пиковая длина волны, полный даташит обычно включает дополнительные фотометрические параметры, такие как излучательная сила (в милливаттах на стерадиан, мВт/ср), угол излучения (угол половинной мощности в градусах) и спектральная ширина (полная ширина на половине максимума, FWHM, в нм).

2.2 Электрические параметры

Хотя в предоставленном тексте они явно не перечислены, понимание электрических характеристик является основополагающим для проектирования.

• Прямое напряжение (Vf):Падение напряжения на светодиоде при работе на указанном токе. Для типичных ИК-светодиодов это часто находится в диапазоне от 1,2 В до 1,6 В, но точное значение зависит от полупроводникового материала и конструкции кристалла. Этот параметр критически важен для выбора соответствующего токоограничивающего резистора или схемы драйвера.
• Прямой ток (If):Рекомендуемый постоянный рабочий ток, обычно от 20 мА до 100 мА для стандартных корпусов. Превышение максимального прямого тока может привести к быстрой деградации или катастрофическому отказу.
• Обратное напряжение (Vr):Максимальное напряжение, которое светодиод может выдержать при обратном смещении без повреждения, обычно около 5 В. Превышение этого значения может привести к пробою PN-перехода.
• Рассеиваемая мощность:Рассчитывается как Vf * If, определяет тепловую нагрузку на компонент и влияет на необходимость теплоотвода.

2.3 Тепловые характеристики

Производительность и срок службы светодиода в значительной степени зависят от температуры перехода.

• Тепловое сопротивление (Rθj-a):Сопротивление тепловому потоку от полупроводникового перехода к окружающему воздуху, выражается в градусах Цельсия на ватт (°C/Вт). Более низкое значение указывает на лучшую способность рассеивания тепла.
• Максимальная температура перехода (Tj max):Наивысшая допустимая температура на полупроводниковом переходе. Работа выше этого предела резко сокращает срок службы светодиода. Правильная разводка печатной платы (тепловые переходные отверстия, площадь меди) необходима для поддержания Tj в допустимых пределах.
• Кривая снижения мощности:График, показывающий, как максимально допустимый прямой ток уменьшается с ростом температуры окружающей среды. Это критически важный инструмент проектирования для обеспечения надежности во всех рабочих условиях.

3. Объяснение системы бинирования

Из-за производственных вариаций светодиоды не идентичны. Система бинирования классифицирует компоненты на основе ключевых параметров для обеспечения однородности в пределах производственной партии.

• Бинирование по длине волны/пиковой длине волны:Светодиоды сортируются в бины на основе их фактической пиковой длины волны, например, 935-945 нм, 940-950 нм. Это обеспечивает цветовую однородность для применения.
• Бинирование по излучательной силе/потоку:Компоненты группируются по измеренной мощности светового излучения. Например, бины могут быть определены как минимальные/типичные/максимальные значения излучательной силы при определенном испытательном токе.
• Бинирование по прямому напряжению:Светодиоды сортируются по их Vf при испытательном токе. Это помогает проектировать более однородные схемы, особенно когда несколько светодиодов соединены последовательно.

Конструкторы должны указывать требуемые бины при заказе, чтобы гарантировать необходимые для их применения характеристики.

4. Анализ характеристических кривых

Графические данные обеспечивают более глубокое понимание, чем точечные спецификации.

4.1 Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Эта кривая показывает зависимость между прямым напряжением и прямым током. Она нелинейна, демонстрируя "коленное" напряжение (обычно ~1,2 В для ИК-светодиодов), после которого ток быстро возрастает при небольших увеличениях напряжения. Это подчеркивает важность управления током, а не напряжением, для питания светодиодов.

4.2 Температурные характеристики

Ключевые графики включают:

• Прямое напряжение в зависимости от температуры перехода:Vf имеет отрицательный температурный коэффициент, то есть уменьшается с ростом температуры. Это может использоваться для измерения температуры.
• Излучательная сила в зависимости от температуры перехода:Световой выход обычно уменьшается с ростом температуры. Наклон этой кривой указывает на термическую стабильность выходного сигнала.
• Относительная интенсивность в зависимости от прямого тока:Показывает, как световой выход масштабируется с током возбуждения, обычно в линейной или слегка сублинейной зависимости, пока не начнут доминировать тепловые эффекты.

4.3 Спектральное распределение

График, отображающий относительную интенсивность в зависимости от длины волны. Для светодиода на 940 нм эта кривая будет центрирована около 940 нм с типичной FWHM 40-50 нм. Форма и ширина этой кривой влияют на взаимодействие света с фильтрами и детекторами.

5. Механическая информация и данные о корпусе

В PDF упоминаются термины упаковки, но отсутствует размерный чертеж.

