Где используются инфракрасные светодиоды?
28 13 августа 2018 (7136)
Инфракрасный (ИК) светодиод — это совсем небольшой прибор, свет которого невидим для человеческого глаза. Он работает за счет коротковолнового излучения с длиной волны от 760 до 1400 нанометров, в то время как зрение человека способно улавливать волны только до 720 нм.
Внешне ИК светодиоды ничем не отличаются от простых световых диодов видимого света. Факт их работы можно либо замерить специальным прибором, либо отследить с помощью индикатора.
Сферы применения
С инфракрасными светодиодами многие люди, сами того не замечая, сталкиваются ежедневно. Применяются они чаще всего:
— в пультах ДУ. Встроенный в них диод работает за счет инфракрасных лучей. Подобная передача импульсного сигнала активно применяется для управления бытовыми приборами, так как зарекомендовала себя как надежная и недорогая технология. Телевизоры, цифровые приставки, кондиционеры и различные медиасистемы — все они при нажатии кнопки пульта получают сигнал, который затем распознается с помощью встроенного в них фотодиода;
— в видеокамерах с ИК подсветкой. Такие устройства могут круглосуточно и независимо от погоды производить контроль охраняемой территории. Чаще всего инфракрасный светодиод либо встраивается непосредственно в камеру, либо используются в качестве инфракрасного прожектора в зоне работы видеокамеры;
— в приборах ночного видения. В данном случае инфракрасные излучающие диоды выступают в роли подсветки. Такие устройства получили распространение в военной сфере и используются, чтобы человек мог видеть отдаленные объекты в темное время суток.
Технические свойства
На схемах расположения электрических приборов инфракрасные диоды условно обозначаются аналогично обычным светодиодам. К их основным техническим характеристикам относятся:
— рабочая длинна волны. Это главное свойство всех светодиодов, которое обозначается в нанометрах (нм). Инфракрасные световые диоды работают в определенном спектре излучения, а его размеры напрямую влияют на задействованные мощности в рабочей частоте;
— номинальный прямой ток. Это среднее значение, обеспечивающее паспортные световые параметры;
— максимальный импульсный ток. Предельный ток, который светодиод может выдерживать лишь кратковременно;
— прямое напряжение, при котором сопротивление светодиода уменьшается при подаче через него прямого тока;
— обратное напряжение, при котором сопротивление возрастает, сила тока уменьшается практически до нуля и диод считается закрытым.
Поделитесь данной информацией в социальных сетях, если узнали что-то новое для себя.
ИК светодиод в предельных режимах работы
Все полупроводниковые устройства способны работать в предельных режимах.
Это давно известно и применяется на практике. Примером может служить работа транзистора в лавинном режиме или как еще говорят в режиме лавинного пробоя коллекторного перехода транзистора. Исследование этого явления привело к созданию отдельного класса транзисторов – лавинных транзисторов. Для них предельный режим стал нормальным режимом работы.
Ниже описан только пример, который показывает — светодиоды могут работать в импульсном режиме, выдавая много большую световую мощность. Эта статья призыв поэкспериментировать и найти свое приложение этого режима.
Основным условиемстабильной работы в предельном режиме является следующее правило.
Превышение предельного уровня одним из параметров не должно приводить к выходу за предельные величины всех остальных предельных параметров. При выполнении этого условия надежность полупроводникового прибора не снижается.
Эксперименты с предельными режимами часто позволяют получить новые характеристики полупроводниковых приборов. Так после исследований поведения транзисторов при повышенных напряжениях был обнаружен лавинный пробой коллекторного перехода и создан лавинный транзистор. Часто это позволяет создавать новые схемы или многократно улучшить характеристики.
Рассмотрим работу ИК светодиода в предельном режиме по току на примере AsGa светодиода типа АЛ107. Это достаточно старый светодиод с хорошими для своего времени характеристиками. Его мощность излучения тип А — 6 мВт, тип Б — 10 мВт при токе 100 мА.
Исходя из приведенного выше правила, недопустимо превышать рассеиваемую светодиодом мощность и температуру перехода.
Исходя из соотношения:
где P ср — средняя мощность рассеивания светодиода (200 мВт в нашем случае), P и – импульсная мощность на светодиоде (определяется как P и = I и х U ), Q — скважность (определяется как Q = T / t и , в нашем случае t и =10 мксек, а T — период следования), и вытекающего из него
P ср =( P и х t и )/ T
можно выбирать импульсную мощность P и и ток допустимые для данной цепи.
Поэтому исследование характеристик светодиода при повышенных токах проводятся в импульсном режиме при постоянном контроле остальных параметров.
