Техническая документация на инфракрасный светодиод - Пиковая длина волны 940 нм

1. Обзор продукта

Настоящий документ содержит технические характеристики инфракрасного (ИК) светоизлучающего диода (светодиода). Основное применение данного компонента — в системах, требующих невидимых источников света, таких как пульты дистанционного управления, датчики приближения и подсветка для ночного видения. Ключевое преимущество компонента заключается в его специфической пиковой длине волны, которая оптимизирована для совместимости с кремниевыми фотодетекторами и обладает низкой видимостью для человеческого глаза. Целевые рынки включают потребительскую электронику, промышленную автоматизацию, системы безопасности и автомобильные приложения, где требуется надежная инфракрасная сигнализация или сенсорика.

2. Подробный анализ технических параметров

Представленные данные определяют ключевой фотометрический параметр для данного ИК-светодиода.

2.1 Фотометрические характеристики

Наиболее критичным определяемым параметром является пиковая длина волны (λp).

• Пиковая длина волны (λp):940 нанометров (нм). Это значение указывает на конкретную точку в электромагнитном спектре, в которой светодиод излучает максимальную оптическую мощность. Длина волны 940 нм находится в ближней инфракрасной (БИК) области. Эта длина волны особенно выгодна, поскольку хорошо согласуется с пиком чувствительности распространенных кремниевых фотодиодов и фототранзисторов, обеспечивая эффективную передачу и прием сигнала. Кроме того, свет с длиной волны 940 нм менее заметен в виде слабого красного свечения по сравнению с более короткими ИК-волнами, такими как 850 нм, что делает его более подходящим для скрытых применений.

Другие типичные фотометрические параметры для ИК-светодиода, такие как сила излучения (в милливаттах на стерадиан, мВт/ср), угол излучения (в градусах) и прямое напряжение при определенном токе, в данном отрывке явно не указаны, но являются необходимыми для полного проектирования схемы.

2.2 Электрические параметры

Хотя конкретные значения не приведены в предоставленном тексте, электрическое поведение ИК-светодиода определяется несколькими ключевыми параметрами, которые должен учитывать разработчик.

• Прямое напряжение (Vf):Падение напряжения на светодиоде, когда через него протекает ток. Для типичных ИК-светодиодов на основе арсенида галлия (GaAs) это значение обычно составляет от 1,2 В до 1,6 В при номинальном прямом токе.
• Прямой ток (If):Рекомендуемый непрерывный рабочий ток. Превышение максимально допустимого прямого тока может привести к быстрой деградации или катастрофическому отказу.
• Обратное напряжение (Vr):Максимальное напряжение, которое светодиод может выдержать при обратном смещении (в непроводящем направлении). ИК-светодиоды обычно имеют очень низкий номинал обратного напряжения (часто около 5 В) и уязвимы для повреждения от обратных скачков напряжения.
• Рассеиваемая мощность:Полная электрическая мощность, преобразуемая в тепло и свет (Vf * If). Для предотвращения перегрева необходимо правильное тепловое управление.

2.3 Тепловые характеристики

Тепловое управление критически важно для долговечности и стабильной работы светодиода.

• Температура перехода (Tj):Температура в активной области полупроводникового кристалла. Максимально допустимая Tj является критическим пределом.
• Тепловое сопротивление (Rθj-a):Этот параметр, измеряемый в градусах Цельсия на ватт (°C/Вт), показывает, насколько эффективно тепло отводится от перехода светодиода в окружающий воздух. Более низкое значение означает лучшую способность к рассеиванию тепла. Конструкция корпуса сильно влияет на это значение.
• Кривая снижения мощности:График, показывающий, как максимально допустимый прямой ток уменьшается с ростом температуры окружающей среды или температуры перехода. Работа в этих пределах необходима для надежности.

3. Объяснение системы бининга

Массовое производство светодиодов приводит к вариациям ключевых параметров. Биннинг — это процесс сортировки компонентов на группы (бины) на основе измеренных характеристик для обеспечения единообразия для конечного пользователя.

3.1 Биннинг по длине волны

Для данного ИК-светодиода 940 нм компоненты тестируются и сортируются в бины в соответствии с их фактической пиковой длиной волны. Например, бины могут быть определены как 935-940 нм, 940-945 нм и т.д. Это позволяет разработчикам выбирать светодиоды с более жестким допуском по длине волны, если их приложение требует точного спектрального соответствия.

3.2 Биннинг по силе излучения / оптической мощности

Светодиоды также сортируются по их излучаемой мощности. Это критически важно для приложений, требующих равномерной яркости или определенной силы сигнала. Бины определяются минимальным и максимальным значениями силы излучения (например, 20-25 мВт/ср, 25-30 мВт/ср) при стандартном испытательном токе.

