紅外線LED 940nm 規格書 - 技術文件

1. 產品概覽

呢份文件提供咗一個紅外線發光二極管元件嘅全面技術概覽。呢個元件嘅主要功能係發射近紅外光譜嘅光，特別係峰值波長 (λp) 為 940 納米 (nm)。呢個波長係人眼睇唔到嘅，但對於各種感應同遙控應用就非常有效。呢個元件設計用於需要可靠同穩定紅外光源嘅電子組件。

呢款紅外線 LED 嘅核心優勢在於其指定嘅 940nm 發射波長，呢個係消費電子產品（例如電視遙控器同接近感應器）嘅常見標準。呢個波長喺矽光電探測器靈敏度同環境光抑制之間取得良好平衡。目標市場包括消費電子產品、工業自動化、安全系統，以及任何需要非可見光進行信號傳輸、檢測或數據傳輸嘅應用。

2. 深入技術參數分析

提供嘅 PDF 片段強調咗一個關鍵嘅光度參數：峰值波長。

2.1 光度特性

峰值波長 (λp): 940nm

呢個係 LED 發射出嚟最突出嘅波長，即輻射強度達到最大值嘅位置。940nm 峰值之所以重要，有幾個原因：

• 矽探測器兼容性：矽光電二極管同光電晶體管（最常見嘅紅外線探測器）嘅峰值靈敏度通常喺 800nm 到 950nm 嘅範圍內。940nm 光源同呢個範圍好匹配，確保咗高效檢測同強勁嘅信號強度。
• 低可見光發射：雖然一啲近紅外 LED 會發出微弱嘅紅光，但 940nm LED 幾乎係睇唔到嘅，令佢哋非常適合隱蔽應用或者唔希望有可見光洩漏嘅場合。
• 抗陽光干擾：太陽輻射光譜喺 940nm 附近有一個局部最小值，相比起例如 850nm LED，使用呢個波長嘅感應器較少受到環境陽光嘅干擾。

雖然 PDF 摘錄只顯示咗峰值波長，但一份完整嘅規格書通常會包括其他光度參數，例如輻射強度（單位為毫瓦每球面度，mW/sr）、視角（半強度角，單位為度）同光譜帶寬（半高全寬，FWHM，單位為 nm）。

2.2 電氣參數

雖然提供嘅文本冇明確列出，但理解電氣特性對於設計係基本嘅。

• 正向電壓 (Vf)：LED 喺指定電流下工作時嘅電壓降。對於典型嘅紅外線 LED，呢個值通常喺 1.2V 到 1.6V 之間，但確切值取決於半導體材料同芯片設計。呢個參數對於選擇合適嘅限流電阻或驅動電路至關重要。
• 正向電流 (If)：建議嘅連續工作電流，對於標準封裝通常喺 20mA 到 100mA 之間。超過最大正向電流會導致快速退化或災難性故障。
• 反向電壓 (Vr)：LED 喺反向偏壓下可以承受而唔受損壞嘅最大電壓，通常約為 5V。超過呢個值會擊穿 PN 結。
• 功耗：計算公式為 Vf * If，呢個決定咗元件上嘅熱負載，並影響散熱嘅需求。

2.3 熱特性

LED 嘅性能同壽命好大程度上取決於結溫。

• 熱阻 (Rθj-a)：從半導體結到環境空氣嘅熱流阻力，以攝氏度每瓦 (°C/W) 表示。數值越低表示散熱能力越好。
• 最高結溫 (Tj max)：半導體結允許嘅最高溫度。喺呢個限制以上工作會急劇縮短 LED 嘅壽命。適當嘅 PCB 佈局（散熱通孔、銅面積）對於將 Tj 保持喺限制範圍內至關重要。
• 降額曲線：顯示最大允許正向電流如何隨環境溫度升高而降低嘅圖表。呢個係確保所有工作條件下可靠性嘅關鍵設計工具。

3. 分級系統解釋

製造差異意味住 LED 並唔完全相同。分級系統根據關鍵參數對元件進行分類，以確保生產批次內嘅一致性。

• 波長/峰值波長分級：LED 根據其實際峰值波長進行分類，例如 935-945nm、940-950nm。呢個確保咗應用嘅顏色一致性。
• 輻射強度/光通量分級：元件根據其測量到嘅光輸出功率進行分組。例如，分級可能定義為特定測試電流下嘅最小/典型/最大輻射強度值。
• 正向電壓分級：LED 根據其喺測試電流下嘅 Vf 進行分類。呢個有助於設計更均勻嘅電路，特別係當多個 LED 串聯連接時。

設計師訂購時必須指定所需嘅分級，以保證其應用所需嘅性能。

4. 性能曲線分析

圖形數據比單點規格提供更深入嘅洞察。

4.1 電流對電壓 (I-V) 曲線

呢條曲線顯示正向電壓同正向電流之間嘅關係。佢係非線性嘅，呈現一個 "膝點" 電壓（紅外線 LED 通常約為 ~1.2V），超過呢個電壓後，電流會隨電壓嘅微小增加而快速增加。呢個強調咗對於驅動 LED 嚟講，電流控制（而唔係電壓控制）嘅重要性。