• Тип корпуса:Распространенные корпуса для ИК-светодиодов включают радиальные выводы 3 мм, 5 мм и корпуса для поверхностного монтажа (SMD), такие как 0805, 1206 или специализированные ИК-корпуса.
• Габаритные размеры:Подробный механический чертеж должен указывать длину, ширину, высоту, диаметр/шаг выводов (для выводных компонентов) или размеры контактных площадок (для SMD).
• Проектирование контактных площадок/посадочного места:Для SMD-компонентов рекомендуемый посадочный рисунок на печатной плате (размер, форма и расстояние между контактными площадками) критически важен для надежной пайки и механической прочности.
• Идентификация полярности:Светодиоды являются диодами и должны быть подключены с правильной полярностью. Идентификация обычно осуществляется через плоский срез на линзе, более длинный анодный вывод или маркировку катода на корпусе SMD-компонента.

6. Рекомендации по пайке и монтажу

Правильное обращение обеспечивает надежность.

• Профиль пайки оплавлением:Для SMD-компонентов необходимо соблюдать временно-температурный профиль, определяющий предварительный нагрев, выдержку, пиковую температуру оплавления (обычно максимум 260°C в течение нескольких секунд) и скорость охлаждения.
• Ручная пайка:Если применимо, предоставляются рекомендации по температуре паяльника (<350°C) и максимальному времени пайки на вывод (например, 3 секунды) для предотвращения термического повреждения эпоксидной линзы или полупроводника.
• Меры предосторожности от ЭСР:Светодиоды чувствительны к электростатическому разряду (ЭСР). Работа должна проводиться на защищенных от ЭСР рабочих местах с использованием заземленного оборудования. Упоминание "электростатического пакета" в PDF подчеркивает это требование.
• Условия хранения:Компоненты должны храниться в сухой, контролируемой среде (например, <40°C/40% относительной влажности), чтобы предотвратить поглощение влаги, которое может вызвать "вспучивание" (popcorning) во время оплавления.

7. Упаковка и информация для заказа

Фрагмент PDF перечисляет несколько уровней упаковки.

• Электростатический пакет:Основной барьер от влаги и ЭСР для компонентов навалом или на катушках.
• Внутренняя коробка:Содержит несколько электростатических пакетов или катушек.
• Внешняя коробка:Основная транспортная коробка, содержащая несколько внутренних коробок.
• Количество в упаковке:Стандартное количество на катушке (например, 1000 шт.), в пакете или в коробке.
• Маркировка:Этикетки должны включать номер детали, количество, дату изготовления, номер партии/лота и уровень чувствительности к ЭСР/влаге (MSL).
• Правила нумерации моделей:Полный номер детали обычно кодирует ключевые атрибуты, такие как тип корпуса, бины длины волны, интенсивности и прямого напряжения.

8. Рекомендации по применению

8.1 Типовые сценарии применения

• Инфракрасные пульты дистанционного управления:Для телевизоров, приставок, аудиосистем. Длина волны 940 нм является отраслевым стандартом.
• Датчики приближения и присутствия:Используются в смартфонах (для отключения сенсорного экрана во время звонков), автоматических кранах, дозаторах мыла.
• Обнаружение и подсчет объектов:В промышленной автоматизации, торговых автоматах и охранных лучах.
• Оптическая передача данных:Для короткодистанционных, низкоскоростных каналов связи (стандарт IrDA был распространенным).
• Подсветка для ночного видения:В паре с камерами, чувствительными к ИК-излучению, для наблюдения в условиях низкой освещенности.

8.2 Особенности проектирования

• Схема управления:Всегда используйте последовательный токоограничивающий резистор или источник постоянного тока. Рассчитайте значение резистора по формуле R = (Напряжение питания - Vf) / If.
• Разводка печатной платы:Обеспечьте достаточную площадь меди или тепловые переходные отверстия под тепловой площадкой светодиода (если SMD) для отвода тепла.
• Оптическое проектирование:Рассмотрите использование линз или апертур для формирования луча. Угол излучения светодиода должен соответствовать углу обзора детектора.
• Фильтрация:Используйте ИК-пропускающий фильтр на детекторе, чтобы блокировать видимый свет и улучшить соотношение сигнал/шум.
• Модуляция:Для сенсорных применений модуляция ИК-сигнала (например, на 38 кГц) и использование синхронного детектора могут эффективно подавлять помехи от окружающего света.

9. Техническое сравнение

По сравнению с другими ИК-источниками:

• По сравнению с ИК-светодиодами на 850 нм:Светодиоды на 850 нм часто имеют слабое красное свечение и более подвержены помехам от солнечного света, но могут обеспечивать немного более высокую излучательную силу при том же токе возбуждения из-за эффективности материала. 940 нм предпочтительнее для скрытой работы и лучшей устойчивости к солнечному свету.
• По сравнению с лазерными диодами:Лазеры обеспечивают когерентный узкий луч, идеальный для дальнодействующих или прецизионных датчиков, но они дороже, требуют более сложных схем управления и мер безопасности и имеют более узкий спектр излучения.
• По сравнению с ламповыми ИК-источниками:Источники на основе нити накала излучают широкополосный ИК-свет, но они неэффективны, медленны, хрупки и выделяют значительное количество тепла.

