红外LED 940nm 数据手册 - 技术文档

产品概述

本文档提供了一款红外（IR）发光二极管（LED）元件的全面技术概述。该器件的主要功能是发射近红外光谱的光，其峰值波长（λp）为940纳米（nm）。该波长对人眼不可见，但对于各种传感和遥控应用非常有效。该元件专为集成到需要可靠、稳定红外光源的电子组件中而设计。

这款红外LED的核心优势在于其指定的940nm发射波长，这是电视遥控器和接近传感器等消费电子产品的通用标准。该波长在硅光电探测器的灵敏度和环境光抑制之间实现了良好平衡。目标市场包括消费电子、工业自动化、安防系统以及任何需要非可见光进行信号传输、检测或数据传输的应用。

深入技术参数分析

所提供的PDF片段突出了一个关键的光度学参数：峰值波长。

2.1 光度特性

峰值波长 (λp): 940nm

这是LED发出的最主要波长，在此波长处辐射强度达到最大值。峰值波长为940nm具有重要意义，原因如下：

• 硅探测器兼容性： 硅光电二极管和光电晶体管是最常见的红外探测器，其峰值灵敏度通常在800纳米至950纳米范围内。940纳米光源与此高度匹配，可确保高效的探测和强劲的信号强度。
• 低可见光发射： 虽然部分近红外LED会发出微弱的红光，但940nm LED几乎不可见，这使其成为隐蔽应用或需要避免可见光泄漏场景的理想选择。
• 抗日光干扰能力： 太阳辐照光谱在940nm附近存在一个局部最小值，这使得采用该波长的传感器相较于例如850nm LED，更不易受到环境日光的干扰。

虽然PDF节选仅显示了峰值波长，但完整的数据手册通常还会包含其他光度参数，例如辐射强度（单位：毫瓦每球面度，mW/sr）、视角（半强度角，单位：度）以及光谱带宽（半峰全宽，FWHM，单位：nm）。

2.2 电气参数

尽管提供的文本中没有明确列出，但理解电气特性对于设计至关重要。

• 正向电压 (Vf): LED在其额定电流下工作时两端的电压降。对于典型的红外LED，该值通常在1.2V至1.6V之间，但具体数值取决于半导体材料和芯片设计。此参数对于选择合适的限流电阻或驱动电路至关重要。
• 正向电流 (If): 推荐的连续工作电流，对于标准封装通常介于20mA至100mA之间。超过最大正向电流可能导致快速性能衰减或灾难性故障。
• 反向电压 (Vr): LED在反向偏压下可承受而不损坏的最大电压，通常约为5V。超过此电压可能导致PN结击穿。
• 功耗: 计算公式为 Vf * If，它决定了元件的热负荷，并影响是否需要散热措施。

2.3 热特性

LED的性能和寿命在很大程度上取决于结温。

• 热阻（Rθj-a）： 热量从半导体结传导到周围空气的阻力，以摄氏度每瓦（°C/W）表示。数值越低，表示散热能力越好。
• 最高结温（Tj max）： 半导体结处允许的最高温度。在此限值以上工作会急剧缩短LED的使用寿命。适当的PCB布局（散热过孔、铜箔面积）对于将结温保持在限值内至关重要。
• 降额曲线: 该图表显示了最大允许正向电流如何随环境温度升高而降低。这是确保在所有工作条件下可靠性的关键设计工具。

3. 分级系统说明

制造差异意味着LED并非完全一致。分档系统根据关键参数对元件进行分类，以确保生产批次内的一致性。

• 波长/峰值波长分档： LED根据其实际峰值波长进行分档，例如935-945纳米、940-950纳米。这确保了应用中的颜色一致性。
• 辐射强度/光通量分档： 元件根据其测量的光输出功率进行分组。例如，分档可以定义为在特定测试电流下的最小/典型/最大辐射强度值。
• 正向电压分档： 发光二极管（LED）根据其在测试电流下的正向电压（Vf）进行分类。这有助于设计更均匀的电路，尤其是在多个LED串联连接时。

设计人员在订购时必须指定所需的分档，以确保其应用所需的性能。

4. 性能曲线分析

图形化数据比单点规格参数能提供更深入的洞察。

4.1 电流-电压 (I-V) 特性曲线

该曲线展示了正向电压与正向电流之间的关系。它是非线性的，存在一个“拐点”电压（对于红外LED，通常约为1.2V），超过此电压后，电流会随着电压的微小增加而急剧上升。这强调了驱动LED时进行电流控制而非电压控制的重要性。