3.3 Биннинг по прямому напряжению

Для упрощения проектирования схемы ограничения тока и обеспечения согласованного поведения в параллельных матрицах светодиоды сортируются по прямому напряжению (Vf). Обычные бины могут группировать светодиоды с Vf между 1,2В-1,3В, 1,3В-1,4В и так далее.

4. Анализ характеристических кривых

Графические данные необходимы для понимания поведения устройства в различных рабочих условиях.

4.1 Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Эта кривая отображает зависимость прямого тока (If) от прямого напряжения (Vf). Она показывает экспоненциальную зависимость, типичную для диода. Кривая используется для определения рабочей точки и проектирования соответствующего токоограничивающего резистора или драйверной схемы. Ключевой особенностью является "коленное" напряжение, при котором ток начинает быстро возрастать.

4.2 Зависимость от температуры

Несколько кривых иллюстрируют температурные эффекты.

• Прямое напряжение в зависимости от температуры:Обычно показывает, что Vf линейно уменьшается с ростом температуры перехода (примерно -2 мВ/°C для ИК-светодиодов). Это важно для драйверов постоянного тока.
• Сила излучения в зависимости от температуры:Показывает, как оптическая выходная мощность уменьшается с ростом температуры. Это снижение номинала критично для приложений, работающих при высоких температурах окружающей среды.
• Относительное спектральное распределение в зависимости от температуры:Демонстрирует, как пиковая длина волны может незначительно смещаться (обычно в сторону более длинных волн) с увеличением температуры.

4.3 Спектральное распределение

Этот график отображает относительную излучаемую мощность в зависимости от длины волны. Он показывает пик на 940 нм и спектральную ширину (обычно полная ширина на половине максимума, или FWHM, часто около 40-50 нм для ИК-светодиодов). Более узкая ширина полосы указывает на более монохроматический свет.

5. Механическая информация и данные о корпусе

Предоставленный отрывок содержит конкретные детали упаковки.

5.1 Иерархия упаковки

Компонент защищен многослойной системой упаковки:

• Антистатический пакет для защиты от электростатического разряда (ESD):Основной контейнер для отдельных компонентов светодиодов или катушек. Этот пакет изготовлен из статически рассеивающего материала для предотвращения повреждения от электростатического разряда при обращении и хранении.
• Внутренняя коробка:Небольшая коробка или лоток, в котором находятся несколько антистатических пакетов или катушек, обеспечивая физическую структуру и дополнительную защиту.
• Внешняя транспортная коробка:Основной транспортный контейнер, содержащий несколько внутренних коробок. Он разработан для прочности во время транспортировки и хранения.

5.2 Количество в упаковке

В документе явно указан параметр "Количество в упаковке". Это относится к количеству отдельных компонентов светодиодов, содержащихся в одной стандартной отгрузочной единице (например, на катушке, в тубе или в пакете внутри внутренней коробки). Типичные количества для поверхностно-монтируемых устройств составляют 1000, 2000 или 5000 штук на катушке.

5.3 Габаритные размеры и полярность

Хотя точные размеры не указаны, типичный корпус ИК-светодиода (например, 3 мм или 5 мм выводной светодиод или поверхностно-монтируемый корпус, такой как 0805 или 1206) будет иметь подробный механический чертеж. Этот чертеж определяет длину, ширину, высоту корпуса, расстояние между выводами (шаг) и размеры выводов. Критически важно, что он включает идентификацию полярности, обычно указывая катод (отрицательную сторону) через плоский край на линзе, более короткий вывод, точку на корпусе или специальную маркировку на посадочном месте.

6. Рекомендации по пайке и монтажу

Правильная сборка жизненно важна для надежности.

6.1 Профиль оплавления припоя

Для поверхностно-монтируемых ИК-светодиодов необходимо соблюдать рекомендуемый профиль оплавления. Он включает:

• Скорость предварительного нагрева / подъема температуры:Обычно 1-3°C в секунду, чтобы избежать теплового удара.
• Зона выдержки (преднагрева):Период при температуре ниже температуры плавления припоя для активации флюса и выравнивания температуры платы.
• Зона оплавления (жидкой фазы):Пиковая температура, которая должна быть достаточно высокой для расплавления припоя (например, 240-250°C для SAC305), но достаточно низкой и кратковременной, чтобы не повредить светодиод (максимальная температура корпуса часто составляет 260°C в течение 10 секунд).
• Скорость охлаждения:Контролируемое охлаждение для правильного затвердевания паяных соединений.