4.2 溫度特性

關鍵圖表包括：

• 正向電壓對結溫：Vf 具有負溫度係數，意味住佢隨溫度升高而降低。呢個可以用於溫度感應。
• 輻射強度對結溫：光輸出通常隨溫度升高而降低。呢條曲線嘅斜率表示輸出嘅熱穩定性。
• 相對強度對正向電流：顯示光輸出如何隨驅動電流變化，通常係線性或略低於線性關係，直到熱效應佔主導地位。

4.3 光譜分佈

一張繪製相對強度對波長嘅圖表。對於 940nm LED，呢條曲線會以 940nm 為中心，典型 FWHM 為 40-50nm。呢條曲線嘅形狀同寬度會影響光線同濾光片同探測器嘅相互作用。

5. 機械同封裝資料

PDF 提到封裝術語，但缺乏尺寸圖。

• 封裝類型：紅外線 LED 嘅常見封裝包括 3mm、5mm 徑向引腳，以及表面貼裝器件 (SMD) 封裝，例如 0805、1206，或專門嘅紅外線封裝。
• 尺寸：詳細嘅機械圖會指定長度、寬度、高度、引腳直徑/間距（對於通孔式），或焊盤尺寸（對於 SMD）。
• 焊盤設計/焊盤圖案：對於 SMD 部件，推薦嘅 PCB 佔位面積（焊盤尺寸、形狀同間距）對於可靠焊接同機械強度至關重要。
• 極性識別：LED 係二極管，必須以正確極性連接。識別通常通過透鏡上嘅平邊、較長嘅陽極引腳，或 SMD 封裝主體上標記嘅陰極嚟進行。

6. 焊接同組裝指引

正確處理確保可靠性。

• 回流焊溫度曲線：對於 SMD 元件，必須遵循指定預熱、保溫、回流峰值溫度（通常最高 260°C，持續幾秒）同冷卻速率嘅時間-溫度曲線。
• 手工焊接：如果適用，會提供烙鐵溫度（<350°C）同每個引腳嘅最大焊接時間（例如 3 秒）嘅指引，以防止環氧樹脂透鏡或半導體受到熱損壞。
• 靜電放電預防措施：LED 對靜電放電敏感。處理應喺具有 ESD 保護嘅工作站使用接地設備進行。PDF 中提到 "靜電袋" 就突顯咗呢個要求。
• 儲存條件：元件應儲存喺乾燥、受控嘅環境中（例如，<40°C/40% RH），以防止吸濕，吸濕會導致回流焊期間出現 "爆米花" 現象。

7. 包裝同訂購資料

PDF 片段列出咗幾個包裝級別。

• 靜電袋：散裝元件或卷盤嘅主要防潮同 ESD 屏障。
• 內盒：包含多個靜電袋或卷盤。
• 外箱：包含多個內盒嘅主運輸箱。
• 包裝數量：每卷（例如 1000 件）、每袋或每箱嘅標準數量。
• 標籤：標籤應包括零件編號、數量、日期代碼、批次號，以及 ESD/濕度敏感等級 (MSL)。
• 型號編碼規則：完整嘅零件編號通常會編碼關鍵屬性，例如封裝類型、波長分級、強度分級同正向電壓分級。

8. 應用建議

8.1 典型應用場景

• 紅外線遙控器：用於電視、機頂盒、音響系統。940nm 波長係行業標準。
• 接近感應器同存在感應器：用於智能手機（通話期間停用觸摸屏）、自動水龍頭、皂液器。
• 物體檢測同計數：用於工業自動化、自動售貨機同安全光束。
• 光學數據傳輸：用於短距離、低速數據鏈路（IrDA 曾經係一個常見標準）。
• 夜視照明：與紅外敏感攝像頭配對，用於低光條件下嘅監控。

8.2 設計考慮因素

• 驅動電路：務必使用串聯限流電阻或恆流驅動器。使用公式 R = (電源電壓 - Vf) / If 計算電阻值。
• PCB 佈局：喺 LED 嘅散熱焊盤（如果係 SMD）下方提供足夠嘅銅面積或散熱通孔以散熱。
• 光學設計：考慮使用透鏡或光圈嚟塑造光束。LED 嘅視角必須與探測器嘅視場匹配。
• 濾波：喺探測器上使用紅外透射濾光片以阻擋可見光並提高信噪比。
• 調製：對於感應應用，調製紅外信號（例如 38kHz）並使用同步探測器可以有效抑制環境光干擾。