Светодиод на 940 нм предлагает оптимальный баланс стоимости, эффективности, надежности и производительности для основных потребительских и промышленных применений.

10. Часто задаваемые вопросы (ЧАВО)

В: Почему мой светодиод на 940 нм не виден?

О: Чувствительность человеческого глаза резко падает после примерно 750 нм. 940 нм находится далеко в инфракрасном спектре и по сути невидимы, что является ключевой особенностью для многих применений.

В: Могу ли я питать этот светодиод напрямую от вывода микроконтроллера на 5 В или 3,3 В?

О: Нет. Вы всегда должны использовать последовательный токоограничивающий резистор. Вывод GPIO микроконтроллера не может обеспечить стабильный ток и может быть поврежден низким прямым напряжением светодиода, что может создать состояние, близкое к короткому замыканию.

В: Как определить оптимальное значение резистора?

О: Используйте закон Ома: R = (Vs - Vf) / If. Например, при Vs=5 В, Vf=1,4 В (типичное) и If=20 мА: R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ом. Используйте ближайшее стандартное значение (например, 180 Ом или 220 Ом).

В: Какова цель упомянутого "электростатического пакета"?

О: Он защищает светодиод от электростатического разряда (ЭСР) во время хранения и транспортировки, который может повредить чувствительный полупроводниковый переход, даже если повреждение не сразу видно.

В: Влияет ли температура окружающей среды на производительность?

О: Да, значительно. Излучательная сила уменьшается с ростом температуры, а прямое напряжение снижается. Для критически важных применений обратитесь к кривым снижения мощности и спроектируйте систему теплового управления соответствующим образом.

11. Практические примеры использования

Пример 1: Датчик приближения в смартфоне

Светодиод на 940 нм размещается рядом с разговорным динамиком. Во время активного звонка светодиод излучает короткий импульс. Близлежащий фотодетектор измеряет отраженный свет. Если объект (например, ухо пользователя) находится близко, отраженный сигнал сильный, и сенсорный экран отключается, чтобы предотвратить случайные нажатия. Длина волны 940 нм гарантирует отсутствие видимого свечения во время разговора.

Пример 2: Промышленный счетчик объектов на конвейере

ИК-светодиод и детектор устанавливаются по разные стороны конвейерной ленты, создавая луч. Когда объект проходит через него, он прерывает луч, срабатывает счетчик. Использование модулированного сигнала на 940 нм помогает системе игнорировать постоянное ИК-излучение от горячих объектов или оборудования на заводском полу.

12. Принцип работы

Инфракрасный светодиод представляет собой полупроводниковый p-n переходный диод. При прямом смещении (положительное напряжение приложено к p-стороне, аноду) электроны из n-области инжектируются через переход в p-область, а дырки из p-области инжектируются в n-область. Эти неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в противоположных областях. В полупроводниковом материале с прямой запрещенной зоной, таком как арсенид галлия (GaAs) или арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), обычно используемом для ИК-светодиодов, это событие рекомбинации высвобождает энергию в виде фотона (частицы света). Длина волны (цвет) излучаемого фотона определяется энергией запрещенной зоны (Eg) полупроводникового материала согласно уравнению λ ≈ 1240 / Eg (эВ), где λ в нанометрах. Для длины волны 940 нм энергия запрещенной зоны составляет приблизительно 1,32 эВ. Конкретный состав материала (например, AlGaAs) разработан для достижения этой точной запрещенной зоны.

13. Технологические тренды

Развитие ИК-светодиодов следует нескольким ключевым тенденциям, обусловленным требованиями приложений:

• Увеличение мощности и эффективности:Постоянные улучшения в материаловедении и конструкции кристаллов приводят к более высокой излучательной силе и эффективности (выходная оптическая мощность / входная электрическая мощность), что позволяет увеличить дальность или снизить энергопотребление.
• Миниатюризация:Размеры корпусов продолжают уменьшаться (например, корпуса масштаба кристалла), чтобы помещаться во все более компактные потребительские устройства, такие как носимые гаджеты и ультратонкие смартфоны.
• Интегрированные решения:Наблюдается тенденция к модулям, объединяющим светодиод, драйвер, фотодетектор, а иногда даже микроконтроллер в один корпус, упрощая проектирование для конечных пользователей (например, готовые модули датчиков приближения).
• Расширение в новые спектральные диапазоны:Хотя 850 нм и 940 нм доминируют, растет интерес к другим ИК-длинам волн для специализированных применений, таких как газовый анализ (с использованием специфических линий поглощения) или улучшенная визуализация биологических тканей.
• Улучшенное тепловое управление:Новые конструкции корпусов с более низким тепловым сопротивлением позволяют использовать более высокие токи возбуждения и поддерживать выходную мощность в сложных условиях.

Эти тенденции направлены на то, чтобы сделать ИК-сенсорику более надежной, компактной, энергоэффективной и доступной для более широкого спектра применений, от автомобильного лидара и биометрической аутентификации до продвинутого мониторинга окружающей среды.