6.2 Ключевые меры предосторожности

• Защита от электростатического разряда (ESD):Всегда обращайтесь с компонентами в антистатической среде, используя заземленные браслеты и проводящие коврики.
• Уровень чувствительности к влаге (MSL):Если применимо, корпус будет иметь рейтинг MSL (например, MSL 3). Компоненты, превысившие срок хранения на открытом воздухе, должны быть просушены перед оплавлением, чтобы предотвратить повреждение типа "попкорн".
• Очистка:Используйте только совместимые чистящие растворители, которые не повредят линзу светодиода или эпоксидную смолу.
• Механическое напряжение:Избегайте прямого давления на линзу светодиода во время установки или тестирования.

6.3 Условия хранения

Компоненты должны храниться в оригинальных, невскрытых антистатических пакетах в контролируемой среде. Рекомендуемые условия обычно составляют температуру от 5°C до 30°C и относительную влажность ниже 60%. Избегайте воздействия прямого солнечного света, коррозионных газов или чрезмерной пыли.

7. Информация об упаковке и заказе

Данные о жизненном цикле документа указывают на "Ревизия: 5" и "Срок действия: Бессрочно", что позволяет предположить, что это стабильный документ, не контролируемый на предмет устаревания, выпущенный 27.05.2013. Спецификация упаковки четко определена в разделе 5.1. Код заказа или номер модели обычно следуют соглашению об именовании, которое кодирует ключевые атрибуты, такие как тип корпуса, бин длины волны, бин интенсивности и количество в упаковке (например, "IR940-SMD1206-B2-2K" может обозначать ИК-светодиод 940 нм в корпусе 1206, бин интенсивности B2, поставляемый на катушке с 2000 штук).

8. Рекомендации по применению

8.1 Типовые сценарии применения

• Инфракрасные пульты дистанционного управления:Для телевизоров, аудиосистем и приставок. Длина волны 940 нм является отраслевым стандартом.
• Датчики приближения и присутствия:Используются в смартфонах для отключения сенсорных экранов во время звонков, в автоматических кранах и в выключателях охранного освещения.
• Подсчет и обнаружение объектов:В торговых автоматах, промышленных сборочных линиях и печатном оборудовании.
• Подсветка для ночного видения:В паре с камерой, чувствительной к ИК-излучению, для наблюдения в условиях низкой освещенности.
• Оптическая передача данных:Для коротко- и низкоскоростной последовательной связи (IrDA) или промышленных каналов передачи данных.

8.2 Соображения при проектировании

• Драйверная схема:Всегда используйте последовательный токоограничивающий резистор или драйвер постоянного тока. Никогда не подключайте светодиод напрямую к источнику напряжения.
• Теплоотвод:Для работы с высоким током или при высоких температурах окружающей среды обеспечьте достаточную площадь медной подложки на печатной плате или внешний радиатор для управления тепловым сопротивлением светодиода.
• Оптическое проектирование:Учитывайте угол излучения светодиода. Используйте линзы или отражатели для коллимации или рассеивания луча в соответствии с требованиями приложения.
• Согласование с фотодетектором:Убедитесь, что выбранный фотодетектор (фотодиод, фототранзистор) имеет высокую чувствительность на длине волны 940 нм. Используйте ИК-фильтр для блокировки видимого света, если окружающая среда зашумлена.
• Устойчивость к электрическим помехам:В сенсорных приложениях модулируйте ИК-сигнал (например, несущей частотой 38 кГц) и используйте настроенный приемник для подавления помех от окружающего света (солнечного света или люминесцентных ламп).

9. Техническое сравнение

По сравнению с другими ИК-источниками, данный светодиод 940 нм предлагает конкретные преимущества.

• По сравнению с ИК-светодиодами 850 нм:Свет с длиной волны 940 нм гораздо менее заметен в виде слабого красного свечения, что делает его превосходным для скрытого наблюдения. Однако кремниевые фотодетекторы немного менее чувствительны на 940 нм, чем на 850 нм, а атмосферное поглощение несколько выше.
• По сравнению с лампами накаливания ИК-диапазона:Светодиоды гораздо эффективнее, имеют более быстрое время отклика (позволяя высокоскоростную модуляцию), более механически прочны и имеют гораздо больший срок службы (десятки тысяч часов).
• По сравнению с лазерными диодами:Светодиоды имеют более широкий спектральный выход и гораздо большую площадь излучения, создавая рассеянный луч, с которым легче работать для общего освещения и сенсорики. Они также значительно дешевле и не требуют сложных схем управления и безопасности, как лазерные диоды.