9. 技術比較

與其他紅外線光源比較：

• 對比 850nm 紅外線 LED：850nm LED 通常有微弱紅光，更容易受到陽光干擾，但由於材料效率，相同驅動電流下可能提供略高嘅輻射強度。940nm 更適合隱蔽操作同更好嘅陽光抑制。
• 對比激光二極管：激光提供相干、窄光束，適合遠距離或精確感應，但更昂貴，需要更複雜嘅驅動同安全措施，並且發射光譜更窄。
• 對比白熾紅外線光源：基於燈絲嘅光源發射寬頻譜紅外線，但效率低、速度慢、易碎，並且產生大量熱量。

940nm LED 為主流的消費同工業應用提供咗成本、效率、可靠性同性能嘅最佳平衡。

10. 常見問題 (FAQs)

問：點解我嘅 940nm LED 睇唔到？

答：人眼嘅靈敏度喺大約 750nm 之後急劇下降。940nm 深入紅外光譜，基本上係睇唔到嘅，呢個係許多應用嘅關鍵特點。

問：我可以直接用 5V 或 3.3V 微控制器引腳驅動呢個 LED 嗎？

答：唔可以。你必須始終使用一個串聯限流電阻。微控制器嘅 GPIO 引腳無法提供穩定電流，並且可能因 LED 嘅低正向電壓而受損，呢個可能會造成近乎短路嘅情況。

問：我點樣確定最佳電阻值？

答：使用歐姆定律：R = (Vs - Vf) / If。例如，Vs=5V，Vf=1.4V（典型值），If=20mA：R = (5 - 1.4) / 0.02 = 180 歐姆。使用下一個標準值（例如 180Ω 或 220Ω）。

問：提到嘅 "靜電袋" 有咩用途？

答：佢保護 LED 喺儲存同運輸期間免受靜電放電 (ESD) 損壞，即使損壞唔係立即可見，ESD 都可能損壞敏感嘅半導體結。

問：環境溫度會影響性能嗎？

答：會，影響顯著。輻射強度隨溫度升高而降低，正向電壓亦會降低。對於關鍵應用，請參考降額曲線並相應地設計熱管理。

11. 實際使用案例

案例研究 1：智能手機接近感應器

一個 940nm LED 放置喺聽筒附近。當有來電時，LED 發出短暫脈衝。附近嘅光電探測器測量反射光。如果有物體（例如用戶嘅耳朵）靠近，反射信號就強，觸摸屏就會被停用以防止意外輸入。940nm 波長確保通話期間睇唔到任何可見光。

案例研究 2：工業輸送帶物體計數器

一個紅外線 LED 同探測器安裝喺輸送帶嘅兩側，形成一道光束。當物體通過時，佢會切斷光束，觸發計數器。使用調製嘅 940nm 信號有助於系統忽略工廠地面上熱物體或機器發出嘅恆定紅外輻射。

12. 工作原理

紅外線 LED 係一種半導體 p-n 結二極管。當正向偏壓（正電壓施加到 p 側，陽極）時，來自 n 區嘅電子被注入穿過結進入 p 區，而來自 p 區嘅空穴被注入到 n 區。呢啲少數載流子喺相反區域內與多數載流子複合。喺用於紅外線 LED 嘅直接帶隙半導體材料（例如砷化鎵 (GaAs) 或砷化鋁鎵 (AlGaAs)）中，呢個複合事件以光子（光粒子）嘅形式釋放能量。發射光子嘅波長（顏色）由半導體材料嘅帶隙能量 (Eg) 決定，根據公式 λ ≈ 1240 / Eg (eV)，其中 λ 以納米為單位。對於 940nm 波長，帶隙能量約為 1.32 eV。特定嘅材料成分（例如 AlGaAs）經過設計以實現呢個精確嘅帶隙。

13. 技術趨勢

紅外線 LED 嘅發展遵循幾個由應用需求驅動嘅關鍵趨勢：

• 功率同效率提升：持續嘅材料科學同芯片設計改進帶來更高嘅輻射強度同電光轉換效率（光功率輸出 / 電功率輸入），實現更長距離或更低功耗。
• 微型化：封裝尺寸持續縮小（例如芯片級封裝），以適應越來越細嘅消費設備，例如可穿戴設備同超薄智能手機。
• 集成化解決方案：有趨勢朝向將 LED、驅動器、光電探測器，有時甚至微控制器集成到單一封裝中嘅模組，為終端用戶簡化設計（例如完整嘅接近感應器模組）。
• 擴展到新光譜：雖然 850nm 同 940nm 佔主導地位，但對於專業應用（例如氣體感應（使用特定吸收線）或增強生物組織成像），對其他紅外波長嘅興趣日益增長。
• 改進熱管理：具有更低熱阻嘅新封裝設計允許喺苛刻環境中使用更高驅動電流同維持輸出。

呢啲趨勢旨在使紅外感應更加可靠、緊湊、節能，並適用於更廣泛嘅應用，從汽車 LiDAR 同生物識別認證到先進嘅環境監測。