4.2 温度特性

关键图表包括：

• 正向电压与结温的关系： Vf具有负温度系数，这意味着它随温度升高而降低。此特性可用于温度传感。
• 辐射强度与结温的关系： 光输出通常随温度升高而降低。该曲线的斜率表明了输出的热稳定性。
• 相对强度与正向电流关系： 展示了光输出如何随驱动电流变化而变化，通常在热效应占主导之前呈线性或轻微亚线性关系。

4.3 光谱分布

一幅以波长为横轴、相对强度为纵轴的图表。对于940nm LED，该曲线通常以940nm为中心，典型的半高全宽为40-50nm。此曲线的形状和宽度会影响光与滤光片及探测器的相互作用。

5. 机械与封装信息

PDF中提到了封装术语，但缺少尺寸图纸。

• 封装类型： 红外LED的常见封装包括3mm、5mm径向引线封装，以及表面贴装器件（SMD）封装，如0805、1206或专用的红外封装。
• 尺寸： 详细的机械图纸会注明长度、宽度、高度、引脚直径/间距（对于通孔元件）或焊盘尺寸（对于贴片元件）。
• 焊盘设计/焊盘布局： 对于贴片元件，推荐的PCB封装（焊盘尺寸、形状和间距）对于实现可靠的焊接和机械强度至关重要。
• 极性识别： LED是二极管，必须按正确极性连接。通常可通过透镜上的平边、较长的阳极引脚或SMD封装体上标记的阴极来识别。

6. 焊接与组装指南

正确处理可确保可靠性。

• 回流焊接温度曲线： 对于SMD元件，必须遵循规定预热、浸润、回流峰值温度（通常最高260°C，持续数秒）和冷却速率的时间-温度曲线。
• 手工焊接： If applicable, guidelines for iron temperature (<350°C) and maximum soldering time per lead (e.g., 3 seconds) are provided to prevent thermal damage to the epoxy lens or semiconductor.
• ESD预防措施： LED对静电放电敏感。应在配备ESD防护的工作站上使用接地设备进行操作。PDF中提到的“静电防护袋”突显了此项要求。
• 储存条件： Components should be stored in a dry, controlled environment (e.g., <40°C/40% RH) to prevent moisture absorption, which can cause "popcorning" during reflow.

7. 封装与订购信息

PDF片段列出了几个包装层级。

• 静电袋： 用于散装元件或卷盘的主要防潮和防静电屏障。
• 内盒： 内含多个静电袋或卷盘。
• 外箱： 包含多个内箱的主运输箱。
• 包装数量： 每卷（例如1000件）、每袋或每箱的标准数量。
• 标签： 标签应包含部件号、数量、日期代码、批次号以及静电放电/湿度敏感等级（MSL）。
• 型号命名规则： 完整的部件号通常编码了关键属性，如封装类型、波长分档、光强分档和正向电压分档。

8. 应用建议

8.1 典型应用场景

• Infrared Remote Controls: 适用于电视、机顶盒、音响系统。940纳米波长是行业标准。
• 接近与存在传感器： 用于智能手机（通话时禁用触摸屏）、自动水龙头、皂液器。
• 物体检测与计数： 应用于工业自动化、自动售货机及安防光束领域。
• 光学数据传输： 适用于短距离、低速数据链路（IrDA曾是一种常见标准）。
• 夜视照明： 与红外敏感摄像头配对，用于低光照条件下的监控。

8.2 设计考量

• 驱动电路： 务必使用串联限流电阻或恒流驱动器。使用公式 R = (电源电压 - Vf) / If 计算电阻值。
• PCB布局： 在LED的散热焊盘下（如果是SMD封装）提供足够的铜箔面积或散热过孔以进行散热。
• 光学设计： 考虑使用透镜或光阑来塑形光束。LED的视角必须与探测器的视场角匹配。
• 滤波： 在探测器上使用红外带通滤波器以阻挡可见光并提高信噪比。
• 调制： 对于传感应用，调制红外信号（例如在38kHz）并使用同步探测器可以有效抑制环境光干扰。