10. Часто задаваемые вопросы (ЧАВО)

В1: Какова цель пиковой длины волны 940 нм?
О1: Длина волны 940 нм является оптимальной, поскольку она хорошо согласуется с чувствительностью кремниевых фотодетекторов, оставаясь почти невидимой для человеческого глаза, что делает ее идеальной для незаметного сенсорного применения и пультов дистанционного управления.

В2: Как определить правильное значение токоограничивающего резистора?
О2: Используйте закон Ома: R = (Vпитания - Vf) / If. Вы должны знать напряжение питания (Vпитания), прямое напряжение светодиода (Vf) из его даташита или бина и желаемый прямой ток (If). Всегда убеждайтесь, что мощность резистора (P = (Vпитания - Vf) * If) достаточна.

В3: Можно ли использовать этот светодиод на улице?
О3: Да, но с мерами предосторожности. Эпоксидная линза может деградировать при длительном воздействии УФ-излучения. Что более важно, яркий солнечный свет содержит сильные ИК-компоненты, которые могут насыщать приемники. Использование оптических фильтров и модулированных сигналов необходимо для надежной работы на открытом воздухе.

В4: Почему защита от ESD так важна для светодиодов?
О4: Полупроводниковый переход в светодиоде чрезвычайно чувствителен к высоковольтным электростатическим разрядам. Событие ESD может мгновенно ухудшить оптическую выходную мощность, увеличить ток утечки или вызвать полный отказ без видимых повреждений.

В5: На что указывает "Количество в упаковке"?
О5: Это указывает количество отдельных компонентов светодиодов, поставляемых в одной стандартной единице продажи, например, на катушке, в тубе или в антистатическом пакете. Это критически важно для планирования производства и управления запасами.

11. Практические примеры использования

11.1 Простой датчик приближения

Базовый отражательный датчик можно построить, разместив ИК-светодиод 940 нм и фототранзистор рядом. Светодиод управляется импульсным током. Когда объект приближается, он отражает ИК-свет обратно на фототранзистор, вызывая увеличение его коллекторного тока. Затем компараторная схема может сформировать цифровой выходной сигнал. Эта конструкция используется для обнаружения бумаги в принтерах и активации сушилок для рук.

11.2 Дальнобойный ИК-осветитель для систем видеонаблюдения

Для камер ночного видения безопасности строится массив из нескольких мощных ИК-светодиодов 940 нм. Светодиоды управляются драйвером постоянного тока, способным выдавать несколько сотен миллиампер. Перед массивом размещается линза Френеля для коллимации света в луч, увеличивая эффективную дальность подсветки до десятков метров. Тепловое управление с помощью большого алюминиевого радиатора критически важно для этой мощной конструкции.

12. Принцип работы

Инфракрасный светоизлучающий диод (ИК-светодиод) — это полупроводниковое устройство с p-n переходом. При прямом смещении (положительное напряжение приложено к p-области относительно n-области) 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 полупроводнике с прямой запрещенной зоной, таком как арсенид галлия (GaAs), 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 = hc/Eg, где h — постоянная Планка, а c — скорость света. Путем регулирования состава полупроводникового сплава (например, с использованием AlGaAs или InGaAs) запрещенная зона и, следовательно, излучаемая длина волны могут быть точно контролируемы, что приводит к указанному здесь выходному излучению 940 нм.

13. Тенденции развития технологий

Область технологий ИК-светодиодов продолжает развиваться. Ключевые тенденции включают:

• Увеличение мощности и эффективности:Постоянные улучшения в материаловедении и конструкции корпусов приводят к созданию ИК-светодиодов с более высокой излучаемой мощностью и эффективностью преобразования электроэнергии в свет (стендовый КПД), что позволяет создавать устройства меньшего размера или увеличивать дальность при той же входной мощности.
• Миниатюризация:Стремление к уменьшению размеров потребительской электроники подталкивает ИК-светодиоды к использованию все более мелких поверхностно-монтируемых корпусов (например, 0402, 0201) и корпусов чип-скейл (CSP).
• Интегрированные решения:Наблюдается тенденция к объединению ИК-светодиода, фотодетектора, драйверной схемы и обработки сигналов (например, подавления фоновой засветки) в единый модуль или систему в корпусе (SiP), что упрощает проектирование для конечных пользователей.
• Расширение на новые длины волн:Хотя доминируют 850 нм и 940 нм, растет интерес к другим ИК-длинам волн для специализированных применений, таких как 1050 нм для безопасного для глаз LiDAR или определенные полосы для газового анализа.
• Улучшенное тепловое управление:Новые конструкции корпусов с более низким тепловым сопротивлением и материалы с лучшей теплопроводностью увеличивают срок службы светодиодов и позволяют использовать более высокие токи управления.