Для области токов до 500мА получена вольтамперная характеристика исследуемого светодиода, которая имеет вид:
При подаче на светодиод прямых импульсов тока он генерирует импульсы ИК излучения, мощность которых пропорциональна этому току. Результаты приведены в таблице:
| I сд А | 0,1 | 0,5 | 1 | 5 | 10 |
| P изл. отн | 1 | 5 | 10 | 50 | <80 |
| P изл мВт | 6 | 20 | 60 | 300 | <500 |
Здесь P изл.отн = P ном / P и
При токах более 5А увеличение излучаемой мощности продолжается уже непропорционально (красный столбец). Поэтому работа при токах более 5А менее эффективна.
Светодиод АЛ107 в импульсном режиме может обеспечить мощность излучения до 300 мВт. Это позволяет применить его в устройствах, где необходимы именно высокая мощность излучения.
Практически светодиоды АЛ107 в длительном режиме при импульсе токе до 5 А, частоте повторения импульсов более 3 10 4 Гц способны длительно работать без снижения надежности. При импульсном токе 1А более десятка светодиодов работали более 5 л в условиях повышенных напряжений и электромагнитных помех.
Особенности питания ИК светодиода в импульсном режиме
Не так просто обеспечить нормальную работу светодиода в таком режиме. Для минимизации тепловыделения светодиод надо питать от источника импульсов с малым внутренним сопротивлением при этом фронт импульса накачки должен быть меньше 0,1 мкс. А при таких временах уже начинает сказываться и индуктивность цепи HL — VT — C ф, поэтому она должна быть минимальна.
Следует, упомянут о параметре, который не освещается в литературе. Это постоянная времени формирования излучения (постоянная времени светодиода). Опытным путем, она установлена при фронте импульса питания длительностью на порядок меньше постоянной времени светодиода. Она оказалась равной 0,2-0,5 мкс.
В схеме VT быстродействующий транзистор средней мощности (подбирается по параметрам тока питания светодиода). Транзистор должен иметь малое напряжение U кэ в режиме насыщения. Величина R определяется из соотношений:
F = 1/ T = 1/ 3 R ( C вч + C нч),
Величина суммарной емкости конденсаторов C нч + C вч такова, что при разрядке её на светодиод напряжение на ней не должно падать более чем на 10%, причем С вч состоит из двух керамических конденсаторов: одного емкостью до 5 мкФ и другого 0,1 мкФ, а С нч – оксидный имеющий малую индуктивность.
Здесь коммутирующий транзистор и схема управления должны обеспечить длительность фронта тока возбуждения порядка 10 — 70 нс. Это необходимо не только для повышения рабочей частота, но и для снижения рассеиваемой мощности на выходном транзисторе и светодиоде. В такой схеме транзистор может работать без радиатора.
Эти особенности распространяются и на все другие светодиоды, способные работать в импульсном режиме. Смотрите Светодиод в импульсном режиме.
Не говорите о устарелости этого материала. Действительно работа выполнена более 15 лет назад, сейчас появились импортные светодиоды с высоким уровнем излучения, но Вы не найдете ни одного светодиода такой конструкции, которая имеет множество преимуществ. Да и прочитав этот материал Вы можете исследовать новые светодиоды и применить их в этом режиме.
Обращаю Ваше внимание на резистор R ( R = E / I сд.макс), его величина определяется максимальным постоянно протекающим током Imax записанным в паспорте светодиода и он сам является защитным. В случае выхода из строя схемы управления он ограничит ток протекающий через светодиод в допустимых пределах и защитит светодиод от повреждения. Кроме того, для получения коротких фронтов, кроме быстродействующей схемы управления, необходим и малоиндуктивный монтаж цепи VT, C нч + C вч, HL .
Спасибо за интерес к материалу. Но АЛ107 это не единственное применение описанного режима, обращаю Ваше внимание что многие современные светодиоды позволяют работать в этом режиме. 9.10.2009.
Инфракрасное излучение. Применение ИК светодиодов.
Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение энергии в области спектра между красной областью видимого спектра излучения (начиная с длины волны 0,74 мкм) и микроволновым излучением (заканчивая длиной волны 1—2 мм). Инфракрасное излучение было открыто в 1800 г. английским астрономом У. Гершелем при исследовании излучения солнца. Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения подразделяют на три области:
- коротковолновая область: 0,74 — 2,5 мкм;
- средневолновая область: 2,5 — 50 мкм;
- длинноволновая область: 50-2000 мкм.
Последнее время длинноволновую часть инфракрасного излучения выделяют в отдельный, независимый диапазон электромагнитных волн — терагерцовое (субмиллиметровое) излучение.
Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры излучают энергию в инфракрасной области спектра. При этом, излучаемые длины волн зависят от температуры тела, чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких температурах (до пятисот градусов) лежит именно в этом диапазоне. При дальнейшем нагревании тела, оно начинает излучать энергию в видимой области спектра и можно увидеть сначала темно-красное, а затем яркое белое свечение.
Способность полупроводниковых материалов испускать инфракрасное излучение была впервые замечена в 1955 году Р. Браунштейном из Radio Corporation of America. Браунштейн исследовал инфракрасное излучение диодной полупроводниковой структуры на основе антимонида галлия (GaSb), арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и кремниево — германиевого сплава (SiGe) при прохождении электрического тока. В 1961 году Р.Бард и Г.Питман из компании Texas Instruments получили патент на инфракрасный полупроводниковый светодиод на базе арсенида галлия.
В 1976 году Т.Пирсэлл получил первый сверхъяркий инфракрасный светодиод для оптоволоконных телекоммуникаций, исследуя новые полупроводниковые материалы.
Инфракрасные (ИК) светодиоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления (телевизора или табло часов), системах автоматики, охранных системах и т.д. Такое применение объясняется тем, что инфракрасные излучатели не отвлекают и не привлекают внимание человека в следствие невидимости. Интересно применение инфракрасных приемопередатчиков для передачи звука.
Инфракрасные устройства применяют в промышленности для сушки лакокрасочных покрытий. Инфракрасный метод сушки имеет преимущества перед традиционным конвекционным методом. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке существенно меньше тех же показателей при традиционных методах.
Инфракрасное излучение также обладает стерилизующим эффектом, что применяется при обработке продуктов питания. преимуществом использования инфракрасного метода обработки продуктов в пищевой промышленности, стала способность проникновения электромагнитного излучения в капиллярно-пористые продукты, такие как зерно, крупа, мука и т.д. на глубину до 10 мм. Величина проникновения зависит от свойств объекта воздействия и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определенного частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических процессов в продуктах. Конвейерные сушильные транспортеры с успехом используются в зернохранилищах и в мукомольной промышленности.
Инфракрасное излучение применяется в медицинских целях. Некоторые исследования позволяют считать, что неинтенсивное инфракрасное излучение повышает кровоток, усиливать обмен веществ.
Инфракрасное излучение используется в детекторах валют, в датчиках пожарной сигнализации, в телекоммуникациях.
Пятьдесят оттенков инфракрасного
Не знаю как вам, а мне всегда было интересно: как выглядел бы мир, если бы цветовые каналы RGB в глазу человека были чувствительны к другому диапазону длин волн? Порывшись по сусекам, я обнаружил инфракрасные фонарики (850 и 940нм), комплект ИК фильтров (680-1050нм), черно-белую цифровую камеру (без фильтров вообще), 3 объектива (4мм, 6мм и 50мм) расчитанные на фотография в ИК свете. Что-ж, попробуем посмотреть.
На тему ИК фотографии с удалением ИК фильтра на хабре уже писали — на этот раз у нас будет больше возможностей. Также фотографии с другими длинами волн в каналах RGB (чаще всего с захватом ИК области) — можно увидеть в постах с Марса и о космосе в целом.
Это фонарики с ИК диодами: 2 левых на 850нм, правый — на 940нм. Глаз видит слабое свечение на 840нм, правый — только в полной темноте. Для ИК камеры они ослепительны. Глаз похоже сохраняет микроскопическую чувствительность к ближнему ИК + излучение светодиода идет с меньшей интенсивностью и на более коротких (=более видимых) длинах волн. Естественно, с мощными ИК светодиодами нужно быть аккуратным — при везении можно незаметно получить ожег сетчатки (как и от ИК лазеров) — спасает лишь то, что глаз не может излучение в точку сфокусировать.
Черно-белая 5-и мегапиксельная noname USB камера — на сенсоре Aptina Mt9p031. Долго тряс китайцев на тему черно-белых камер — и один продавец наконец нашел то, что мне было нужно. В камере нет никаких фильтров вообще — можно видеть от 350нм до
1050нм. 
Объективы: этот на 4мм, еще есть на 6 и 50мм. На 4 и 6мм — рассчитанные на работу в ИК диапазоне — без этого для ИК диапазона без перефокусировки снимки получались бы не в фокусе (пример будет ниже, с обычным фотоаппаратом и ИК излучением 940нм). Оказалось, байонет C (и CS с отличающимся на 5мм рабочим отрезком) — достался нам еще от 16мм кинокамер начала века. Объективы до сих пор активно производятся — но уже для систем видеонаблюдения, в том числе и известными компаниями вроде Tamron (объектив на 4мм как раз от них: 13FM04IR). 