9. 技术对比

与其他红外光源相比：

• 对比 850nm 红外 LED： 850纳米LED通常带有微弱的红光，且更易受阳光干扰，但由于材料效率原因，在相同驱动电流下可能提供略高的辐射强度。940纳米则更适用于隐蔽操作，并具有更好的阳光抑制能力。
• 与激光二极管对比： 激光提供相干、狭窄的光束，非常适合远距离或高精度传感，但成本更高，需要更复杂的驱动和安全措施，且发射光谱更窄。
• 与白炽红外光源对比： 基于灯丝的光源可发射广谱红外光，但存在效率低、响应慢、易损坏且发热量大的缺点。

对于主流消费及工业应用而言，940nm LED 在成本、效率、可靠性和性能之间实现了最佳平衡。

10. 常见问题解答

问：为什么我的940nm LED不可见？
答：人眼灵敏度在大约750nm以上急剧下降。940nm远在红外光谱范围内，基本上是不可见的，这是许多应用中的一个关键特性。

问：我能否直接用5V或3.3V微控制器引脚驱动这个LED？
A: 不。您必须始终串联一个限流电阻。微控制器的GPIO引脚无法提供稳定电流，且可能因LED的低正向电压而受损，这可能导致近乎短路的情况。

Q: 如何确定最佳电阻值？
A: 使用欧姆定律：R = (Vs - Vf) / If。例如，当Vs=5V、Vf=1.4V（典型值）且If=20mA时：R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180欧姆。使用最接近的标准值（例如180Ω或220Ω）。

Q: 提到的“静电袋”有什么用途？
A> It protects the LED from electrostatic discharge (ESD) during storage and transport, which can damage the sensitive semiconductor junction even if the damage is not immediately visible.

问：环境温度是否影响性能？
A> Yes, significantly. Radiant intensity decreases as temperature increases, and forward voltage decreases. For critical applications, consult the derating curves and design thermal management accordingly.

11. 实际应用案例

案例研究1：智能手机接近传感器
一个940nm LED被放置在听筒附近。当通话激活时，该LED会发射一个短暂脉冲。附近的光电探测器测量反射光。如果有物体（如用户的耳朵）靠近，反射信号会很强，触摸屏将被禁用以防止误触。940nm波长确保了通话过程中不会看到可见光。

案例研究2：工业传送带物体计数器
一个红外LED和探测器安装在传送带的两侧，形成一道光束。当物体通过时，它会阻断光束，从而触发计数器。使用调制的940nm信号有助于系统忽略工厂车间内高温物体或机械设备产生的恒定红外辐射。

12. 工作原理

红外LED是一种半导体p-n结二极管。当正向偏置时（正电压施加于p侧，即阳极），来自n区的电子被注入到p区，而来自p区的空穴则被注入到n区。这些少数载流子会在相对的区域与多数载流子复合。在常用于红外LED的直接带隙半导体材料中，如砷化镓（GaAs）或砷化铝镓（AlGaAs），这种复合事件会以光子（光粒子）的形式释放能量。发射光子的波长（颜色）由半导体材料的带隙能量（Eg）决定，遵循公式 λ ≈ 1240 / Eg (eV)，其中λ的单位为纳米。对于940纳米的波长，带隙能量约为1.32 eV。特定的材料成分（例如AlGaAs）经过设计，以实现这一精确的带隙。

13. 技术趋势

红外LED的发展遵循由应用需求驱动的几个关键趋势：

• 更高的功率与效率： 材料科学与芯片设计的持续进步带来了更高的辐射强度和电光转换效率（输出光功率/输入电功率），从而实现更远的探测距离或更低的功耗。
• 小型化： 封装尺寸持续缩小（例如芯片级封装），以适应可穿戴设备和超薄智能手机等日益微型化的消费电子设备。
• 集成解决方案： 目前有一种趋势是将LED、驱动器、光电探测器，有时甚至微控制器集成到单个封装中，从而为终端用户简化设计（例如，完整的接近传感器模块）。
• 向新光谱领域拓展： 尽管850纳米和940纳米是主流波长，但对于特定应用（如利用特定吸收谱线的气体传感或增强的生物组织成像），其他红外波长的关注度正日益增长。
• 改进的热管理： 采用更低热阻的新型封装设计，使得在苛刻环境下能够使用更高的驱动电流并维持稳定的输出。

这些趋势旨在使红外传感更加可靠、紧凑、节能，并适用于更广泛的应用领域，从汽车激光雷达和生物特征识别到先进的环境监测。