Фильтры: нашел опять у китайцев комплект ИК фильтров от 680 до 1050нм. Однако тест на пропускание ИК излучения дал неожиданные результаты — это похоже не полосовые фильтры (как я себе это представлял), а похоже разная «плотность» окраски — что изменяет минимальную длину волны пропускаемого света. Фильтры после 850нм оказались очень плотными, и требуют длинных выдержек. IR-Cut фильтр — наоборот, пропускает только видимый свет, понадобится нам при съемке денег.
Фильтры в видимом свете: 
Фильтры в ИК: красный и зеленый каналы — в свете 940нм фонарика, синий — 850нм. IR-Cut фильтр — отражает ИК излучение, потому у него такой веселенький цвет. 
Приступим к съемке
Панорама днем в ИК: красный канал — с фильтром на 1050нм, зеленый — 850нм, синий — 760нм. Видим, что деревья особенно хорошо отражают именно самый ближний ИК. Цветные облака и цветные пятна на земле — получились из-за движения облаков между кадрами. Отдельные кадры совмещались (если мог быть случайный сдвиг камеры) и сшивались в 1 цветную картинку в CCDStack2 — программа для обработки астрономических фотографий, где цветные снимки часто делают из нескольких кадров с различными фильтрами. 
Панорама ночью: видно отличие по цвету разных источников света: «энергоэффективные» — синие, видны только в самом ближнем ИК. Лампы накаливания — белые, светят во всем диапазоне. 
Книжная полка: практически все обычные объекты практически бесцветны в ИК. Либо черные, либо белые. Лишь некоторые краски имеют выраженный «синий» (коротковолновый ИК — 760нм) оттенок. ЖК экран игры «Ну погоди!» — в ИК диапазоне ничего не показывает (хотя работает на отражение). 
Сотовый телефон с AMOLED экраном: совершенно ничего не видно на нем в ИК, равно как и синего индикаторного светодиода на подставке. На заднем фоне — на ЖК экране также ничего не видно. Синяя краска на билете метро прозрачна в ИК — и видна антенна для RFID чипа внутри билета. 
На 400 градусах паяльник и фен — довольно ярко светятся: 
Звезды
Известно, что небо голубое из-за Рэлеевского рассеяния — соответственно в ИК диапазоне оно имеет намного мЕньшую яркость. Возможно ли увидеть звезды вечером или даже днем на фоне неба?
Фотография первой звезды вечером обычным фотоаппаратом: 
ИК камерой без фильтра: 
ИК камерой с ИК фильтром: похоже соотношение сигнал/шум по меньшей мере на порядок лучше, при статистической обработке сотен и тысяч кадров найти звезды днем может быть возможно. Съемка в ИК может быть спасением для «городской астрономии» — паразитная засветка неба городом также намного меньше. 
Еще один пример первой звезды на фоне города: 
Деньги
Первое, что приходит на ум для проверки подлинности денег — это УФ излучение. Однако купюры имеют массу спец.элементов, проявляющихся в ИК диапазоне, в том числе и видимых глазом. Об этом на хабре уже кратко писали — теперь посмотрим сами:
1000 рублей с фильтрами 760, 850 и 1050нм: лишь отдельные элементы напечатаны краской, поглощающей ИК излучение: 
5000 рублей: 
5000 рублей без фильтров, но с освещением разными длинами волн:
красный = 940нм, зеленый — 850нм, синий — 625нм (=красный свет): 
Однако инфракрасные хитрости денег на этом не заканчиваются. На купюрах есть антистоксовские метки — при освещении ИК светом 940нм они светятся в видимом диапазоне. Фотография обычным фотоаппаратом — как видим, ИК свет немного проходит через встроенный IR-Cut фильтр — но т.к. объектив не оптимизирован под ИК — изображение в фокус не попадает. Инфракрасный свет выглядит светло-сиреневым потому, что RGB фильтры Байера — прозрачны для ИК. 
Теперь, если добавить IR-Cut фильтр — мы увидим только светящиеся антистоксовские метки. Элемент выше «5000» — светится ярче всего, его видно даже при не ярком комнатном освещении и подсветке 4Вт 940нм диодом/фонариком. В этом элементе также красный люминофор — светится несколько секунд после облучения белым светом (или ИК->зеленого от антистоксовского люминофора этой же метки).
Элемент чуть правее «5000» — люминофор, светящийся зеленым некоторое время после облучения белым светом (он ИК излучения не требует). 